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浅析变压器差动保护中不平衡电流产生的原因及克服方法
浅析变压器差动保护中不平衡电流产生
的原因及克服方法
摘要：在电力系统中，变压器是一种非常重要的电气元件。本文通过对变压器差动保护中不平衡电流产生原因的分析，进而阐述了变压器差动保护中不平衡电流的克服方法，从而达到保证变压器差动保护正确灵敏动作的目的。
关键词：电气工程；变压器；差动保护；不平衡电流；比率差动
引言：电力系统是由发电、变电、输电、配电和用户等五部分组成的有机整体。在电力系统中，变压器是一种非常重要的电气元件。在发电厂，利用升压变压器将低压电能变换成高压电能，以利于电能的远距离传输；在变电所，利用降压变压器将高压电能变换成低压电能，以供用户使用。因此，变压器如发生故障，将会给系统安全运行和可靠供电带来严重后果。为保证变压器的安全运行和防止事故扩大，应给变压器装设继电保护装置，而差动保护就是其主保护之一，它能快速切除变压器绕组和引出线相间短路、大电流接地系统侧绕组和引出线的单相接地短路以及绕组匝间短路故障，确保变压器安全运行。但是，由于差动保护的构成原理是基于比较变压器各侧电流的大小和相位，受变压器各侧电流互感器以及诸多因素影响，变压器在正常运行和外部故障时，其动差保护回路中流有不平衡电流，使差动保护处于不利的工作条件下。为保证变压器差动保护的正确灵敏动作，必须对其回路中的不平衡电流进行分析，找出产生原因，采取措施予以消除。
1 变压器差动保护中不平衡电流产生的原因
变压器的运行情况可分为稳态情况和暂态情况，稳态运行就是变压器带正常负荷运行，暂态情况就是变压器外部故障以及变压器空载投入或外部故障切除后恢复供电等。各种情况下差动保护回路产生不平衡电流的原因不同，克服方法也不同，下面分类进行分析：
1.1 稳态情况下的不平衡电流
变压器在正常运行时差动保护回路中不平衡电流主要是由电流互感器、变压器接线方式及变压器带负荷调压引起。
1.1.1 由电流互感器计算变比与实际变比不同而产生的不平衡电流
正常运行时变压器各侧电流的大小是不相等的。为了满足正常运行或外部短路时流入继电器差回路的电流为零则应使高、低压两侧流入继电器的电流相等，即高、低侧电流互感器变比的比值应等于变压器的变比(nLH.△/ nLH.Y =nB )。但是，实际上由于电流互感器的变比都是根据产品目录选取的标准变比，而变压器的变比是一定的，因此上述条件是不能得到满足的，因而会产生不平衡电流。
1.1.2 由变压器两侧电流相位不同而产生的不平衡电流
由于变压器常常采用Y，d11（对双绕组变压器而言）的接线方式，因此，其两侧电流的相位相差30°。此时，如果两侧的电流互感器仍采用通常的接线方式（即均采用Y形接线方式），则二次电流由于相位不同，也会在差动保护差回路产生不平衡电流。
1.1.3 由变压器两侧电流互感器型号不同而产生的不平衡电流
电流互感器是一个带铁心的元件，在变换电流的过程中，需要一定的励磁电流，当变压器两侧电流互感器的型号不同时，它们的饱和特性、励磁电流等也就不同，即使两侧电流互感器的变比符合要求，流入差动继电器的差电流也不会为零，即在正常运行或外部短路时，会有不平衡电流流入差动继电器。
1.1.4 由变压器带负荷调整分接头而产生的不平衡电流
在电力系统中，经常采用有载调压变压器，在变压器带负荷运行时利用改变变压器的分接头位置来调整系统的运行电压。改变变压器的分接头位置，实际上就是改变变压器的变比。如果差动保护已经按某一运行方式下的变压器变比调整好，则当变压器带负荷调压时，其变比会改变，此时，差动保护就得重新进行调整才能满足要求，但这在运行中是不可能的。因此，变压器分接头位置的改变，就会在差动继电器中产生不平衡电流，它与电压调节范围有关，也随一次电流的增大而增大。
