变压器差动保护问题分析及措施

【摘要】在电力系统中电力变压器是十分重要和必不可少的设备。它的故障将会给系统的正常供电和安全运行带来严重的后果，因此，变压器主保护：差动保护的正确动作至关重要。为提高差动保护正确动作率，我们还要在工作中总结问题，分析问题，并提出改进措施，提高电网的安全运行。

【关键词】变压器；差动保护

按差动原理构成的继电保护装置具有动作速度快，灵敏度高，不受外部短路影响，不受系统振荡影响等优点。因而差动原理在构成继电保护装置上得到了广泛的应用。当差动原理用于保护变压器时，需要解决在构成其他设备差动保护时，也会遇到一些特殊的问题，本文分析了一些问题及改进措施。

1.变压器纵差保护问题分析与措施

变压器的高、低压侧是通过电磁联系的，故仅在电源的一侧存在励磁电流，它通过电流互感器构成差回路中不平衡电流的一部分。在正常运行情况下，其值很小，小于变压器额定电流的3%。当发生外部短路故障时，由于电源侧母线电压降低，励磁电流更小，因此，在这些情况下的不平衡电流对差动保护的影响一般可以不必考虑。

但在变压器空载投入电源或外部故障切除后电压恢复过程中，则会出现励磁涌流。特别是在电压过零时刻合闸时，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(可达5～10倍的额定电流)，通常称为励磁涌流。

图1为一500kV变压器合闸时励磁涌流的电流波形图（由RCS-978所录，也就是说从电流互感器二次所见到的波形）。由图可见，励磁涌流IE中含有大量的非周期分量与高次谐波，因此励磁涌流已不是正弦波，且可能在最初瞬间完全偏于时间轴的一侧。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。

对于单相的双绕组变压器，在其它条件相同的情况下，当电压瞬时值过零时合闸，励磁电流最大；如果在电压瞬间值最大时合闸，则不会出现励磁涌流，而只有正常的励磁电流。对于三相变压器，无论任何瞬间合闸，至少有两相会出现不同程度的励磁涌流。对于一般的中小型变压器，经0.5～1s后其值不超过额定电流的0.25～0.5倍；大型电力变压器励磁涌流的衰减速度较慢，衰减到上述值时约需2～3s，乃至数十秒。

根据试验和理论分析结果得知，励磁涌流在最初瞬间可能完全偏于时间轴的一侧，且其中含有大量的高次谐波分量，其中二、三次谐波分量所占比例最大，四次以上谐波分量很小。

在实际工作中，变压器纵差保护的的每个环节都曾出现过问题，主要故障是表现在内部短路，由三部分元件构成（详见图2）。在变压器纵差保护出现的问题中，励磁涌流与制动造成故障的情况较多。为防止变压器差动保护在充电时受励磁涌流影响而误动，变压器差动保护必须采用一些方式来判别励磁涌流并闭锁保护。设置涌流闭锁元件的目的是为了躲过励磁涌流，其作用是根据产生励磁涌流的特点来识别，从而可以判断出差流是由变压器内部故障还是励磁涌流引起的。如果是因励磁涌流引起的，那么，可以将差动元件的出口闭锁，否则开放差动元件出口。

变压器纵差保护在目前无法规避变压器励磁回路电流实现变压器主保护的现状下，涌流闭锁元件仍是一种很好的变压器主保护，但由于原理上的缺点，变压器励磁涌流的存在，使得变压器差动保护受到很大局限。当变压器内部发生严重故障，差动电流互感器饱和时，其二次电流（即差动元件的差流）具有变压器励磁涌流的某些特点，易被涌流判别元件误识别成励磁涌流，将差动元件闭锁，从而使差动保护拒动或延时动作，严重损坏变压器。为此，在差动保护中设置不受涌流闭锁的差动速断元件，以确保保护在变压器内部发生严重故障时，快速切除变压器。为了能躲过变压器的励磁涌流，差动速断元件的动作电流很大，通常为变压器额定电流的6～8倍。差动速断元件有动作延时，一般为10～25ms。当变压器发生内部较严重的故障时，若电流互感器饱和严重，见图2为一次、二次电流图。

