縱差保護在電力變壓器中的應用

石 凱 郝鳳霞

（內蒙古北方聯合電力公司海勃灣發電廠，內蒙古 烏海 016000）

電力變壓器是電力系統中十分重要的供電元件，它的故障將對供電可靠性和系統的正常運行帶來嚴重的影響。同時大容量的電力變壓器也是十分貴重的元件。因此合理的配置變壓器的保護裝置對于變壓器安全、可靠的運行是十分重要的。

1 變壓器縱差保護基本原理

變壓器具有兩個或更多個電壓等級，構成縱差保護所用電流互感器的額定參數各不相同，由此產生的縱差保護不平衡電流將比發電機的大得多，縱差保護是利用比較被保護元件各端電流的幅值和相位的原理構成的，根據KCL基本定理，當被保護設備無故障時恒有各流入電流之和必等于各流出電流之和。

當被保護設備內部本身發生故障時，短路點成為一個新的端子，此時電流大于0，但是實際上在外部發生短路時還存在一個不平衡電流。事實上，外部發生短路故障時，因為外部短路電流大，非凡是暫態過程中含有非周期分量電流，使電流互感器的勵磁電流急劇增大，而呈飽和狀態使得變壓器兩側互感器的傳變特性很難保持一致，而出現較大的不平衡電流。因此采用帶制動特性的原理，外部短路電流越大，制動電流也越大，繼電器能夠可靠制動。

另外，由于縱差保護的構成原理是基于比較變壓器各側電流的大小和相位，受變壓器各側電流互感器以及諸多因素影響，變壓器在正常運行和外部故障時，其動差保護回路中有不平衡電流，使縱差保護處于不利的工作條件下。為保證變壓器縱差保護的正確靈敏動作，必須對其回路中的不平衡電流進行分析，找出產生的原因，采取措施予以消除。

2 不平衡電流產生的原因

2.1 勵磁涌流的影響

變壓器在正常運行時，它的勵磁電流只流過變壓器的電源測，因此，通過電流互感器反映到差動回路中就不能被平衡。在正常情況下，變壓器勵磁電流不過為變壓器額定電流的2%～3%；在外部故障時，由于電壓降低，勵磁電流也相應減少，其影響就更小。在實際整定時可以不必考慮。

但是，在變壓器空載投入和外部故障切除后電壓恢復時，則可能產生數值很大的勵磁涌流，其數值可達變壓器額定電流的6～8倍。勵磁涌流中含有大量的非周期分量和高次諧波分量。勵磁涌流的大小與合閘瞬間外加電壓的相位，鐵芯中剩磁的大小和方向以及鐵芯的特性有關。若正好在電壓最大值時合閘，則不會出現勵磁涌流，而只有正常時的電流。但對于三相變壓器而言，由于三相電壓相位不同，無論在任何瞬間合閘，至少有兩相要出現程度不同的勵磁涌流。勵磁涌流可分解成各次諧波，以二次諧波為主，同時在勵磁涌流波形中還會出現間斷角。

2.2 繞組連接方式不同的影響

變壓器各側繞組的連接方式不同，如雙繞組變壓器采用Y，d接線，三繞組變壓器采用Y，y，d接線時，各側電流相位就不同。這時，即使變壓器各側電流互感器二次電流大小能相互匹配，但不調整，相位差也會在差動回路中產生很大的不平衡電流。

2.3 實際變比與計算變比不同的影響

由于電流互感器選用的是定型產品，其變比都是標準化的，很難與通過計算得出的變比相吻合，這樣就會在主變差動回路中產生不平衡電流。

2.4 改變調壓檔位引起的不平衡電流

電力系統中帶負荷調整變壓器分接頭是調節系統電壓的重要手段。改變調壓檔位實際上就是改變變壓器的變比。而差動保護已按照某一變比調整好，當分接頭改換時，就會產生一個新的不平衡電流流入差動回路。此時不可能再用重新選擇平衡線圈匝數的方法來消除這個不平衡電流，這是因為變壓器的分接頭是經常在改變，而差動保護的電流回路在帶電時是不可能進行操作的。因此，對由此產生的不平衡電流，通常是根據具體情況提高保護動作的整定值加以克服。

2.5 型號不同產生的不平衡電流

由于變壓器各側電流互感器的型號不同，它們的飽和特性和勵磁電流就不相同，因此，在差動回路中所產生的不平衡電流也就較大。

3 變壓器縱差保護中不平衡電流的克服方法

3.1 電流互感器變比產生的不平衡電流

3.1.1 采用自耦變流器進行補償。通常在變壓器一側電流互感器裝設自耦變流器，將LH輸出端接到變流器的輸入端，當改變自耦變流器的變比時，可以使變流器的輸出電流等于未裝設變流器的LH的二次電流，從而使流入差動繼電器的電流為零或接近為零。

3.1.2 利用中間變流器的平衡線圈進行磁補償。通常在中間變流器的鐵心上繞有主線圈即差動線圈，接入差動電流，另外還繞一個平衡線圈和一個二次線圈，接入二次電流較小的一側。適當選擇平衡線圈的匝數，使平衡線圈產生的磁勢能完全抵消差動線圈產生的磁勢，則在二次線圈里就不會感應電勢，因而差動繼電器中也沒有電流流過。采用這種方法時，按公式計算出的平衡線圈的匝數一般不是整數，但實際上平衡線圈只能按整數進行選擇，因此還會有一殘余的不平衡電流存在，這在進行縱差保護定值整定計算時應該予以考慮。

3.2 變壓器兩側電流相位不同而產生的不平衡電流

對于由變壓器兩側電流相位不同而產生的不平衡電流可以通過改變LH接線方式的方法來克服。對于變壓器Y形接線側，其LH采用△形接線，而變壓器△形接線側，其LH采用Y形接線，則兩側LH二次側輸出電流相位剛好同相。但當LH采用上述連接方式后，在LH接成△形側的差動一臂中，電流又增大了3倍，此時為保證在正常運行及外部故障情況下差動回路中沒有電流，就必須將該側LH的變比擴大3倍，以減小二次電流，使之與另一側的電流相等。

3.3 變壓器外部故障暫態穿越性短路電流產生的不平衡電流

在變壓器外部故障的暫態過程中，使縱差保護產生不平衡電流的主要原因是一次系統的短路電流所包含的非周期分量，為消除它對變壓器縱差保護的影響，廣泛采用具有不同特性的差動繼電器。

對于采用帶速飽和變流器的差動繼電器是克服暫態過程中非周期分量影響的有效方法之一。根據速飽和變流器的磁化曲線可以看出，周期分量很輕易通過速飽和變流器變換到二次側，而非周期分量不輕易通過速飽和變流器變換到二次側。因此，當一次線圈中通過暫態不平衡電流時，它在二次側感應的電勢很小，此時流入差動繼電器的電流很小，差動繼電器不會動作。

另外，采用具有磁力制動特性的差動繼電器。這種差動繼電器是在速飽和變流器的基礎上，增加一組制動線圈，利用外部故障時的短路電流來實現制動，使繼電器的起動電流隨制動電流的增加而增加，它能可靠地躲開變壓器外部短路時的不平衡電流，并提高變壓器內部故障時的靈敏度。因此，繼電器的啟動電流隨著制動電流的增大而增大。通過正確的定值整定，可以使繼電器的實際啟動電流不論在任何大小的外部短路電流的作用下均大于相應的不平衡電流，變壓器縱差保護能可靠躲過變壓器外部短路時的不平衡電流。

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