关于变压器差动保护的工作原理及误动因素浅析

关于变压器差动保护的工作原理及误动因素浅析

栗维

身份证号码：******199705035413

摘要：变压器的差动保护是变压器的主保护，是按循环电流原理装设的。主要用来保护双绕组或三绕组变压器绕组内部及其引出线上发生的各种相间短路故障，同时也可以用来保护变压器单相匝间短路故障。

关键词：差动保护、励磁涌流、二次谐波

Abstract:The differential protection of transformer is the main protection of transformer, which is installed according to the principle of circulating current. It is mainly used to protect various phase-to-phase short-circuit faults occurring in windings and outgoing wires of double-winding or three-winding transformers, and can also be used to protect single-phase turn-to-turn short-circuit faults of transformers.

Key words:differential protection, Excitation inrush current, Second harmonic

一、关于差动保护

1. 差动保护是为了保证变压器的安全可靠的运行，即当变压器本身发生电气方面的故障(如层间、匝间短路)时尽快地将其退出运行，从而减少事故情况下变压器损坏的程度。规程规定，对容量较大的变压器，如并列运行的6300kVA及以上、单独运行的10000kVA及以上的变压器，要设置差动保护装置。与瓦斯保护相同之处是这两种保护动作都比较灵敏、迅速，都是保护变压器本身的主要保护。与瓦斯保护不同之处在于瓦斯保护主要是反映变压器内部过热引起油气分离的故障，而差动保护则是反映变压器内部(差动保护范围内)电气方面的故障。差动保护动作，则变压器两侧(三绕组变压器则是三侧)的断路器同时跳闸。

变压器差动保护是按照循环电流的原理构成的，双绕组变压器的两侧装设了电流互感器(CT)。正常情况下或外部故障时，两侧的电流互感器产生的二次电流流入差动继电器的电流大小相等，方向相反，在继电器中电流等于零，因此差动继电器不动作。当变压器内部或保护区域内的供电线路发生故障时，流入差动继电器的电流就会产生变化，当电流值达到设定值时，继电器就会动作。一般来说，在变压器中有电流流过时，通过变压器两侧的电流不会正好相等，这是和变压器和电流互感器的变比和接线组别有关的。变压器在投入时，会产生高于额定电流6至8倍的励磁涌流，同时产生大量的高次谐波，其中以二次谐波为主。由于励磁涌流只流过变压器的某一侧，因此通过电流互感器反应到差动回路中将形成不平衡电流，都会引起差动保护动作。在我公司发生过保护装置故障引起的误动外还有那些原因可以使差动保护误动作呢？

二、电流互感器的极性、相序与连接引起的误动

变压器差动保护按照有关规定在保护投运前要严格检查电流互感器的极性、相序和连接，确保变压器差动保护的正确性。由于各种原因，现场确有电流互感器三相电路的错误接线，导致相序和极性的错误，造成变压器差动保护动作。

变压器差动继电器动作的条件就是一次电流与变压器二次电流之差，电流互感器的极性决定瞬时电流的方向，因此对电流互感器的极性应引起重视，只有保证了电流互感器的极性正确，才能保证继电器的正确动作。在工程中电流互感器的极性应按减极性原则进行。既在一、二次绕组中，同时由同极性端子同入电流时，他们在铁芯中所产生磁通方向应相同。在实际工作中一般利用楞次定律进行判别(既直流判断法)。

三、变压器的励磁涌流引起的误动

在变压器空载投入时或外部故障切除后电压恢复过程中，由于变压器铁芯中的磁通急剧增大，使铁芯瞬间饱和，这时出现数值很大的冲击励磁电流(最大可达5～10倍的额定电流)，通常称为励磁涌流。

1、励磁涌流的特点

1)涌流含有数值很大的高次谐波分量(主要是二次和三次谐波)，因此，励磁涌流的变化曲线为尖顶波。

2)励磁涌流的衰减常数与铁芯的饱和程度有关，饱和越深，电抗越小，衰减越快。因此，在开始瞬间衰减很快，以后逐渐减慢，经0.5～1s后其值不超过(0.25～0.5)In。

3)一般情况下，变压器容量越大，衰减的持续时间越长，但总的趋势是涌流的衰减速度往往比短路电流衰减慢一些。

4)励磁涌流的数值很大，最大可达额定电流的8～10倍。

2、励磁涌流的相位及大小：

在交流电路中，磁通Φ总是落后电压u90°相位角。如果在合闸瞬间，电压正好达到最大值时，则磁通的瞬间值正好为零，即在铁芯里一开始就建立了稳态磁通，在这种情况下，变压器不会产生励磁涌流。当合闸瞬间电压为零值时，它在铁芯中所建立的磁通为最大值(Φm)。可是，由于铁芯中的磁通不能突变， 既然合闸前铁芯中没有磁通，这一瞬间仍要保持磁通为零。因此，在铁芯中就出现一个非周期分量的磁通Φfz，其幅值为Φm。

