变压器纵差动保护

1、6.2.1 变压器纵差动保护的基本原理和接线方式变压器纵差动保护的基本原理和接线方式12rIII1I1I2I2IrIrsetII12rIIIsetI分别为变压器高压侧和低压侧分别为变压器高压侧和低压侧的一次电流，参考方向为母线指向的一次电流，参考方向为母线指向变压器变压器为相应的电流互感器二次电流为相应的电流互感器二次电流差动继电器中的电流差动继电器中的电流流入差动继电器的差动电流为：流入差动继电器的差动电流为：纵差动保护的动作判据为：纵差动保护的动作判据为：其中其中为纵差动保护的动作电流为纵差动保护的动作电流6.2 变压器纵差动保护变压器纵差动保护Ir21121121221(1)TTATrT

2、ATATATATAIIn IInnIInnnnn122TrTAn IIIn12/TnUU21TATTAnnn设变压器高、低压侧的变比为设变压器高、低压侧的变比为 ，则上式可进，则上式可进一步表示为：一步表示为：令令（该式为变压器纵差动保护中（该式为变压器纵差动保护中电流互感器变比选择的依据）电流互感器变比选择的依据）12rIII则，正常运行或外部故障时，差动继电器中电流则，正常运行或外部故障时，差动继电器中电流为不平衡电流，理想情况下为为不平衡电流，理想情况下为0或正常运行及或正常运行及外部故障时，令外部故障时，令211121210TrTATATATAIIn IIInnnn dAdadbIII

3、dAIdaI实际电力系统都是三相变压器，并且通常采用实际电力系统都是三相变压器，并且通常采用Y,d11接线方接线方式，如下图所示。这样的接线方式造成了变压器高、低压侧式，如下图所示。这样的接线方式造成了变压器高、低压侧电流的不对应，以电流的不对应，以A相为例，正常运行时：相为例，正常运行时：所以所以 超前超前 30，若直接，若直接将高、低压侧将高、低压侧电流引入差动电流引入差动保护，将会在保护，将会在继电器中产生继电器中产生很大的差动电很大的差动电流。流。克服措施克服措施：将：将引入差动继电引入差动继电器的器的Y侧的电流侧的电流也采用两相电也采用两相电流差。流差。双绕组三相变压器纵差动保护原理

4、接线图双绕组三相变压器纵差动保护原理接线图（a）接线图（）接线图（b）对称工况下的相量关系）对称工况下的相量关系.()()()A rYAYBdAB rYBYCdBC rYCYAdCIIIIIIIIIIII213TATTAnnn3d侧侧采用采用Y，Y12接线方式，接线方式，将各相电流直接接入差动继电器将各相电流直接接入差动继电器内；内；Y侧侧采用采用Y，d11接线方式，接线方式，将两相电流差接入差动继电器内。将两相电流差接入差动继电器内。由于由于Y侧采用了两相电流差，该侧流入差动继电器的电流侧采用了两相电流差，该侧流入差动继电器的电流增加了增加了 倍。为了保证正常运行及外部故障情况下差动回倍。为

5、了保证正常运行及外部故障情况下差动回路没有电流，两侧电流互感器的变比应满足：路没有电流，两侧电流互感器的变比应满足：121121121233/TTTATATATAIIIn IIInnnnn3133231233TATTATTATAnnnnnn13 123 230TTnInII123rIIII13Tn23Tn电力系统中常常采用三绕组变压器。左图电力系统中常常采用三绕组变压器。左图所示的是所示的是Y，d11接线方式三绕组变压器接线方式三绕组变压器纵差动保护单相示意图，接入纵差动继电纵差动保护单相示意图，接入纵差动继电器的差流为：器的差流为：三相变压器各侧电流互感器的接线方式三相变压器各侧电流互感器的

