变压器差动保护探讨

陈医平

（厦门华电开关有限公司，福建 厦门 361006）

0 引言

1 励磁涌流与故障电流的识别方法

1.1 波形对称原理

首先将流入继电器的差动电流微分，将微分后差流的前半波和后半波作对称比较，设差流导数前半波某一点的数值为I′t，后半波对应点的数值为I′t+180°，如果数值满足式称为对称，否则不对称。连续比较半个周波，对于故障电流（1）式恒成立，对于励磁涌流有1/4周波以上的点不满足（1）式，这样就可以区分故障和涌流。如果I′t与I′t+180°方向相反称为方向对称；反之称为方向不对称。经分析，不论是对称涌流还是单向涌流，其导数相对工频量来说，其前半波和后半波在90°内是完全不对称的，在另90°内方向对称，数值也不对称。而故障电流的导数前半波和后半波基本对称。这就是所谓的波形对称原理。

波形对称原理实现的变压器差动保护具有以下特点：变压器空载合闸至内部故障或外部故障切除后转化为内部故障，保护能瞬时动作；对变压器剩磁的适应能力强；计算的冗余度大。

1.2 间断角原理

励磁涌流波形与变压器内部故障时短路电流波形是不同的，前者的间断角较大，波宽较小。后者的间断角很小，波宽较大。其保护的判据为

式中：θd为间断角；θW为波宽。

若θd＞65°，则认为是励磁涌流，而非变压器内部故障，此时立即闭锁比率差动继电器，以防止其在变压器空载合闸和外部故障切除电压恢复过程中误动；若θW≥65，并且θd≤65°，则短时开放比率差动继电器，一旦θd＞65°，则立即闭锁比率差动继电器。间断角原理的涌流判据并未涉及到涌流的具体波形和幅值，而是利用了涌流波形的鲜明特征，因此，它对不同的涌流均能正确识别。但间断角原理对硬件的要求较高，实现比较困难。

1.3 二次谐波制动原理

变压器励磁涌流中除基波分量外，还含有显著的非周期分量和二次谐波分量，其中二次谐波分量与基波分量之比一般情况下大于15%，在短路电流中，除基波分量外，只有非周期分量和极少量的高次谐波分量，二次谐波制动原理即基于此差异。变压器空载投入时，二次谐波分量与基波分量之比大于15%时，继电器不动，即二次谐波制动；短路故障时，由于二次谐波分量与基波分量之比小于15%，继电器动作 。二次谐波制动原理在以下情况存在问题：

1）有些变压器饱和磁通倍数较低，涌流中的二次谐波可能小于15%，将使保护误动。

2）超高压远距离输电线对地大电容、大容量补偿电容和超高压电缆的对地电容，使变压器差动区内部故障时，含有接近二次或四次谐波电流，二次谐波可能大于15%，保护闭锁，这将延缓保护的动作速度。

3）采用三相“或门”的涌流闭锁条件时，将引起内部匝间短路的变压器在空载合闸时差动保护延时过长。

以上三种原理仅仅是为解决变压器励磁涌流带来的差流问题，而变压器差动保护除励磁涌流外，还有不平衡电流的问题。

2 引起不平衡电流的原因

1）电压等级的不同引起电流互感器变比的不同。

2）电流互感器的误差。

3）变压器分接头位置的改变。

4）变压器的空载电流。

5）变压器的联接组别。

其中1）、5）可在微机保护中采用数学方法完全补偿而消除，2）、3）、4）只能靠差动继电器比率制动特性来解决。

3 变压器差动保护的比率制动特性

变压器差动保护比率制动特性如图1所示。

图1 变压器差动保护比率制动特性

在保护内故障时，=0，Id=I1，Ib=J1/2，工作点位于差动保护动作区，保护动作。

由图1可知，比率制动特性曲线可分为4段，其中Ⅰ段主要对应变压器处于轻载或空载工作工况，Ⅱ段对应变压器接近满载或过载工况，Ⅲ段对应穿越性短路，Ⅳ段对应区内严重故障即变压器差动速断保护范围。

