秦 凱

（寧夏寶立集團(tuán)鯤鵬清潔能源有限公司，寧夏 銀川 750004）

0 引言

差動保護(hù)作為變壓器的主保護(hù)，可以有效處理雙繞組、三繞組變壓器繞組內(nèi)部故障，以及引出線上所發(fā)生的其他相間短路故障，同時也可以用來保護(hù)變壓器單相匝間短路故障。但受到不同因素的影響，可能存在一定的識別故障，使差動保護(hù)出現(xiàn)誤跳閘情況，影響實(shí)際變壓器運(yùn)行狀態(tài)。為保障整體電路的穩(wěn)定運(yùn)行，應(yīng)合理排除誤跳閘故障影響因素，提高設(shè)備運(yùn)行效果。

1 變壓器的差動保護(hù)原理

差動保護(hù)是變壓器的主保護(hù)。其按照電流循環(huán)原理構(gòu)建，對變壓器進(jìn)行保護(hù)。在變壓器正常運(yùn)行和出現(xiàn)故障時，不同側(cè)面的電流出現(xiàn)變化，通過主變差動保護(hù)設(shè)備，能夠在跳閘瞬間，將故障區(qū)域與變壓器分離，從而實(shí)現(xiàn)故障切除，提高對變壓器的保護(hù)。

變壓器差動保護(hù)原理如圖1所示，以兩圈差動保護(hù)裝置為例進(jìn)行分析，在變壓器兩側(cè)安裝流變，并對其進(jìn)行控制，使其構(gòu)建為串聯(lián)結(jié)構(gòu)，并規(guī)定變壓器兩端中極性端子靠近母線一側(cè)，KA為電流繼電器，將其并聯(lián)到該回路中。在理想狀態(tài)下，流進(jìn)KA的電流為變壓器高低電流折算差，在不受故障影響的情況下，保護(hù)范圍內(nèi)出現(xiàn)短路時，其會造成電流差非零裝狀態(tài)，識別后自動進(jìn)行斷聯(lián)處理，從而保障設(shè)備的有效運(yùn)行。

變壓器在空載的情況下，由于其內(nèi)部鐵芯的作用，使得磁通方向與電壓一致，在二者磁通方向疊加過程中，會使繞組中產(chǎn)生較大的暫態(tài)電流，該電流能夠達(dá)到額定電流的8倍左右，對變壓器產(chǎn)生較大的危害。在該過程中，使用差動保護(hù)系統(tǒng)能夠?qū)﹄娏鳟a(chǎn)生的諧波和電流波特點(diǎn)進(jìn)行合理的識別分析，在識別到危險(xiǎn)隱患時控制系統(tǒng)斷開連接，起到保護(hù)變壓器的作用[1]。

以二次諧波制動原理進(jìn)行分析，變壓器繞組中的暫態(tài)電流與短路故障電流的形成原理不同，因此其內(nèi)部成分存在差異。在暫態(tài)電流中存在周期性和非周期性的分量，其中非周期分量中含有大量的二次諧波。而短路時電流中非周期分量較少。因此波形較為規(guī)律，不會產(chǎn)生畸變現(xiàn)象。在二次諧波分量過分多時，系統(tǒng)將其判定為勵磁涌流，按照其標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)相應(yīng)的系統(tǒng)保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。在實(shí)際的判斷過程中，可以使用如下公式：

其中：I1為基波振幅；I2為二次諧波振幅；K為制動系數(shù)，一般情況下，將系數(shù)范圍控制在0.15～0.2，以提高對變壓器的差動保護(hù)效果。

2 變壓器差動保護(hù)擾動因素分析

變壓器差動保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行過程中，產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)不平衡電流，該電流能夠在一定程度上優(yōu)化差動保護(hù)系統(tǒng)的運(yùn)行效果，降低誤動保護(hù)發(fā)生概率[2]。但在實(shí)際運(yùn)行中，存在移動的擾動因素，影響電流的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行質(zhì)量，進(jìn)而引發(fā)電動保護(hù)，使變電器出現(xiàn)較大的誤差和損失。造成保護(hù)擾動的根本因素主要為暫態(tài)不平衡電流的產(chǎn)生，使變壓器兩端電流無法正常躲過設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)，出現(xiàn)誤跳閘情況。

