差動保護在電力變壓器中的應(yīng)用

1、差動保護在電力變壓器中的應(yīng)用摘 要：本文主要對變壓器差動保護的原理、變壓器勵磁涌流產(chǎn)生的機理以及防范措施、在實際生產(chǎn)運行中應(yīng)注意的問題進行闡述和深入的探討。關(guān)鍵詞：變壓器、差動保護、勵磁涌流、極性、誤動一、 概述電力變壓器是電力系統(tǒng)中的一個重要設(shè)備，它在電網(wǎng)中起著升壓、降壓和聯(lián)絡(luò)隔離的作用，因此必須給變壓器配置快速靈敏的主保護，目前我國電網(wǎng)中變壓器均配置比率制動差動保護，它和瓦斯保護一起構(gòu)成了變壓器的主保護。二、 變壓器差動保護的原理變壓器差動保護主要反應(yīng)變壓器繞組的相間短路，同時也能反應(yīng)繞組的匝間短路和星形側(cè)繞組的接地短路。1、 變壓器縱差保護的構(gòu)成原理（以雙繞組變壓器為例）現(xiàn)在變壓器均采用

2、微機型具有比率特性的差動保護，各側(cè)電流分布引入至保護裝置，由裝置進行幅值和相位的補償，計算出差動電流和制動電流，實現(xiàn)保護功能。變壓器正常運行或區(qū)外短路時，變壓器兩側(cè)的電流在理論上大小相等相位相反，差動電流為0（理論上），制動電流為穿越性電流，保護不動；變壓器內(nèi)部短路時，兩側(cè)短路電流均流入變壓器，相位相同，差動電流為短路電流，而制動電流較小,保護將靈敏動作。比率特性的差動保護具有動作電流隨著制動電流的增大而相應(yīng)的抬高，防止了區(qū)外短路時由于短路電流的增大使流入差動元件的不平衡電流增大造成的保護誤動，同時差動電流的門檻值只躲過正常運行時的不平衡電流，此電流較小，從而提高了區(qū)內(nèi)短路時的靈敏度。動作方程

3、： IDZ IZD0 IZD IZD0IDZ KZ1(IZD-IZD0)+ IDZ0 IZD0 IZD IZD1IDZ IDZ0+ KZ1(IZD-IZD0)+ KZ2(IZD-IZD1 IZD IZD1IDZ 差動電流，IDZ=I1+I2,IZD 制動電流，IZD=1/2(I1-I2)IDZ0差動電流門檻值。KZ1 第1段折線的斜率，KZ2 第2段折線的斜率，ISD 差動速斷定值。2、單相變壓器勵磁涌流產(chǎn)生的機理變壓器差動保護要考慮防勵磁涌流部分，那么勵磁涌流是怎么產(chǎn)生的呢？首先要認(rèn)識到變壓器的勵磁阻抗是可變的阻抗，在正常運行，對于大型變壓器，Ie<1%Itn(Itn為變壓器額定電流)

4、，勵磁阻抗相對于一二次繞組漏抗來說很大，當(dāng)外部系統(tǒng)短路時，電壓下降，Ie更微不足道。當(dāng)變壓器空載合閘或外部短路切除時，變壓器鐵芯磁通密度B大大增加，鐵芯嚴(yán)重飽和，勵磁電抗極度減小，勵磁電流劇增，勵磁電流最大可達到額定電流的數(shù)倍到10倍以上，可以和短路電流相比擬，該電流作為差動電流送到差動繼電器里去，差動保護必然會誤動。 勵磁涌流的產(chǎn)生是由變壓器鐵芯飽和引起的。變壓器空載合閘時，假設(shè)此時電源電壓相角為0，將產(chǎn)生一穩(wěn)態(tài)磁通（此磁通滯后電壓90°）幅值為-m,由于磁通不能突變，此時必將產(chǎn)生一暫態(tài)磁通幅值為m，（暫態(tài)磁通呈不衰減的直流性質(zhì)），考慮到變壓器還有剩磁（大小為0.7m），這三部分磁

5、通之和為2.7m，這時變壓器鐵芯嚴(yán)重飽和，必將使勵磁電流大大增加。勵磁電流的特點：（1）含有大量的非周期分量，波形不對稱且偏于時間軸一側(cè)。（2）含有大量的高次諧波，以二次諧波為主（3）波形出現(xiàn)間斷。三、 三相變壓器的勵磁涌流及差動保護的防范措施影響三相變壓器勵磁涌流波形的因素大致有：電源電壓大小和合閘初相角，系統(tǒng)等值阻抗大小和相角，變壓器三相繞組的接線方式和中性點接地方式，三相鐵芯結(jié)構(gòu)和材質(zhì)，合閘前鐵芯剩磁大小和方向。以下是差動保護幾種防止勵磁涌流誤動的方法。1、采用具有速飽和變流器的差動繼電器 我國初期搞變壓器差動保護時，往往都采用具有速飽和變流器的差動繼電器，它的原理就是利用空載合閘時的勵

