变压器零序差动保护的原理与调试

袁海华

中国铁道科学研究院

摘要：在电力系统中，变压器占据重要地位，是电力系统的核心因素。在变压器其使用过程中，其内部故障保护至关重要，保护方式包括后备保护、纵联差动保护、零序差动保护等。其中，由于零序差動保护具有灵敏度高、保护安全等优点，因此，在近几年变压器保护中广泛应用。本文主要对变压器零序差动保护原理进行阐述，分析零序差动保护的具体应用，研究变压器零序差动保护的调试方法，为零序差动保护使用提供参考。

关键词：零序差动保护；变压器；原理；调试

随着我国工业生产、经济的快速发展，人们对用电需求更大，电力系统承载更大压力。在高压电力系统中，自耦变电器具有用材省、体积小、效率高点等优点，应用广泛。同时，电力系统得以运行的前提保障是安全性，电力企业、部门极为重视变压器电力设备的安全性，通过保护装置保护变压器内部故障安全。在对自耦变压器配置保护时，其与普通变压器具有相同的后备保护、匝间保护、瓦斯保护，但自耦变压器的功率传递方式与普通变压器存在差异，主要通过直接传导、电磁感应传递，易发生接地故障，需配置专门反应接地故障保护的零序差动保护[1]。

一、变压器零序差动保护原理

在变压器运行过程中，变压器中压侧、公共侧绕组、高压侧接地故障的主保护是变压器零序差动，其对中压侧、公共侧绕组、高压侧三侧之间的相互关系、电流大小进行比较，从而构成差动保护。其中，差动保护即当两端输入的CT电流矢量差与设定的动作值一致时，动作元件将被启动，保护两端CT间的设备[2]。而变压器零序差动保护的组成部分为零序电流互感器及互感器，其工作不受变压器电流相移、励磁电流、涌流电流等因素的影响，对接地故障反映灵敏。零序差动保护原理如图1所示。

图1 零序差动保护原理图

根据图1可知，在系统正常运行过程中，中性点零序电流为零，即3I0'=0，且自产零序电流3I0''=0。而区内接地故障在系统中发生时，自产零序电流3I0''、中性点零序电流3I0'保持相同大小及相位，这样，零序差动便具有较高灵敏度，动作可靠。同时，在区外接地故障在系统中发生时，自产零序电流3I0''、中性点零序电流3I0'保持相反的相位、相同大小，从而差动可靠。同时，当中性点零序电流3I0'超过变压器装置内整定动作定值时，装置内的元件动作被启动，零序差动保护开放。

二、零序差动保护在变压器中的具体使用

（一）、合理区分外部故障

在变压器运行过程中，当外部故接地故障发生时，中性点电流随着增加，且随着故障的延伸、发展，电流互感器发生饱和，差电流增加。这样，当中性点电流剧增过程中，如果具有较小的差电流，则可判断外部接地障碍，而如果中性点电流与差电流同时出现，便无需判断区外故障[3]。同时，当变压器发生区外、区内故障时，电路中呈现不同的电流分布。例如，在自耦变压器运行中，由于其高中压侧有电的联系，且两者均需要直接接地，具有公共的接地中性点。这样，自耦变压器系统发送单相接地故障时，零序电流便通过一个网络，经接地中性点向另一个网络流动，在因系统短路点、运行方式影响电流在中接地中性点发生较大变化。因此，通过电流测定区分外部故障。

（二）、注意零序差动不平衡电流

比较于相同差动，在系统外部短路、正常运行情况下，在理论上，零序差动保护没有不平衡电流。但是，在实际应用中，一定量的不平衡电流存在，其主要包括空载合闸的励磁涌流、电流互感器的励磁电流、三相短路时各侧零序不平衡电流。就空载合闸的励磁涌流而言，理论上，其是零差保护的穿越性电流，不产生不平衡电流。但是，各互感器存在差异性，当空载合闸时，产生不平衡的零差保护，且由于不平衡电流量的值较小，因此，应根据变压器的具体运行资料确定零差保护的动作电流，不能用理论计算。同时，当三相短路在自耦变压器外部发生时，各侧零序不平衡电流以相量和形式出现。而为了躲避此不平衡电流，额定电流值将小于零序差动整体值，使零序差动保护对接地故障的可靠性、灵敏度降低。因此，在变压器零序差动保护具体应用中，应使用带比率制动特性的变压器保护。在具体应用中，设定零序差动保护计算在IN≥0.5Idmin时启动，依据比率制动原理，根据计算方程：当Id>Idmin，Ir<1.25；当Id>Idmin+0.7（Ir-1.25），Ir∈[1.25，2.25]；当Id>Idmin+Ir-1.55，Ir∈[2.25，∞][4]，制动特性曲线如图2所示。

