电力变压器的纵差保护技术探究

李江祖 华北电力大学电气与电子工程学院 102206

电力变压器的纵差保护技术探究

李江祖 华北电力大学电气与电子工程学院 102206

变压器内部的电气故障形式主要有各侧绕组的匝问短路、中性点直接接地侧绕组的单相接地短路、内部引线和套管故障、各侧绕组相间短路等。据统计，变压器保护正确动作率远低于发电机保护和220～500kV线路保护。本文主要分析电力变压器的纵差保护技术。

电力；变压器；纵差保护

电力变压器是电力系统中普遍使用且十分重要的电气主设备。变压器的故障包括单相绕组的匝间短路、绕组及引出线的相间短路、中性点接地侧的单相接地短路、铁芯烧坏等。变压器的不正常运行方式有变压器外部故障(相间、接地)时引起的过电流、中性点过电压、变压器长时间过负荷、过励磁、油面降低、温度过高等。

1 电力变压器的保护配置

为了保证变压器的安全运行，应按照变压器可能发生的故障和不正常运行方式，装设灵敏、快速、可靠和选择性好的完善的保护装置。根据《技术规程》的规定，变压器一般应装设如下继电保护装置：1)反应变压器油箱内部各种短路故障和油面降低的瓦斯保护；2)反应变压器绕组、引出线、套管内短路的纵联差动保护或电流速断保护；3)反应变压器外部相间短路并作为瓦斯保护和差动保护(或电流速断保护)后备的过电流保护(低电压启动过电流保护、复合电压启动的过流保护、负序过电流保护)；4)反应大电流接地系统中变压器外部接地短路的零序电流保护、零序过电压保护；5)反应变压器对称过负荷的过负荷保护；6)反应变压器过励磁的过励磁保护；7)其他非电量保护，如温度保护等。另外，由于大型变压器在电力系统中的重要性，目前国家电力部门相关规程要求电气故障的保护实行主保护和后备保护双重化配置，以确保变压器及系统的安全稳定运行。

2 变压器纵差保护的基本原理

变压器的纵联差动保护(简称纵差保护)用来反映变压器绕组、引出线及套管上的各种短路故障，广泛运用于各种大中型变压器保护中，是变压器的主保护之一。纵差保护是通过比较被保护的变压器两侧电流的大小和相位在故障前后的变化而实现保护的。为了实现这种比较，在变压器两侧各装设一组电流互感器T A l、TA2，其二次侧按环流法连接(通常变压器两端的电流互感器一次侧的正极性端子均置于靠近母线的一侧，而二次侧的同极性端子相连接组成差动臂，再将差动继电器的线圈跨接在差动臂上)，构成纵差保护。变压器的纵差保护与输电线路的纵差保护相似，工作原理相同，但由于变压器具有变比和接线组别等特殊情况，为了保证变压器纵差保护的正常运行，必须选择好变压器两侧电流互感器的变比和接线方式，保证变压器在正常运行和外部短路时两侧的二次电流大小相等、方向相同。其保护范围为两侧电流互感器TAl、TA2之间的全部区域，包括变压器的高、低压绕组、套管及引出线等。

