变压器差动保护误动原因分析及改进措施

张明清

（江苏省电力公司海安供电公司，江苏海安226600）

电力变压器是电力系统中的重要电气设备，它在发电、输电及配电等各个环节中被广泛使用，因而其运行的安全性直接影响到整个电力系统的稳定。大容量电力变压器十分贵重；因此，必须根据变压器的容量和重要程度（考虑可能发生的各种类型的故障和不正常工作的情况），装设性能良好、工作可靠的继电保护装置。

现场运行的变压器大都采用纵联差动保护作为主保护，然而在运行中经常出现差动保护误动的情况，如不平衡电流、励磁涌流及差动电流互感器饱和等。本文分析了引起差动保护误动的原因，并提出了防止误动的措施。

1 差动保护基本工作原理

差动保护原理于1904年由C.H.Meiz和B.Price在英国提出，尽管其实现方式（特别是制动量的构成）存在一些差别，但基本原理沿用至今。双绕组变压器实现差动保护的单相原理接线如图1所示。

图1 双绕组变压器差动保护的单相原理接线图

差动保护的工作原理是[1－3]：

（1）正常运行或者外部故障时，流入继电器中的电流为

式中，I2′，I2′′为经过差动电流互感器变换之后的二次侧电流；Ibp为不平衡电流。

（2）内部故障时，流入继电器中的电流为

为保证动作的选择性，差动继电器的动作电流Idzj应按躲开外部短路时出现的最大平衡电流来整定，即

式中，Idzj为差动继电器的动作电流；Kk为可靠系数，其值大于1；Ibpmax为外部短路时出现的最大平衡电流。

因此，只要选择好定值，就可以保证差动保护不误动。变压器差动保护的范围是构成变压器差动保护的电流互感器之间的电气设备以及连接这些设备的导线。差动保护不需要与保护区外相邻元件保护在动作值和动作时限上相互配合[4]。

2 差动保护误动分析及改进

2.1 不平衡电流

从式（3）还可看出：不平衡电流Ibp越大，继电器动作电流就越大。若Ibp太大，就将降低内部短路时保护的灵敏度，因此减小不平衡电流及其对保护的影响是变压器差动保护的主要问题。

2.1.1 不平衡电流产生的主要原因

在实际运行中，电流互感器总存在励磁电流，且各个互感器的励磁特性不一定完全相同，由此导致Ibp不可能等于零，这个电流即为不平衡电流。其产生原因主要有以下几种[5－8]：

（1）计算变比与实际变比不一致而产生不平衡电流，即由电流互感器变比规格化产生的不平衡电流。

（2）由变压器带负荷调节分接头产生的不平衡电流。

（3）两侧差动电流互感器型号、变比及二次负载不同，电流互感器传变误差引起的不平衡电流。

（4）变压器励磁电流产生的不平衡电流，其中，由励磁电流造成的影响是最大的。

（5）大电流系统侧接地故障时变压器的零序电流。当变压器高压侧（大电流系统侧）发生接地故障时，流入变压器的零序电流因低压侧为小电流系统而流不出变压器；因此，对变压器纵差保护而言，零序电流为一很大的不平衡电流。

2.1.2 减小不平衡电流的方法

（1）采用自耦变流器进行补偿，一般是在电流互感器一侧（对三绕组变压器应在两侧）装设自耦变流器。

（2）利用中间变流器的平衡绕组进行补偿。

为减小暂态不平衡电流，根据电流互感器暂态不平衡电流中可能含有大量的非周期性分量使电流完全偏离时间轴一侧的特点，常在差动回路中接入具有速饱和特性的中间变流器（BHL），其作用是使暂态不平衡电流不反映到继电器回路中去，以避免误动作。

（3）对变压器差动保护进行相位补偿方式及接地故障时的零序电流的过滤。

变压器会对其两侧电流产生相位偏移，变压器必须对其两侧电流进行相位校正，以满足在正常运行及区外故障时差流为零而使变压器差动保护不致误动。另外，接地故障时零序电流也是另一种不平衡电流。