6、磁涌流中直流分量流入速飽和變流器，使其快速飽和以至于交流分量不會從速飽和變流器的二次側(cè)流出，防止接在二次側(cè)的電流繼電器誤動。這種情況用在單相變壓器能夠正確反映，但實際生產(chǎn)中往往都是三相變壓器，后來經(jīng)試驗測試到，三相變壓器在空載合閘時，往往有一相勵磁電流中的直流分量很小甚至為零，此時必然會造成差動保護誤動。另外，當(dāng)變壓器內(nèi)部短路時，短路電流中也含有相當(dāng)比例的直流分量，也會造成差動保護的延緩動作甚至拒動，有人說我們在試驗時通入試驗電流時，動作時間不是很快嗎，二十幾毫秒，不要忘記了我們只是通入的純工頻電流，沒有直流分量。后來，為克服以上缺點，就把動作電流提高到額定電流以上，但保護的靈敏性沒有了。所以

7、采用具有速飽和變流器的差動繼電器作為變壓器差動保護現(xiàn)在已不再采用。2、采用二次諧波制動 這是目前我國保護廠家在變壓器差動保護中普遍采用的一種制動方式。它是利用勵磁涌流中含有二次諧波與基波的比值大于15%-20%時將差動保護閉鎖。但是變壓器空載合閘時往往三相勵磁涌流中有一相的二次諧波比例小于15%，差動保護又都是分相動作，保護要誤動。因此差動保護都采用三相或的閉鎖方式，即只要有一相勵磁涌流滿足制動條件，都將三相差動全閉鎖。這又帶來一個新的問題，假設(shè)變壓器經(jīng)過檢修后投入空載充電試驗，某相有匝間短路我們不知道，差動保護將被閉鎖，只有等待勵磁涌流衰減后差動保護才延緩動作。因此二次諧波制動的差動保護也不

8、是十全十美，也有它的不足。目前，南瑞保護在構(gòu)成保護相位補償時，采用由角側(cè)向星形側(cè)轉(zhuǎn)變，同時采用工頻變化量差動保護，可以解這一問題，二次諧波也可采用分相制動。3、間斷角原理制動變壓器內(nèi)部短路產(chǎn)生的短路電流無間斷或者說間斷角很小，而變壓器空載合閘時，勵磁涌流的波形是間斷的，間斷角一般大于60，按照差電流波形是否有間斷及間斷角的大小來區(qū)分故障電流與勵磁涌流。4、波形對稱原理 現(xiàn)在微機型變壓器縱差保護采用波形對稱算法，首先將流入差動元件的差流進行微分，濾去電流中的直流分量，使電流波形不偏移橫坐標(biāo)軸的一側(cè)，然后比較每個周期內(nèi)差電流的前半波與后半波的量值。若波形是對稱的，表明是短路電流，則開放保護；若波形

9、不對稱，表明是勵磁涌流，則閉鎖保護。四、變壓器縱差保護與發(fā)電機縱差保護的不同1、變壓器各側(cè)額定電壓和額定電流各不相等，因此各側(cè)電流互感器的型號一定不相同，而且各側(cè)三相接線方式不盡相同，所以各側(cè)相電流的相位也可能不一致，這些都會導(dǎo)致外部短路時的不平衡電流增大，所以變壓器差動保護的最大制動系數(shù)比發(fā)電機大，靈敏度相對較低。2、變壓器高壓繞組常帶有調(diào)壓分接頭，有時還要求帶負(fù)荷調(diào)節(jié)，使變壓器縱差保護已調(diào)整好平衡的二次電流又被破壞，不平衡電流增大，這將使變壓器縱差保護的最小動作電流和制動系數(shù)都要相應(yīng)加大。3、對于定子繞組的匝間短路，發(fā)電機差動保護完全不起作用。變壓器各側(cè)繞組的匝間短路，通過變壓器鐵心磁路的

