变压器纵差保护原理及不平衡电流分析与克服方

　　引言

　　纵差保护是发电机、变压器、输电线路的主保护之一，应用非常广泛，尤其在变压器保护上运用较为成功。变压器的纵差动保护用来反应变压器绕组、引出线及套管上的各种短路故障，是变压器的主保护。变压器纵差动保护的基本工作原理与线路的纵差动保护相同，是通过比较变压器各侧电流的大小和相位而构成的保护。它具有灵敏度高、选择性好的优点，但是变压器纵差保护一直存在不平衡电流难以鉴定的问题，虽然已经有几种较为有效的闭锁方案，又因为超高压输电线路长度的增加、静止无功补偿容量的增大以及变压器硅钢片工艺的改进、磁化特性的改善等因素，变压器纵差保护的固有原理性矛盾更加突出。本文从变压器纵差保护构成原理和不平衡电流产生的原因与克服方法方面对这个问题进行了分析探讨。

　　一、变压器纵差保护基本原理

　　纵差保护在发电机上的应用比较简单，但是作为变压器内部故障的主保护，纵差保护将有许多特点和困难。变压器具有两个或更多个电压等级，构成纵差保护所用电流互感器的额定参数各不相同，由此产生的纵差保护不平衡电流将比发电机的大得多，纵差保护是利用比较被保护元件各端电流的幅值和相位的原理构成的，根据KCL基本定理，当被保护设备无故障时恒有各流入电流之和必等于各流出电流之和。

　　当被保护设备内部本身发生故障时，短路点成为一个新的端子，此时电流大于0，但是实际上在外部发生短路时还存在一个不平衡电流。事实上，外部发生短路故障时，因为外部短路电流大，非凡是暂态过程中含有非周期分量电流，使电流互感器的励磁电流急剧增大，而呈饱和状态使得变压器两侧互感器的传变特性很难保持一致，而出现较大的不平衡电流。因此采用带制动特性的原理，外部短路电流越大，制动电流也越大，继电器能够可靠制动。

　　另外，由于纵差保护的构成原理是基于比较变压器各侧电流的大小和相位，受变压器各侧电流互感器以及诸多因素影响，变压器在正常运行和外部故障时，其动差保护回路中有不平衡电流，使纵差保护处于不利的工作条件下。为保证变压器纵差保护的正确灵敏动作，必须对其回路中的不平衡电流进行分析，找出产生的原因，采取措施予以消除。

　　二、纵差保护不平衡电流分析

　　1、稳态情况下的不平衡电流

　　变压器在正常运行时纵差保护回路中不平衡电流主要是由电流互感器、变压器接线方式及变压器带负荷调压引起。

　　由电流互感器计算变比与实际变比不同而产生。正常运行时变压器各侧电流的大小是不相等的。为了满足正常运行或外部短路时流入继电器差动回路的电流为零，则应使高、低压两侧流入继电器的电流相等，即高、低侧电流互感器变比的比值应等于变压器的变比。但是，实际上由于电流互感器的变比都是根据产品目录选取的标准变比，而变压器的变比是一定的，因此上述条件是不能得到满足的，因而会产生不平衡电流。

　　由变压器两侧电流相位不同而产生。变压器经常采用两侧电流的相位相差30°的接线方式。此时，假如两侧的电流互感器仍采用通常的接线方式，则二次电流由于相位不同，也会在纵差保护回路产生不平衡电流。

　　由变压器带负荷调整分接头产生。在电力系统中，经常采用有载调压变压器，在变压器带负荷运行时利用改变变压器的分接头位置来调整系统的运行电压。改变变压器的分接头位置，实际上就是改变变压器的变化。假如纵差保护已经按某一运行方式下的变压器变比调整好，则当变压器带负荷调压时，其变比会改变，此时，纵差保护就得重新进行调整才能满足要求，但这在运行中是不可能的。因此，变压器分接头位置的改变，就会在差动继电器中产生不平衡电流，它与电压调节范围有关，也随一次电流的增大而增大。

　　2、暂态情况下的不平衡电流

　　1由变压器励磁涌流产生

　　变压器的励磁电流仅流经变压器接通电源的某一侧，对差动回路来说，励磁电流的存在就相当于变压器内部故障时的短路电流。因此，它必然给纵差保护的正确工作带来不利影响。正常情况下，变压器的励磁电流很小，故纵差保护回路的不平衡电流也很小。在外部短路时，由于系统电压降低，励磁电流也将减小。因此，在正常运行和外部短路时励磁电流对纵差保护的影响经常可忽略不计。但是，在电压忽然增加的非凡情况下，比如变压器在空载投入和外部故障切除后恢复供电的情况下，则可能出现很大的励磁电流，这种暂态过程中出现的变压器励磁电流通常称励磁涌流。