以我国用得最广泛的Y0，d11连接变压器为例进行简单分析。对于原先采用差动电流互感器接成Dy的电磁型差动保护及用软件在高压侧移相的变压器纵差保护，由于从高压侧通入各相差动元件的电流分别为两相电流之差，已将零序电流滤去。对于用软件在低压侧进行移相的变压器纵差保护，在高压侧流入各相差动元件的电流应将零序电流滤去。见下式引入电流互感器接线系数：

星形侧

三角形侧

式中，IA，IB，IC为变星形侧进入保护装置的电流；Ia，Ib，Ic为经过相位补偿后进入差动回路的电流。

图2 Y侧电流向△侧电流逆时针转30°

南京南瑞继电保护有限公司的RCS－978系列采用的是△—Y电流相位补偿方式[9]，其相量图如图3所示，其算法如下。

图3 △侧电流向Y侧电流顺时针转30°相位图

星形侧

三角形侧

式中，I0＝（IA＋IB＋IC）／3为零序电流。

国电南京自动化股份有限公司的PST－1200系列采用的是Y—△电流相位补偿方式，RCS－978系列采用的是△—Y电流相位补偿方式，分别采用了上述原理[10]。

2.2 励磁涌流引起差动保护误动及改进

变压器的励磁电流只流入变压器接通电源一侧的绕组。对差动回路而言，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，它必然给差动保护的正确工作带来影响。

正常运行情况下，变压器励磁电流很小，一般不超过变压器额定电流的3%～6%，变压器工作在磁通的线性段OS，如图4所示，铁芯未饱和，其相对导磁率μ很大，变压器绕组的励磁电感也很大。当发生外部短路时，由于电压下降，励磁电流更小，对励磁电流的影响一般可以不考虑。

图4 ψ＝f（I）和μ＝f－（I）的关系曲线

当变压器空投或故障切除后电压恢复时，由于变压器铁芯中的磁通急剧增强，使铁芯瞬间饱和，相对导磁率μ接近1，变压器绕组电感降低，伴随出现数值很大的励磁涌流，此时，励磁涌流中包含有很大成分的非周期分量和高次谐波分量，并以二次谐波为主（二次谐波分量约为基波分量的17%），其数值可以达到额定电流的6～8倍，甚至更高，出现尖顶形状的励磁涌流[4，10]。如图5所示。

在起始瞬间励磁涌流衰减很快，对于一般中小型变压器，经0.5～1 s后，其值不超过额定电流的0.25～0.5倍；大型变压器励磁涌流的衰减速度较慢，衰减到上述值要2～3 s，即变压器的容量越大衰减越慢，同时励磁涌流波形出现间断，产生间断角（现代大型单相变压器励磁涌流的最小间断角一般小于120°）。此电流流入差动继电器，就有可能引起保护装置误动作[2－3]。

图5 励磁涌流波形图

在实际运行中，基于涌流中二次谐波含量大且有间断角的特征，主要采用二次谐波制动、判别波形间断角及波形对称的变压器差动保护。下面对这3种措施进行阐述。

（1）二次谐波制动的变压器差动保护。由于在变压器励磁涌流中含有大量的二次谐波分量，一般占基波分量的17%以上；因此，利用差电流中二次谐波所占的比率作为制动系数，可以鉴别变压器空载合闸时的励磁涌流，从而防止变压器空载合闸时保护的误动。

目前，南京南瑞继电保护有限公司的RCS－978系列、国电南京自动化股份有限公司的PST－1200系列等保护都采用了该原理。

（2）判别波形间断角原理的差动保护。由前面对涌流的分析可以知道，涌流波形有较大的间断角θ，而内部短路时，流入差动回路的短路电流基本上是正弦波；因此，根据以上2种波形的差别，可以采用判别间断角大小的方法躲开励磁涌流。经过试验研究，单相变压器涌流间断角大约小于120°，三相变压器涌流间断角可能有一相小于60°，所以，利用励磁涌流一次波形的间断角特征来闭锁差动保护。

