变压器主保护原理及其影响因素分析

吴欣城

(广西电网公司灵山供电公司，广西 灵山 535400)

1 引言

电力系统是由发电、输电、配电和用电等各个环节相连组成，电能的发出和使用必须在同一时刻完成并且保持平衡，中间不能有缓冲、存储等环节。电力变压器在电能的输送环节中起到决定性的作用。1882年电灯开始应用之后，如何输送电能称为一个科学家争论的焦点。以爱迪生为首的爱迪生公司极力推行直流输电，但发明家尼克拉·特斯拉去提出交流输电，其基本思想是让出厂电压升得很高，经过远距离输送后在用户端再降下来，在当时这一输电方式虽然具有损耗小、能远距离输送等绝对性的优势，但因爱迪生的极力阻扰，发展趋势很缓慢。直到后来社会的发展直流输电不能满足人们的需要，交流输电才逐步取代直流输电。近年来电力电子技术发展迅速，直流输电又逐渐出现在电力系统中。

远距离交流输电的关键设备是变压器，其主要作用是改变交流电能的电压、电流大小。电网的损耗主要受电流和阻抗的大小影响，电流和阻抗越大损耗就越大，因此在输电线路阻抗一定时，要尽量减少输电的电流。在输送电能功率恒定是，要减少电流就要升高电能的电压，因此以变压器升压进行远距离输电具有减少损耗、提高经济性的作用。电力变压器的制造工艺复杂、材料昂贵，因此变压器的成本很高，在电力系统中，往往都配备多套继电保护来防止损坏变压器。变压器保护有主保护和后备保护，主保护主要有纵差保护等。

2 纵差保护原理分析

纵差保护的动作判据是将两个或者多个电流的差值进行比较，如果差值大于整定值则动作于跳闸，原理简单且实现方便。其优点是不必跟其他保护元件配合使用，且可以正确区分变压器内部和外部故障，内部故障时可以快速动作切除故障，外部故障时则根据相应的要求动作或不动作，在大型变压器中被广泛地用作主保护。

以双绕组单相变压器为例，变压器的纵差保护原理图如图1所示。图中，向量分别是变压器一次侧和二次侧的电流则为电流互感器的感应电流;KD为差动继电器。内部故障时如图1(a)所示，此时变压器一次侧和二次侧的电流方向都由母线流向变压器，因此电流互感器的感应电流动从同名端流出，流入差动继电器KD的差动电流可以表示为:

如果整定KD的动作电流为Iset，则只要满足条件Ir≥Iset，即流入KD的电流大于或等于动作电流，KD就会动作使继电器动作于跳闸。内部故障时的相位角基本相同，因此流入KD的电流值很大，很容易满足跳闸条件。整个动作过程没有延时环节，速度快，内部故障只要差动电流大于整定值，就立即动作跳闸，起到很好的保护作用。

变压器正常运行或外部故障时如图1(b)所示，此时变压器一次侧的电流由母线流向变压器，二次侧的电流由变压器流向母线，因此流过变压器一、二次侧的电流方向相反。而电流互感器的感应电流方向也相反，一次侧由同名端流出，二次侧由同名端流入，因此流入差动继电器的电流为零，继电器不会动作。

图1 正常运行或者外部故障时图

3 变压器差动保护不平衡电流的产生

在理想的情况下，没有电流流入差动继电器，但在实际的变压器保护中，很多因素都会导致流入差动继电器的电流不为零，即产生不平衡电流，因此差动继电器的动作电流不能整定为零。而要按躲过最大不平衡电流整定。

3.1 计算变比与实际变比不一致产生的不平衡电流

电流互感器的变比是根据生产厂家的标准定的，并不是什么数值的变比都能选择，而变压器也有其自身的变比标准，因此并不一定可以选择到合适的变比使其不产生不平衡电流。假设变压器变比为nT，变压器一、二次侧对应的电流互感器的变比分别为nTA1、nTA2，则(1)式可表示为:

如果在选择互感器和变压器变比时不满足:

如果外部故障时流入变压器的穿越电流为Ik，则流过差动继电器的不平衡电流可以表示为:

