变压器差动保护的特点及误动作原因分析，变压器差动保护

摘要： 变压器的差动保护是反应变压器各端电流互感器二次电流流入差动继电器的电流差而动作的。在保护范围内无故障时，差动继电器内不平衡电流应接近于零。但在某些情况下，保护范围内无故障时差动继电器内仍有较大的不平衡电流。本文对变压器差动保护的这个特点进行介绍，并简单分析了变压器差动保护两种误动作的原因。
关键词：变压器差动保护 不平衡电流 误动原因 分析

引言

    差动保护是用某种通信通道将电气设备两端的保护装置纵向联接起来，并将两端的电气量进行比较，从而判断保护是否动作。根据基尔霍夫定律，保护范围内流入与流出的电流应该相等（变压器应该归算到同侧）。当保护范围内发生故障时，其流入与流出的电流就不相等了。差动保护就是根据这个不平衡电流动作的。因此，这种保护方法有很高的动作选择性和灵敏度，适用于保护大容量、强电流、高电压及对灵敏度要求高的电气设备。所以，这种方法广泛用于保护大容量、高电压的变压器，并以其优越的保护性能成为大容量、高电压变压器的主要保护方法。然而值得注意的是，由于变压器在结构和运行上具有一些特点，因此在实际运行中保护范围内无故障时，差动保护装置也具有较大的不平衡电流，这种不平衡电流可能引起差动保护装置的误动作。另外，即使考虑了变压器差动保护的这些特点并加以修正，由于这种保护装置的复杂性在有些情况下也常出现一些误动作现象。本文将就变压器差动保护两种误动作的原因加以简单的分析。

一、 变压器差动保护的特点
1、 变压器励磁涌流的存在
变压器励磁电流（激磁电流）仅流经变压器的某一侧，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。稳态运行时，变压器的励磁电流不大，只有额定电流的2-5%。在差动范围外发生故障时，由于电压降低，励磁电流减小。所以这两种情况下所形成的不平衡电流都很小，对变压器的差动保护影响不大。
但是，当变压器空载投入和外部故障切除后电压恢复的情况下，则可能出现很大的励磁电流即励磁涌流。这个现象的存在是由于变压器铁心饱和及剩磁的存在引起的，具体分析如下：
当二次侧开路而一次侧接入电网时，一次电路的方程为
u1=umcos(wt+α)=i1R1+N1dφ/dt (1)
u1：一次电压，
um：一次电压的峰值，
α：合闸瞬间的电压初相角，
R1：变压器一次绕组的电阻，
N1：变压器一次绕组的匝数，
φ： 变压器一次侧磁通。

由于i1R1相对比较小，在分析瞬态过程初始阶段可以忽略不计
所以
umcos(wt+α)= N1dφ/dt
dφ= ( um/ N1) cos(wt+α) dt
积分，得
φ=( um/ N1) sin(wt+α)+c
φ=φm sin(wt+α)+c φm为主磁通峰值，c为积分常数。
设铁芯无剩磁当t=0时，φ=0 所以c=-φmsinα
所以空载合闸磁通为
φ=φm sin(wt+α) -φmsinα （2）
由（2）式可得空载合闸磁通的大小与电压的初相角α有关考虑最不利情况
当α=900时，电压过零
φ=φm sin(wt+900) -φm=φmcoswt-φm
其磁通变化图如图一所示

图一 电压过零点时变压器主磁通的变化

磁通有两个分量，周期分量φmcoswt与非周期分量φm，此时磁通的最大值为稳态时磁通的2倍。如果同时考虑剩磁的影响这个值还要更大些。
我们知道变压器正常情况下是工作在铁芯磁化曲线的膝点附近，此时铁芯已接近或略微饱和了。当磁通达到2倍φm以上时，铁芯就高度饱和了（见图二）。

图二 由磁化曲线确定合闸电流图

由图二可知此时变压器的励磁电流大幅度增加，可达额定电流的6~8倍①。由于励磁电流只在变压器的一侧出现所以在差动继电器中会产生很大的不平衡电流，此后由于R1的存在，非周期分量衰减，φ值将减小。
综上所述，励磁涌流的大小和衰减时间与外加电压，铁芯的剩磁大小、方向，回路阻抗，变压器的容量和铁芯的性质有关。对于三相交流变压器由于三相之间的相差1200,所以任何瞬间合闸至少有两相出现不同的励磁涌流。
2、变压器各侧绕组的接线方式不同
我国规定的五种变压器标准联结组中，35kV Y/D-11双绕组变压器常被使用。这种联结方式的变压器两侧电流相差300，要想使差动保护不发生误动作就要设法调整CT二次回路的接线和变比，使电源侧和负荷侧的CT二次电流的相差1800且大小相等。这样就能消除Y/D-11变压器接线对差动保护的影响。
为了达到上述目的，变压器差动保护用的TA应按图三所示方式接线