4 差动保护面临的其它问题及差动CT的配合

除不平衡电流和励磁涌流外，变压器差动保护还面临以下问题：

1）变压器Y接线绕组侧的中点接地情况及侧在保护区内有无接地零序电流回路。

2）变压器的过励磁问题。

3）差动保护电流互感器CT的选择问题。

对于问题1），如发生区外接地故障时，零序电流有可能在差动回路中产生差动电流，引起差动保护误动，因此差动继电器必须消除此因素带来的保护误动。至于问题2），可通过投入过励磁保护予以解决，此处我们主要讨论差动保护所用CT的选择问题。由于保护动作的基础是CT的二次输出正确反映一次系统的电流，如果CT饱和，CT的二次输出已不能正确反映一次系统的电流，不管保护的算法如何好，保护继电器的动作对于一次系统而言都是有问题的，所以我们必须首先解决CT的问题。

首先讨论CT的饱和时间与磁通的关系：

在故障电流最大偏移的情况下，即电压为零时发生故障，CT的饱和时间与磁通的关系为

Φm为故障时交流分量的峰值。

（4）式成立的条件为Ts≥Tp（闭合铁心的情况），Ts为CT二次侧的时间常数，Tp为一次系统的时间常数，一般情况下Ts≥Tp。

则（4）式可表示为

可见KTF与t，Tp有关，且随t，Tp的变化而变化。对于特定的一次系统而言Tp为一定值，如中压系统一般小于50ms，根据保护算法所需时间窗t的不同，按（5）式可求得不同的KTF值。例如因保护算法的不同，同是变压器差动保护继电器，SPAD346C差动保护继电器取KTF=4，RET521差动保护继电器取KTF=2。

为保证在算法要求的时间窗t内CT不饱和，必须要求CT的励磁电压E2满足

Ifmax为折合到二次侧的最大穿越性故障电流，Rin为CT的内阻，Ra为CT实际二次负载（包括导线电阻，接触电阻，继电器内阻）。

在实际工程中，如何在CT额定输出容量，额定准确电流限制倍数下，根据实际负荷来确定实际准确电流限制倍数，进而确定所选CT是否满足要求即满足公式（6）的要求。例如CT额定参数为20 VA，5P20，那么二次负荷在5 VA时实际准确电流限制倍数及其励磁电压计算：

CT带额定二次负荷时，其励磁电压为

式中：Fn为CT额定准确电流限制倍数；Rin为CT的内阻；Rn为CT的二次额定负荷；In为CT二次额定电流。

CT带实际二次负荷时，其励磁电压为

式中：Fa为CT实际准确电流限制倍数；Ra为CT的二次实际负荷；Rn为CT的二次额定负荷；In为CT二次额定电流。

所以

两边同乘以In得下式

根据（10）式即求得Fa，同时可以利用公式（8）求得E′2，如果此时E′2≥E2，则满足要求，否则采取必要的措施调整CT的参数或负载Ra以满足条件。

在工程使用中经常将CT的问题与保护弧立出来，但实际上它们之间是相互关联的，必须引起足够的重视，否则CT饱和后将引起保护误动或拒动。总之，差动保护作为变压器的主保护，因变压器本身的特殊性必须采取相应的算法以防止误动，同时我们也必须考虑CT与保护的配合问题，将CT和保护算法看成一个整体，真正起到差动保护的作用。

5 结语

不论是基于波形对称原理、间断角原理还是二次谐波制动原理的差动保护，其作为变压器的主保护，均应依据变压器本身的特殊性采取相应的算法以防止误动，同时也必须考虑CT与保护的配合，将CT参数的选择和保护算法看成一个整体，避免因CT参数的选择不当影响差动保护的效果，从而使差动保护真正起到变压器主保护的作用。