电力变压器纵联差动保护探究毕业论文.doc

河南理工大学万方科技学院本科毕业论文摘 要电力变压器是电力系统中的重要设备，其安全运行关系到整个电力系统能否连续稳定地工作。差动保护是变压器保护的电气主保护，其原理简单、方便实现。但变压器内部结构复杂，产生不平衡电流的因素居多。由于受变压器励磁电流、接线方式、电流互感器型号及有载调压等因素均会产生不平衡电流，影响差动保护可靠性，导致变压器差动保护误动作。本文从电力变压器保护理论分析入手，在理解电力变压器纵联差动保护的原理及特点的基础上，探究在电力系统稳态和暂态的情况下，变压器纵联差动保护产生不平衡电流的原因及其相应的克服方法。然后研究纵联差动保护及其辅助保护整定计算的方法，对实际变压器算例进行整定计算，并对变压器纵联差动保护的改进作出分析。关键词：电力变压器 纵联差动保护 不平衡电流 整定计算AbstractPower transformers are essential and important elements of power systems，and the reliability of power transformers directly determines whether the power system works safely or notDifferential protection is the main electric protection of transformer, and its principle is simple and convenience to carry out. However, internal construction of the transformer is complex, and so many factors can produce imbalance electric current. This text will start with analyzing the theory of electric power transformer protect, and understand the principle and characteristic of electric power transformer longitudinal differential protection, and explore the reason and relevant overcome way of producing imbalance electric current in steady and transient state of power system. After that it studied the setting calculation method of longitudinal differential protection and auxiliary protection, and makes the practical setting calculation of transformer and an analysis of the improving longitudinal differential protection.Key words：Electric power transformer Longitudinal differential protection Imbalance electric current Setting calculation II目 录前 言11电力变压器保护理论分析31.1 电力变压器故障分析31.2 电力变压器保护分析42 变压器的纵联差动保护理论分析62.1 变压器纵联差动保护的原理62.2 变压器纵联差动保护的特点73 电力变压器差动保护方案的研究83.1 变压器差动保护中不平衡电流产生的原因83.1.1 稳态情况下的不平衡电流83.1.2 暂态下的不平衡电流103.1.3 不平衡电流的克服方法153.2 变压器纵联差动保护的其他辅助性措施213.3 变压器纵联差动保护的整定计算方法223.4 微机式差动继电器253.4.1 比率制动差动原理253.4.2 励磁涌流的鉴别原理273.4.3 差流速断保护元件293.4.4 其他293.5 变压器纵联差动保护实际整定计算333.5.1 差动平衡系数的计算333.5.2 不平衡电流计算343.5.3 差动保护辅助保护整定值计算37结 论38致 谢40参考文献41i前 言在电力系统中，电力变压器是使用相当普遍和十分重要的电气设备，其安全运行关系到整个电力系统能否连续稳定地工作，若变压器发生故障将会给电力系统的运行带来严重的后果。为了保证变压器的安全稳定运行，按照变压器的容量、重要程度及可能发生的故障装设灵敏、快速、可靠和选择性好的变压器保护装置是非常必要的。差动保护原理问世已有近百年历史，在继电保护的发展过程中有着重要的地位，至今仍广泛应用于电气主要设备保护和部分线路保护中。