变压器差的动保护原理(详细).pdf

第 1 页 共 10 页 变压器差动保护 一：这里讲的是差动保护的一种，即变压器比例制动式完全纵差保护（以下简称 差动） ； 二：差动保护的定义 由于在各种参考书中没有找到差动保护的具体定义， 这里只根据自己所 掌握的知识给差动保护下一个定义：当区内发生某些短路性故障的时候，在 变压器各侧电流互感器 CT 的二次回路中将产生大小相同，相位不同的短路 电流，当这些短路电流的向量和即差流达到一定值时，跳开变压器各侧断路 器的保护，就是变压器差动保护 三：下面我以两圈变变压器为例，针对以上所述变压器差动保护的定义，对差动 保护进行阐述： I2-I2 nh I1 低 图一 nB CT2 nl I2 CT1 I1 高 I2 Ia 低 In 高 差动 In Ia 1、 图一所示：为一两圈变变压器，具体参数如下：主变高压侧电压 U 高 =220KV,主变低压侧电压 U 低=110KV,变压器容量 Sn=240000KVA, I1：流过变压器高压侧的一次电流； I”： 流过变压器低压侧的一次电流； I2：流过变压器高压侧所装设电流互感器即 CT1 的二次电流； I2”：流过变压器低压侧所装设电流互感器即 CT1 的二次电流； nh： 高压侧电流互感器 CT1 变比； nl： 低压侧电流互感器 CT2 变比； nB：变压器的变比； 各参数之间的关系：I1/ I2= nh I”/ I2”= nl I2= I2” I1/ I”= nh/ nl=1/ nB 2、区内：CT1 到 CT2 的范围之内； 3、反映故障类型：高压侧内部相间短路故障，高压侧（中性点直接接地） 单相接地故障以及匝间、层间短路故障； 第 2 页 共 10 页 四：差动的特性 1、比率制动：如图二所示，为差动保护比率特性的曲线图： Iopo c Ires.o O f 制动电流Ires 图二 b d e Iop动作电流 a P 下面我们就以上图讲一下差动保护的比率特性： o：图二的坐标原点； f：差动保护的最小制动电流； d：差动保护的最小动作电流； p：比率制动斜线上的任一点； e：p 点的纵坐标； b：p 点的横坐标； 动作区：在 of 范围内，由于电流小于最小制动电流，因此在此范围内，只 要电流大于最小动作电流 Iopo，差动保护动作；当电流大于 f 点时， 由于电流大于最小制动电流，此时保护开始进行比率制动运算，曲 线抬高，此时只有当电流在比率制动曲线以上时保护动作；因此， 图中阴影部分，即差动保护的动作区； 制动区：当电流在落在曲线以下而大于最小动作电流的时候，由于受比率制 动系数的制约，保护部动作，这个区域就是差动保护的制动区； 比率制动系数 K：实际上比率制动系数，就是图二中斜线的斜率，因此我们 只要计算出此斜线的斜率，就等于算出了比率制动系数。以 p 点为 例：计算出斜线 pc 的斜率 K=pa/ac=(pb-ab)/(ob-of)；举例说明一下： 差动保护有关定值整定如下：最小动作电流 Iopo=2,最小制动电流 Iopo=5,比率制动系数 k=0.5；按照做差动保护比率制动系数的方法， 施加高压侧电流 I1=6A,180 度，低压侧电流 I2=6A,0 度，固定 I1 升 I2,当 I2 升到 9.4A 的时候保护动作，计算一下此时的比率制动系数。 由于两圈变差动的制动电流为（I1+I2）/2,因此，Izd=(9.4+6)/2=7.7, 所以 K=(9.4-6-2)/(7.7-5)=1.4/2.7=0.52; 2、谐波制动：当差动电流中的谐波含量达到一定值的时候，我们的装置就 判此电流为非故障电流， 进行谐波闭锁。 