3 变压器差动保护的性能特征

3.1 变压器差动保护的特征

3.1.1 差动速断及比率差动保护性能。

3.1.1.1 差动速断保护实质上为反应差动电流的过电流继电器，用以保证在变压器内部发生严重故障时快速动作跳闸，典型出口动作时间小于15ms。

3.1.1.2 比率差动保护的动作特性，能可靠躲过外部故障时的不平衡电流。

3.1.2 采用软件调整变压器各侧电流的平衡系数方法，把各侧的额定电流都调整到保护装置的额定工作电流(5A或1A)。

3.1.3 采用可靠的电流互感器断线报警闭锁功能，保证装置在电流互感器断线及交流回路故障时不误动。

3.1.4 采用变压器接线方式整定的方法，使软件适用于变压器的任一接线方式。

3.1.5 该装置算法的突出特点是在较高采样率的前提下，保证了在故障全过程对所有继电器的并行实时计算，装置有很高的固有可靠性及动作速度。

3.2 变压器纵差保护与发电机纵差保护的不同

变压器纵差保护与发电机纵差保护一样，也可采用比率制动方式或标积制动方式达到外部短路不误动和内部短路灵敏动作的目的。但是变压器纵差保护在以下几方面显著不同于发电机纵差保护：(1)变压器各侧额定电压和额定电流各不相等，因此各侧电流互感器的型号一定不同，而且各侧三相接线方式不尽相同，所以各侧相电流的相位也可能不一致，这将使外部短路时不平衡电流增大，所以变压器纵差保护的最大制动系数比发电机的大，灵敏度相对较低。(2)变压器高压绕组常有调压分接头，有的还要求带负荷调节，使变压器纵差保护已调整平衡的二次电流被破坏，不平衡电流增大，这将使变压器纵差保护的最小动作电流和制动系数都要相应的加大。(3)对于定子绕组的匝间短路，发电机纵差保护完全没有保护作用。变压器各侧绕组的匝间短路，通过变压器铁芯磁路的耦合，改变了各侧电流的大小和相位，使变压器纵差保护对匝间短路起保护作用。(4)无论变压器绕组还是发电机定子绕组的开焊故障，完全纵差保护均不能动作，但变压器还可依靠瓦斯保护或压力保护。(5)变压器纵差保护范围除包括各侧绕组外，还包括变压器的铁芯，即变压器纵差保护区内不仅有电路还有磁路，这就违反了纵差保护的理论基础——基尔霍夫电流定律。对于仅包括电路的纵差保护对象(如发电机、电动机、母线、电抗器等)本身没有故障时，不管外部发生什么扰动，恒有诸端电路的相量和为零。

4 电力变压器的纵差保护技术

4.1 变压器调压分接头位置改变而产生的不平衡电流

电力系统中常用调整变压器调压分接头位置的方法来调整系统的电压。调整分接头位置实际上就是改变变压器的变比，其结果必然将破坏两侧电流互感器二次电流的平衡关系，产生了新的不平衡电流，需要重新改变平衡绕组匝数来予以平衡。但对于带负荷调整变压器分接头，由于是根据系统运行的要求随时都可进行的，所以在纵差保护中不可能采用改变平衡绕组匝数的方法来及时加以平衡。因此，在带负荷调压的变压器纵差保护中，应在整定计算时加以考虑，即用提高保护动作电流的方法来躲过这种不平衡电流的影响。

4.2 变压器接线组别的影响及其补偿措施

三相变压器的接线组别决定了变压器两侧的电流相位关系，以常用的Y，d11接线的电力变压器为例，高、低压侧电流之间就存在着30零的相位差。这时，即使变压器两侧电流互感器二次电流的大小相等，也会在差动回路中产生不平衡电流。为了消除这种不平衡电流的影响，就必须消除变压器两侧电流的相位差。(1)常规保护的补偿方法。通常都是将两侧电流互感器按“相位补偿法”进行连接，即将变压器星形接线侧电流互感器的二次绕组接成三角形，而将变压器三角形接线侧电流互感器的二次绕组接成星形，以便将电流互感器二次电流的相位校正过来。

4.3 变压器励磁涌流的影响及防止措施

由于变压器的励磁电流只流经它的电源侧，故造成变压器两侧电流不平衡，从而在差动回路内产生不平衡电流。在正常运行时，此电流很小，一般不超过变压器额定电流的3%～5%。外部故障时，由于电压降低，励磁电流也相应减小，其影响就更小。因此，由正常励磁电流引起的不平衡电流影响不大，可以忽略不计。但是，当变压器空载投入和外部故障切除后电压恢复时，可能出现很大的励磁涌流，其值可达变压器额定电流的6～8倍。因此，励磁涌流将在差动回路中引起很大的不平衡电流，可能导致保护的误动作。励磁涌流，就是变压器空载合闸时的暂态励磁电流。

[1]邵玉槐主编.电力系统继电保护原理[M].中国电力出版社，2008.6：98-99

[2]阎伟，吴波，张晓青等编著.电工实用技术入门与提高[M].人民邮电出版社，2010.06：67-68

[3]中国建筑业协会电气分会主编.建筑供配电新技术[M].中国建筑工业出版社，2010.02：102

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.23.058

李江祖，男，甘肃兰州人，1982年10月职称：助理工程师，本科，专业：电气系统及其自动化。