差动保护的理论依据是基尔霍夫电流定律，它把被保护的电气设备看成是一个接点，那么正常运行时流入被保护设备的电流和流出的电流是相等的，差动电流等于零；当设备出现故障时，流进被保护设备的电流和流出的电流就不相等，差动电流则大于零。据此可以明确的检测到电力设备是否发生了内部故障。当差动电流大于差动保护装置的整定值时，保护动作，将被保护设备各侧的断路器跳开，使故障设备断开电源。差动保护原理简单、实现方便，因而在继电保护，特别是电力元件保护中获得了广泛应用。对于在发电机和线路保护的应用中，差动保护表现出了良好的选择性、高灵敏度和高速动性。但对于变压器而言，由于内部磁路的关系，其本质上已不再满足基尔霍夫电流定律，变压器励磁电流成了差动保护不平衡电流的一种来源。在正常运行时，变压器励磁电流通常低于额定电流的，所以设定差动保护动作值可准确区分变压器内部故障与外部故障。但是，电力变压器运行条件复杂，当变压器过励磁运行时，励磁电流可达到变压器额定电流的水平，将会引起差动保护误动作。在变压器空载合闸或者变压器外部短路被切除而变压器电压突然恢复时，励磁涌流能达到额定电流的6倍8倍，可与短路电流相比拟。励磁涌流流经电源侧，造成变压器两侧电流的不平衡，从而在差动回路内产生不平衡电流，导致差动保护误动作。除此之外，变压器接线方式、电流互感器型号及有载调压等也会产生不平衡电流。即便如此，变压器纵联差动保护仍是电力变压器的主保护之一。大型变压器必须装设单独的变压器差动保护。电力变压器纵联差动保护是变压器保护的电气主保护，其原理简单、方便实现。它能快速切除变压器绕组和引出线相间短路、大电流接地系统侧绕组和引出线的单相接地短路以及绕组匝间短路故障，确保变压器安全运行。但是，由于差动保护的构成原理是基于比较变压器各侧电流的大小和相位。所以受变压器各侧电流互感器以及诸多因素影响，变压器在正常运行和外部故障时，其动差保护回路中会有不平衡电流产生，使差动保护处于不利的工作条件下。为保证变压器差动保护的正确灵敏动作，必须对其回路中的不平衡电流进行分析，找出产生的原因，采取措施予以消除。所以对电力变压器纵联差动保护的探究显得尤为重要。 本文从电力变压器保护理论分析入手，就电力变压器纵联差动保护的原理与特点、不平衡电流产生的原因及整定计算等进行探究，并对变压器纵联差动保护的改进进行分析。1 电力变压器保护理论分析在电力系统中，电力变压器是使用相当普遍和十分重要的电气设备，若它发生故障将会给电力系统的运行带来严重的后果。为了保证变压器的安全稳定运行，按照变压器的容量、重要程度及可能发生的故障装设灵敏、快速、可靠和选择性好的变压器保护装置是非常必要的。1.1 电力变压器故障分析变压器内部故障可分为油箱内和油箱外故障两种。油箱内故障主要包括绕组的相间短路、接地短路、匝间短路以及铁心的烧损等。因为油箱内部发生故障所产生的电弧将会引起绝缘物质的剧烈气化，从而可能引起爆炸，对变压器来讲，这些故障都是十分危险的，因此这些故障应该尽快加以切除。油箱外的故障主要包括套管和引出线上发生相间短路和接地短路。上述接地短路均为中性点直接接地的电力网的一侧而言。 变压器的不正常运行状态主要有由于变压器外部相间短路而引起的过电流，外部接地短路引起的过电流和中性点过电压；由于负荷超过额定容量引起的过负荷，及由于漏油等原因而引起的油面降低等。此外，对于大容量变压器而言，其额定工作时的磁通密度相当接近于铁心的饱和时的磁通密度，因此在过电压或低频率等异常运行状态下还会引起变压器的过励磁故障。1.2 电力变压器保护分析根据上述故障类型及不正常运行状态，对变压器应装设以下保护：（1）瓦斯保护对变压器油箱内部的各种故障以及油面的降低等情况，变压器应装设瓦斯保护，它反应油箱内部所产生的气体或油流的动作。其中轻瓦斯保护动作于信号，而重瓦斯保护则动作于跳开变压器各电源侧的断路器。（2）纵联差动保护或电流速断保护对于变压器绕组、套管及引出线上的故障情况，变压器应根据容量的大小装设差动保护及电流速断保护。此保护动作后均应跳开变压器各电源侧的断路器。本文对电力变压器的纵联差动保护进行重点分析。（3）外部相间短路时的保护对于外部相间短路引起的变压器过电流情况应选用以下保护：1）过电流保护一般用于降压变压器，保护装置的整定值应考虑事故状态下可能出现的过负荷电流；2）复合电压启动的过电流保护，一般用于升压变压器或过电流保护灵敏性不满足要求的降压变压器上；3）负序电流及单相式低电压启动的过电流保护，一般用于大容量升压变压器和系统联络变压器；4）阻抗保护，对于升压变压器和系统联络变压器而言，当采用2）、3）的保护不能满足灵敏性和选择性要求时，应选用阻抗保护。（4）外部接地短路时的保护对于中性点直接接地的电网，当外部接地短路引起过电流时，变压器中性点接地运行，应该装设零序电流保护。当电力网中部分变压器中性点接地运行时，为防止发生接地短路，中性点接地的变压器跳开后，中性点不接地的变压器（低压侧有电源）仍会带接地故障继续运行。