1.2 暂态情况下的不平衡电流
1.2.1 由变压器励磁涌流所产生的不平衡电流
变压器的励磁电流仅流经变压器接通电源的某一侧，对差动回路来说，励磁电流的存在就相当于变压器内部故障时的短路电流。因此，它必然给差动保护的正确工作带来不利影响。
正常情况下，变压器的励磁电流很小，通常只有变压器额定电流的3%-6%或更小，故差动保护回路的不平衡电流也很小。在外部短路时，由于系统电压降低，励磁电流也将减小。因此，在正常运行和外部短路时励磁电流对差动保护的影响常常可忽略不计。
但是，在电压突然增加的特殊情况下，比如变压器在空载投入和外部故障切除后恢复供电的情况下，则可能出现励磁涌流。励磁涌流具有如下特征：
① 励磁涌流数值很大，最大可达变压器额定电流的6-8倍；
②励磁涌流包含有很大成分的非周期分量，波形呈尖顶波形且偏于时间轴的一侧；
③励磁涌流包含有大量的高次谐波，而以二次谐波为主；
④励磁涌流相邻波形是不连续的，因而波形之间出现了间断角。
由于励磁涌流的存在，使变压器差动回路产生很大的不平衡电流，常常导致差动保护的误动作，给变压器差动保护的实现带来困难。
1.2.2 变压器外部故障暂态穿越性短路电流产生的不平衡电流
差动保护是瞬动保护，它是在一次系统短路暂态过程中发出跳闸脉冲的。因此，必须考虑外部故障暂态过程的不平衡电流对它的影响。在变压器外部故障的暂态过程中，一次系统的短路电流含有非周期分量，它对时间的变化率很小，很难变换到二次侧，而主要成为互感器的励磁电流，从而使互感器的铁心更加饱和。本来按10%误差曲线选择的电流互感器在变压器稳态外部短路时，就会处于饱和状态，再加上非周期分量的作用，则铁心将严重饱和。因而，电流互感器的二次电流的误差更大，暂态过程中的不平衡电流也将更大。
从上面的分析可知，构成差动保护时，如不采取适当的措施，流入差动继电器的不平衡电流将很大。按躲变压器外部故障时出现的最大不平衡电流整定的差动保护定值也将很大，保护的灵敏度会很低。若再考虑励磁涌流的影响，保护将无法工作。因此，如何克服不平衡电流，并消除其对保护的影响，提高保护的灵敏度，就成为差动保护的中心问题。
2 变压器差动保护中不平衡电流的克服方法
电力变压器微机保护在软件上采用了工频变化量比率差动保护、波形对称原理的差动保护，提高了变压器内部故障的检测灵敏度。我单位110kV杜康变电站、35kV城关变电站和35kV王庄变电站综合自动化系统，变压器差动保护采用的是国电南京自动化股份有限公司PST671系列变压器保护装置。该套保护装置是以差动保护、后备保护和非电量保护为基本配置的成套变压器保护装置，采用差动电流速断保护及二次谐波制动的比率差动保护，并带有TA断线闭锁功能。既能在外部短路时有可靠的制动作用，又能在内部短路时有较高的灵敏度。
2.1 比率差动保护原理
2.1.1 比率差动元件动作方程：
Id>Icd (IrKcd·(Ir-Ir0) (Ir≥Ir0)
同时满足上述两个方程时，比率差动保护动作。其中Id 为差动电流；Icd 为差动电流门槛定值；Ir为制动电流；Ir0为比率差动拐点电流值，一般设定为1.0倍的高压侧额定电流；Kcd为比率制动系数，又称比率制动特性斜率。

对于双圈变：
= =/2
H、L分别为高压侧和低压侧电流，均以流入变压器为正方向。
2.1.2 差动电流门槛定值Icd的确定
Icd = Kk ·(Fwc + △U + △Fph)·Ie
其中Kk 为可靠系数，取1.3～1.5； Fwc为正常时电流互感器的允许误差，取3%～5%；△U为变压器带负荷调压引起的相对误差，一般采用变压器调压范围的一半；△Fph为软件对电流互感器联接线调整的误差，取0.03～0.05；Ie为变压器高压侧额定电流。差动电流门槛定值一般为（0.1～1.5）Ie 。