图三 Y/D-11型联结组变压器差动保护互感器接线图

IA1,IB1,IC1为变压器高压侧电流
IA2,IB2,IC2为接变压器高压侧CT的二次电流
Ia1,Ib1,Ic1为变压器低压侧电流
Ia2,Ib2,Ic2为接变压器低压侧CT的二次电流
根据接线图可得，对变压器差动保护设计时，变压器一次侧CT与主电路接成Y/D-5型联结组，变压器二次侧CT与主电路接为D/Y-7型联结组，这种接线方法可使差动回路中电源侧和负荷侧TA二次电流相位差1800。图四为这种联结组的矢量分析。

(a)Y侧变压器电流矢量图 （b）Y侧TA二次侧电流矢量图
Y/D-5型联结组

(a)D侧变压器电流矢量图 （b）D侧TA二次侧电流矢量图
图四 D/Y-7型联结组

但当电流互感器采用上述联结方法时，CT接成D型侧差动臂中电流又增大 倍。为使两侧电流的大小相等，在选择CT变比时应满足 nLy/nLd=nT 这样就消除了Y/D-11联结组对差动保护的影响。

2、 电流互感器计算变比与实际变比不同

    由于变压器两侧电流互感器都是根据产品目录选取标准的变比而且变压器的变比也是一定的，因此三者不能准确的满足 nLy/nLd=nT的要求。此时差动回路就有不平衡电流流过使保护装置误动。所以通常利用差动继电器的平衡线圈来消除或减小这个差值。即用平衡线圈弥补实际变比与理想值之间的差，使两臂电流差接近零，从而消除或尽量减小不平衡电流。

4、两侧电流互感器型号不同

    如果变压器两侧互感器型号不同，它们的饱和特性、励磁电流（归算到同侧）也就不同。因此产生在两臂的电流差就较大，它将影响保护的动作，所以应采用电流互感器的同型系数为1的互感器。

5、变压器带负荷调整分接头

    带负荷调整变压器的分接头是电力系统中采用带负荷调压的变压器来调整电压的方法。改变分接头就是改变了变压器的变比，对于已调整好的差动保护装置将产生较大的不平衡电流。由于变压器有载调压是带负荷连续调节的，而差动保护是不可以带电进行调整，所以在整定时必须考虑这个因素。

二、变压器差动保护两种误动原因的简单分析

1、二次侧负载在流过短路电流下，不能满足CT10%误差曲线的要求。在电流互感器接入系统容量变化或新装保护投入运行时，不可忽略根据差动保护区内短路故障时穿越变压器的最大短路电流和实测的差动回路二次负荷，较核保护用CT的10%误差曲线是否满足要求。确保CT在10%误差范围内。如果不满足CT的10%误差曲线要求，由于CT的容量不足以提供二次负荷所需的要求，在故障时差动保护可能拒动、误动直接影响差动保护的可靠性。此时应适当加大CT变比，并重新较核CT的10%误差曲线直到符合要求。

2、差动保护二次电流回路接地方式不当

    差动保护二次电流回路接地时，各侧TA的二次电流回路必须通过一点接于地网，因为变电站的接地网络之间并非绝对等电位，在不同点之间有一定的电位差。当发生短路故障时，有较大的电流流入地网，各点之间的电位差较大。如果差动保护二次电流回路接在地网的不同点，它们之间的电位差产生的电流将流入保护装置，影响差动保护装置动作的准确性甚至使之误动。所以各侧CT的二次电流回路应并联后接到保护装置的差动电流回路中，所有电流回路必须在并联的公共点处接地（如图三所示）。

三、结束语

    变压器差动保护是变压器的主保护，要求有很高的可靠性，而变压器结构复杂，独具特点，所以必须严格按规程要求认真分析各个细节，了解变压器差动保护的特点，采用相应措施，杜绝事故发生，保证保护可靠动作。