　　2由变压器外部故障暂态穿越性短路电流产生

　　纵差保护是瞬动保护，它是在一次系统短路暂态过程中发出跳闸脉冲。因此，必须考虑外部故障暂态过程的不平衡电流对它的影响。在变压器外部故障的暂态过程中，一次系统的短路电流含有非周期分量，它对时间的变化率很小，很难变换到二次侧，而主要成为互感器的励磁电流，从而使互感器的铁心更加饱和。

　　三、变压器纵差保护中不平衡电流的克服方法

　　从上面的分析可知，构成纵差保护时，如不采取适当的措施，流入差动继电器的不平衡电流将很大，按躲开变压器外部故障时出现的最大不平衡电流整定的纵差保护定值也将很大，保护的灵敏度会很低。若再考虑励磁涌流的影响，保护将无法工作。因此，如何克服不平衡电流，并消除它对保护的影响，提高保护的灵敏度，就成为纵差保护的中心问题。

　　1、由电流互感器变比产生的不平衡电流的克服方法

　　对于由电流互感器计算变比与实际变比不同而产生的不平衡电流可采用2种方法来克服：一是采用自耦变流器进行补偿。通常在变压器一侧电流互感器装设自耦变流器，将LH输出端接到变流器的输入端，当改变自耦变流器的变比时，可以使变流器的输出电流等于未装设变流器的LH的二次电流，从而使流入差动继电器的电流为零或接近为零。二是利用中间变流器的平衡线圈进行磁补偿。通常在中间变流器的铁心上绕有主线圈即差动线圈，接入差动电流，另外还绕一个平衡线圈和一个二次线圈，接入二次电流较小的一侧。适当选择平衡线圈的匝数，使平衡线圈产生的磁势能完全抵消差动线圈产生的磁势，则在二次线圈里就不会感应电势，因而差动继电器中也没有电流流过。采用这种方法时，按公式计算出的平衡线圈的匝数一般不是整数，但实际上平衡线圈只能按整数进行选择，因此还会有一残余的不平衡电流存在，这在进行纵差保护定值整定计算时应该予以考虑。

　　2、由变压器两侧电流相位不同而产生的不平衡电流的克服方法

　　对于由变压器两侧电流相位不同而产生的不平衡电流可以通过改变LH接线方式的方法来克服。对于变压器Y形接线侧，其LH采用△形接线，而变压器△形接线侧，其LH采用Y形接线，则两侧LH二次侧输出电流相位刚好同相。但当LH采用上述连接方式后，在LH接成△形侧的差动一臂中，电流又增大了3倍，此时为保证在正常运行及外部故障情况下差动回路中没有电流，就必须将该侧LH的变比扩大3倍，以减小二次电流，使之与另一侧的电流相等。

　　3、由变压器外部故障暂态穿越性短路电流产生的不平衡电流的克服方法

　　在变压器外部故障的暂态过程中，使纵差保护产生不平衡电流的主要原因是一次系统的短路电流所包含的非周期分量，为消除它对变压器纵差保护的影响，广泛采用具有不同特性的差动继电器。

　　对于采用带速饱和变流器的差动继电器是克服暂态过程中非周期分量影响的有效方法之一。根据速饱和变流器的磁化曲线可以看出，周期分量很轻易通过速饱和变流器变换到二次侧，而非周期分量不轻易通过速饱和变流器变换到二次侧。因此，当一次线圈中通过暂态不平衡电流时，它在二次侧感应的电势很小，此时流入差动继电器的电流很小，差动继电器不会动作。

　　另外，采用具有磁力制动特性的差动继电器。这种差动继电器是在速饱和变流器的基础上，增加一组制动线圈，利用外部故障时的短路电流来实现制动，使继电器的起动电流随制动电流的增加而增加，它能可靠地躲开变压器外部短路时的不平衡电流，并提高变压器内部故障时的灵敏度。因此，继电器的启动电流随着制动电流的增大而增大。通过正确的定值整定，可以使继电器的实际启动电流不论在任何大小的外部短路电流的作用下均大于相应的不平衡电流，变压器纵差保护能可靠躲过变压器外部短路时的不平衡电流。

　　四、结束语

　　变压器纵差动保护其差动回路中的不平衡电流大，形成不平衡电流的因素多，所以必须采取措施躲开和减少不平衡电流的影响。由于励磁涌流产生的不平衡电流仍然是纵差保护的重点，不平衡电流的影响导致纵差保护方案的设计也不尽相同。因此，在实践的变压器差动保护中，应结合不同方案进行具体的设计。

　　参考文献

　　1、李火元，《电力系统继电保护与自动装置》，2002年1月.

　　2、翁昭华，《继电保护(I) 》，1999年9月.

　　3、陈继森，熊为群，《电力系统继电保护》，1992年11月.

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文章名称： 变压器纵差保护原理及不平衡电流分析与克服方

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