淺析電力變壓器差動保護不平衡電流產生原因及抑制方法

侯偉東

【摘要】電力變壓器微機保護通常由電流縱聯差動保護與瓦斯保護作為主保護，其最關鍵也是最困難的問題是如何防止變壓器不平衡電流所導致的差動保護誤動作。但差動保護應用于變壓器時，效果并不是很理想。

【關鍵詞】變壓器;不平衡電流;相位補償

一、引言

電力變壓器在電力系統中是十分重要的電氣設備。電力變壓器微機保護通常由電流縱聯差動保護與瓦斯保護作為主保護，而過電流或復合電壓啟動的過電流保護、過負荷保護、零序過流保護、過激磁保護等構成其后備保護。瓦斯保護可以反映變壓器油箱內部的相間或匝間短路故障，是一種非電量保護，其動作時間一般晚于差動保護。差動保護是作為變壓器相間、匝間和接地短路故障的保護，它是變壓器的一種重要的保護形式。

二、變壓器差動保護的基本原理及研究的主要內容

差動保護裝置，可用來保護變壓器線圈內部及其引出線上發生的相間短路和接在大電流接地電網上變壓器的單相接地故障。為了實現上述保護功能，電力變壓器的高低壓線路兩側都裝設電流互感器。由于變壓器具有兩個或更多個電壓等級，因此，為了保證差動保護的正確工作，就須適當選擇兩側電流互感器的變比。

差動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，根據基爾霍夫電流定律，當被保護設備無故障時：恒有=0，即各結點流入電流值之和必等于各結點流出電流之和，其中為流向被保護設備各端子的電流;當被保護設備內部發生故障時，短路點成為一個新的端子，此時有>0，但是實際上在外部發生短路時還存在一個不平衡電流，所以差動保護的動作判據應改寫為：>

差動保護一直以來都是電力變壓器的主保護，其最關鍵也是最困難的問題是如何防止變壓器不平衡電流所導致的差動保護誤動作。但差動保護應用于變壓器時，效果并不是很理想。這是因為差動保護的理論依據是基爾霍夫電流定律，所以對純電路設備如發電機、線路等的差動保護無懈擊，但對變壓器而言，其內部是通過磁路耦合來聯系的，并不是純電路結構，因此基爾霍夫電流定理本質上已不再適用，變壓器的勵磁電流成了差動保護不平衡電流的一種來源。然而，變壓器正常運行時，其勵磁電流一般為額定電流的2%～5%，可以忽略不計，通過整定適當的門檻值，差動保護就可以準確區分變壓器的內部故障與外部故障。但是當變壓器空載投入和外部故障切除后電壓恢復時，則可能出現數值很大的勵磁涌流。其數值最大可達額定電流的6～8倍，同時包含有大量的非周期分量和高次諧波分量。因此，進一步研究變壓器差動保護的誤動機理，探索快速、準確的區分變壓器勵磁涌流和內部故障電流的新方法以提高變壓器差動保護的性能，是十分必要的。通過對電力變壓器差動保護電路進行分析，找出常見的不平衡電流產生的原因，并提出了一些措施，提高變壓器差動保護的正確動作率，確保變壓器的安全穩定運行。變壓器差動保護中，解決涌流制動問題是一個關鍵。

三、差動保護中不平衡電流產生的原因

由于差動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，其差動回路中有不平衡電流，使差動保護處于不利的工作條件下。為保證變壓器差動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，找出原因，采取措施予以消除。

不平衡電流的產生原因有穩態和暫態兩方面：

1.穩態情況下的主要的不平衡電流

電力系統中常采用Y/△—11（即Y，d11）接線方式，因此，變壓器兩側的相位差為30°，如果兩側電流互感器采用相同的接線方式，即使兩側電流數值相等，也會產生2I1sin15°的不平衡電流。因此，必須補償由于兩側電流相位不同而引起的不平衡電流。具體方法是將Y/△—11接線的變壓器星形接線側的電流互感器二次側接成三角形接線，三角形接線側的電流互感器二次側接成星形接線，這樣可以使兩側電流互感器二次連接臂上的電流IAB2和Iab2相位一致，按該方法接線進行相位補償后，高壓側保護臂中電流比該側互感器二次側電流大倍，為使正常負荷時兩側保護臂中電流接近相等，故高壓側電流互感器變比應增大倍。

