淺析主變壓器差動保護

張仁舉

摘 要：主變壓器差動保護作為主變壓器線圈、引出線相間短路、引出線接地短路以及線圈匝間短路的主保護，保護動作于全停方式。本文主要分析了造成差動保護誤動作的因素、造成差動保護拒動作的因素、勵磁涌流及其制動措施以及防止差動保護誤動作、差動保護拒動作、防止變壓器過勵磁時誤動的措施。

1 引言

1.1 變壓器差動保護范圍

變壓器差動保護的保護范圍，是變壓器各側的電流互感器之間的一次連接部

分，主要反應以下故障：

（1）變壓器引出線及內部繞組線圈的相間短路。（2）變壓器繞組嚴重的匝間短路故障。（3）大電流接地系統中，線圈及引出線的接地故障。（4）變壓器CT故障。

1.2 差動保護動作跳閘原因

（1）主變壓器及其套管引出線發生短路故障。（2）保護二次線發生故障。（3）電流互感器短路或開路。（4）主變壓器內部故障。（5）保護裝置誤動

由于變壓器內部結構、運行方式，電量特征均有其特點，產生了一系列特有的技術問題，其差動保護接線圖在構成上見圖1。

2 可能造成差動保護誤動作的因素

變壓器差動保護兩側電流互感器的電壓等級、變比、容量以及鐵芯和特性不一致，使差動回路的穩態和暫態不平衡電流都可能比較大。

正常運行時的勵磁電流將作為變壓器差動保護不平衡電流的一種來源，特別是當變壓器過勵磁運行時，勵磁電流可達變壓器額定電流的水平。

空載變壓器突然合閘時，或者變壓器外部短路切除而變壓器端電壓突然恢復時，暫態勵磁電流的大小可達額定電流的6～8倍，可與短路電流相比擬。

在中性點直接接地系統中，其中一臺中性點接地變壓器空載合閘時出現勵磁涌流，與此同時，并聯運行的其它中性點接地變壓器中也將出現浪涌電流，這個電流被稱之為“和應涌流”，和應涌流通過變壓器的接地中性點構成回路，這個電流只在變壓器的一側流通。大容量變壓器空載合閘的暫態過程持續期長，和應涌流緩慢增長，其它運行變壓器的差動保護有可能在其合閘較長時間之后，由于和應涌流造成誤動作。正常運行中的變壓器，根據運行要求，需要調節分接頭，這又將增大變壓器差動保護的不平衡電流。

3 可能造成差動保護拒動作的因素

變壓器差動保護應能反應高、低壓繞組的匝間短路，而匝間短路時雖然短路環中電流很大，但流入差動保護的電流可能不大。變壓器差動保護還應能反應高壓側（中性點直接接地系統）經高阻接地的單相短路，此時故障電流也較小。

綜上所述，差動保護用于變壓器，一方面由于各種因素產生較大或很大的不平衡電流，另一方面又要求能反應具有流出電流的輕微內部短路，可見變壓器差動保護要比發電機差動保護復雜得多。

4 勵磁涌流及其制動措施

當合上斷路器給變壓器充電時，有時可以看到變壓器電流表的指針擺得很大，然后很快返回到正常的空載電流值，這個沖擊電流通常稱之為勵磁涌流。變壓器差動保護需要解決的突出問題就是既能可靠地躲過勵磁涌流，又能正確反應內部故障。在勵磁涌流中，除基波和非周期電流外，高次諧波電流以二次諧波為最大，波形出現間斷角，這個二次諧波電流是變壓器勵磁涌流的最明顯的特性，因為在其它工況下很少有偶次諧波發生，在變壓器內、外部故障的短路電流中也會出現二次諧波分量，但二次諧波分量所占比例較小，一般不會出現波形間斷。其它分量，如三次諧波、直流分量等均非勵磁涌流所獨有，在其它工況下均可能出現，所以都不適于用來做為制動。

利用勵磁涌流的波形間斷角可以構成以鑒別波形間斷角原理的變壓器差動保護，利用勵磁涌流的二次諧波分量可以構成二次諧波制動的變壓器差動保護，使之有效地躲過勵磁涌流的影響，通常對各相差流分別求取二次諧波對基波的比值，即二次諧波比來實現制動。

5 防止差動保護區外故障時，差動保護誤動的措施

和發電機差動保護一樣，為避開區外短路不平衡電流的影響，較理想的辦法就是采用比率制動。當差動保護區內短路，在電流互感器不飽和或飽和不太嚴重時，比率制動差動繼電器將靈敏快速動作。

6 防止差動保護區內故障時，諧波制動的差動保護拒動的措施

如果區內短路電流非常大，電流互感器嚴重飽和，短路電流的二次波形將發生畸變，可能出現間斷角和包括二次諧波的各種高次諧波。

對于長線或附近裝有靜止補償電容器的場合，在變壓器發生內部嚴重故障時由于諧振也會短時出現較大的衰減二次諧波電流。

對于上述兩路情況，間斷角原理和諧波制動原理的差動保護均可能拒絕動作，對于這種情況，國內外多采用高定值的差動電流速斷保護，這時不需再進行是否是勵磁涌流的判斷和制動，改由差流元件直接出口。其定值要大于空載合閘的涌流最大值。

7 防止變壓器過勵磁時誤動的措施

過電壓在120%～140%時，變壓器勵磁電流可達額定電流的10%～50%，差動保護完全可能誤動作。

變壓器過電壓時勵磁電流中三次諧波和五次諧波電流十分顯著。以五次諧波電流I5為例，當電壓達115%～120%時，五次諧波成分達到最大值（約為基波電流的I1的50%），但當過電壓更大時，五次諧波成分又明顯減小，當過電壓為140%時，五次諧波成分約為35%，如果差動保護選擇I5/I1≥35%為閉鎖判據，則可使在過電壓小于140%時差動保護不會發生誤動作，而當電壓很大（超過140%）時差動保護解除五次諧波閉鎖，使差動保護起到一部分過勵磁保護的后備作用。

作為差動保護的過勵磁誤動閉鎖判據，采用五次諧波而不用三次諧波，其原因是三次諧經常大量地出在其它場合，如內部短路時就可能出現較大的三次諧波成分。

8 結論

綜上所述，變壓器差動保護一般由二次諧波比率制動部分和差動速斷兩部分構成。二次諧波比率制動部分又包括比率制動部分和諧波制動部分。諧波制動部分包括二次諧波制動和過激磁五次諧波制動，主要是二次諧波制動。二次諧波制動用以防止變壓器的勵磁涌流導致比率差動保護誤動，當某相的二次諧波超過整體水平時，閉鎖該相的比例差動元件。過激磁五次諧波制動用以防止變壓器發生過勵磁時的勵磁電流導致比例差動保護誤動，當某相的五次諧波超過整體水平時，閉鎖該相的比例差動元件。設置獨立的差動速斷部分，是為了防止內部嚴重故障，比率制動元件可能發生拒動，這樣就解決了內部故障大電流的問題。

參考文獻

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