纵差保护在电力变压器中的应用

石 凯 郝凤霞

（内蒙古北方联合电力公司海勃湾发电厂，内蒙古 乌海 016000）

电力变压器是电力系统中十分重要的供电元件，它的故障将对供电可靠性和系统的正常运行带来严重的影响。同时大容量的电力变压器也是十分贵重的元件。因此合理的配置变压器的保护装置对于变压器安全、可靠的运行是十分重要的。

1 变压器纵差保护基本原理

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。

2 不平衡电流产生的原因

2.1 励磁涌流的影响

变压器在正常运行时，它的励磁电流只流过变压器的电源测，因此，通过电流互感器反映到差动回路中就不能被平衡。在正常情况下，变压器励磁电流不过为变压器额定电流的2%～3%；在外部故障时，由于电压降低，励磁电流也相应减少，其影响就更小。在实际整定时可以不必考虑。

但是，在变压器空载投入和外部故障切除后电压恢复时，则可能产生数值很大的励磁涌流，其数值可达变压器额定电流的6～8倍。励磁涌流中含有大量的非周期分量和高次谐波分量。励磁涌流的大小与合闸瞬间外加电压的相位，铁芯中剩磁的大小和方向以及铁芯的特性有关。若正好在电压最大值时合闸，则不会出现励磁涌流，而只有正常时的电流。但对于三相变压器而言，由于三相电压相位不同，无论在任何瞬间合闸，至少有两相要出现程度不同的励磁涌流。励磁涌流可分解成各次谐波，以二次谐波为主，同时在励磁涌流波形中还会出现间断角。

2.2 绕组连接方式不同的影响

变压器各侧绕组的连接方式不同，如双绕组变压器采用Y，d接线，三绕组变压器采用Y，y，d接线时，各侧电流相位就不同。这时，即使变压器各侧电流互感器二次电流大小能相互匹配，但不调整，相位差也会在差动回路中产生很大的不平衡电流。

2.3 实际变比与计算变比不同的影响

由于电流互感器选用的是定型产品，其变比都是标准化的，很难与通过计算得出的变比相吻合，这样就会在主变差动回路中产生不平衡电流。

2.4 改变调压档位引起的不平衡电流

电力系统中带负荷调整变压器分接头是调节系统电压的重要手段。改变调压档位实际上就是改变变压器的变比。而差动保护已按照某一变比调整好，当分接头改换时，就会产生一个新的不平衡电流流入差动回路。此时不可能再用重新选择平衡线圈匝数的方法来消除这个不平衡电流，这是因为变压器的分接头是经常在改变，而差动保护的电流回路在带电时是不可能进行操作的。因此，对由此产生的不平衡电流，通常是根据具体情况提高保护动作的整定值加以克服。

2.5 型号不同产生的不平衡电流

由于变压器各侧电流互感器的型号不同，它们的饱和特性和励磁电流就不相同，因此，在差动回路中所产生的不平衡电流也就较大。

3 变压器纵差保护中不平衡电流的克服方法

3.1 电流互感器变比产生的不平衡电流

3.1.1 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。

3.1.2 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。

3.2 变压器两侧电流相位不同而产生的不平衡电流

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。

3.3 变压器外部故障暂态穿越性短路电流产生的不平衡电流

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。

[1]张静雅.双绕组变压器的纵联差动保护及整定[J].江西冶金，2010-04-30.

[2]苗世洪，刘沛.变压器纵差保护接线正确性的实验方法研究[J].上海电力学院学报，2000-01-20.

[3]徐习东.电力变压器纵差保护研究[J].浙江大学，2005-07-28.