差動(dòng)保護(hù)在電力變壓器中的應(yīng)用

1、差動(dòng)保護(hù)在電力變壓器中的應(yīng)用摘 要：本文主要對(duì)變壓器差動(dòng)保護(hù)的原理、變壓器勵(lì)磁涌流產(chǎn)生的機(jī)理以及防范措施、在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行中應(yīng)注意的問題進(jìn)行闡述和深入的探討。關(guān)鍵詞：變壓器、差動(dòng)保護(hù)、勵(lì)磁涌流、極性、誤動(dòng)一、 概述電力變壓器是電力系統(tǒng)中的一個(gè)重要設(shè)備，它在電網(wǎng)中起著升壓、降壓和聯(lián)絡(luò)隔離的作用，因此必須給變壓器配置快速靈敏的主保護(hù)，目前我國電網(wǎng)中變壓器均配置比率制動(dòng)差動(dòng)保護(hù)，它和瓦斯保護(hù)一起構(gòu)成了變壓器的主保護(hù)。二、 變壓器差動(dòng)保護(hù)的原理變壓器差動(dòng)保護(hù)主要反應(yīng)變壓器繞組的相間短路，同時(shí)也能反應(yīng)繞組的匝間短路和星形側(cè)繞組的接地短路。1、 變壓器縱差保護(hù)的構(gòu)成原理（以雙繞組變壓器為例）現(xiàn)在變壓器均采用

2、微機(jī)型具有比率特性的差動(dòng)保護(hù)，各側(cè)電流分布引入至保護(hù)裝置，由裝置進(jìn)行幅值和相位的補(bǔ)償，計(jì)算出差動(dòng)電流和制動(dòng)電流，實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能。變壓器正常運(yùn)行或區(qū)外短路時(shí)，變壓器兩側(cè)的電流在理論上大小相等相位相反，差動(dòng)電流為0（理論上），制動(dòng)電流為穿越性電流，保護(hù)不動(dòng)；變壓器內(nèi)部短路時(shí)，兩側(cè)短路電流均流入變壓器，相位相同，差動(dòng)電流為短路電流，而制動(dòng)電流較小,保護(hù)將靈敏動(dòng)作。比率特性的差動(dòng)保護(hù)具有動(dòng)作電流隨著制動(dòng)電流的增大而相應(yīng)的抬高，防止了區(qū)外短路時(shí)由于短路電流的增大使流入差動(dòng)元件的不平衡電流增大造成的保護(hù)誤動(dòng)，同時(shí)差動(dòng)電流的門檻值只躲過正常運(yùn)行時(shí)的不平衡電流，此電流較小，從而提高了區(qū)內(nèi)短路時(shí)的靈敏度。動(dòng)作方程

3、： IDZ IZD0 IZD IZD0IDZ KZ1(IZD-IZD0)+ IDZ0 IZD0 IZD IZD1IDZ IDZ0+ KZ1(IZD-IZD0)+ KZ2(IZD-IZD1 IZD IZD1IDZ 差動(dòng)電流，IDZ=I1+I2,IZD 制動(dòng)電流，IZD=1/2(I1-I2)IDZ0差動(dòng)電流門檻值。KZ1 第1段折線的斜率，KZ2 第2段折線的斜率，ISD 差動(dòng)速斷定值。2、單相變壓器勵(lì)磁涌流產(chǎn)生的機(jī)理變壓器差動(dòng)保護(hù)要考慮防勵(lì)磁涌流部分，那么勵(lì)磁涌流是怎么產(chǎn)生的呢？首先要認(rèn)識(shí)到變壓器的勵(lì)磁阻抗是可變的阻抗，在正常運(yùn)行，對(duì)于大型變壓器，Ie1%Itn(Itn為變壓器額定電流)，勵(lì)磁阻