6、接线方式和变比的选择：和变比的选择：d侧互感器用侧互感器用Y接线方式；接线方式；两个两个Y侧互感器则采用侧互感器则采用d接线方式。接线方式。设变压器的设变压器的13侧和侧和23侧的变比为侧的变比为 和和 ，考虑到正常运，考虑到正常运行和区外故障时变压器各侧电流，行和区外故障时变压器各侧电流，电流互感器变比的选择应该满足：电流互感器变比的选择应该满足：6.6.2 变压器差动保护的不平衡电流及克服方法变压器差动保护的不平衡电流及克服方法121TATzaTAnnfn11221zaTunbTATAf In IIInn.max.maxunbzakIf I zaf21TIIn I1 计算变比与实际变比不一

7、致产生的不平衡电流计算变比与实际变比不一致产生的不平衡电流变压器两侧的电流互感器都是根据产品目录选取的标准变比，其规变压器两侧的电流互感器都是根据产品目录选取的标准变比，其规格种类是有限的。变压器的变比也是有标准的，三者的关系很难完格种类是有限的。变压器的变比也是有标准的，三者的关系很难完全满足式（全满足式（6-4），令变比差系数为：），令变比差系数为：根据式（根据式（6-3）可得：）可得：穿越电流穿越电流如果将变压器两侧的电流都折算到电流互感器的二如果将变压器两侧的电流都折算到电流互感器的二次侧，并忽略次侧，并忽略 不为零的影响，则区外故障时变压器两侧电流不为零的影响，则区外故障时变压器两侧

8、电流大小相等，即大小相等，即 ，但方向相反，但方向相反，为区外为区外故障时变压器的穿越电流。故障时变压器的穿越电流。由式（由式（6-11）知，电流互感器和变压器变比不一致产生的最大不平）知，电流互感器和变压器变比不一致产生的最大不平衡电流为：衡电流为：（6-11）.max.maxunbkIUI U2 由变压器带负荷调节分接头而产生的不平衡电流由变压器带负荷调节分接头而产生的不平衡电流 改变分接头的位置，实际上就是改变变压器的变比。改变分接头的位置，实际上就是改变变压器的变比。电流互感器的变比选定后不可能根据运行方式进行调整，电流互感器的变比选定后不可能根据运行方式进行调整，只能根据变压器分接头

9、未调整时的变比进行选择。因此，只能根据变压器分接头未调整时的变比进行选择。因此，由于改变分接头的位置产生的最大不平衡电流为：由于改变分接头的位置产生的最大不平衡电流为：变压器分接头改变引起的相对误差，变压器分接头改变引起的相对误差，考虑到电压可以正负两个方向调整，一般考虑到电压可以正负两个方向调整，一般可取调整范围的一半。可取调整范围的一半。3 电流互感器传变误差产生的不平衡电流电流互感器传变误差产生的不平衡电流111III1111111111ZIIILj LZjZ1221unbIIIII21II 1L1Z1ILZ励磁回路等效电感；励磁回路等效电感；二次负载的等效阻抗；二次负载的等效阻抗；励磁

10、电流，也就是电流互感器励磁电流，也就是电流互感器的传变误差；的传变误差；包括了电流互感器的漏抗和二次负载阻抗，一般电阻分量包括了电流互感器的漏抗和二次负载阻抗，一般电阻分量占优，在定性分析时可以当作纯电阻处理。占优，在定性分析时可以当作纯电阻处理。电流互感器的二次电流为：电流互感器的二次电流为：励磁电流为：励磁电流为：区外故障时变压器两侧的一次电流为区外故障时变压器两侧的一次电流为 （折算到变压（折算到变压器二次侧），故由电流互感器传变误差引起的不平衡电流为：器二次侧），故由电流互感器传变误差引起的不平衡电流为：211(2)1(2)11TATAIILjZ 讨论，两者相抵消讨论，两者相抵消采用同

11、型系数采用同型系数 表示互感器型号对不平衡电流的影响：表示互感器型号对不平衡电流的影响：当两个电流互感器型号同相时，取当两个电流互感器型号同相时，取 ；否则取；否则取1。stK0.5stK1unbstIK IduWdt曲线曲线1铁芯的基本磁化曲线；铁芯的基本磁化曲线；曲线曲线2励磁电流随时间的变化曲线；励磁电流随时间的变化曲线；曲线曲线3励磁电流按照曲线励磁电流按照曲线2变化时的磁滞回线；变化时的磁滞回线；S点点饱和点。饱和点。1L1L由于线圈电压由于线圈电压u与铁芯磁通与铁芯磁通 之间关系为之间关系为 （W是线圈匝是线圈匝数，定性分析时可假设数，定性分析时可假设W=1），故磁化曲线的斜率（严