造成暫態(tài)不平衡電流擾動因素主要包括空載合閘、區(qū)外故障切除、相鄰變壓器合閘、變壓器過勵磁、電流互感器飽和等。在以上情況下產(chǎn)生不平衡電路，容易造成勵磁涌流現(xiàn)象，進(jìn)而對電壓差動保護(hù)產(chǎn)生干擾，不利于保護(hù)變壓器運(yùn)行狀態(tài)。

3 變壓器差動保護(hù)故障分析

3.1 故障案例

以某110 kV變電站為例進(jìn)行分析，其額定容量為63 MVA，連接組標(biāo)號為DY11，抗阻為7%，額定電壓為110 kV/35 kV。在35 kV一側(cè)突然發(fā)現(xiàn)跳閘現(xiàn)象，動作時間為12 ms，查看變壓器為W相，通過分析和調(diào)查，根據(jù)繼電保護(hù)器的相關(guān)記錄判斷，該跳閘斷電行為處于差動保護(hù)。造成該故障的原因可能為電壓空載或電流短路等。

3.2 故障分析

在電力中，保護(hù)裝置的實(shí)際電流變化情況見表1。在高壓側(cè)的電流相位中，其變化較為明顯，制動電流同樣存在一定的差異，與標(biāo)準(zhǔn)要求存在不符合的情況，同時W相的差異較大，由此判斷在W相中存在一定的電流故障情況，影響整體電路運(yùn)行效果。

表1 保護(hù)裝置電流變化表

通過分析故障實(shí)際情況，初步分析造成故障的具體原因：其一，變壓器內(nèi)部故障，導(dǎo)致兩端電流異常，造成差動保護(hù)跳閘。其二，W相處存在短路故障。其三，繼電器自身識別或計(jì)算失誤，出現(xiàn)跳閘保護(hù)現(xiàn)象。為識別故障情況，需要對故障問題進(jìn)行詳細(xì)分析和探究，排除干擾因素。將變壓器進(jìn)行隔離，并在其外部進(jìn)行電流和電阻檢查，分析是否存在異常。對W相一側(cè)進(jìn)行回路檢查。在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)回路出現(xiàn)短接現(xiàn)象，因此判斷為單相接地情況，產(chǎn)生較大的故障電流，超過繼電保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。公式如下：

其中：IU、IV、IW分別為高壓側(cè)U相、V相、W相電流；iU、iV、iW分別為低壓側(cè)的U相、V相、W相電流；n為額定電流比值。通過對三相電流比值進(jìn)行計(jì)算，能夠發(fā)現(xiàn)W相的差動電流差異較大，因此判斷該處存在故障情況。

對繼電器和開關(guān)柜等區(qū)域進(jìn)行詳細(xì)檢查，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域不存在問題，說明該區(qū)域不存在故障因素。

結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行深度原因探究，由于在高壓側(cè)存在接地故障，使得其產(chǎn)生的電流接近保護(hù)器的標(biāo)準(zhǔn)限度值。在該過程中，受到變壓器內(nèi)部勵磁涌流和二次諧波等因素的影響，電流變大，使變壓器中的電流不穩(wěn)定現(xiàn)象加劇，從而造成跳閘故障。

在變壓器空載時，其內(nèi)部出現(xiàn)短路，使線路中的斷路器無法有效識別，進(jìn)而難以產(chǎn)生跳閘保護(hù)現(xiàn)象，在該過程中，出現(xiàn)內(nèi)部不平衡電流，在開關(guān)柜的識別下，出現(xiàn)差動故障跳閘現(xiàn)象。