4、抗相對(duì)于一二次繞組漏抗來說很大，當(dāng)外部系統(tǒng)短路時(shí)，電壓下降，Ie更微不足道。當(dāng)變壓器空載合閘或外部短路切除時(shí)，變壓器鐵芯磁通密度B大大增加，鐵芯嚴(yán)重飽和，勵(lì)磁電抗極度減小，勵(lì)磁電流劇增，勵(lì)磁電流最大可達(dá)到額定電流的數(shù)倍到10倍以上，可以和短路電流相比擬，該電流作為差動(dòng)電流送到差動(dòng)繼電器里去，差動(dòng)保護(hù)必然會(huì)誤動(dòng)。 勵(lì)磁涌流的產(chǎn)生是由變壓器鐵芯飽和引起的。變壓器空載合閘時(shí)，假設(shè)此時(shí)電源電壓相角為0，將產(chǎn)生一穩(wěn)態(tài)磁通（此磁通滯后電壓90）幅值為-m,由于磁通不能突變，此時(shí)必將產(chǎn)生一暫態(tài)磁通幅值為m，（暫態(tài)磁通呈不衰減的直流性質(zhì)），考慮到變壓器還有剩磁（大小為0.7m），這三部分磁通之和為2.7m，這

5、時(shí)變壓器鐵芯嚴(yán)重飽和，必將使勵(lì)磁電流大大增加。勵(lì)磁電流的特點(diǎn)：（1）含有大量的非周期分量，波形不對(duì)稱且偏于時(shí)間軸一側(cè)。（2）含有大量的高次諧波，以二次諧波為主（3）波形出現(xiàn)間斷。三、 三相變壓器的勵(lì)磁涌流及差動(dòng)保護(hù)的防范措施影響三相變壓器勵(lì)磁涌流波形的因素大致有：電源電壓大小和合閘初相角，系統(tǒng)等值阻抗大小和相角，變壓器三相繞組的接線方式和中性點(diǎn)接地方式，三相鐵芯結(jié)構(gòu)和材質(zhì)，合閘前鐵芯剩磁大小和方向。以下是差動(dòng)保護(hù)幾種防止勵(lì)磁涌流誤動(dòng)的方法。1、采用具有速飽和變流器的差動(dòng)繼電器 我國初期搞變壓器差動(dòng)保護(hù)時(shí)，往往都采用具有速飽和變流器的差動(dòng)繼電器，它的原理就是利用空載合閘時(shí)的勵(lì)磁涌流中直流分量流入

6、速飽和變流器，使其快速飽和以至于交流分量不會(huì)從速飽和變流器的二次側(cè)流出，防止接在二次側(cè)的電流繼電器誤動(dòng)。這種情況用在單相變壓器能夠正確反映，但實(shí)際生產(chǎn)中往往都是三相變壓器，后來經(jīng)試驗(yàn)測試到，三相變壓器在空載合閘時(shí)，往往有一相勵(lì)磁電流中的直流分量很小甚至為零，此時(shí)必然會(huì)造成差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)。另外，當(dāng)變壓器內(nèi)部短路時(shí)，短路電流中也含有相當(dāng)比例的直流分量，也會(huì)造成差動(dòng)保護(hù)的延緩動(dòng)作甚至拒動(dòng)，有人說我們在試驗(yàn)時(shí)通入試驗(yàn)電流時(shí)，動(dòng)作時(shí)間不是很快嗎，二十幾毫秒，不要忘記了我們只是通入的純工頻電流，沒有直流分量。后來，為克服以上缺點(diǎn)，就把動(dòng)作電流提高到額定電流以上，但保護(hù)的靈敏性沒有了。所以采用具有速飽和變流器

7、的差動(dòng)繼電器作為變壓器差動(dòng)保護(hù)現(xiàn)在已不再采用。2、采用二次諧波制動(dòng) 這是目前我國保護(hù)廠家在變壓器差動(dòng)保護(hù)中普遍采用的一種制動(dòng)方式。它是利用勵(lì)磁涌流中含有二次諧波與基波的比值大于15%-20%時(shí)將差動(dòng)保護(hù)閉鎖。但是變壓器空載合閘時(shí)往往三相勵(lì)磁涌流中有一相的二次諧波比例小于15%，差動(dòng)保護(hù)又都是分相動(dòng)作，保護(hù)要誤動(dòng)。因此差動(dòng)保護(hù)都采用三相或的閉鎖方式，即只要有一相勵(lì)磁涌流滿足制動(dòng)條件，都將三相差動(dòng)全閉鎖。這又帶來一個(gè)新的問題，假設(shè)變壓器經(jīng)過檢修后投入空載充電試驗(yàn)，某相有匝間短路我們不知道，差動(dòng)保護(hù)將被閉鎖，只有等待勵(lì)磁涌流衰減后差動(dòng)保護(hù)才延緩動(dòng)作。因此二次諧波制動(dòng)的差動(dòng)保護(hù)也不是十全十美，也有它的