此时，应根据具体情况，装设专用的保护装置，如零序过压保护、中性点装放电间隙加零序电流保护等。（5）过负荷保护对400kVA以上的变压器而言，当数台并列运行或单独运行并作为其他负荷的备用电源时，应根据可能过负荷的情况装设过负荷保护。过负荷保护应接于一相电流上，并延时作用于信号。对于无值班变电站，必要时过负荷保护需动作于自动减负荷或跳闸。（6）过励磁保护高压侧电压为500kV及以上的变压器，由频率降低和电压升高而引起的变压器励磁电流的升高时，应装设过励磁保护。在变压器允许的过励磁范围内，保护可作用于信号；当过励磁超过允许值时，可动作于跳闸。过励磁反应实际的工作磁密和额定工作磁密之比（称为过励磁倍数）而动作。（7）其他保护反应变压器温度及油箱内压力升高和冷却系统的故障情况。应按现行变压器标准的要求，装设可作用于信号或动作于跳闸的装置。 在众多的变压器保护类型中，纵联差动保护通常被用作变压器保护的主保护之一。因此我们对纵联差动保护进行深入研究是非常有意义的。2 变压器的纵联差动保护理论分析2.1 变压器纵联差动保护的原理对于双绕组和三绕组变压器实现纵联差动保护的原理接线如图2-1所示。图2-1 变压器纵联差动保护的原理接线由于变压器高压侧和低压侧的额定电流不同，为了保证纵联差动保护的正确工作，使得在正常运行和外部发生故障时，两个二次电流相等，就必须适当的选择两侧的电流互感器的变比。现在在三种情况下分析变压器纵联差动保护的基本原理：1）正常运行时各侧电流的参考方向如图2-1中箭头所示。为保证变压器两侧对应相电流之和=0，（即当两侧互感器流过负荷电流时，其二次侧电流幅值相等，相位差为180，功率方向一侧为正，另一侧为负），则应合理选择互感器变比和接线方式，此时差动保护不动作。2）在变压器外部（M侧或N侧）发生短路或过负荷时，也要确保两侧电流互感器二次电流的幅值和相位关系与1）相同，此时差动保护不动作。3）当变压器内部发生短路时，由于两侧电源向故障点提供短路电流，这时的电流实际方向与参考方向一致（即两侧电流方向基本相同，且幅值均较大，故有 0，此时需使差动继电器动作，从而切除故障。2.2 变压器纵联差动保护的特点为保证变压器的安全运行，应给变压器装设继电保护装置，而差动保护就是其主保护之一。它能快速切除变压器绕组和引出线相间短路、大电流接地系统侧绕组和引出线的单相接地短路以及绕组匝间短路故障，以确保变压器的安全运行。但是, 受变压器各侧电流互感器以及诸多因素影响，变压器在正常运行和外部故障时，由于差动保护的构成原理是基于比较变压器各侧电流的大小和相位，其差动保护回路中有不平衡电流使差动保护处于不利的工作条件下。为保证变压器差动保护能正确灵敏地动作，必须对其回路中的不平衡电流进行分析，并找出产生的原因，采取一定的措施予以消除。3 电力变压器差动保护方案的研究3.1 变压器差动保护中不平衡电流产生的原因变压器的纵联差动保护的主要特点是需要避开流过差动回路中影响差动保护正确灵敏动作的不平衡电流。现对其不平衡电流产生的原因和消除的方法分别讨论如下。变压器的运行情况可分为稳态情况和暂态情况。稳态情况运行就是变压器带正常负荷运行；暂态情况就是变压器外部故障以及变压器空载投入或外部故障切除后恢复供电等情况。各种情况下差动保护回路产生的不平衡电流的原因不同，下面分类进行分析。3.1.1 稳态情况下的不平衡电流变压器在正常运行时差动保护回路中不平衡电流主要是由电流互感器、变压器接线方式及变压器带负荷调压引起。(1)由电流互感器计算变比与实际变比不同而产生不平衡电流正常运行时变压器各侧电流的大小是不相等的。为了满足正常运行或外部短路故障时流入继电器差动回路的电流为零,则应使高、低压两侧流入继电器的电流相等,即高、低压侧电流互感器变比的比值应等于变压器的变比。但是,实际上由于电流互感器的变比都是根据产品目录选取的标准变比,而变压器的变比是一定的,因此上述条件是不能得到满足的,因而会产生不平衡电流。(2)由变压器两侧电流相位不同而产生的不平衡电流变压器采用Y,d11的接线方式，因此两侧电流的相位差为30。此时，如果两侧的电流互感器仍采用通常的接线方式，则二次电流由于相位不同也会有一个差电流流入继电器中。为了消除这种不平衡电流的影响，通常都是将变压器星形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，并适当考虑联接方式后即可把二次电流的相位矫正过来。在微机继电保护中可用软件自动校正其相位。 (3）由两侧电流互感器型号不同而产生的不平衡电流电流互感器是一个带铁心的元件,在变换电流的过程中,需要一定的励磁电流,所以一次电流和二次电流的关系为: 。当变压器两侧电流互感器的型号不同时,它们的饱和特性、励磁电流等也就不同,即使两侧电流互感器的变比符合要求,流入差动继电器的差电流：也不会为零,即在正常运行或外部短路时,会有不平衡电流流入差动继电器。 两侧电流互感器的型号不同，它们的饱和特性及励磁电流大小也不相同，因此在差动回路中所产生的不平衡电流也较大。