500kv 一下等级的变压器之 第 3 页 共 10 页 进行二次谐波判别， 500kv 及以上变压器， 则还需进行 5 次谐波判别。 以二次谐波为例： 二次谐波系数=差电流中的二次谐波分量与基波分 量的比值。当谐波系数大于整定值时，保护被闭锁；小于整定值时， 保护被开放；根据经验，二次谐波制动比可整定为 0.150.2； 五、不平衡电流 实际上，差动保护比率制动也好，谐波制动也好，归根结底都是要躲 过变压器的不平衡电流，而不平衡电流，也正是可能引起差动保护误动的 最重要因素之一。 产生变压器不平衡电流有以下几个重要的原因： 1、 由变压器励磁涌流 Ily 所产生的不平衡电流； 励磁涌流主要是由于在变压器空投时产生的含有大量高次谐波含量 的电流 ，其中以 2 次谐波为主。我们的 800 变压器差动保护中有“二次 谐波制动系数”一项定值，用来防止此原因造成的差动误动。 二次谐波制动系数：差电流中的二次谐波分量与基波分量的比值； 根据经验，此系数可整定为 15%25% 2、 由于变压器两侧电流相位不同而产生的不平衡电流； 由于变压器常采用 Y，d11 的接线方式，因此，如果两侧的电流互感 器仍采用通常的接线方式，则二次侧电流由于相位不同，也会有一个差 电流流入我们的保护装置。为了消除这种不平衡电流的影响，通常都是 将变压器星星侧的三个电流互感器接成三角形，而将变压器三角形侧的 三个电流互感器接成星形，并适当考虑联结方式后即可把二次电流的相 位校正过来。 但我们的保护要求现场二次侧电流互感器的接线都接为星形接线， 因此， 一次侧为 Y，d11 的接线方式的变压器将产生差流，差动保护靠 程序将此不平衡电流补偿掉，具体方法如下： 如图所示为 Y，d11 两卷变压器两侧绕组及电流互感器接线方式及 其中通过的一次、二次电流流向： （各电流均为向量值） 第 4 页 共 10 页 I bI a I a I b I c I a I cI b I a I A A I A Y I CI BI A BA BC I bI c I c I B I C C 其中： IA,IB,IC 表示流过变压器高压侧一次绕组的电流； Ia,Ib,Ic 表示流过变压器低压侧一次绕组的电流； IA,IB,IC表示流过变压器高压侧电流互感器二次侧的电流； Ia,Ib,Ic表示流过变压器低压侧电流互感器的一次侧电流； 各电流关系如下： Ia= Ia+ Ib Ia= Ia- Ib Ib= Ib+ Ic Ib= Ib- Ic Ic= Ic+ Ia Ic= Ic- Ia 向量图： Ic Ic IC Ic IB Ib Ia IAY IA Ia Ib Ib Ia 为了消除相位上带来的差异： 第 5 页 共 10 页 Iah= IA- IB Ibh= IB- IC Ich= IC- IA 为了消除幅值上带来的差异： Iah= Iah/1.732=（IA- IB） Ibh= Ibh/1.732=（IB- IC） Ich= Ich/1.732=（IC- IA） 而低压侧电流保持不变 Ial= Ia Ibl= Ib Icl= Ic 其中：Iah，Ibh，Ich 表示保护装置中实际采到的高压侧电流； Ial，Ibl，Icl 表示保护装置中实际采到的高压侧电流； 向量图 IC Ic Ich IchIch Ibh IB Ibh IB IbhIbh Ic Ic Ib Ic Ic Ib IaIa Iah IAY Iah IAY IA Iah IA Iah Ib Ib Ib Ib Ia Ia Ia Ia 因此，差动保护的高、低压侧电流相位一致，高压侧电流幅值不变。 