图2 零序差动比率制动特性曲线

（三）、采取措施避免保护误动

在线路合环瞬间，不平衡电流会在线路上产生，产生零序差动保护误动，影响变压器的正常运行。因此，在变压器零序差动保护应用过程中，应采取一些措施改进零序差动保护。例如，通过增加零序差动保护动作时间，避免合闸时的保护误动。同时，还可增加零序电压启动，在变压器单相接地时，增加零序电压，使零序电压二次高达100V[5]。这样，在系统运行过程中，电压互感器开口三角电压值几乎接近于零，因此，启动零序电压，可防止零序差动保护误动，防止非接地故障。此外，还可采用五次谐波原理，在电力系统运行过程中，高次谐波分量存在于电源感应电动势中，且受电压互感器、变压器等设备铁芯非线性影响，一些高次谐波分量存在于电网中。此时，采用中性点经消弧线圈消接地，利用消弧线圈对谐波的强大感抗性，减弱高次谐波分量，准确判断接地系统故障。

三、变压器零序变压器保护调试

（一）、合理按照步骤进行零序差动保护调试

在进行零序差动保护调试过程中，需要先校验电流通道采样精度、差速电流定值及差动电流定值，然后根据校验结果进行保护调试。其中，在先校验电流通道采样精度过程中，分别从保护装置各侧将三相对称电流通入电流端子处，对装置的零序电流、三相电流进行校验。同时，将单相电流通入各侧电流端子处，对零序电流的精准度进行察看。而在校验差速电流、差动电流定值过程中，将单相电流通入保护装置高压侧电流端子处，此时，如果当电流大小为1.5倍及0.95倍的零差保护电流定值时，校验0.95倍的定值可靠不动作，1.5倍定值可靠动作。校验零序差动保护后，根据结果进行故障保护。

（二）选取变压器制动电流

对于自耦变压器而言，制动电流按照I=max{（IAH-IBH），（IBH-ICM），（ICH-IAH）}公式进行选取，其中，高压侧三相电流用IAH、IBH、ICH表示[6]。根据电流保护可靠制动。例如，对于区外相间故障，当发生如图3所示的AB相间故障时，I= max{（IAH-IBH），（IAM-IBM）}，其IAM、IBM表示中压侧三相电流。在故障发生时，I值较大，相同故障引起的零序不平衡电流便为差动电流，在制动电流远大于差动电流时，保护可靠制动。

图3 AB相间故障

（三）、准确判断中性点CT

在变压器零序差动保护过程中，保护动作的正确性是确保系统安全、可靠运行的关键因素，而正确的中性点零序CT极性是保障保护动作正确的核心因素，因此，在变压器零序差动保护调试中，应对中心点CT进行极性判别，准确连接CT极性，避免发生因CT极性接反而出现的保护误动情况。在具体操作中，如果在变压器空载合闸时无内部故障，对于零序差动保护而言，励磁涌流是穿越性电流，此时，如果是正确的零序CT极性，相位相反、大小相等的中性点、自产零序励磁涌流在合闸侧产生，变压器空载合闸纵差保护不动作。同时，根据中性点、自产零序励磁涌流相位差对零序CT极性进行校验，如果两者具有相同相位，则将向现场投运人员发送告警信息提示，核实零序CT极[7]。

四、结束语

零序差动保护以其灵敏度高、可靠性强等优势广泛应用于变压器接地故障中，灵敏反应变压器存在的接地故障，为变压器运行提供保护。在实际应用中，电力工作人员应根据变压器型号、输电要求选择配置合适的零序差动保护，科学调试设备，为故障判断提供依据，提高保护可靠性，确保电网正常运行。

参考文献：

[1]周建，周卫巍，王锋等.1000 MW发电机变压器组保护配置探讨[J].电力系统保护与控制，2010，38（11）：126-129，146.

[2]羅云照，陈朝晖.变压器零序差动保护制动电流算法探讨[J].南方电网技术，2011，05（5）：77-80.

[3]柳维衡，郑涛.基于不同故障情况的特高压变压器差动保护仿真研究[J].现代电力，2010，27（1）：12-16.

[4]马玉玲.变压器零序差动保护原理及调试[J].电网与清洁能源，2009，25（9）：23-25.

[5]胡红斌，郭素梅，史新民等.变压器零序方向及零序差动保护接线正确性检测方法[J].中国电业（技术版），2010，（1）：25-27.

[6]张连杰.基于零序电流分布的自耦变压器电流保护分析[J].通信电源技术，2011，28（6）：101-102.

[7]袁宇波，李鹏，黄浩声等.变压器差动保护误动原因分析及对策综述[J].江苏电机工程，2013，32（6）：8-11，14.