这时，铁芯里的总磁通Φ应看成两个磁通相加而成，铁芯中磁通开始为零，到1/2T时，两个磁通相加达最大值，达到2Φ。因此，在电压瞬时值为零时合闸情况最严重。励磁涌流的大小和衰减速度，与合闸瞬间外加电压的相位，铁芯中剩磁的大小和方向、电源容量、变压器的容量及铁芯材料等因素有关。励磁涌流的大小和衰减速度

减小励磁涌流的措施：

防止励磁涌流的影响，采用具有速饱和变流器的继电器是国内目前广泛采用的一种方法。当外部故障时，所含非周期分量的最大不平衡电流能使速饱和变 流器的铁芯很快地单方面饱和，传变性能变坏，致使不平衡电流难于传变到差动继电器的差动线圈上，保证差动保护不会误动。内部故障时虽然速饱和变流器一次线 圈的电流也含有一定的非周期性分量，但它衰减得快，一般经过1.5～2个周波即衰减完毕，此后速饱和变流器一次线圈中通过的完全是周期性的短路电流，于是 在二次线圈中产生很大的感应电动势，并使执行元件中的相应电流也较大，从而使继电器能灵敏地动作。速饱和变流器正是利用容易饱和的性能来躲过变压器外部短 路不平衡电流和空载合闸励磁涌流的非周期分量影响。

四、变压器中的二次谐波引起的误动

变压器投入运行时，由于励磁涌流的作用，在变压器回路中产生大量的谐波分量，其中以二次谐波为主。其最大值高于额定电流的几倍，因此引起差动保护动作。

1、谐波产生的原因

谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致。当电流流经负载时，与所加的电压不呈线性关系，就形成非正弦电流，从而产生谐波。谐波频率是基波频率 的整倍数，任何重复的波形都可以分解为含有基波频率和一系列为基波倍数的谐波的正弦波分量。谐波是正弦波，每个谐波都具有不同的频率，幅度与相角。谐波可 以区分为偶次与奇次性，第3、5、7次编号的为奇次谐波，而2、1 4，6、8等为偶次谐波，如基波为50Hz时，2次谐波为lOOHz，3次谐波则是150Hz。

2、利用二次谐波制动。

保护装置在变压器空载投入和外部故障切除电压恢复时，利用二次谐波分量进行制动; 内部故障时，利用基波进行保护; 外部故障时，利用比例制动回路躲过不平衡电流。

五、差动回路中的不平衡电流

不平衡电流的产生有稳态和暂态二方面。稳态不平衡电流产生的原因: (1)变压器高低压侧绕组接线方式不同; (2)变压器各侧电流互感器的型号和变比不相同; (3)带负荷调分接头引起变压器变比的改变。暂态不平衡电流主要是由于变压器空载投入电源或外部故障切除，电压恢复时产生的励磁涌流。

六、带负荷调压在运行中改变分接头的影响

当系统电压偏高或低时，可以利用调节变压器分接头的方法来维持一定的电压水平(由于分接头的改变，使变压器的变比也跟着改变)。但差动保护中电流互感器变比的选择，差动继电器平衡线圈的确定，都只能根据一定的变压器变比计算和调整，使差动回路达到平衡。当变压器分接头改变时，就破坏了平衡，并出现了新的不 平衡电流，这一不平衡电流与一次电流成正比。

七、在实际情况中变压器发生差动保护动作后运行人员的处理措施

1)首先拉开变压器各侧闸刀，对变压器本体进行认真检查，如油温、油色、防爆玻璃、瓷套管等，确定是否有明显异常。
2)对变压器差动保护区范围的所有一次设备进行检查，即变压器高压侧及低压侧断路器之间的所有设备、引线、母线等，以便发现在差动保护区内有无异常。
3)对变压器差动保护回路进行检查，看有无短路、击穿以及有人误碰等情况。
4)对变压器进行外部测量，以判断变压器内部有无故障。测量项目主要是摇测绝缘电阻。
其次在差动保护动作后还应该。
1)经过上述步骤检查后，如确实判断差动保护是由于外部原因，如保护误碰、穿越性故障引起误动作等，则该变压器可在重瓦斯保护投跳闸位置情况下向领导汇报申请试投运。
2)如不能判断为外部原因时，则应对变压器进行更进一步的测量分析，如测量直流电阻、进行油的简化分析、或油的色谱分析等，以确定故障性质及差动保护动作的原因。
3)如果发现有内部故障的特征，则须进行吊芯检查。
4)当重瓦斯保护与差动保护同时动作开关跳闸，应立即向调度员汇报，不得强送。
5)对差动保护回路进行检查，防止误动引起跳闸的可能。
除上述变压器两种保护外还有定时限过电流保护、零序保护等。
   总之若检查时发现主变压器差动的保护范围内有明显的故障征兆时，不允许合闸送电；应汇报上级听候处理。