浅谈变压器比率差动保护原理及校验

广西卓洁电力工程检修有限公司 卢培成

1 差动保护、比率差动

1.1 差动保护

电力变压器在电力系统中扮演着十分重要的角色，变压器故障也将对供电可靠性和系统稳定性带来严重的影响，造成极为严重的经济损失，因此，根据变压器的容量及重要等级，选择配置灵敏性、可靠性、快速性良好的继电保护装置是十分必要的。差动保护的装设是按循环电流原理进行的,在电力变压器的两侧装设电流互感器，按循环电流法进行二次侧接线，假设高低压侧的电流互感器同极性端均朝向母线侧，则将同极性端子相连后串联接入电流继电器（图1）。

图1 职业发展“双通道”示意图

图1 传统差动保护原理图

变压器两侧电流互感器二次电流之差即为差动电流继电器中流过的差动电流。理想情况下，正常运行及外部故障变压器中流过差动回路的电流为零；而当变压器内部发生故障时，流过差动回路的电流I2（无电源侧二次电流）将改变方向或降至零，流过继电器的故障电流IK=I1+I2，Ik大于定值时继电器可靠动作[1]。

1.2 比率差动

在正常运行和外部短路发生时，由于变压器两侧电流互感器的特性不可能做到完全一致，差动回路中仍有不平衡电流Iumb流过[2]，主要有以下原因：在实际运行过程中，变压器两侧电流互感器由于特性曲线、误差及励磁电流不同，差动回路中总会有不平衡电流通过，且该电流可能超过差动启动定值；外部故障发生时，变压器一次电流中存在大量衰减周期远长于周期分量的非周期分量，这些非周期分量很难感应至二次侧，但却主要成为电流互感器的励磁电流，导致互感器铁芯饱和、误差增大，又称为暂态穿越性电流。

当变压器中流过外部故障大电流时，差动保护极易发生误动。因此保护装置引入了比率差动保护来解决这一问题。比率差动保护动作方程如式1，其中Id为任意一相差动电流；Icdqd为差动启动电流定值；Ir为对应相制动电流；K 为比率差动制动系数。当故障发生在保护区内时，差动电流Id远大于制动电流Ir，可理解为Ir就是故障电流，当故障发生在保护区外时Ir远大于不平衡电流，保护装置不动作，保证了保护可靠性和灵敏性。

2 相关校验

2.1 差流平衡校验

通过测试仪模拟与运行状态一致的负荷电流，检验主变差动保护电流回路接线和整定值的正确性，需对保护装置进行差流平衡校验，本文采用PCS-9671N 南瑞微机保护装置为试验案例（图2）。

图2 保护试验接线图

以6路电流继电保护测试仪为例，根据变压器接线方式，用测试仪模拟正常负荷电流，对一侧与二侧进行三相差流平衡试验。试验时相位设置以一侧（高压侧）A 相为基准（0°，B 相为240°、C 相为120°），各侧三相电流以正极性接入。在一侧加入大小为本侧二次等值额定电流的三相电流Ie1，在二侧加入大小为本侧二次等值额定电流的三相电流Ie2,相位关系根据该侧接线方式钟点数确定。本例中二侧接线方式钟点数为11，故二侧加入的三相电流相位分别设置为210°、90°、330°（一侧电流超前二侧的对应相电流150°），相位图如图3。

图3 差动保护电流相位图图

加入两侧平衡电流后，差动电流应为0（允许不大于0.05Ie的误差），制动电流为1.0Ie，此时装置差动整定正常，各侧电流平衡，差动未启动。

2.2 比率差动校验

变压器比率差动保护分别存在低值动作区、高值动作区、制动区和速动区，动作特性曲线如图4所示。低值动作区是经过涌流判别、CT 饱和判别、CT 断线判别后出口的[3]。在保证保护灵敏度的同时，由于CT 饱和判据的引入，区外故障时CT 饱和引起的误动不会发生，动作区域为图中浅色阴影区[4]。而高值动作区只需经过涌流判别、CT 断线判别即可出口动作。利用保护装置的制动特性，可有效解决电流互感器铁芯饱和的问题，故障发生在保护区外时可靠制动，发生在保护区内时可靠动作，动作区域为图中次深色阴影区[4]。差动速断保护则不需经过任何闭锁判据就可直接出口动作，其动作区域为图中最上方的深色阴影区。

图4 差动保护动作特性

比率差动特性校验示意图如图5所示，投入差动保护控制字、软压板及硬压板。试验在两侧进行，设两侧电流为I1、I2，标么值为I′1、I′2且I′1>I′2。校验时先加入平衡电流，然后逐渐减小I2到达测试点。任取若干测试点，如校验制动电流分别为1.0Ie、2.0Ie、3.0Ie、4.0Ie四个点的保护特性。以第一个测试点为例，取第一点制动电流1.0Ie，则根据动作特性曲线可计算出与此制动电流相对应的差动电流为0.55Ie，各侧加入电流计算公式为式3，由其可得测试点电流为式；固定I′1，由差流公式Id=I′1-I′2=0，则平衡点电流为式5：

图5 比率制动特性校验示意图

由此可计算出测试点和平衡点的电流有名值。校验时先加入平衡电流，然后保持高压侧电流I1不变，逐渐减小低压侧电流I2，直至保护装置动作出口。记下此时测试仪第二侧加入电流的大小，与理论计算值比较即可得到动作值的误差（误差<±2.5%或0.02Ie）。同理可依次计算出其它各测试点和平衡点的电流（表1）。使用相同的方法可依次校验其它测试点。校验前计算各平衡点的两侧电流有名值、各测试点的两侧电流有名值。

表1 比率差动校验测试点

2.3 差流速断校验

当故障发生在保护区内且为大电流故障时，由于电流互感器铁芯发生了饱和现象，保护将延迟出口动作，为防止该事故的发生，装置配备差动速断保护用于快速切除变压器内部故障，当任一相差动电流大于速断定值时，无闭锁条件，装置直接瞬间出口动作，切除故障[5]。投入速断保护控制字、软压板及颖压板。在某Y 接线侧（例如高压侧）加入单相大小为×0.95×Isdzd×Ie1的电流（Isdzd为定值），差动速断应可靠不动作，加入单相大小为×1.05×Isdzd×Ie1的电流，差动速断应可靠动作，取1.5倍动作电流测动作时间（动作时间小于25ms）。

2.4 二次谐波闭锁校验

励磁涌流中存在大量二次谐波及三次谐波，保护装置识别其含量来判别励磁涌流，当三相差流中任一相判别为励磁涌流，则三相比率差动元件均被闭锁，防止装置误动。在某侧加入单相（如高压侧A 相）差动动作电流（如3Ie1）的基波分量，使保护可靠动作。再在该相电流中叠加二次谐波电流分量，二次谐波含量大于整定值，比率差动保护应不动；逐渐减小到使比率差动保护动作，此时二次谐波已降到不能闭锁比率差动保护，即为二次谐波制动值。与定值比较可得其误差（误差<±5%或0.01）。

3 结语

本文通过对比分析，得出比率制动特性的差动保护较传统差动具有更高的灵敏性和更高的可靠性，以继电保护测试仪对保护装置加入负荷及故障电流，完整的阐述了差动保护原理及校验过程，为差动保护原理分析和保护校验提供理论依据。