變壓器主保護原理及其影響因素分析

吳欣城

(廣西電網公司靈山供電公司，廣西 靈山 535400)

1 引言

電力系統是由發電、輸電、配電和用電等各個環節相連組成，電能的發出和使用必須在同一時刻完成并且保持平衡，中間不能有緩沖、存儲等環節。電力變壓器在電能的輸送環節中起到決定性的作用。1882年電燈開始應用之后，如何輸送電能稱為一個科學家爭論的焦點。以愛迪生為首的愛迪生公司極力推行直流輸電，但發明家尼克拉·特斯拉去提出交流輸電，其基本思想是讓出廠電壓升得很高，經過遠距離輸送后在用戶端再降下來，在當時這一輸電方式雖然具有損耗小、能遠距離輸送等絕對性的優勢，但因愛迪生的極力阻擾，發展趨勢很緩慢。直到后來社會的發展直流輸電不能滿足人們的需要，交流輸電才逐步取代直流輸電。近年來電力電子技術發展迅速，直流輸電又逐漸出現在電力系統中。

遠距離交流輸電的關鍵設備是變壓器，其主要作用是改變交流電能的電壓、電流大小。電網的損耗主要受電流和阻抗的大小影響，電流和阻抗越大損耗就越大，因此在輸電線路阻抗一定時，要盡量減少輸電的電流。在輸送電能功率恒定是，要減少電流就要升高電能的電壓，因此以變壓器升壓進行遠距離輸電具有減少損耗、提高經濟性的作用。電力變壓器的制造工藝復雜、材料昂貴，因此變壓器的成本很高，在電力系統中，往往都配備多套繼電保護來防止損壞變壓器。變壓器保護有主保護和后備保護，主保護主要有縱差保護等。

2 縱差保護原理分析

縱差保護的動作判據是將兩個或者多個電流的差值進行比較，如果差值大于整定值則動作于跳閘，原理簡單且實現方便。其優點是不必跟其他保護元件配合使用，且可以正確區分變壓器內部和外部故障，內部故障時可以快速動作切除故障，外部故障時則根據相應的要求動作或不動作，在大型變壓器中被廣泛地用作主保護。

以雙繞組單相變壓器為例，變壓器的縱差保護原理圖如圖1所示。圖中，向量分別是變壓器一次側和二次側的電流則為電流互感器的感應電流;KD為差動繼電器。內部故障時如圖1(a)所示，此時變壓器一次側和二次側的電流方向都由母線流向變壓器，因此電流互感器的感應電流動從同名端流出，流入差動繼電器KD的差動電流可以表示為:

如果整定KD的動作電流為Iset，則只要滿足條件Ir≥Iset，即流入KD的電流大于或等于動作電流，KD就會動作使繼電器動作于跳閘。內部故障時的相位角基本相同，因此流入KD的電流值很大，很容易滿足跳閘條件。整個動作過程沒有延時環節，速度快，內部故障只要差動電流大于整定值，就立即動作跳閘，起到很好的保護作用。

變壓器正常運行或外部故障時如圖1(b)所示，此時變壓器一次側的電流由母線流向變壓器，二次側的電流由變壓器流向母線，因此流過變壓器一、二次側的電流方向相反。而電流互感器的感應電流方向也相反，一次側由同名端流出，二次側由同名端流入，因此流入差動繼電器的電流為零，繼電器不會動作。

圖1 正常運行或者外部故障時圖

3 變壓器差動保護不平衡電流的產生

在理想的情況下，沒有電流流入差動繼電器，但在實際的變壓器保護中，很多因素都會導致流入差動繼電器的電流不為零，即產生不平衡電流，因此差動繼電器的動作電流不能整定為零。而要按躲過最大不平衡電流整定。

3.1 計算變比與實際變比不一致產生的不平衡電流

電流互感器的變比是根據生產廠家的標準定的，并不是什么數值的變比都能選擇，而變壓器也有其自身的變比標準，因此并不一定可以選擇到合適的變比使其不產生不平衡電流。假設變壓器變比為nT，變壓器一、二次側對應的電流互感器的變比分別為nTA1、nTA2，則(1)式可表示為:

如果在選擇互感器和變壓器變比時不滿足:

如果外部故障時流入變壓器的穿越電流為Ik，則流過差動繼電器的不平衡電流可以表示為:

由式(5)可見，互感器與變壓器的變比相差越大，比差系數就越大，外部故障時不平衡電流也就越大。因此在選擇互感器與變壓器變比時應盡量使其相同或相接近。

3.2 調節變壓器分接頭產生的不平衡電流

電力系統經常會受到各種各樣的擾動而使電壓偏高或偏低，調節變壓器分接頭是調節電壓的一種手段。變壓器的分接頭有多個等級可供調節，一般有±2.5%和±5%等。調節變壓器分接頭實際上改變了變壓器的變比，但互感器的變比在變壓器沒有進行調節時就已選定，并不能根據實際運行需要進行調整，因此調節變壓器的分接頭后，互感器的變比與變壓器的變比更不匹配，更容易產生不平衡電流。令調節變壓器分接頭產生的電壓變化量為ΔU，一般認為是變壓器調整幅度的一半，則調節變壓器分接頭產生的不平衡電流可表示為:

3.3 變壓器勵磁電流產生的不平衡電流

單相變壓器的T型等值電路如圖2所示。

圖2 雙繞組單相變壓器等效電路圖

Lμ為勵磁電感，Lμ支路為變壓器勵磁支路。由圖可見，勵磁支路本身就可以認為是變壓器內部的故障支路，有勵磁電流Iμ流過，此時流入差動繼電器的不平衡電流可以表示為:

在正常運行或者外部故障時，變壓器的鐵芯不會處于飽和狀態，此時勵磁電感很大，勵磁電流也就很小，一般都小于額定值的2% ～5%，不會對繼電保護產生太大的影響。但是在變壓器空載投入運行或者外部故障消除后系統電壓上升的過程中，變壓器的電壓會有一個突變過程，從很小的電壓突然升高到正常的電壓。變壓器電壓的突變有可能使變壓器鐵芯過度飽和，勵磁電感瞬時變得很小，有很大的勵磁電流流過勵磁支路，因此就會產生很大的不平衡電流流入差動繼電器，這時的勵磁電流稱為勵磁涌流。

勵磁涌流一般可達到正常電流的幾倍，差動繼電器按這個值來整定動作電流，則靈敏度很小，因此在實際中一般用其他的方法來區別勵磁涌流，如果區別出是勵磁涌流，則繼電保護閉鎖。

3.4 互感器傳變誤差產生的不平衡電流

互感器的勵磁電流就是互感器的傳變誤差，變壓器兩側的電流互感器的勵磁電流為和，則互感器傳變誤差產生的不平衡電流可以表示為:

實際上，電流互感器傳變誤差產生的不平衡電流就是互感器勵磁電流之差。和的相角差一般小于90°，因此不平衡電流小于兩個互感器的勵磁電流。如果選擇兩個相同的互感器，因參數引起的不平衡電流就更小。與變壓器相同，互感器也存在鐵芯飽和問題，如果互感器鐵芯處于飽和狀態，勵磁電感就變小，則勵磁電流變大。如果只有其中一個互感器的鐵芯飽和而另一個不變，不平衡電流就會變大。

4 減小不平衡電流的主要措施

變壓器和電流互感器的原理和物理機構等因素不可避免地會產生不平衡電流流入差動繼電器，有效地減少或消除不平衡電流是提高差動保護可靠性的前提。根據產生不平衡電流的具體因素，可以采取不同的措施抑制不平衡電流。如計算變比與實際變比不一致產生的不平衡電流，可以對其進行補償，補償電流與不平衡電流流入差動繼電器后相互抵消;電流互感器的型號不同會產生不平衡電流，因此要盡量選取相同或相近型號的電流互感器;勵磁涌流的特點是有間斷性，可以利用這個特點區別勵磁涌流和故障電流，進行勵磁涌流保護閉鎖。

5 結語

電力變壓器是高壓交流輸電的主要變電設備，制造復雜且價格昂貴，有效保障變壓器安全運行可以提高電力系統的供電可靠性和經濟性。縱差保護作為變壓器主保護，具有原理簡單、容易實現等優點，但也會受到不平衡電流因素的影響，使縱差保護的可靠性降低。根據不平衡電流產生的原理，可以采取不同的措施減少或消除不平衡電流，進一步提高縱差保護的可靠性。隨著輸電電壓等級的不斷提高，變壓器保護的研究更加具有必要性和緊迫性。

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