在實際接線中，必須嚴格注意變壓器與兩側電流互感器的極性要求，為防止發生差動繼電器的電流回路相互接錯，極性接反現象，在變壓器的差動保護投入之前要做接線檢查，在運行后，如測量不平衡電流值過大不合理時，應在變壓器帶負載時測量互感器一、二次側電流相位關系以判別接線是否正確。

2.暫態情況下的主要的不平衡電流

暫態情況下的不平衡電流是由變壓器勵磁涌流產生的，變壓器的勵磁電流僅流經變壓器接通電源的某一側，對差動回路來說，勵磁電流的存在就相當于變壓器內部故障時的短路電流。因此，它必然給縱差保護的正確動作帶來不利影響。正常情況下，變壓器的勵磁電流很小，故縱差保護回路的不平衡電流也很小。在外部短路時，由于系統電壓降低，勵磁電流也將減小。因此，在正常運行和外部短路時勵磁電流對縱差保護的影響常常可以忽略不計。但是，在電壓突然增加的特殊情況下，比如變壓器在空載投入和外部故障切除后恢復供電的情況下，則可能出現很大的勵磁電流，這種暫態過程中出現的變壓器勵磁電流通常稱勵磁涌流。變壓器的勵磁涌流就是一種暫態電流，對差動保護回路不平衡電流的影響更大。

四、減少不平衡電流的措施

1.采用適當的接線進行相位補償法

由于變壓器常采用Y/△—11的接線方式，因此，其兩側電流相位差為30o。為了消除這種不平衡電流的影響，通常都是將變壓器星形側的三個電流互感器接成三角形，而將變壓器三角形側的三個電流互感器接成星形，并適當考慮聯接方式后即可把二次電流的相位校正過來。

但是電路互感器采用上述聯接方式后，在互感器接成△側的差動一臂中，電流又增大倍。此時為保證正常運行及外部故障情況下差動回路中應沒有電流，就必須將該側電流互感器的變比加大倍，以減小二次電流，使之與另一側的電流相等，故此時選擇變比的條件。

2.利用小波變換后的奇異性進行判別

間斷角是勵磁涌流波形具有的特性之一，在間斷角的起止時刻，都可近似看作邊緣跳躍，根據信號奇異性檢測原理的分析，若采用合適的小波對這樣的信號作小波變換，信號的邊全繃t躍點在對應同一位置的所有尺度上（2′），都產生相應的模極大值，而且這些模極大值在相鄰的尺度上保持相同的符號，由小尺度（S=2′小）到大尺度（S=2′大）遞增。而內部故障電流信號的波形連續，畸變較小，因而小波變換的系數也較平滑，表現為奇異性較小。根據信號在小波變換后表現出的奇異性差異，可以用來區別故障電流和勵磁涌流。

另外利用小波變換的奇異性檢測方法，還可以精確測量勵磁涌流的間斷角。間斷角處電流的特點是絕對值非常小（接近于零），而A/D轉換芯片剛好在零點附近轉換誤差最大。顯然，造成A/D在零點附近誤差較大的原因是隨機噪聲干擾。對于像間斷角測量這類暫態信號，相關法、平滑法和相干時間平均法等除噪技術均無效，即使采用較大計算量的最小平方濾波，也只能保證總體信噪比的提高，難以減小過零處的誤差，而這些點對間斷角的測量是最有意義的。熱噪聲是任何實際系統無法避免的隨機干擾，服從高斯分布。當信號較弱時噪聲甚至可以把信號淹沒，從而產生較大的測量誤差。但在小波變換下的高斯白噪聲的模極大值與信號小波變換的模極大值，隨尺度增長有截然不同的性質。當按因子2增加時，高斯白噪聲小波變換模極大值的個數，按1/2的平均速率減少。根據噪聲模極大值跨尺度減少的特性，通過去掉噪聲對應的模極大值，可以有效地消除干擾，較準確地確定突變點的位置。

五、總結

本文分析介紹了變壓器差動保護的原理，指出運用差動保護的難點在于如何準確區分勵磁涌流與故障電流。介紹了不平衡電流的產生并淺析了抑制方法。

大型變壓器的出現既為保護增加了難度，同時又對差動保護提出了更高的要求。要從原理上和實現中同時解決變壓器繼電保護的問題，才能保證變壓器安全穩定的運行。

參考文獻

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