2.1.3 比率制动系数Kcd的确定：
Kcd = Kk (Ktx·Fwc + △U + △Fph)
其中Kk 为可靠系数，取1.3～1.5；Ktx为电流互感器的同型系数，当电流互感器型号相同时取0.5，不同时取1.0。比率制动系数取值范围为0.3～0.7。
比率差动保护从原理上解决了由变压器外部故障暂态穿越性短路电流产生的不平衡电流引起保护误动的问题。差动保护中各侧电流平衡补偿由软件完成，中低压侧电流平衡均以高压侧为基准。变压器各侧电流互感器二次回路均应接成Y型，并且以指向变压器为同极性，其因相位不同而产生的不平衡电流通过软件进行相位校正。对于由变压器两侧电流互感器型号不同和由变压器带负荷调整分接头而产生的不平衡电流均在变压器差动保护定值整定计算中予以考虑。
2.2 由变压器励磁涌流所产生的不平衡电流的克服方法
根据变压器的励磁涌流具有含大量非周期分量、含大量二次谐波、波形之间具有间断角等特点，构成不同原理的变压器差动保护，以克服由变压器励磁涌流所产生的不平衡电流。该装置利用三相差动电流中的二次谐波作为励磁涌流闭锁的判据。动作方程如下：
Id2 >Kxb·Id
其中Id2为三相差动电流中的二次谐波，Id为对应的三相差动电流，Kxb为二次谐波制动系数。三相差动电流中只要任一相满足上述条件，均闭锁三相比率差动保护。Kxb一般取10%～20%之间。
为了在变压器差动区发生严重故障时能快速切除变压器，配置差动电流速断保护，保护定值应能躲过外部故障的最大不平衡电流和空投变压器时的励磁涌流，一般取6～12倍的额定电流。
2.3 保护整定实例
我单位35kV城关变电站1号主变，主变额定容量12500kVA；各侧额定电压35±3×2.5%/10.5kV；电流互感器变比：高压侧300/5，低压侧1000/5。差动保护整定值如下：
高压侧额定电流 5.95A
低压侧额定电流 3.44A
差动启动电流 1.8 A
比率差动拐点电流 5.95 A
比率差动制动系数 0.4
二次谐波制动系数 15%
差动速断电流 35.7 A
3 提高差动保护可靠性的措施
3.1 通过负荷电流检查电流互感器回路接线的正确性
3.1.1 在负荷状态下绘制主变压器差动保护六角图，分析判断差动保护接线是否正确。各侧电流的a、b、c应当为正相序，证明各测电流互感器引入线相序正确。
3.1.2 各侧二次电流相量的象限，应与表计有功、无功指示的送受方向一致。
3.1.3 测量差动元件上的差电流和制动电流，应符合有关计算和规程规定的要求。
3.2 对于既无出线负荷又无低压侧电容器的变电站，其主变压器六角图采用差压环流法进行测量。
3.3 减小电流互感器的误差，防止误动作
3.3.1 减小电流互感器的误差，使其符合误差不超过10%。
3.3.2 新安装差动保护，在投运时要作五次空投变压器试验，以证明是否能躲过励磁涌流。
3.4 核算保护定值，加强运行管理。在正常运行中，及时核算定值，加强定值检验，发现缺陷及时处理。

［参考文献］
[1] 贺家李、宋从矩.电力系统继电保护原理.北京:中国电力出版社,1994
[2] 王广延、吕继绍.电力系统继电保护原理与运行分析.北京:中国电力出版社,1994
[3] 崔家佩、孟庆炎、陈永芳、熊炳耀.电力系统继电保护与安全自动装置整定计算.北京:水利电力出版社,1993
[4] 国电南京自动化股份有限公司PST671UF系列变压器保护装置技术说明书
［作者简介］
王雄，女，1974年出生，工程师，长期从事电网运行管理工作。
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