浅析主变压器差动保护

张仁举

摘 要：主变压器差动保护作为主变压器线圈、引出线相间短路、引出线接地短路以及线圈匝间短路的主保护，保护动作于全停方式。本文主要分析了造成差动保护误动作的因素、造成差动保护拒动作的因素、励磁涌流及其制动措施以及防止差动保护误动作、差动保护拒动作、防止变压器过励磁时误动的措施。

1 引言

1.1 变压器差动保护范围

变压器差动保护的保护范围，是变压器各侧的电流互感器之间的一次连接部

分，主要反应以下故障：

（1）变压器引出线及内部绕组线圈的相间短路。（2）变压器绕组严重的匝间短路故障。（3）大电流接地系统中，线圈及引出线的接地故障。（4）变压器CT故障。

1.2 差动保护动作跳闸原因

（1）主变压器及其套管引出线发生短路故障。（2）保护二次线发生故障。（3）电流互感器短路或开路。（4）主变压器内部故障。（5）保护装置误动

由于变压器内部结构、运行方式，电量特征均有其特点，产生了一系列特有的技术问题，其差动保护接线图在构成上见图1。

2 可能造成差动保护误动作的因素

变压器差动保护两侧电流互感器的电压等级、变比、容量以及铁芯和特性不一致，使差动回路的稳态和暂态不平衡电流都可能比较大。

正常运行时的励磁电流将作为变压器差动保护不平衡电流的一种来源，特别是当变压器过励磁运行时，励磁电流可达变压器额定电流的水平。

空载变压器突然合闸时，或者变压器外部短路切除而变压器端电压突然恢复时，暂态励磁电流的大小可达额定电流的6～8倍，可与短路电流相比拟。

在中性点直接接地系统中，其中一台中性点接地变压器空载合闸时出现励磁涌流，与此同时，并联运行的其它中性点接地变压器中也将出现浪涌电流，这个电流被称之为“和应涌流”，和应涌流通过变压器的接地中性点构成回路，这个电流只在变压器的一侧流通。大容量变压器空载合闸的暂态过程持續期长，和应涌流缓慢增长，其它运行变压器的差动保护有可能在其合闸较长时间之后，由于和应涌流造成误动作。正常运行中的变压器，根据运行要求，需要调节分接头，这又将增大变压器差动保护的不平衡电流。

3 可能造成差动保护拒动作的因素

变压器差动保护应能反应高、低压绕组的匝间短路，而匝间短路时虽然短路环中电流很大，但流入差动保护的电流可能不大。变压器差动保护还应能反应高压侧（中性点直接接地系统）经高阻接地的单相短路，此时故障电流也较小。

综上所述，差动保护用于变压器，一方面由于各种因素产生较大或很大的不平衡电流，另一方面又要求能反应具有流出电流的轻微内部短路，可见变压器差动保护要比发电机差动保护复杂得多。

4 励磁涌流及其制动措施

当合上断路器给变压器充电时，有时可以看到变压器电流表的指针摆得很大，然后很快返回到正常的空载电流值，这个冲击电流通常称之为励磁涌流。变压器差动保护需要解决的突出问题就是既能可靠地躲过励磁涌流，又能正确反应内部故障。在励磁涌流中，除基波和非周期电流外，高次谐波电流以二次谐波为最大，波形出现间断角，这个二次谐波电流是变压器励磁涌流的最明显的特性，因为在其它工况下很少有偶次谐波发生，在变压器内、外部故障的短路电流中也会出现二次谐波分量，但二次谐波分量所占比例较小，一般不会出现波形间断。其它分量，如三次谐波、直流分量等均非励磁涌流所独有，在其它工况下均可能出现，所以都不适于用来做为制动。

利用励磁涌流的波形间断角可以构成以鉴别波形间断角原理的变压器差动保护，利用励磁涌流的二次谐波分量可以构成二次谐波制动的变压器差动保护，使之有效地躲过励磁涌流的影响，通常对各相差流分别求取二次谐波对基波的比值，即二次谐波比来实现制动。

5 防止差动保护区外故障时，差动保护误动的措施

和发电机差动保护一样，为避开区外短路不平衡电流的影响，较理想的办法就是采用比率制动。当差动保护区内短路，在电流互感器不饱和或饱和不太严重时，比率制动差动继电器将灵敏快速动作。

6 防止差动保护区内故障时，谐波制动的差动保护拒动的措施

如果区内短路电流非常大，电流互感器严重饱和，短路电流的二次波形将发生畸变，可能出现间断角和包括二次谐波的各种高次谐波。

对于长线或附近装有静止补偿电容器的场合，在变压器发生内部严重故障时由于谐振也会短时出现较大的衰减二次谐波电流。

对于上述两路情况，间断角原理和谐波制动原理的差动保护均可能拒绝动作，对于这种情况，国内外多采用高定值的差动电流速断保护，这时不需再进行是否是励磁涌流的判断和制动，改由差流元件直接出口。其定值要大于空载合闸的涌流最大值。

7 防止变压器过励磁时误动的措施

过电压在120%～140%时，变压器励磁电流可达额定电流的10%～50%，差动保护完全可能误动作。

变压器过电压时励磁电流中三次谐波和五次谐波电流十分显著。以五次谐波电流I5为例，当电压达115%～120%时，五次谐波成分达到最大值（约为基波电流的I1的50%），但当过电压更大时，五次谐波成分又明显减小，当过电压为140%时，五次谐波成分约为35%，如果差动保护选择I5/I1≥35%为闭锁判据，则可使在过电压小于140%时差动保护不会发生误动作，而当电压很大（超过140%）时差动保护解除五次谐波闭锁，使差动保护起到一部分过励磁保护的后备作用。

作为差动保护的过励磁误动闭锁判据，采用五次谐波而不用三次谐波，其原因是三次谐经常大量地出在其它场合，如内部短路时就可能出现较大的三次谐波成分。

8 结论

综上所述，变压器差动保护一般由二次谐波比率制动部分和差动速断两部分构成。二次谐波比率制动部分又包括比率制动部分和谐波制动部分。谐波制动部分包括二次谐波制动和过激磁五次谐波制动，主要是二次谐波制动。二次谐波制动用以防止变压器的励磁涌流导致比率差动保护误动，当某相的二次谐波超过整体水平时，闭锁该相的比例差动元件。过激磁五次谐波制动用以防止变压器发生过励磁时的励磁电流导致比例差动保护误动，当某相的五次谐波超过整体水平时，闭锁该相的比例差动元件。设置独立的差动速断部分，是为了防止内部严重故障，比率制动元件可能发生拒动，这样就解决了内部故障大电流的问题。

参考文献

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