3、由计算变比与实际变比不同而产生的不平衡电流 由于两侧的电流互感器都是根据产品目录选取标准的变比，而变压器的变比也是一 致的，因此，三者的关系很难满足 nl2/nl1=nB的要求，此时差动回路中将有电流流过。 当采用具有速饱和铁心的差动继电器时，通常都是利用它的平衡线圈 Wph、来消除此茶电 流的影响。 4、由两侧电流互感器型号不同而产生的不平衡电流 由于两侧电流互感器型号不同，他们的饱和特性、励磁电流（归算置同一侧）也就 不同，因此，在差动回路中所产生的不平衡电流也就较大。此时应采用电流互感器的通行 系数。 5、由变压器带负荷调整分接头而产生的不平衡电流 带负荷调整变压器的分接头， 是电力系统中采用带负荷调压的变压器来调整电压的方 法，实际上改变分接头就是改变变压器的变比 nB。如果差动保护已按照某一变比调整好， 则当分接头改换时， 就会产生一个新的不平衡电流流入差动回路。 对由此而产生的不平衡 第 6 页 共 10 页 电流，应在总差动保护的整定值中予以考虑。 六、整定计算 差动电流的定值整定比较复杂， 需要考虑的各种因素很多， 这里只对一些定值做一 个简单的介绍，仅作参考： 1、最小动作电流的整定 差动最小动作电流应大于变压器额定负载时的不平衡电流，即 Iop.minKrel(Ker+U+m)IN/na (87) 式中：IN变压器额定电流； na电流互感器的变比； Krel可靠系数，取 1.31.； Ker电流互感器的比误差，10P 型取 0.032，5P 型和 TP 型取 0.012； U变压器调压引起的误差，取调压范围中偏离额定值的最大值(百分值)； m由于电流互感器变比未完全匹配产生的误差，初设时取 0.05。 在工程实用整定计算中可选取 Iop.min(0.20.5)INna。一般工程宜采用不小于 0.3IN/na的整定值。 根据实际情况(现场实测不平衡电流)确有必要时也可大于 0.5IN/na。 2、最小制动电流 Ires.0的整定 最小制动电流宜取 Ires.0(0.81.0)IN/na。 3、不平衡系数的整定 平衡系数通常是以高压侧为基准尽心计算的。 Kph=1 Kpm=Ih/Im Kpl=Ih/Il 式中：Kph高压侧平衡系数 Kpm中压侧平衡系数 Kpl低压侧平衡系数 Ih高压侧二次额定电流 Im中压侧二次额定电流 Il低压侧二次额定电流 下面以一实例计算一下变压器的平衡系数： 一电厂主变各侧参数如下：高压侧电压等级 110KV,变比 600/5，电抗器侧电压等级 6.3KV,变比 1000/5，机尾侧电压等级 6.3KV,变比 4000/5，则各侧平衡系数计算如下： 高压侧二次电流 i1=Sn/(1.732110600/5)A 电抗器侧二次电流 i2=Sn/(1.7326.31000/5)A 机尾侧二次电流 i3=Sn/(1.7326.34000/5)A 高压侧平衡系数 k1 定为 1，则 电抗器侧平衡系数 k2 为：i1/i2=0.095 机尾侧平衡系数 k3 为 ：i1/i3=0.38 由于我们差动保护定值平衡系数的整定范围为 0.14，电抗器侧的平衡系数 超范围，因此三侧平衡系数可同时乘以 3，得出 k1=3, k2=0.285, k3=1.14, 第 7 页 共 10 页 变压器差动保护的基本原理及逻辑图 1、变压器差动保护的工作原理 与线路纵差保护的原理相同，都是比较被保护设备各侧电流的相位和数值的大小。 2、变压器差动保护与线路差动保护的区别： 由于变压器高压侧和低压侧的额定电流不相等再加上变压器各侧电流的相位往往不相 同。