变压器差动保护误动原因分析及防范措施

刘汉文

（中海石油（中国）有限公司湛江分公司，广东 湛江 524057）

1 概述

海上某油田群平台B投产前，进行送电试运行。平台B由平台A通过10.5 kV/10.5 kV隔离变压器经海缆供电，平台B通过变压器降压至400 V，供平台正常生产。投产初次送电时，平台A先合闸VCB107投运隔离变压器，平台B合闸VCB201投运主变给本平台供电，在平台B轻载试运行时，出现平台A开关柜VCB107综保差动保护故障，平台A海缆柜VCB110、平台B开关VCB201欠压保护跳闸。

2 差动保护基本原理

变压器差动保护的基本原理通过检测输入、输出电流的差值Id，当该差值达到预设的动作值，即触发保护元件动作。变压器两侧均安装了电流互感器(Current Transformer, CT)，差动保护装置可作用于变压器绕组内部及其各种相间及匝间短路故障。差动保护原理如图1所示。

图1 差动保护原理图

当变压器正常运行或发生外部故障时,Id=I'1-I'2≈0。当变压器内部发生相间短路故障时，I'2改变了方向或等于零（无电源侧），此时Id=I'1+I'2＞0，Id存在一定值，将促使继电器可靠动作，跳开两侧的断路器，使故障设备断开电源。

3 差动保护定值设定原理

变压器外部故障时，差动保护有可靠的制动作用，同时内部故障时有较高的灵敏度。差动保护通常采用比率制动特性，利用故障时的短路电流来实现制动，使保护动作电流随制动电流的增加而增加。当外部故障时，虽然会产生不平衡电流，但外部故障短路电流越大，制动电流越大，差动电流也越大，从而差动保护不会误动作。内部故障时，虽然制动电流也增大，但内部故障会产生很大的差动电流，足够使保护动作[1]。

为了更好地与电流互感器的非线性饱和特性相配合，差动保护采用三折线比率制动特性。其动作方程为：

式中：Id为差动电流；Ires为制动电流；Id.min为启动电流；Ires.1为比率制动特性的第一拐点制动电流；Ires.2为比率制动特性的第二拐点制动电流；K1为比率制动特性第一斜线段的斜率，K1=tanα1；K2为比率制动特性第二斜线段的斜率，K2=tanα2。

三折线比率制动特性曲线如图2所示。

图2 三折线比率制动特性曲线

最小动作电流Id.min为：

式中：Krel为可靠系数，取1.3；IL.max为最大负荷电流；nTA为电流互感器电流比；Kst为电流互感器的同型系数，由于变压器两侧电流互感器型号不同，会产生较大的不平衡电流，所以取为1；ΔU为有载调压变压器调压所引起的相对误差，若电流互感器二次电流在变压器额定抽头时处于平衡，则取电压调整范围的一半；Δm为微机保护装置固有误差，一般取0.05。

拐点电流一般取：Ires.1=(0.6～1.1)In；Ires.2≤3In；In为基准电流，也就是基准侧二次额定计算电流。三折线比例制动特性的第二和第三折线斜率一般取K1=0.15～0.3；K2=0.5～0.7。

制动电流的选取直接影响差动保护的选择性和灵敏度。若规定双绕组变压器两侧分别记为I侧和II侧，电流 II˙、III˙别为I、II侧的电流。制动电流Ires选取的方法有多种。分别为：模值和电流制动、和差制动、标积制动

4 差动保护误动原因分析

根据原理图，对差动保护误动原因进行了分析，主要包括：

4.1 CT极性反接

当变压器Y侧CT极性接反时，使得I'2电流反相，当变压器正常运行时, 可表示为：Id=I′1-(-I′2)= I′1+I′2≈2I′1，引起保护误动。

4.2 CT二次回路开路

当变压器Y侧CT运行中二次回路开路时，仅有一侧CT二次电流流入保护继电器，此时Id=I′1，将引起保护误动。

4.3 励磁涌流

在变压器空载合闸或外部故障切除后变压器电压突然恢复时，铁芯中应具有剩余磁通，若刚好与恢复电压所产生的磁通方向相同时，变压器的铁芯严重饱和，励磁电流剧烈增大，产生励磁涌流，因超过差动保护定值而误动[2]。

根据事件现象，初步怀疑是平台B升压主变保护CT极性接反，更改接线后再投入运行，发现差动电流依然存在，由此排除CT极性反接原因。另外，检查电流互感器端子箱、保护屏端子排的接线，并未存在松动、断线等情况，因此排除CT二次回路开路故障原因。

事件中，平台B轻载运行时引起了A平台隔离变压器开关柜差动保护跳闸，并非隔离变压器空载合闸瞬间跳闸动作，所以排除了励磁涌流影响因素。

平台A隔离变压器采用的联结方式是YDN11。正常情况下，在综保设置中，应该对三角形侧电流进行相位的偏移处理，也就是将Y侧的线电压超前D侧线电压，进行人为的偏移30度处理。假设该主变联结方式接成了YDN1，也就是Y侧线电压落后D侧线电压30度，人为给其超前30度处理，结果是Y侧线电压落后D侧线电压60度；当把Y侧CT极性更改后，加上人为偏移的30度，结果就成了Y侧线电压落后D侧线电压120度，由此判断变压器相位校正错误极有可能是造成本次差动跳闸的主要原因。通过修改综保相位角后，再次送电测试正常，故障排除[3]。

5 差动保护误动对策

5.1 预防电流互感器极性接反

变压器或其他有差动保护的设备投运前，应对电流互感器极性进行校验，通常用蓄电池进行极性测量。

5.2 预防电流互感器二次回路开路

加强电流互感器安装前设备工艺检测、安装工作以及日常维护工作的管控，同时装设电流回路断线闭锁装置。

5.3 预防变压器励磁涌流

为避免励磁涌流对差动保护的消极影响，差动保护可采取以下措施：

（1）采用速饱和变流器的差动继电器，利用速饱和变流器铁芯容易饱和的特性来阻止励磁涌流流进继电器。

（2）采用二次谐波制动原理，故障切除后，利用二次谐波分量进行制动，判别差动电流含有的二次谐波含量是否大于含量限值时，若是，则闭锁差动保护。

（3）采用波形“间断角”原理，由于励磁涌流波形有较大的间断角，可据此区分励磁涌流和内部短路电流。

5.4 预防变压器相位校正错误

变压器的相位校正方式有两种，一种是由Y型侧归算△型侧；一种是由△型侧归算Y型侧。变压器运行前，应对变压器连接方式进行检查校核，参考差动保护装置定义说明，确保综保设置中已进行合理的相位偏移校正。

6 结语

通过对变压器差动保护误动原因及防范措施的相关研究，明确差动保护原理和机制，梳理出差动保护误动作常见故障原因，研究并制定符合实际的防范措施，最终为海上油气生产装置解决同类问题提供了成功的可借鉴范例。