3.3 故障模擬

通過構(gòu)建相應(yīng)的電路系統(tǒng)，模擬故障的設(shè)計(jì)產(chǎn)生情況，以更好地識別故障產(chǎn)生情況，幫助有效排查和處理故障[3]。已知W相處存在故障，在模擬時，對低壓側(cè)電流進(jìn)行調(diào)整，使其達(dá)到額定電流的7.015倍，并對其二次回路狀態(tài)進(jìn)行分析，觀察變壓器保護(hù)裝置的具體變化情況。通過調(diào)整電流的方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和觀察，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與故障情況存在一致性，因此證明W相存在電流泄漏故障。

3.4 排查處理

為了解故障的具體位置，可以使用加壓排查的方式，觀察故障時U相、V相、W相接線方式，使用實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行分析，對W相電路進(jìn)行故障點(diǎn)排查。實(shí)際作業(yè)過程中，需要斷開高壓側(cè)變壓器二次回路，并利用專門的機(jī)械設(shè)備在不同端子處進(jìn)行測量，在不同壓力的情況下分別測量，計(jì)算其中的阻抗和電流情況，從而明確故障位置。

為降低故障影響，避免出現(xiàn)變壓器差動誤跳閘情況，避免再次出現(xiàn)類似故障，應(yīng)做到以下幾點(diǎn)：其一，應(yīng)加強(qiáng)對差流數(shù)值變化的重視，部分未達(dá)到限定標(biāo)準(zhǔn)時，同樣存在一定的突發(fā)性，因此需要加強(qiáng)巡視管理，及時發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)狀態(tài)。其二，應(yīng)合理優(yōu)化接線盒，避免內(nèi)部電路過于緊繃或出現(xiàn)交叉等情況。其三，加強(qiáng)對變電器二次繞組接線的檢查，避免出現(xiàn)短路現(xiàn)象，保障整體線路的正常運(yùn)行。

4 常見變壓器差動保護(hù)防范措施

4.1 不平衡電流故障及防范

在理想狀態(tài)下，變壓器差動保護(hù)過程中不同側(cè)的電流與變電器兩端電流相同，不存在誤差，因此不會產(chǎn)生誤跳閘等不良情況。但實(shí)際上，變電器運(yùn)行過程中存在二次諧波和勵磁電流等情況，同時不同變電器兩側(cè)的電流受到其規(guī)格型號的影響，容易產(chǎn)生一定的差異，給電力保護(hù)裝置的檢測和計(jì)算分析等過程帶來較大的難度，進(jìn)而使變壓器在差動保護(hù)過程中存在一定的不平衡電流，容易引發(fā)誤跳閘等故障，不利于保障電路的正常運(yùn)行。

為加大對不平衡電流引發(fā)故障的防范和控制，應(yīng)詳細(xì)探究造成不平衡電流的影響因素。以變壓器CT型號差異為例進(jìn)行分析，在變壓器回路中連接電流互感器及電壓保護(hù)裝置，保護(hù)裝置受到軟件控制，在故障時能夠自動控制跳閘。通過電流互感器識別電流的合計(jì)變化情況，觀察是否達(dá)成平衡狀態(tài)。一般情況下，在電流向量的合計(jì)為0時，表示電路處于平衡狀態(tài)，但受到各種因素的影響，難以完全消除差流情況，使不平衡電路現(xiàn)象較為常見。為降低其不平衡影響，提高防誤跳閘的效果，可在實(shí)際的計(jì)算過程中增加一定的額定一次電力，利用該電流平衡二次電流，生成保護(hù)邏輯程序。利用電流變化情況得到平衡系數(shù)，在計(jì)算式增加對平衡系數(shù)的應(yīng)用，使差動保護(hù)裝置的運(yùn)行準(zhǔn)確性得到提升，降低誤跳概率。

