变压器差动保护误跳闸故障原因及排查措施分析

秦 凯

（宁夏宝立集团鲲鹏清洁能源有限公司，宁夏 银川 750004）

0 引言

差动保护作为变压器的主保护，可以有效处理双绕组、三绕组变压器绕组内部故障，以及引出线上所发生的其他相间短路故障，同时也可以用来保护变压器单相匝间短路故障。但受到不同因素的影响，可能存在一定的识别故障，使差动保护出现误跳闸情况，影响实际变压器运行状态。为保障整体电路的稳定运行，应合理排除误跳闸故障影响因素，提高设备运行效果。

1 变压器的差动保护原理

差动保护是变压器的主保护。其按照电流循环原理构建，对变压器进行保护。在变压器正常运行和出现故障时，不同侧面的电流出现变化，通过主变差动保护设备，能够在跳闸瞬间，将故障区域与变压器分离，从而实现故障切除，提高对变压器的保护。

变压器差动保护原理如图1所示，以两圈差动保护装置为例进行分析，在变压器两侧安装流变，并对其进行控制，使其构建为串联结构，并规定变压器两端中极性端子靠近母线一侧，KA为电流继电器，将其并联到该回路中。在理想状态下，流进KA的电流为变压器高低电流折算差，在不受故障影响的情况下，保护范围内出现短路时，其会造成电流差非零装状态，识别后自动进行断联处理，从而保障设备的有效运行。

变压器在空载的情况下，由于其内部铁芯的作用，使得磁通方向与电压一致，在二者磁通方向叠加过程中，会使绕组中产生较大的暂态电流，该电流能够达到额定电流的8倍左右，对变压器产生较大的危害。在该过程中，使用差动保护系统能够对电流产生的谐波和电流波特点进行合理的识别分析，在识别到危险隐患时控制系统断开连接，起到保护变压器的作用[1]。

以二次谐波制动原理进行分析，变压器绕组中的暂态电流与短路故障电流的形成原理不同，因此其内部成分存在差异。在暂态电流中存在周期性和非周期性的分量，其中非周期分量中含有大量的二次谐波。而短路时电流中非周期分量较少。因此波形较为规律，不会产生畸变现象。在二次谐波分量过分多时，系统将其判定为励磁涌流，按照其标准设计相应的系统保护标准。在实际的判断过程中，可以使用如下公式：

其中：I1为基波振幅；I2为二次谐波振幅；K为制动系数，一般情况下，将系数范围控制在0.15～0.2，以提高对变压器的差动保护效果。

2 变压器差动保护扰动因素分析

变压器差动保护系统运行过程中，产生稳态不平衡电流，该电流能够在一定程度上优化差动保护系统的运行效果，降低误动保护发生概率[2]。但在实际运行中，存在移动的扰动因素，影响电流的稳态运行质量，进而引发电动保护，使变电器出现较大的误差和损失。造成保护扰动的根本因素主要为暂态不平衡电流的产生，使变压器两端电流无法正常躲过设置标准，出现误跳闸情况。

造成暂态不平衡电流扰动因素主要包括空载合闸、区外故障切除、相邻变压器合闸、变压器过励磁、电流互感器饱和等。在以上情况下产生不平衡电路，容易造成励磁涌流现象，进而对电压差动保护产生干扰，不利于保护变压器运行状态。

3 变压器差动保护故障分析

3.1 故障案例

以某110 kV变电站为例进行分析，其额定容量为63 MVA，连接组标号为DY11，抗阻为7%，额定电压为110 kV/35 kV。在35 kV一侧突然发现跳闸现象，动作时间为12 ms，查看变压器为W相，通过分析和调查，根据继电保护器的相关记录判断，该跳闸断电行为处于差动保护。造成该故障的原因可能为电压空载或电流短路等。

3.2 故障分析

在电力中，保护装置的实际电流变化情况见表1。在高压侧的电流相位中，其变化较为明显，制动电流同样存在一定的差异，与标准要求存在不符合的情况，同时W相的差异较大，由此判断在W相中存在一定的电流故障情况，影响整体电路运行效果。

表1 保护装置电流变化表

通过分析故障实际情况，初步分析造成故障的具体原因：其一，变压器内部故障，导致两端电流异常，造成差动保护跳闸。其二，W相处存在短路故障。其三，继电器自身识别或计算失误，出现跳闸保护现象。为识别故障情况，需要对故障问题进行详细分析和探究，排除干扰因素。将变压器进行隔离，并在其外部进行电流和电阻检查，分析是否存在异常。对W相一侧进行回路检查。在实验过程中发现回路出现短接现象，因此判断为单相接地情况，产生较大的故障电流，超过继电保护标准。公式如下：

其中：IU、IV、IW分别为高压侧U相、V相、W相电流；iU、iV、iW分别为低压侧的U相、V相、W相电流；n为额定电流比值。通过对三相电流比值进行计算，能够发现W相的差动电流差异较大，因此判断该处存在故障情况。

对继电器和开关柜等区域进行详细检查，发现该区域不存在问题，说明该区域不存在故障因素。

结合实际情况进行深度原因探究，由于在高压侧存在接地故障，使得其产生的电流接近保护器的标准限度值。在该过程中，受到变压器内部励磁涌流和二次谐波等因素的影响，电流变大，使变压器中的电流不稳定现象加剧，从而造成跳闸故障。