10、耦合，改變了各側(cè)電流的大小和相位，使變壓器差動保護對匝間短路有作用（匝間短路可看成為變壓器又增加了一個新的繞組）。4、變壓器差動保護范圍除包括各側(cè)繞組外，還包含變壓器的鐵心，即變壓器差動保護區(qū)內(nèi)不僅有電路還有磁路。這就違反了縱差保護的理論基礎(chǔ)基爾霍夫電流定律。5、無論是發(fā)電機差動保護還是變壓器差動保護對繞組開焊故障都不反映，發(fā)電機差動保護還好理解，而變壓器差動保護就不好理解，從定性方面來說，繞組開焊必然會產(chǎn)生正序、負(fù)序和零序分量，正序和負(fù)序是一個穿越性電流，穿越性電流對于變壓器差動保護是要制動的，零序分量在變壓器三角側(cè)繞組內(nèi)形成環(huán)流，在該側(cè)引線上無零序分量，變壓器星形側(cè)雖然有零序分量，但由于該

11、側(cè)的TA二次接成三角形，零序分量也流不進差動繼電器里去，故差動保護不會動作。從定量方面來說，可以通過下面接線圖進行分析。五、變壓器差動保護在運行中應(yīng)注意的問題變壓器在運行中常常誤動和拒動，分析原因有運行維護和管理上的問題，也有安裝和設(shè)計上的問題。這里主要是從運行工作方面談?wù)剳?yīng)注意的問題。1、 電流互感器二次端子極性接反或二次回路接線錯誤。歷年來差動保護誤動的原因之一總有互感器二次端子極性接反的事故教訓(xùn)，說明繼電保護的工作人員缺少基本功的培訓(xùn)，基礎(chǔ)素質(zhì)較差，沒有嚴(yán)格按圖施工，也不認(rèn)真執(zhí)行調(diào)試規(guī)定。在新安裝、定期試驗或二次回路有改動時，變壓器在正式投運前，必須進行帶負(fù)荷試驗，測量差動回路的不平衡電

12、流和電壓，且符合規(guī)程的規(guī)定，還應(yīng)測量各側(cè)二次電流的大小和相位，作出六角圖，對于微機保護應(yīng)查看各相的差流為零或接近于零，說明接線完全正確，然后才能投入變壓器差動保護。2、空載合閘試驗為保證變壓器空載合閘或切除外部短路時，在勵磁涌流作用下差動保護不誤動，在第一次投入差動保護時，必須進行5-7次的沖擊合閘試驗，確認(rèn)變壓器差動（包括差動電流速斷保護）避越勵磁涌流的能力。3、差動保護電流互感器二次回路斷線 互感器二次回路斷線，縱差保護動作，年年均有發(fā)生。為此二次電流回路盡量減少接頭、插銷、螺絲等；當(dāng)保護屏處有振動的地方時，應(yīng)加裝抗振措施，電流接線端子加裝彈簧墊圈。4、縱差保護二次電流回路的接地 差動保護

13、二次電流回路應(yīng)有一個可靠接地點，且只允許有一個接地點，接地點宜在控制室。千萬不要在差動保護的每組互感器的二次回路都設(shè)接地點，以防止在系統(tǒng)接地故障或附近電弧作業(yè)時引發(fā)差動保護的誤動。5、運行中操作不當(dāng) 當(dāng)主變壓器的斷路器要用旁路替代時，差動保護的電流互感器、保護裝置的連接片和大電流端子應(yīng)進行相應(yīng)的操作，由這些操作的錯而釀成差動保護誤動的教訓(xùn)屢見不鮮，應(yīng)引以為戒。6、變壓器差動保護的整定計算工作目前我國廠站的主設(shè)備保護整定計算工作，大部分由基層繼電保護專業(yè)人員負(fù)責(zé)，各地發(fā)電機、變壓器等保護裝置的整定值錯誤或不當(dāng)時有發(fā)生，導(dǎo)致保護拒動或誤動，所以組織一次保護整定值的全面檢查時有必要的。7、變壓器差動保護用電流互感器的選型 變壓器差動保護所有的電流互感器由于不同電壓等級、不同變比，各側(cè)型號不同的互感器組成時，由于各互感器的傳變暫態(tài)特性不一致，選擇不當(dāng)很可能造成保護拒動或誤動。因此互感器選型時必須按照有關(guān)導(dǎo)則的規(guī)定。六、 結(jié)束語微機型的比率縱差保護作為變壓器的主保護在防止區(qū)外短路的誤動和提高區(qū)內(nèi)故障的靈敏度等性能上得到極大的改善，為防止在區(qū)內(nèi)短路太大使TA嚴(yán)重飽和、高次諧波增加造成差動保護拒動，必須增設(shè)差動速斷保護.變壓器差動保護的正確動作率遠低于發(fā)電機和220KV及以上線路保護，誤