12、格讲是各点切），故磁化曲线的斜率（严格讲是各点切线的斜率）就是励磁回路的电感线的斜率）就是励磁回路的电感铁芯未饱和时铁芯未饱和时 很大且接近常数很大且接近常数电流互感器铁芯磁滞回线电流互感器铁芯磁滞回线励磁电流大小讨论取决于励磁电流大小讨论取决于TA铁芯是否饱和以铁芯是否饱和以及饱和的程度及饱和的程度铁芯饱和后铁芯饱和后 大为减小大为减小励磁电流很小励磁电流很小励磁电流很大励磁电流很大.maxkI1L1I如图（如图（b）所示，由于非周期分量引起）所示，由于非周期分量引起 偏离时间轴的偏离时间轴的一侧，磁通也偏离磁化曲线并按照曲线一侧，磁通也偏离磁化曲线并按照曲线3的局部磁滞回的局部磁滞回环变化

13、。非周期分量的存在将会显著地减小环变化。非周期分量的存在将会显著地减小 。剩磁剩磁电流互感器一次侧电流消失后，励磁电流也相电流互感器一次侧电流消失后，励磁电流也相应地变为零。由于磁滞回线的应地变为零。由于磁滞回线的“磁滞磁滞”现象，铁芯中长现象，铁芯中长期存在残留磁通，称为剩磁。期存在残留磁通，称为剩磁。10%误差曲线误差曲线电流互感器误差达到电流互感器误差达到10%时时一次电流与二次负载之间的关系曲线。一次电流与二次负载之间的关系曲线。通常根据电流互感器的通常根据电流互感器的10%误差曲线来选择电流互感器的型号：误差曲线来选择电流互感器的型号：测得区外故障最大短路电流测得区外故障最大短路电流

14、在在10%误差曲线中找出相应的二误差曲线中找出相应的二次负载电阻的数值次负载电阻的数值二次电流误差一定小于二次电流误差一定小于10%选择容量更大的电流互感器选择容量更大的电流互感器电流互感器最大误差为电流互感器最大误差为10%实际负载小于此数值实际负载小于此数值实际负载大于此数值实际负载大于此数值励磁电流很大励磁电流很大npK1unbstIK I.max.max0.1unbstkIK I.max.max0.1unbnpstkIK K I引入非周期分量系数引入非周期分量系数 ：电流互感器的暂态误差电流互感器的暂态误差非周期分量的存在大大增加了电非周期分量的存在大大增加了电流互感器的饱和程度，由此

15、产生的误差称为电流互感器的暂流互感器的饱和程度，由此产生的误差称为电流互感器的暂态误差。差动保护是瞬时动作的，必须考虑非周期分量引起态误差。差动保护是瞬时动作的，必须考虑非周期分量引起的暂态不平衡电流。的暂态不平衡电流。1.max.max0.1kIK只是稳态不平衡电流，在变压器外部故障时，一只是稳态不平衡电流，在变压器外部故障时，一次电流中除稳态分量外还有非周期分量等暂态分次电流中除稳态分量外还有非周期分量等暂态分量。导致不平衡电流的瞬时值较稳态量大，非周量。导致不平衡电流的瞬时值较稳态量大，非周期分量系数期分量系数 就是考虑这个因素而引入的。就是考虑这个因素而引入的。1.max.max0.1