在变压器空载时，其内部出现短路，使线路中的断路器无法有效识别，进而难以产生跳闸保护现象，在该过程中，出现内部不平衡电流，在开关柜的识别下，出现差动故障跳闸现象。

3.3 故障模拟

通过构建相应的电路系统，模拟故障的设计产生情况，以更好地识别故障产生情况，帮助有效排查和处理故障[3]。已知W相处存在故障，在模拟时，对低压侧电流进行调整，使其达到额定电流的7.015倍，并对其二次回路状态进行分析，观察变压器保护装置的具体变化情况。通过调整电流的方式进行实验和观察，发现实验结果与故障情况存在一致性，因此证明W相存在电流泄漏故障。

3.4 排查处理

为了解故障的具体位置，可以使用加压排查的方式，观察故障时U相、V相、W相接线方式，使用实验仪器进行分析，对W相电路进行故障点排查。实际作业过程中，需要断开高压侧变压器二次回路，并利用专门的机械设备在不同端子处进行测量，在不同压力的情况下分别测量，计算其中的阻抗和电流情况，从而明确故障位置。

为降低故障影响，避免出现变压器差动误跳闸情况，避免再次出现类似故障，应做到以下几点：其一，应加强对差流数值变化的重视，部分未达到限定标准时，同样存在一定的突发性，因此需要加强巡视管理，及时发现危险状态。其二，应合理优化接线盒，避免内部电路过于紧绷或出现交叉等情况。其三，加强对变电器二次绕组接线的检查，避免出现短路现象，保障整体线路的正常运行。

4 常见变压器差动保护防范措施

4.1 不平衡电流故障及防范

在理想状态下，变压器差动保护过程中不同侧的电流与变电器两端电流相同，不存在误差，因此不会产生误跳闸等不良情况。但实际上，变电器运行过程中存在二次谐波和励磁电流等情况，同时不同变电器两侧的电流受到其规格型号的影响，容易产生一定的差异，给电力保护装置的检测和计算分析等过程带来较大的难度，进而使变压器在差动保护过程中存在一定的不平衡电流，容易引发误跳闸等故障，不利于保障电路的正常运行。

为加大对不平衡电流引发故障的防范和控制，应详细探究造成不平衡电流的影响因素。以变压器CT型号差异为例进行分析，在变压器回路中连接电流互感器及电压保护装置，保护装置受到软件控制，在故障时能够自动控制跳闸。通过电流互感器识别电流的合计变化情况，观察是否达成平衡状态。一般情况下，在电流向量的合计为0时，表示电路处于平衡状态，但受到各种因素的影响，难以完全消除差流情况，使不平衡电路现象较为常见。为降低其不平衡影响，提高防误跳闸的效果，可在实际的计算过程中增加一定的额定一次电力，利用该电流平衡二次电流，生成保护逻辑程序。利用电流变化情况得到平衡系数，在计算式增加对平衡系数的应用，使差动保护装置的运行准确性得到提升，降低误跳概率。

4.2 变压器保护带负荷故障防范

在测量带负荷电流回路向量时，为保障电流的准确性，需接入变压器保护装置，以保障二次回路的准确性，避免出现故障影响。为提高实际的故障防范效果，应在变压器差动保护安装后进行详细验证，分析其不同功能下的实际变化情况。相关人员可以使用专业设备测量电压和电流的变化情况，并分析装置的绕组接线方式及其效果，进一步保障整体装置的精准性。

在调整变压器接线绕组时，需要结合实际的电压情况进行测试，分析差动保护带负荷向量变化情况，缩小向量变化幅度，从而提高电流平衡效果。以110/59 kV电压为例进行分析，在其中输入钳形相位表，并对绕组进行调整，测量其幅值和相位变化情况，了解不同绕组情况下的实际变化情况（见表2）。

表2 不同绕组下幅值和相位的变化情况

通过表2分析可知，在电力绕组变化后，其产生的幅值和相位出现变化，通过调整相位差等影响因素，有效降低不平衡电力影响，提高差动保护装置的精准度，从而保障变压器的稳定运行。

4.3 系数形态梯度奇异熵保护方案

在变压器差动保护装置受到扰动电力的影响时，其中的电流波形出现变化，与正常状态下的波形存在一定的差异。例如，在电流互感器不饱和的情况下，其中存在的扰动差动电流和故障差动电流之间存在一定的梯度变化。在电流互感器饱和状态下，差动电流中的奇异熵处于较高水平，并且会引发故障电流出现增熵情况，在出现熵增幅度过大时，会对电流互感器的识别精准性产生影响，使故障识别效率下降。因此，在对变压器差动保护的过程中，应基于稀疏形态的梯度奇异熵进行识别和调整，提高识别灵敏度，优化保护效果。

在保护方案设定时，应明确变压器差动保护装置的参数和限值，在对熵值达到标准后进行识别和分析，以提高判断的精准性。参数设置完毕后，需要在奇异熵计算的基础上，对方案的性能进行测试和分析，确保该分析和识别方法具有相应的精准性。钢构件典型案例中，要检测扰动和故障情况下的运行数据，并在系数形态梯度奇异熵基础上进行实验和分析，得到相应的电流变化情况，判断电流的属性，从而提高识别效果。

5 结语

在变压器差动保护装置运行过程中，受到扰动因素的影响，可能出现误跳闸的情况，给变压器的正常运行带来较大的不良影响。为确保变电站的稳定运行，应加强对其中扰动因素的分析和控制，提高对不平衡电流的调整和控制效果，降低其带来的不良影响，同时合理控制线路连接效果，避免对保护装置产生影响，并合理排查故障区域，提高优化效率。