4.2 變壓器保護(hù)帶負(fù)荷故障防范

在測量帶負(fù)荷電流回路向量時，為保障電流的準(zhǔn)確性，需接入變壓器保護(hù)裝置，以保障二次回路的準(zhǔn)確性，避免出現(xiàn)故障影響。為提高實(shí)際的故障防范效果，應(yīng)在變壓器差動保護(hù)安裝后進(jìn)行詳細(xì)驗(yàn)證，分析其不同功能下的實(shí)際變化情況。相關(guān)人員可以使用專業(yè)設(shè)備測量電壓和電流的變化情況，并分析裝置的繞組接線方式及其效果，進(jìn)一步保障整體裝置的精準(zhǔn)性。

在調(diào)整變壓器接線繞組時，需要結(jié)合實(shí)際的電壓情況進(jìn)行測試，分析差動保護(hù)帶負(fù)荷向量變化情況，縮小向量變化幅度，從而提高電流平衡效果。以110/59 kV電壓為例進(jìn)行分析，在其中輸入鉗形相位表，并對繞組進(jìn)行調(diào)整，測量其幅值和相位變化情況，了解不同繞組情況下的實(shí)際變化情況（見表2）。

表2 不同繞組下幅值和相位的變化情況

通過表2分析可知，在電力繞組變化后，其產(chǎn)生的幅值和相位出現(xiàn)變化，通過調(diào)整相位差等影響因素，有效降低不平衡電力影響，提高差動保護(hù)裝置的精準(zhǔn)度，從而保障變壓器的穩(wěn)定運(yùn)行。

4.3 系數(shù)形態(tài)梯度奇異熵保護(hù)方案

在變壓器差動保護(hù)裝置受到擾動電力的影響時，其中的電流波形出現(xiàn)變化，與正常狀態(tài)下的波形存在一定的差異。例如，在電流互感器不飽和的情況下，其中存在的擾動差動電流和故障差動電流之間存在一定的梯度變化。在電流互感器飽和狀態(tài)下，差動電流中的奇異熵處于較高水平，并且會引發(fā)故障電流出現(xiàn)增熵情況，在出現(xiàn)熵增幅度過大時，會對電流互感器的識別精準(zhǔn)性產(chǎn)生影響，使故障識別效率下降。因此，在對變壓器差動保護(hù)的過程中，應(yīng)基于稀疏形態(tài)的梯度奇異熵進(jìn)行識別和調(diào)整，提高識別靈敏度，優(yōu)化保護(hù)效果。

在保護(hù)方案設(shè)定時，應(yīng)明確變壓器差動保護(hù)裝置的參數(shù)和限值，在對熵值達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)后進(jìn)行識別和分析，以提高判斷的精準(zhǔn)性。參數(shù)設(shè)置完畢后，需要在奇異熵計(jì)算的基礎(chǔ)上，對方案的性能進(jìn)行測試和分析，確保該分析和識別方法具有相應(yīng)的精準(zhǔn)性。鋼構(gòu)件典型案例中，要檢測擾動和故障情況下的運(yùn)行數(shù)據(jù)，并在系數(shù)形態(tài)梯度奇異熵基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和分析，得到相應(yīng)的電流變化情況，判斷電流的屬性，從而提高識別效果。

5 結(jié)語

在變壓器差動保護(hù)裝置運(yùn)行過程中，受到擾動因素的影響，可能出現(xiàn)誤跳閘的情況，給變壓器的正常運(yùn)行帶來較大的不良影響。為確保變電站的穩(wěn)定運(yùn)行，應(yīng)加強(qiáng)對其中擾動因素的分析和控制，提高對不平衡電流的調(diào)整和控制效果，降低其帶來的不良影響，同時合理控制線路連接效果，避免對保護(hù)裝置產(chǎn)生影響，并合理排查故障區(qū)域，提高優(yōu)化效率。