16、kIK故障初始：故障初始：电流互感器不饱和，电流互感器不饱和，不平衡电流不大；不平衡电流不大；几个周波后：几个周波后：电流互感器开始饱电流互感器开始饱和，不平衡电流逐渐达到最大值；和，不平衡电流逐渐达到最大值；随着一次电流非周期分量的衰减：随着一次电流非周期分量的衰减：不平衡电流又逐渐下降并趋于稳不平衡电流又逐渐下降并趋于稳态不平衡电流。态不平衡电流。结论：暂态不平衡电流含有很大的非周期分量，其特征完结论：暂态不平衡电流含有很大的非周期分量，其特征完全偏于时间轴一侧。全偏于时间轴一侧。纵差动保护的暂态不平衡电流纵差动保护的暂态不平衡电流（a a）外部短路电流（）外部短路电流（b b）纵差动保护

17、不平衡电流）纵差动保护不平衡电流下图为变压器外部故障时的暂态电流和纵差动保护暂态不平衡电流的下图为变压器外部故障时的暂态电流和纵差动保护暂态不平衡电流的录波图录波图unbII将变压器参数折算到二次侧后，单将变压器参数折算到二次侧后，单相变压器等效电路如左图所示。显相变压器等效电路如左图所示。显然，励磁回路相当于变压器内部故然，励磁回路相当于变压器内部故障的故障支路。励磁电流全部流入障的故障支路。励磁电流全部流入差动继电器中，形成不平衡电流，差动继电器中，形成不平衡电流，即即正常运行和外部故障时正常运行和外部故障时：变压器不会变压器不会饱和，励磁电流一般不会超过额定电饱和，励磁电流一般不会超过额

18、定电流的流的2%5%，对纵差动保护的影响常，对纵差动保护的影响常常略去不计；常略去不计；变压器空载投入或外部故障切除电压变压器空载投入或外部故障切除电压恢复时恢复时：变压器电压从零或很小的数变压器电压从零或很小的数值突然上升到运行电压。在这个电压值突然上升到运行电压。在这个电压上升的暂态过程中，变压器可能会严上升的暂态过程中，变压器可能会严重饱和，产生很大的暂态励磁电流。重饱和，产生很大的暂态励磁电流。这个暂态励磁电流称为励磁涌流。这个暂态励磁电流称为励磁涌流。4 变压器励磁电流产生的不平衡电流变压器励磁电流产生的不平衡电流5 减小不平衡电流的主要措施减小不平衡电流的主要措施12(1)TATT

19、Annnn 1nI1nI121rIIInI 12II1 计算变比与实际变比不一致产生的不平衡电流的补偿计算变比与实际变比不一致产生的不平衡电流的补偿令令 由式（由式（6-3）知，由计算变比与实际变比不一致产生）知，由计算变比与实际变比不一致产生的不平衡电流为的不平衡电流为 。可以用。可以用 将这个不平衡电流补偿掉。此时引入差动将这个不平衡电流补偿掉。此时引入差动继电器的电流为：继电器的电流为：在正常运行和外部故障时，只要满足在正常运行和外部故障时，只要满足 ，即即 则中间变流器内总磁通等于零，在二次线圈上就没有则中间变流器内总磁通等于零，在二次线圈上就没有感应电势，从而没有电流流入继电器。感应

20、电势，从而没有电流流入继电器。121()0dbWIIW I/bdWWn TS中间变流器；中间变流器；Wd主绕组，接入差主绕组，接入差动电流动电流 ；Wb平衡绕组；平衡绕组；W2二次绕组。二次绕组。2ZTAn2 减小因电流互感器性能不同引起的稳态不平衡电流减小因电流互感器性能不同引起的稳态不平衡电流22/TAZn（1） 应尽可能使用型号、性能完全相同的应尽可能使用型号、性能完全相同的D级电流互感器，使得级电流互感器，使得两侧电流互感器的磁化曲线相同，以减小不平衡电流。两侧电流互感器的磁化曲线相同，以减小不平衡电流。（2） 减小电流互感器的二次负载并使各侧二次负载相同，能够减小电流互感器的二次负载