(4）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。如果差动保护已经按照某一变比调整好（如利用平衡线圈），则当分接头改变时就会产生一个新的不平衡电流流入差动回路。因为变压器的分接头可以改变而差动保护的电流回路在带电的情况下是不能进行操作的，此时不能再使用重新选择平衡线圈的匝数的方法来消除这个不平衡电流。因此,变压器分接头位置的改变,就会在差动继电器中产生不平衡电流，它与电压调节范围有关，也随一次电流的增大而增大，可表示为: 。那么由此产生的不平衡电流只能在纵联差动保护的整定过程中予以考虑。3.1.2 暂态下的不平衡电流(1）由变压器励磁涌流产生的不平衡电流变压器在正常运行情况下励磁电流很小，一般不超过额定电流的3%6%。当变压器外部发生故障时，由于系统电压降低，致使励磁电流减小，此时可以不予考虑。当变压器空载投入或外部故障切除电压恢复时，励磁电流会突然大大增加，其值可达变压器额定电流的68倍，该电流称为励磁涌流。由于励磁涌流是单侧注入性电流，其幅值又很大，因此会造成继电保护的误动作。变压器纵联差动保护需要解决的突出问题就是：怎样既能可靠地躲过励磁涌流，又能正确的反映内部故障。励磁电流的分析和计算比较复杂，与诸多因素（如变压器的结构形式、接线方式、电压突变初相角、电流、电压、阻抗角、铁心饱和磁通和剩磁通等）密切相关。为了使纵联差动保护躲过励磁涌流，需要对实际运行条件下的励磁涌流波形特征进行分析。当空载变压器投入到电压为的恒定无穷大系统的母线上时，设（忽略变压器漏抗），变压器一次匝数，则有：在合闸瞬间，不能突变，只有剩磁所以，变压器的空载合闸的总磁通为：经半个周期（）时：图3-1 ，的空载合闸磁通图3-2 单相变压器励磁涌流的作图求解（a）已作近似化简的特性曲线；（b）磁通和励磁涌流曲线若作和的波形如图3-1所示，这样大的磁通会产生很大的励磁电流（称为励磁涌流），此励磁涌流的波形可由直接从铁心曲线中作出。图形的画法为：过点作水平线交于（点为开始饱和的磁通），再作垂直交横轴于、，对应与某，由磁化曲线得，通过作水平线交于点，过点作垂线，连接得的一部分。用这种方法可以求出空载合闸变压器励磁涌流的变化曲线如图3-2所示。由此可以看出，励磁涌流有以下特点：1)变压器每相绕组的励磁涌流中含有较大的二次谐波分量，其含量的多少与铁心饱和磁通、剩磁大小以及电压突变初相角等因素直接相关。对于三角形侧的线电流所代表的两相涌流之差来说，有的二次谐波分量可能很小但总有一个两相涌流之差中的二次谐波分量可达基波分量的20%以上；2)每相励磁涌流及两相涌流差的波形均会出现一定的间断角；3)在变压器内、外部故障的短路中，二次谐波分量所占比例较小，一般不会出现波形间断。利用特点1）可以构成二次谐波制动的变压器纵联差动保护，使之有效地躲过励磁涌流的影响。为了在发生励磁涌流时可靠地制动，通常对各相差电流分别求取二次谐波对基波的比值。只要其中有一相超过预先整定的二次谐波制动比，即可闭锁纵联差动保护总出口（或闭锁三相差动元件）。利用特点2）可以构成间断角原理的变压器纵联差动保护，克服励磁涌流的不利影响。当出现励磁涌流时，相邻波形之间不连续，会出现间断角。所谓间断角，定义为涌流波形中在基频周波内保持为0的那一段波形所对应的电角度。相应的，定义波宽为涌流波形在一基频周波内不为0的那一段波形所对应的电角度，即波宽为。在实际应用中，由于电流互感器等元件受暂态过程的影响，会出现间断角消失的现象。因而采用输出差电流波形的导数及其他相应的措施恢复间断角，并用涌流导数的间断角和波宽来整定数据。注意：对于三相变压器而言，电流互感器二次侧所得到的电流总为两相电流差。励磁涌流间断角的大小与电压初相角、变压器铁心饱和磁通以及剩磁大小有关。当其他条件不变时，单独增大，间断角随之增大；当减小时，相应减小；当增大时，随之减小。在某一确定的初相角下，由流入继电器的励磁涌流的导数可求出最小间断角和最大波宽。励磁涌流的判断依据取决于励磁涌流导数的可能最大波宽和最小间断角，而它们又主要取决于最大剩磁密度。考虑最大剩磁密度为0.50.7（为变压器工作磁通密度最大值），纵联差动保护的励磁涌流可采用下述判断依据：波宽： 间断角： 该判断依据与广泛的间断角原理相比增加了测量波宽，使得允许的最大剩磁密度达到0.7，并可保证变压器在过励磁时不会误动作。(2)由变压器外部故障暂态穿越性短路电流产生不平衡电流差动保护是瞬动保护，它是在一次系统短路暂态过程中发出跳闸脉冲。因此，必须考虑外部故障暂态过程的不平衡电流对它的影响。在变压器外部故障的暂态过程中，一次系统的短路电流含有非周期分量，它对时间的变化率很小，很难变换到二次侧，而主要成为互感器的励磁电流，从而使互感器的铁心更加饱和。本来按10 %误差曲线选择的电流互感器在变压器稳态外部短路时，就会处于饱和状态,再加上非周期分量的作用，则铁心将严重饱和。因而，电流互感器的二次电流的误差更大，暂态过程中的不平衡电流也将更大。