（3）波形对称判别元件。保护装置滤去电流中的直流分量，比较每个周期内差电流的前半波与后半波的测量值。判据方程为

式中，Ij为差流波形上前半周某一点的值；Ij＋180°为差流波形上与Ij点相差180°点的值；κ为不对称系数，通常等于1／2。

变压器内部故障时，Ij值与Ij＋180°值大小基本相等、相位基本相反，此时，κ≈0。差动保护动作。

励磁涌流的波形具有很大的间断角，Ij值与Ij＋180°值相差很大、相位也不会相反，此时，κ＞1／2。差动保护被闭锁。

国电南京自动化股份有限公司的PST－1200系列就采用了此原理，并申请了专利。

2.3 由差动电流互感器原因所引起差动保护误动及改进

2.3.1 差动电流互感器饱和引起差动保护误动及改进

现场运行中的很多差动保护是比率制动式的，从差动电流互感器的暂态传变特性知[10]，在外部故障、空载合闸或故障切除电压恢复的暂态过程中，伴随工频交流的非周期分量和谐波分量电流将使变压器差动保护两侧不同型的差动电流互感器因严重的非线性饱和特性而不一致，纵然一次电流各侧之和∑I＝0，但二次电流各侧之和∑Ij≠0，造成差动电流增大，与此同时反映∑｜Ij｜的制动电流却因严重饱和而减小，即差动电流互感器饱和导致差动保护误动的原因。

为保证选择性并从提高差动保护的整体性能出发，可采取以下措施来防止差动电流互感器饱和：

（1）选择适当的差动电流互感器和减小二次负载阻抗；

（2）选择合理的差动保护制动特性，如比率制动判据可按制动电流的大小分别采用不同的制动系数，即多段折线型比率制动特性；

（3）注意差动电流互感器饱和的鉴别。可利用差动电流出现时刻和故障发生时刻的不同来区分是区内故障还是区外故障，从而有效地防止外部短路时由于饱和而引起的暂态不平衡电流造成的差动保护误动。

2.3.2 差动电流互感器二次回路断线引起差动保护误动及改进

电流互感器二次回路断线最明显的特征就是电流下降，在常用的微机保护中，只要有合理的判断，就不难解决电流互感器二次回路断线时变压器差动保护的误动问题。一般对差动保护动作电流的整定可从以下几个方面来进行：

（1）应躲过当变压器空投及外部故障后电压恢复时的变压器励磁涌流的影响，一般取（1.3～1.5）Ie额定电流；

（2）应躲过变压器外部故障时在变压器保护中所引起的最大不平衡电流，一般取1.3Ibp不平衡电流；

（3）应躲过变压器差动保护二次回路在差动回路中引起的差动电流的影响，一般取1.3Ie额定电流。

3 结 语

笔者结合对本工作单位已运行的主变保护装置的功能特点做的一些总结，提出了变压器差动保护误动的原因及一些改进措施。只有结合实际深入了解，掌握变压器纵差保护产生误动的原因及防止误动的保护原理，才能根本杜绝变压器差动保护误动作，从而保证电力系统安全稳定运行。

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[3] 潘 毅，郑永涛，李志猛.变压器差动动作原因分析[J].电工技术，2010（7）：20.

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[8] 韦 恒.变压器差动保护励磁涌流误动分析及解决方案[J].广西电力，2010（3）：27－28.

[9] 江苏省电力公司.电力系统继电保护原理与实用技术[M].北京：中国电力出版社，2006：53－65.

[10] 江苏省电力公司生产技能培训中心.PST1200系列数字式变压器保护装置说明书、RCS－978系列变压器成套保护装置说明书[M].苏州：继电保护组编，2004：8－23.