8、不足。目前，南瑞保護(hù)在構(gòu)成保護(hù)相位補(bǔ)償時(shí)，采用由角側(cè)向星形側(cè)轉(zhuǎn)變，同時(shí)采用工頻變化量差動(dòng)保護(hù)，可以解這一問題，二次諧波也可采用分相制動(dòng)。3、間斷角原理制動(dòng)變壓器內(nèi)部短路產(chǎn)生的短路電流無間斷或者說間斷角很小，而變壓器空載合閘時(shí)，勵(lì)磁涌流的波形是間斷的，間斷角一般大于60，按照差電流波形是否有間斷及間斷角的大小來區(qū)分故障電流與勵(lì)磁涌流。4、波形對(duì)稱原理 現(xiàn)在微機(jī)型變壓器縱差保護(hù)采用波形對(duì)稱算法，首先將流入差動(dòng)元件的差流進(jìn)行微分，濾去電流中的直流分量，使電流波形不偏移橫坐標(biāo)軸的一側(cè)，然后比較每個(gè)周期內(nèi)差電流的前半波與后半波的量值。若波形是對(duì)稱的，表明是短路電流，則開放保護(hù)；若波形不對(duì)稱，表明是勵(lì)磁涌

9、流，則閉鎖保護(hù)。四、變壓器縱差保護(hù)與發(fā)電機(jī)縱差保護(hù)的不同1、變壓器各側(cè)額定電壓和額定電流各不相等，因此各側(cè)電流互感器的型號(hào)一定不相同，而且各側(cè)三相接線方式不盡相同，所以各側(cè)相電流的相位也可能不一致，這些都會(huì)導(dǎo)致外部短路時(shí)的不平衡電流增大，所以變壓器差動(dòng)保護(hù)的最大制動(dòng)系數(shù)比發(fā)電機(jī)大，靈敏度相對(duì)較低。2、變壓器高壓繞組常帶有調(diào)壓分接頭，有時(shí)還要求帶負(fù)荷調(diào)節(jié)，使變壓器縱差保護(hù)已調(diào)整好平衡的二次電流又被破壞，不平衡電流增大，這將使變壓器縱差保護(hù)的最小動(dòng)作電流和制動(dòng)系數(shù)都要相應(yīng)加大。3、對(duì)于定子繞組的匝間短路，發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)完全不起作用。變壓器各側(cè)繞組的匝間短路，通過變壓器鐵心磁路的耦合，改變了各側(cè)電流

10、的大小和相位，使變壓器差動(dòng)保護(hù)對(duì)匝間短路有作用（匝間短路可看成為變壓器又增加了一個(gè)新的繞組）。4、變壓器差動(dòng)保護(hù)范圍除包括各側(cè)繞組外，還包含變壓器的鐵心，即變壓器差動(dòng)保護(hù)區(qū)內(nèi)不僅有電路還有磁路。這就違反了縱差保護(hù)的理論基礎(chǔ)基爾霍夫電流定律。5、無論是發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)還是變壓器差動(dòng)保護(hù)對(duì)繞組開焊故障都不反映，發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)還好理解，而變壓器差動(dòng)保護(hù)就不好理解，從定性方面來說，繞組開焊必然會(huì)產(chǎn)生正序、負(fù)序和零序分量，正序和負(fù)序是一個(gè)穿越性電流，穿越性電流對(duì)于變壓器差動(dòng)保護(hù)是要制動(dòng)的，零序分量在變壓器三角側(cè)繞組內(nèi)形成環(huán)流，在該側(cè)引線上無零序分量，變壓器星形側(cè)雖然有零序分量，但由于該側(cè)的TA二次接成三角

11、形，零序分量也流不進(jìn)差動(dòng)繼電器里去，故差動(dòng)保護(hù)不會(huì)動(dòng)作。從定量方面來說，可以通過下面接線圖進(jìn)行分析。五、變壓器差動(dòng)保護(hù)在運(yùn)行中應(yīng)注意的問題變壓器在運(yùn)行中常常誤動(dòng)和拒動(dòng)，分析原因有運(yùn)行維護(hù)和管理上的問題，也有安裝和設(shè)計(jì)上的問題。這里主要是從運(yùn)行工作方面談?wù)剳?yīng)注意的問題。1、 電流互感器二次端子極性接反或二次回路接線錯(cuò)誤。歷年來差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)的原因之一總有互感器二次端子極性接反的事故教訓(xùn)，說明繼電保護(hù)的工作人員缺少基本功的培訓(xùn)，基礎(chǔ)素質(zhì)較差，沒有嚴(yán)格按圖施工，也不認(rèn)真執(zhí)行調(diào)試規(guī)定。在新安裝、定期試驗(yàn)或二次回路有改動(dòng)時(shí)，變壓器在正式投運(yùn)前，必須進(jìn)行帶負(fù)荷試驗(yàn)，測量差動(dòng)回路的不平衡電流和電壓，且符合規(guī)程