3.1.3 不平衡电流的克服方法主变的差动保护是变压器的主保护之一。它的可靠性对主变安全运行和系统供电可靠性起着极为重要的作用。变压器差动保护的不平衡电流直接影响到差动保护的选择性、速动性、灵敏性和可靠性。故采取相应的防范措施对提高变压器差动保护性能是十分重要的。从上节的分析可知，构成差动保护时，如不采取适当的措施，流入差动继电器的不平衡电流将会很大，按躲开变压器外部故障时出现的最大不平衡电流整定的差动保护定值也将很大，这样差动保护的灵敏度会降低。若再考虑励磁涌流的影响，保护将无法工作。因此，如何克服不平衡电流，并消除它对保护的影响，提高保护的灵敏度，就成为差动保护的中心问题。(1)对于由电流互感器计算变比与实际变比不同而产生的不平衡电流可采用的两种克服方法1) 是采用自耦变流器进行补偿。 通常在变压器一侧电流互感器(对三绕组变压器应在两侧) 装设自耦变流器，将LH 输出端接到变流器的输入端，当改变自耦变流器的变比时，可以使变流器的输出电流等于未装设变流器的LH 的二次电流，从而使流入差动继电器的电流为零或接近零。2) 是利用中间变流器的平衡线圈进行磁补偿。通常在中间变流器的铁心上绕有主线圈即差动线圈，接入差动电流，另外还绕一个平衡线圈和一个二次线圈，接入二次电流较小的一侧。适当选择平衡线圈的匝数，使平衡线圈产生的磁势能完全抵消差动线圈产生的磁势，则在二次线圈里就不会感应电势，因而差动继电器中也没有电流流过。采用这种方法时，按公式计算出的平衡线圈的匝数一般不是整数，但实际上平衡线圈只能按整数进行选择，因此还会有一残余的不平衡电流存在，这在进行差动保护定值整定计算时应该予以考虑。目前微机继电保护已被广泛应用，对于变压器差动保护中由电流互感器计算变比与实际变比不同而产生的不平衡电流可以通过软件补偿，也可采用在模数变换(VFC) 板上直接调整变压器各侧电流的硬件调整平衡系数的方法，把各侧的额定电流都调整到保护装置的额定工作电流(5 A 或1 A) ,这类似于整流型保护调整平衡绕组的方法。(2) 由变压器两侧电流相位不同而产生的不平衡电流的克服方法图3-3(a)所示为Y,d11接线变压器的纵联差动保护的原理接线图。如图3-3(b)所示，图中、和为星形侧的一次电流，、和为三角形侧的一次电流，后者超前30。现将星形侧的电流互感器也采用相应的三角形接线，则其副边输出电流为-，-，-，它们刚好与、和同相位，如图3-3(c)所示。此时差动回路两侧的电流就是同相位的了。图3-3 Y，d11接线变压器的纵联差动保护接线和相量图（图中电流方向对应于正常工作情况）（a） 变压器及其纵联差动保护的接线；（b） 电流互感器原边电流向量图；（c） 纵联差动保护回路两侧的电流向量图但当电流互感器采用上述联接方式以后，互感器接成三角形侧的差动回路中电流增大了倍。此时，为保证在系统正常运行及外部故障情况下差动回路中没有电流，就必须将该侧电流互感器的变比减小倍。以减小二次电流，使之与另一侧的电流相等，所以此时选择变比的条件是 =式中，和为适应Y，d接线的需要而采用的电流互感器的变比为实际采用变压器的变比。(3) 由两侧电流互感器型号不同而产生的不平衡电流的克服方法当变压器两侧电流互感器的型号不同时,应采用电流互感器的同型系数=1，不平衡电流按式=（为电流互感器的同型系数）计算。另外，由于电流互感器的计算变比与实际变比不同也会有不平衡电流存在，整定计算时应一起考虑。(4) 由变压器带负荷调整分接头而产生的不平衡电流的克服方法根据上述分析，为整定变压器纵联差动保护所采用的最大不平衡电流可由下式确定：=(10%+U+)式中，10%为电流互感器容许的最大相对误差； 为电流互感器的同型系数，型号不同取为1； U为由带负荷调压所引起的相对误差，一般采用变压器调压范围的一半； 为由所采用的互感器变比与计算值的不同所引起的相对误差； 表示保护范围外部最大短路电流归算到二次侧的数值。(5)由变压器励磁涌流所产生的不平衡电流的克服方法根据前面的分析得知，变压器的励磁涌流具有含大量非周期分量、二次谐波和波形之间具有间断角等特点。对于非周期分量的影响，采用带速饱和变流器或加强型速饱和变流器的差动继电器可以有效克服。另外，还可以根据励磁涌流含有大量二次谐波和波形之间有间断角的特点来构成不同原理的变压器差动保护，以克服由变压器励磁涌流所产生的不平衡电流。目前广泛采用二次谐波制动的变压器差动保护和判别波形间断角原理的差动保护。二次谐波制动的变压器差动保护主要包括比率制动和二次谐波制动两部分，其中比率制动也称穿越电流制动，其作用与具有磁力制动特性的差动继电器相同。二次谐波制动回路主要是一个由电感和电容组成的并联谐振回路，它对二次谐波分量呈现很大的阻抗，利用其输出电压实现制动。在变压器正常运行、内部故障、外部故障时，差动回路的二次谐波分量很小，制动回路的输出电压很小，而当变压器空载投入和外部故障切除后恢复供电的情况下，由于励磁涌流中含有很大成分的二次谐波，使制动回路输出的制动电压很大，保证了变压器差动保护能可靠躲过因励磁涌流产生的不平衡电流。 