變壓器主保護原理的研究

施雅媛　胡金峰

【摘 要】長期以來，變壓器差動保護一直廣泛地用作變壓器的主保護，其具有原理簡單、使用純電氣量、靈敏度高、選擇性好、保護范圍明確的特點，但差動保護的正確動作率相比較線路保護和發電機保護是非常低的，究其本質是不再滿足基爾霍夫電流定律，當發生勵磁涌時保護可能誤動。為適應電力工業的發展要求，早期的學者們利用勵磁涌流固有的特征研究了很多方法來區分勵磁涌流，從上世紀八十年代開始，繼電保護工作者先后提出了磁通特性原理、等值方程和功率差動原理等保護新原理。本文通過對以上各個保護的原理、有缺點等進行分析和研究，比較和評價這幾種保護原理的性能，并展望未來變壓器保護的發展趨勢和方向。

【關鍵詞】變壓器保護；差動保護；磁通特性；等值方程；功率差動

0.引言

目前，變壓器保護是采用電流差動保護作為主保護，利用二次諧波制動原理來躲避勵磁涌流。

另外，近年來國內外保護工作者根據現場運行的總結和理論的不斷研究，先后提出了磁通特性法、等值方程法和功率差動法等變壓器主保護的新思路。本文在此基礎上對以上保護原理進行分析研究。

1.差動保護原理及制動原理

1.1差動保護原理

差動保護是利用基爾霍夫電流定律工作的，當變壓器正常運行或發生區外故障時，將其看作為理想變壓器，則流入變壓器的電流和流出的電流相等。差動保護不動作；當變壓器發生內部故障時，其兩端短路電流流入故障點，此時流入和流出電流不等，因此差動保護繼電器動作。如圖1所示為單相雙繞組電力變壓器差動保護的原理接線圖。

對于電流互感器飽和帶來差電流的誤差，人們提出了變斜率的差動保護判據。圖2中的虛線就是當差電流大到一定的程度時，采用更大的斜率實行保護制動。

1.2二次諧波制動原理

二次諧波制動原理就是根據勵磁涌流中的二次諧波含量比短路電流相比所占差動電流的比例較大而提出的。二次諧波制動方法就是根據勵磁涌流中含有大量二次諧波分量的特點，當檢測到差動電流中二次諧波含量大于整定值時就將差動繼電器閉鎖，以防止勵磁涌流引起的誤動。

2.基于磁通特性的保護原理

當變壓器發生勵磁涌流狀態，ψ-i曲線為變壓器的空載磁化曲線；當發生內部故障時ψ-i為一條斜率很小的直線。即，根據實際情況下ψ-i曲線的形狀來判斷是發生勵磁涌流情況還是內部故障情況。具體的如圖3所示。

由以上原理分析可以看出，基于磁通特性的保護原理的優點是原理簡單、計算量小、數據采集方便，目前的主要的問題在于門檻值整定困難且由于難以界定制動量的大小，保護判據存在一定的模糊性。

3.基于等值方程的保護原理

基于等值方程的保護原的優點是不受勵磁涌流的影響，原理簡單、數據采集方便、判據清楚，但是目前存在的問題是：繞組參數無法準確獲取，因為基于等值方程原理是建立在正確建立變壓器模型和準確獲取繞組參數基礎上，繞組參數無法準確獲取對該方法的影響是是十分嚴重的；另外，保護方案整定困難也是其難以實現實際應用的另一個問題。

4.基于功率差動的保護原理

功率差動保護原理的理論依據是能量守恒定律，通過計算變壓器的有功損耗來判別變壓器運行狀態。當變壓器正常運行時，由于變壓器的損耗主要是銅耗及鐵耗且此時非常低，因此消耗的有功功率很小；而當發生勵磁涌流時，雖然瞬時功率隨著勵磁電流的激增會較大但是其在一段時間內的平均有功功率仍然較小；當變壓器發生內部故障時，變壓器將消耗大量的有功功率，因此可以根據變壓器消耗的有功功率的大小來判斷是否發生故障。

基于功率差動的保護原理的優點是利用能量守恒原理來區別勵磁涌流和故障電流帶來的影響，可以擺脫勵磁涌流對保護的影響。但是由于繞組存在儲能，當發生勵磁涌流時需要延時至少一個周期來判別，因此保護速動性降低。另外，對于內部繞組發生小匝數的匝間故障時存在死區，由于勵磁涌流時銅耗、鐵耗難以準確計算，因此整定較困難。

5.結論

本文通過對以上幾種變壓器保護原理的分析研究得到以下結論：

（1）利用波形特征作為識別勵磁涌流的依據并不能從根本上解決差動電流保護誤動的問題。

（2）對于基于磁通特性的保護原理，其優點在于原理簡單、數據采集方便，目前的主要的問題在于門檻值整定困難且保護判據存在一定的模糊性。

（3）對于基于等值方程的保護原理，其優點在于不受勵磁涌流的影響，原理簡單、數據采集方便、判據清楚，但是目前存在的問題是：繞組參數無法準確獲取；另外，保護方案整定困難也是其難以實現實際應用的另一個問題。

（4）對于基于功率差動的保護原理，其優點在于彌補了差動保護原理的不足，但是保護速動性降低。另外整定較困難。

從以上結論可以看出，目前變壓器繼電保護的研究方向主要由兩個方面組成，其一就是通過對勵磁涌流的識別來實現制動；其二就是通過研究新的保護原理來解決發生勵磁涌流后保護的誤動問題。筆者認為，第一種方法不能從根本上解決勵磁涌流的識別問題。而對于新原理研究，雖然目前還有許多問題和困難，如門檻值整定困難，CT、PT的影響等，但是由于其從本質上不受勵磁涌流的影響，因此是日后變壓器保護開發和研究的趨勢和方向。 [科]

【參考文獻】

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