12、的規(guī)定，還應(yīng)測量各側(cè)二次電流的大小和相位，作出六角圖，對(duì)于微機(jī)保護(hù)應(yīng)查看各相的差流為零或接近于零，說明接線完全正確，然后才能投入變壓器差動(dòng)保護(hù)。2、空載合閘試驗(yàn)為保證變壓器空載合閘或切除外部短路時(shí)，在勵(lì)磁涌流作用下差動(dòng)保護(hù)不誤動(dòng)，在第一次投入差動(dòng)保護(hù)時(shí)，必須進(jìn)行5-7次的沖擊合閘試驗(yàn)，確認(rèn)變壓器差動(dòng)（包括差動(dòng)電流速斷保護(hù)）避越勵(lì)磁涌流的能力。3、差動(dòng)保護(hù)電流互感器二次回路斷線 互感器二次回路斷線，縱差保護(hù)動(dòng)作，年年均有發(fā)生。為此二次電流回路盡量減少接頭、插銷、螺絲等；當(dāng)保護(hù)屏處有振動(dòng)的地方時(shí)，應(yīng)加裝抗振措施，電流接線端子加裝彈簧墊圈。4、縱差保護(hù)二次電流回路的接地 差動(dòng)保護(hù)二次電流回路應(yīng)有一個(gè)

13、可靠接地點(diǎn)，且只允許有一個(gè)接地點(diǎn)，接地點(diǎn)宜在控制室。千萬不要在差動(dòng)保護(hù)的每組互感器的二次回路都設(shè)接地點(diǎn)，以防止在系統(tǒng)接地故障或附近電弧作業(yè)時(shí)引發(fā)差動(dòng)保護(hù)的誤動(dòng)。5、運(yùn)行中操作不當(dāng) 當(dāng)主變壓器的斷路器要用旁路替代時(shí)，差動(dòng)保護(hù)的電流互感器、保護(hù)裝置的連接片和大電流端子應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的操作，由這些操作的錯(cuò)而釀成差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)的教訓(xùn)屢見不鮮，應(yīng)引以為戒。6、變壓器差動(dòng)保護(hù)的整定計(jì)算工作目前我國廠站的主設(shè)備保護(hù)整定計(jì)算工作，大部分由基層繼電保護(hù)專業(yè)人員負(fù)責(zé)，各地發(fā)電機(jī)、變壓器等保護(hù)裝置的整定值錯(cuò)誤或不當(dāng)時(shí)有發(fā)生，導(dǎo)致保護(hù)拒動(dòng)或誤動(dòng)，所以組織一次保護(hù)整定值的全面檢查時(shí)有必要的。7、變壓器差動(dòng)保護(hù)用電流互感器的選型 變壓器差動(dòng)保護(hù)所有的電流互感器由于不同電壓等級(jí)、不同變比，各側(cè)型號(hào)不同的互感器組成時(shí)，由于各互感器的傳變暫態(tài)特性不一致，選擇不當(dāng)很可能造成保護(hù)拒動(dòng)或誤動(dòng)。因此互感器選型時(shí)必須按照有關(guān)導(dǎo)則的規(guī)定。六、 結(jié)束語微機(jī)型的比率縱差保護(hù)作為變壓器的主保護(hù)在防止區(qū)外短路的誤動(dòng)和提高區(qū)內(nèi)故障的靈敏度等性能上得到極大的改善，為防止在區(qū)內(nèi)短路太大使TA嚴(yán)重飽和、高次諧波增加造成差動(dòng)保護(hù)拒動(dòng)，必須增設(shè)差動(dòng)速斷保護(hù).變壓器差動(dòng)保護(hù)的正確動(dòng)作率遠(yuǎn)低于發(fā)電機(jī)和220KV及以上線路保護(hù)，誤動(dòng)