判断波形间断角原理的差动保护，也是利用穿越电流进行制动，即利用判断波形是否有间断角来躲开因励磁涌流产生的不平衡电流。目前，还有一种波对称原理的变压器差动保护，是利用判别流入继电器的差电流前半波和后半波波形是否对称来躲开因励磁涌流产生的不平衡电流。不平衡电流是变压器差动保护的特殊问题，它的存在使变压器差动保护常常处于不利的工作条件下。但是，只要对不平衡电流产生的原因进行分析，再采取合理的克服方法，就能保证变压器差动保护正确灵敏动作，充分发挥其安全卫士的作用。(6)由变压器外部故障暂态穿越性短路电流产生的不平衡电流的克服方法在变压器外部故障的暂态过程中，使差动保护产生不平衡电流的主要原因是一次系统的短路电流所包含的非周期分量。为消除它对变压器差动保护的影响，广泛采用具有不同特性的差动继电器。1)采用带速饱和变流器和带加强型速饱和变流器的差动继电器采用带速饱和变流器的差动继电器是克服暂态过程中非周期分量影响的有效方法之一。根据速饱和变流器的磁化曲线可以看出，周期分量很容易通过速饱和变流器变换到二次侧，而非周期分量不容易通过速饱和变流器变换到二次侧。因此，当一次线圈中通过暂态不平衡电流时，它在二次侧感应的电势很小，此时流入差动继电器的电流很小，差动继电器不会动作。加强型速饱和变流器是由一个带有两个短路线圈的速饱和变流器和一个作为执行元件的电流继电器组成。速饱和变流器的磁导体是一个三柱铁心，2个短路线圈分别绕在中间柱和左侧边柱上，其极性的连接是使它们所产生的磁通在铁心柱中同方向相加，使变流器更容易饱和，从而使分周期分量更不容易通过变流器变换到二次侧，加强了继电器避越非周期分量的作用。2)采用具有磁力制动特性的差动继电器这种差动继电器是在速饱和变流器的基础上，增加一组制动线圈，利用外部故障时的短路电流来实现制动，使继电器的起动电流随制动电流的增加而增加，它能可靠地躲开变压器外部短路时的不平衡电流，并提高变压器内部故障时的灵敏度。具有磁力制动特性的差动继电器的主要元件是一个三铁心柱的速饱和变流器，它共有6个线圈，即:2个制动线圈、1个工作线圈、1个平衡线圈、2个二次线圈。其中制动线圈通常接于变压器无电源一侧或小电源一侧的差动臂上，工作线圈接于差动回路中。当制动线圈中没有电流时，能使执行元件动作的工作线圈中的电流为继电器的最小起动电流。当制动线圈中有电流后，它将在铁心的2个边柱上产生磁通，使铁心饱和，导磁率下降。此时要使执行元件动作，必须增大工作线圈中的电流。因此，继电器的启动电流随着制动电流的增大而增大。通过正确的定值整定，可以使继电器的实际启动电流不论在任何大小的外部短路电流的作用下均大于相应的不平衡电流，使变压器差动保护能可靠躲过变压器外部短路时的不平衡电流。这种具有制动特性的差动继电器虽然整定计算和调试都比较复杂，但由于它的优点显著，在变压器的差动保护中得到了广泛的应用。3.2 变压器纵联差动保护的其他辅助性措施（1）差动电流速断 当变压器内部发生严重故障时，差动电流可能大于最大励磁涌流。因为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，谐振也会短时出现使得二次谐波电流衰减较大，或者因主电流互感器严重饱和影响二次谐波电流，谐波比制动元件可能会误动闭锁保护，直到二次谐波衰减后才返回开放出口；同时，谐波比制动元件本身的固有延时比较大，这些情况对快速切除严重故障是不利的。利用差动电流速断元件直接出口能克服这个不足。这时就不需要再进行励磁涌流的判别，而改由差动元件直接出口。（2）电流互感器断线闭锁大型变压器对差动保护的灵敏度要求较高，如要求能灵敏的动作于变压器内部匝间短路故障。因而最小差动电流动作值均低于额定电流，并且三相比率制动元件均以“或”门出口方式，而不宜采用任意两相“与”的出口方式，因此在电流互感器断线时会误动作。为解决这个问题，变压器纵联差动保护需要附设专门的电流互感器断线闭锁装置。3.3 变压器纵联差动保护的整定计算方法(1)整定计算的主要特点1）差动保护中各侧电流平衡补偿是由软件完成的，一般均以高压侧二次电流为基准。2）变压器各侧二次电流相位也是由软件自动校正的，即变压器各侧二次回路均可接成星形型(也可选择常规接线) ,其二次电流直接接入保护装置，从而简化了 二次接线,增加了电流回路的可靠性。变压器各侧二次接线均采用星形型接线时，由软件根据变压器的接线形式自动校正各侧一次电流的相位差。目前有两种校正方式，一种是对星形侧电流进行校正，一种是对三角形侧电流进行校正。下面以Y，d11 接线变压器进行说明。对星形侧电流进行校正，校正方法为:对三角形侧电流进行校正，校正方法为:式中, 、 为星形侧二次电流,、为星形侧校正后的各相电流。、为三角形侧二次电流,、为三角形侧校正后的各相电流。3）差电流速断保护的电流整定值按躲过励磁涌流和外部故障时最大不平衡电流整定即可，与常规保护相同，一般不低于。4）二次谐波制动系数按躲励磁涌流经验数据整定，一般取。