根据图3可以表明：电流互感器饱和严重时，虽然一次电流的波形为正弦波，但二次电流却为间断波，二次电流的有效值大幅减小。因此，当变压器发生内部较严重故障时，若电流互感器饱和严重，由于其二次电流大幅减小，而差动速断元件的动作电流很大，此时的差流可能小于差动速断的动作电流，差动保护会拒动。为防止差动元件拒动，应采取以下措施：

a.差动元件动作定值的整定不用考虑躲开变压器励磁涌流的影响，一般是0.3～0.5倍的额定电流，灵敏度较高。在差动保护整定计算时，应根据变压器容量、结构、特点及距电源的远近，在能可靠躲过励磁涌流的前提下，尽量减小差动速断元件的动作电流；

b.电流互感器并不是在故障一开始就发生饱和，而是在故障发生后经过一段时间，其铁心的磁通达到它的饱和密度后才开始的。这样，CT从故障起始到开始饱和时总会有一段时间还能够线性变换电流量，不会立即产生饱和。因此，可采用差动速断元件动作记忆措施。当变压器出现故障时，在变压器电压发生突变的同时，流经差动元件的差流开始很大，差动速断测量元件动作，并将动作记忆20～30ms。

2.变压器分侧差动保护

变压器分侧差动保护的原理是从改变差动保护的构成上来解决变压器差动保护存在的一些问题。对于分侧差动保护的的目的，就是把多绕组变压器的各侧绕组及其引线，分别看作是一个独立的单元，如同发电机的定子绕组及引线一样。对变压器的各侧绕组和引线分别采用纵联差动保护。这样就可以用接线简单、可靠性较高的发电机型纵联差动保护来保护变压器，这一新的概念可以解决在设计变压器差动保护时所遇到的若干问题。

对于YNy或YNd连接的变压器，为防止其高压侧所连接系统的接地故障造成变压器纵差保护误动，在该保护中采取滤去高压侧零序电流的措施。这样，在变压器高压侧绕组（特别是距中性点较近的绕组）上发生单相接地故障时，变压器纵差保护的动作灵敏度会很低。

对于一些高压或超高压的变压器，在高压侧设置只反应高压侧内部短路故障的分侧差动保护，可以提高高压绕组接地故障时的动作灵敏度。图4、图5为变压器分侧差动保护的交流接入回路以及逻辑框图。

注：图中，TALHS、TALHN分别为变压器高压绕组两侧三相电流互感器

设置分侧差动保护的优点是：两侧差动电流互感器可采用同型号及同变比的，两者之间的相对误差及暂态特性相差较小。另外，在计算及整定保护的最小动作电流及比率制动系数时，由于不考虑变压器的励磁电流及带负荷调压等，故取值较小，动作灵敏度高。特别是对于高压侧绕组的单相接地故障，由于保护不采用滤去零序电流的措施，动作灵敏度很高。

从理论上分析，变压器高压侧的分侧差动保护不受励磁涌流的影响。但运行实践表明，在空投变压器时，该保护经常误动。其误动原因是：由于两侧电流互感器的二次负载不同等原因，其暂态特性也不同。另外，由于涌流中非周期分量很大，加大了两侧电流互感器的暂态差异。在空投变压器时，励磁涌流在两侧差动电流互感器中的传递有差异（相移），从而在差动回路中产生较大的差流。另外，由于励磁的波形偏于时间轴一侧，波形间断，故使其在某时间段内制动量很小，使差动保护误动。

因此，在空投变压器时，为确保分侧差动保护不误动，仍需设置涌流闭锁元件，其涌流闭锁元件的闭锁方式宜采用分相制动。另外，采用二次谐波制动能较好地判别励磁涌流，若采用二次谐波制动，其二次谐波制动比不宜过小。

3.结束语

差动保护是变压器的主保护，应满足可靠性、选择性、灵敏性和速动性的要求。采用同步识别及动作状态记忆20-30ms，可保证变压器差动速断保护可靠动作。变压器的分侧差动保护应增加涌流判别条件。杜绝差动保护误动事故的发生。