因此，为了保证纵差动保护的正确工作，须适当选择各侧电流互感器的变比，及各侧电 流相位的补偿使得正常运行和区外短路故障时，两侧二次电流相等。 例如图8-5 所示的双 绕组变压器 8.3.2 变压器纵差动保护的特点 1 、励磁涌流的特点及克服励磁涌流的方法 （1）励磁涌流： 在空载投入变压器或外部故障切除后恢复供电等情况下在空载投入变压器或外部故障 切除后恢复供电等情况下，变压器励磁电流的数值可达变压器额定68 倍变压器励磁电流 通常称为励磁涌流。 （2）产生励磁涌流的原因 因为在稳态的情况下铁心中的磁通应滞后于外加电压90，在电压瞬时值u=0 瞬间合 闸，铁芯中的磁通应为-m。但由于铁心中的磁通不能突变，因此将出现一个非周期分量 的磁通+m，如果考虑剩磁r，这样经过半过周期后铁心中的磁通将达到2m+r，其 幅值为如图8-6 所示。此时变压器铁芯将严重饱和，通过图8-7 可知此时变压器的励磁电流 的数值将变得很大，达到额定电流的68 倍，形成励磁涌流。 （3）励磁涌流的特点： 励磁电流数值很大，并含有明显的非周期分量，使励磁电流波形明显偏于时间轴的一 侧。 励磁涌流中含有明显的高次谐波，其中励磁涌流以2 次谐波为主。 励磁涌流的波形出现间断角。 表8-1 励磁涌流实验数据举例 （4）克服励磁涌流对变压器纵差保护影响的措施： 采用带有速饱和变流器的差动继电器构成差动保护； 利用二次谐波制动原理构成的差动保护； 利用间断角原理构成的变压器差动保护； 采用模糊识别闭锁原理构成的变压器差动保护。 2、 不平衡电流产生的原因 （1）稳态情况下的不平衡电流 变压器两侧电流相位不同 电力系统中变压器常采用Y，d11 接线方式，因此，变压器两侧电流的相位差为30， 如下图所示，Y 侧电流滞后侧电流30，若两侧的电流互感器采用相同的接线方式，则 两侧对应相的二次电流也相差30左右，从而产生很大的不平衡电流。 电流互感器计算变比与实际变比不同 由于变比的标准化使得其实际变比与计算变比不一致，从而产生不平衡电流。 【实例分析1】由电流互感实际变比与计算变比不等产生的不平衡电流分析 在表8-2 中，变压器型号、变比、Y,d11 接线。计算由于电流互感器的实际变比与计算 不等引起的不平衡电流。计算结果如表8-2。由表8-2 可见，由于电流互感器的实际变比与 计算变比不等，正常情况将产生0.21A 的不平衡电流。 表8-2 计算变压器额定运行时差动保护臂中的不平衡电流 第 8 页 共 10 页 变压器各侧电流互感器型号不同 由于变压器各侧电压等级和额定电流不同，所以变压器各侧的电流互感器型号不同，它 们的饱和特性、励磁电流（归算至同一侧）也就不同，从而在差动回路中产生较大的不平衡 电流。 变压器带负荷调节分接头 变压器带负荷调整分接头，是电力系统中电压调整的一种方法，改变分接头就是改变变 压器的变比。整定计算中，差动保护只能按照某一变比整定，选择恰当的平衡线圈减小或消 除不平衡电流的影响。当差动保护投入运行后，在调压抽头改变时，一般不可能对差动保护 的电流回路重新操作，因此又会出现新的不平衡电流。不平衡电流的大小与调压范围有关。 （2）暂态情况下的不平衡电流 暂态过程中不平衡电流的特点： 暂态不平衡电流含有大量的非周期分量，偏离时间轴的一侧。 暂态不平衡电流最大值出现的时间滞后一次侧最大电流的时间（根据此特点靠保护的 延时来躲过其暂态不平衡电流必然影响保护的快速性，甚至使变压器差动保护不能接受）。 8.3.3 减小不平衡电流的措施 （1）减小稳态情况下的不平衡电流 变压器差动保护各侧用的电流互感器，选用变压器差动保护专用的D 级电流互感器； 当通过外部最大稳态短路电流时，差动保护回路的二次负荷要能满足10%误差的要求。 （2）减小电流互感器的二次负荷 这实际上相当于减小二次侧的端电压，相应地减少电流互感器的励磁电流。减小二次负 荷的常用办法有：减小控制电缆的电阻(适当增大导线截面，尽量缩短控制电缆长度)；采用 弱电控制用的电流互感器(二次额定电流为lA)等。 （3）采用带小气隙的电流互感器 这种电流互感器铁芯的剩磁较小，在一次侧电流较大的情况下，电流互感器不容易饱和。 因而励磁电流较小，有利于减小不平衡电流。同时也改善了电流互感器的暂态特性。 （4）减小变压器两侧电流相位不同而产生的不平衡电流采用相位补偿 采用适当的接线进行相位补偿法。 图8-10 Y,d11 接线变压器差动保护接线图和相量图 如变压器为Y，d11 接线其相位补偿的方法是将变压器星形侧的电流互感器接成三角形， 将变压器三角形侧的电流互感器接成星形，如图8-10(a)所示，以补偿30的相位差。图 8-10(b) 为星形侧的一次电流和三角形侧的一次电流，及其相位关系。采用相位补偿接线后，变压器 星形侧电流互感器二次回路侧差动臂中的电流分别为（右上图红色），它们刚好与三角形侧 电流互感器二次回路中的电流同相位，如图8-10(c)所示。这样，差动回路中两侧的电流的 相位相同。 数值补偿 变压器星形侧电流互感器变比 变压器三角形侧电流互感器变比 软件校正 微机保护中采用软件进行相位校正 （5）减小电流互感器由于计算变比与标准变比不同而引起的不平衡电流采用数值补偿 采用自耦变流器。 利用BCH 型差动继电器中的平衡线圈。 在变压器微机保护的软件中采用补偿系数使差动回路的不平衡电流为最小。 第 9 页 共 10 页 （6）由变压器两侧电流互感器型号不同而产生的不平衡电流 在差动保护的整定计算中加以考虑。 （7）由变压器带负荷调整分接头而产生的不平衡电流 在变压器差动保护的整定计算中考虑。 在稳态情况下，变压器的差动保护的不平衡电流可由下式决定 （8）减小暂态过程中非周期分量电流的影响 差动保护采用具有速饱和特性的中间变流器， 选用带制动特性的差动继电器或间断角原理的差动继电器等，利用其它方法来解决暂 态过程中非周期分量电流的影响问题。 8.3.4 和差式比率制动式差动保护原理 1.双绕组变压器比率制动的差动保护原理。 （1）和差式比率制动的动作判据 差动电流： 制动电流： 差动保护动作的第一判据： 制动比率系数： 外部故障时，保护可靠地不动作。应满足如下判据： 差动保护动作的第二判据 2.比率制动特性的整定 （1）最小启动电流Iact0 （2）拐点制动电流Ibrk0 可选取 （3）最大制动系数Kbrk.max 和制动特性斜率S 最大制动系数 比率制动特性曲线如下图 比率制动系数的整定值D 取0.30.5 比率制动特性的斜率S，由上图可知 当Ibrk0Ibrk.max 和Iact02.0 3.三绕组变压器比率制动的差动保护原理。 对于三绕组变压器，其差动保护的原理与双绕组变压器的差动保护原理相同，但差动电 流和制动电流及最大不平衡电流应做相应的更改。差动电流和制动电流分别为 在有的变压器差动保护直接取三侧中最大电流为制动电流，即 最大不平衡电流的计算公式如下： 在微机保护中，考虑采用数值补偿系数后误差非常小m0，则上式为 4.励磁涌流闭锁原理 采用二次谐波制动原理 在变压器励磁涌流中含有大量的二次谐波分量，一般约占基波分量的40以上。利用 差电流中二次谐波所占的比率作为制动系数， 可以鉴别变压器空载合闸时的励磁涌流， 从而 防止变压器空载合闸时保护的误动。 在差动保护中差电流的二次谐波幅值用表示，差电流