5）比率制动特性曲线会直接影响差动保护的可靠性及灵敏度,这是差动保护的关键定值项。 (2)整定计算的原则在系统正常运行情况下，传统的变压器纵联差动保护为防止电流互感器二次回路断线而引起差动保护误动作，保护装置的启动电流应大于变压器的最大负荷电流。当负荷电流不能确定时，可采用变压器的额定电流,引入可靠系数。在微机变压器纵联差动保护中，由于有电流互感器断线闭锁功能，可不按该原则整定。因为按整定会大大降低纵联差动保护的灵敏度。1）为避开保护范围外部短路的最大不平衡电流，此时继电器的启动电流为式中，为可靠系数，采用1.3； 为保护外部短路时的最大不平衡电流。2）考虑变压器纵联差动保护的启动电流，按上述原则必须能避开变压器励磁涌流的影响。当变压器纵联差动保护采用波形鉴别或二次谐波制动的原理构成时，本身就具有避开励磁涌流的能力，一般不需要另作考虑。而当采用具有速饱和铁心的差动继电器时，虽然可以利用励磁涌流中的非周期分量使铁心饱和来避开励磁涌流的影响，但根据运行经验，差动继电器的启动电流仍需整定为。对于各种原理的差动保护，其避开励磁涌流影响的性能好坏最后还应经过现场的空载合闸试验加以检验。(3)变压器纵联差动保护灵敏系数的校验变压器纵联差动保护的灵敏系数可按下式校验：式中，为应采用保护范围内部故障时流过继电器的最小短路电流即用在单侧电源供电时，系统在最小运行方式下，变压器内部发生短路时的最小短路电流。按照要求，其灵敏系数一般不应低于2。当不能满足要求时，则需要采用具有制动特性的差动继电器。必须指出，对于变压器内部的匝间短路等轻微故障，即使其灵敏系数的校验能够满足要求，纵联差动保护装置往往也不能迅速而灵敏地动作。运行经验表明，在按传统纵联差动保护整定原则整定的情况下，常常都是瓦斯保护首先动作，然后待故障进一步发展差动保护才动作。显然，差动保护的整定值越大，对变压器内部故障的反应能力越低。3.4 微机式差动继电器3.4.1 比率制动差动原理为了减小或消除不平衡电流对差动保护的影响，使变压器外部短路时差动保护不至于误动作，在电流差动原理基础上引入了制动量，以改善继电器特性。以图3-1为例，基波相量比率制动差动保护的动作判据中，差动量和制动量分别为： 式中，为差动电流幅值；为制动电流幅值； 为侧基波电流相量； 为侧基波电流相量。动作量应根据制动电流的计算值按图3-4的折线特性来计算图3-4 三段折线制动特性式中，为不带制动时差动电流的最小动作值、分别为第一段和第二段折线的斜率，且；、分别为第一拐点和第二拐点对应的制动电流，且；对于三绕组变压器，设第三绕组侧为，则有差动电流制动电流的计算应根据变压器各侧绕组的实际功率、流向选择。制动电流选择可以有以下两种方案：或 制动电流的选择直接影响着纵联差动保护的选择性和灵敏度。制动量大，纵联差动保护的选择性就强，抵制因外部故障所引起的保护误动作的能力就强，但对内部故障的灵敏度则降低。因此，应结合变压器实际工作情况合理选择确定的制动电流。3.4.2 励磁涌流的鉴别原理根据前面的分析，变压器在空载合闸和突然失去负荷时所产生的励磁涌流特别严重，差动保护必须采取措施以防止误动作，一般有下面两种方法：（1）二次谐波制动保护利用三相差动电流中的二次谐波分量作为闭锁励磁涌流的判断依据。动作方程如下： 式中，为、三相差动电流中各自的二次谐波电流； 为二次谐波制动系数； 为对应的三相基波差动电流动作值。二次谐波制动的闭锁方式为“或”门出口，即任一相涌流满足条件，就同时闭锁三相保护。二次谐波制动原理比较简单， 目前国内外实际投运的微机变压器保护大都采用该原理。但是，该原理的变压器差动保护存在以下几个问题。1)励磁涌流是暂态电流，不适合用傅里叶级数的谐波方法。因为对暂态信号而言，傅里叶级数法的周期延拓将导致错误的结果。2)很难选择制动比。3)在变压器内部故障不对称的情况下，尤其在变压器附近装配无功补偿设备时，会在故障电流中产生较大的二次谐波分量，使差动保护被迫制动，直到二次谐波分量衰减后不能动作，从而延迟了切除故障时间。4)随着电网电压等级的提高和系统规模的扩大以及变压器单机容量的扩大，大型变压器内部严重故障时，由于谐波使短路电流中的二次谐波含量增大，有可能使二次谐波制动，引起差动保护延时动作。（2）波形比较制动 图3-5 励磁涌流波形图图3-5为励磁涌流波形，波形比较间断角闭锁原理的判断依据是，其中，和分别为励磁涌流波形的波宽和间断角，=；和分别为波宽整定值和间断角整定值（一般=左右，=左右）。两式同时满足时才认为有励磁涌流出现，然后启动装置输出闭锁保护。3.4.3 差流速断保护元件当变压器内部发生不对称短路时，差动电流中会产生较大二次谐波分量。较大二次谐波分量会使纵联差动保护被制动，直到二次谐波衰减后才能动作，这将会延误保护动作时间造成严重后果。因此提出加速差动保护动作的方法，即当任一相差动电流大于差流速断整定值时，瞬时动作于出口，即无时限动作，其实质是以定值避开励磁涌流闭锁的延时，达到快速切除故障的目的。其判断依据是式中，为动作值，为变压器额定电流，为大于2的加速系数。