由式(5)可见，互感器与变压器的变比相差越大，比差系数就越大，外部故障时不平衡电流也就越大。因此在选择互感器与变压器变比时应尽量使其相同或相接近。

3.2 调节变压器分接头产生的不平衡电流

电力系统经常会受到各种各样的扰动而使电压偏高或偏低，调节变压器分接头是调节电压的一种手段。变压器的分接头有多个等级可供调节，一般有±2.5%和±5%等。调节变压器分接头实际上改变了变压器的变比，但互感器的变比在变压器没有进行调节时就已选定，并不能根据实际运行需要进行调整，因此调节变压器的分接头后，互感器的变比与变压器的变比更不匹配，更容易产生不平衡电流。令调节变压器分接头产生的电压变化量为ΔU，一般认为是变压器调整幅度的一半，则调节变压器分接头产生的不平衡电流可表示为:

3.3 变压器励磁电流产生的不平衡电流

单相变压器的T型等值电路如图2所示。

图2 双绕组单相变压器等效电路图

Lμ为励磁电感，Lμ支路为变压器励磁支路。由图可见，励磁支路本身就可以认为是变压器内部的故障支路，有励磁电流Iμ流过，此时流入差动继电器的不平衡电流可以表示为:

在正常运行或者外部故障时，变压器的铁芯不会处于饱和状态，此时励磁电感很大，励磁电流也就很小，一般都小于额定值的2% ～5%，不会对继电保护产生太大的影响。但是在变压器空载投入运行或者外部故障消除后系统电压上升的过程中，变压器的电压会有一个突变过程，从很小的电压突然升高到正常的电压。变压器电压的突变有可能使变压器铁芯过度饱和，励磁电感瞬时变得很小，有很大的励磁电流流过励磁支路，因此就会产生很大的不平衡电流流入差动继电器，这时的励磁电流称为励磁涌流。

励磁涌流一般可达到正常电流的几倍，差动继电器按这个值来整定动作电流，则灵敏度很小，因此在实际中一般用其他的方法来区别励磁涌流，如果区别出是励磁涌流，则继电保护闭锁。

3.4 互感器传变误差产生的不平衡电流

互感器的励磁电流就是互感器的传变误差，变压器两侧的电流互感器的励磁电流为和，则互感器传变误差产生的不平衡电流可以表示为:

实际上，电流互感器传变误差产生的不平衡电流就是互感器励磁电流之差。和的相角差一般小于90°，因此不平衡电流小于两个互感器的励磁电流。如果选择两个相同的互感器，因参数引起的不平衡电流就更小。与变压器相同，互感器也存在铁芯饱和问题，如果互感器铁芯处于饱和状态，励磁电感就变小，则励磁电流变大。如果只有其中一个互感器的铁芯饱和而另一个不变，不平衡电流就会变大。

4 减小不平衡电流的主要措施

变压器和电流互感器的原理和物理机构等因素不可避免地会产生不平衡电流流入差动继电器，有效地减少或消除不平衡电流是提高差动保护可靠性的前提。根据产生不平衡电流的具体因素，可以采取不同的措施抑制不平衡电流。如计算变比与实际变比不一致产生的不平衡电流，可以对其进行补偿，补偿电流与不平衡电流流入差动继电器后相互抵消;电流互感器的型号不同会产生不平衡电流，因此要尽量选取相同或相近型号的电流互感器;励磁涌流的特点是有间断性，可以利用这个特点区别励磁涌流和故障电流，进行励磁涌流保护闭锁。

5 结语

电力变压器是高压交流输电的主要变电设备，制造复杂且价格昂贵，有效保障变压器安全运行可以提高电力系统的供电可靠性和经济性。纵差保护作为变压器主保护，具有原理简单、容易实现等优点，但也会受到不平衡电流因素的影响，使纵差保护的可靠性降低。根据不平衡电流产生的原理，可以采取不同的措施减少或消除不平衡电流，进一步提高纵差保护的可靠性。随着输电电压等级的不断提高，变压器保护的研究更加具有必要性和紧迫性。

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