另外，还可根据变压器出现励磁涌流时端电压较高，而内部短路时端电压较低的情况，用变压器端电压降低作为差动速断的辅助判据，即 式中，为动作电压；为额定电压；为加速系数，一般取。3.4.4 其他(1)差流越限告警正常情况下需监视各相差流，如果任一相差流大于越限启动门槛电流（一般设为最小动作电流的），则启动越限报警。(2)断线判别（要求主变压器各侧二次全星形接线）当任一相差动电流大于时启动断线判别程序。如果本侧三相电流中一相无电流且其他两相与启动前电流相等，则认为是断线。(3)差动保护逻辑谐波制动差动保护逻辑框图见图3-6，波形比较制动差动保护逻辑框图见图3-7。 图3-6 二次谐波制动原理差动保护逻辑框图图3-7 波形比较制动原理差动保护逻辑框图(4)整定计算及注意事项1）差动保护的电流互感器二次侧可采用全星形接线，也可采用常规接线。采用常规接线时，三角形接线侧不能判断出三角形接线内部是否断线，只能判断出引出线是否断线。2）差动保护的电流互感器二次侧采用全星形接线时，由保护软件补偿相位和幅值，可按常规的计算方法计算其差动保护的整定值。3）对全星形绕组变压器，各侧电流互感器按三角形接线，以防止保护范围外接地故障时差动保护的误动作。或各侧电流互感器按星形接线，用软件实现三角形接线形式。此时差动保护的内部接地故障灵敏度会降低，则需要进行灵敏度校验工作，必要时要加配零序差动保护。4）对于电压等级高的变压器差动保护，可配置双套不同原理（指励磁涌流判据不同）的差动保护。因为波形比较制动原理可弥补二次谐波制动原理在空载投入至故障变压器时动作时间较长的不足。5）差动平衡系数的计算a）计算变压器各侧一次电流式中，为变压器额定容量，各侧计算必须使用同一容量值； 为计算侧线电压。b）计算各侧流入装置的二次电流式中，为变压器二次接线系数，三角形接线=，星形接线=； 为变比。c）计算平衡系数差动保护平衡系数可以以任一电流为基准，若以主变压器高压侧二次电流为基准，则高压侧平衡系数为中压侧平衡系数为低压侧平衡系数为式中，为变压器高压侧二次电流； 为变压器中压侧二次电流； 为变压器低压侧二次电流。6）差动平衡系数不能满足要求时，必须加装中间变流器。7）进行整定计算时变压器额定电流应采用基准侧（平衡系数为1的一侧或选取的基准电流）的电流为，而非的二次额定值（5A或1A）。8）对于各侧二次额定值不同的主变压器差动保护，一般在保护装置内也选取不同规格的变换器对应各侧。为便于整定计算，可将各侧变换器的变比折算到一次中（其他计算方法不变）。以两绕组变压器为例，若高压侧变比为A，低压侧变比为A。保护装置一般选取高压侧变换器为1A规格，低压侧变换器为5A规格。此种配置相当于在低压侧加装了5/1的变流器，而保护软件仍以一种规格计算。所以在计算平衡系数时，低压侧的变比应按计算。9）差动保护最小动作电流一般取变压器额定电流的0.30.5倍；比例制动特性斜率一般可取0.5；二次谐波制动系数一般取0.150.2；五次谐波制动系数一般取0.35；差动速断整定电流按躲过变压器的励磁涌流整定，并以严重外部故障时的不平衡电流及电流互感器饱和等情况而定，在（212）倍额定电流范围内调整。3.5 变压器纵联差动保护实际整定计算变电站主要设备及其参数：有载调压变压器：容量为31500kVA，电压等级为110，电流互感器：2300/5 A，10P20/10P20/10P20/0.2。3.5.1 差动平衡系数的计算（1）由有载调压变压器参数可得变压器调压范围为：（2）计算变压器各侧一次电流主变压器110kV侧一次侧额定电流，主变压器10kV侧一次侧额定电流，（3）计算TA的计算变比110kV侧TA计算变比，10kV侧TA计算变比，（4）由TA计算变比可得，各侧TA实际变比分别为，300/5， 2000/5（5）计算各侧流入装置的二次电流110kV侧TA二次电流为，10kV侧TA二次电流为，（6）差动保护平衡系数以低压侧电流4.33A为基准(低压侧不调)，将高压侧电流4.77乘平衡系数调到4.33A。110kV侧差动保护平衡系数，10 kV侧差动保护平衡系数3.5.2 不平衡电流计算（1）差动起动电流 根据行标DL/T6841999规定：在工程实用计算中，一般取由于本整定以低压侧为基本侧，；其中， 是最小不平衡电流是变压器额定电流是CT变比（2）起始制动电流根据行标DL/T684-1999规定：起始制动电流宜取(0.20.5)；由于本保护装置制动曲线采用过零算法，不需整定起始制动电流（3）比率制动系数 根据行标DL/T6841999规定：纵差保护的动作电流大于外部短路时流过差动回路的不平衡电流，由于变压器种类不同，不平衡电流计算具有较大差别。由于本保护装置的比率制动曲线通过原点，制动起始电流由保护装置自动机算 。因此，可以不考虑负荷状态和外部短路时电流互感器误差的不同，使不平衡电流完全与穿越性电流成正比率变化。按下式计算制动系数式中，为可靠系数，取1.31.5；为电流互感器的变比误差，取0.1；为非周期分量系数，两侧同为TP级