21、并使各侧二次负载相同，能够减小铁芯的饱和程度，相应地减小了不平衡电流。减小铁芯的饱和程度，相应地减小了不平衡电流。 减小二次负载的方法，除了减小二次电缆的电阻外，可以增减小二次负载的方法，除了减小二次电缆的电阻外，可以增大电流互感器的变比大电流互感器的变比 。二次阻抗。二次阻抗 折算到一次侧的等折算到一次侧的等效阻抗为效阻抗为 。若采用二次侧额定电流为。若采用二次侧额定电流为1安的电流互感安的电流互感器，等效阻抗只有额定电流为器，等效阻抗只有额定电流为5安时的安时的1/25.3 减小电流互感器的暂态不平衡电流减小电流互感器的暂态不平衡电流措施措施：在差动回路中接入具有速饱和特性的中间变流器。速

22、：在差动回路中接入具有速饱和特性的中间变流器。速饱和中间变流器采用很容易饱和的铁芯，当差动电流中含有饱和中间变流器采用很容易饱和的铁芯，当差动电流中含有较大的非周期分量并完全偏离时间轴一侧时，铁芯迅速饱和，较大的非周期分量并完全偏离时间轴一侧时，铁芯迅速饱和，一个周波内的变化量一个周波内的变化量 很小，非周期分量不易传变到变很小，非周期分量不易传变到变流器的二次侧。当差动电流中流过周期分量时，变化量为很流器的二次侧。当差动电流中流过周期分量时，变化量为很大的大的 ，很容易传变到二次侧。，很容易传变到二次侧。6.2.3 纵差动保护整定计算原则纵差动保护整定计算原则1 纵差动保护动作电流的整定原则

23、纵差动保护动作电流的整定原则原则一原则一 躲过外部故障时的最大不平衡电流躲过外部故障时的最大不平衡电流原则二原则二 躲过变压器最大励磁涌流躲过变压器最大励磁涌流原则三原则三 躲过电流互感器二次回路断线不平衡电流躲过电流互感器二次回路断线不平衡电流按这三个按这三个原则计算原则计算纵差动保纵差动保护的动作护的动作电流，并电流，并选取最大选取最大者者。.maxsetrelunbIKIrelK.maxunbI.max.max(0.1)unbzanpstkIfUK KI 整定式为：整定式为：可靠系数，取可靠系数，取1.3外部短路故障时的最大不平衡电流。包括外部短路故障时的最大不平衡电流。包括 电流互感器

24、和变压器变比不完全匹配产生的最电流互感器和变压器变比不完全匹配产生的最大不平衡电流和互感器传变误差引起的最大不大不平衡电流和互感器传变误差引起的最大不平衡电流。根据式（平衡电流。根据式（6-12）、（）、（6-13）、（）、（6-20），得），得BACKsetrelnIKK IrelKKnI整定式为：整定式为：可靠系数，取可靠系数，取1.31.5；变压器的额定电流；变压器的额定电流；励磁涌流的最大倍数，取励磁涌流的最大倍数，取48；其它减少励磁涌流影响的措施：其它减少励磁涌流影响的措施：一、通过鉴别励磁涌流和故障电流，在励磁涌流时将差一、通过鉴别励磁涌流和故障电流，在励磁涌流时将差动保护闭锁，

25、这时在整定值中不必考虑励磁涌流的影响，动保护闭锁，这时在整定值中不必考虑励磁涌流的影响，即取值为即取值为0；二、采用速饱和变流器减少励磁涌流产生的不平衡电流，二、采用速饱和变流器减少励磁涌流产生的不平衡电流，采用加强型速饱和变流器的差动保护（采用加强型速饱和变流器的差动保护（BCH2型）时，型）时，取值为取值为1.BACK.maxsetrellIKIrelK.maxlI变压器某侧电流互感器二次回路断线时，另一侧电变压器某侧电流互感器二次回路断线时，另一侧电流互感器的二次电流全部流入差动继电器，要引起流互感器的二次电流全部流入差动继电器，要引起保护的误动。有的差动保护采用断线识别的辅助措保护的误

26、动。有的差动保护采用断线识别的辅助措施，在互感器二次回路断线时将差动保护闭锁。若施，在互感器二次回路断线时将差动保护闭锁。若没有断线识别的措施，则差动保护的动作电流必须没有断线识别的措施，则差动保护的动作电流必须大于正常运行情况下变压器的最大负荷电流，即大于正常运行情况下变压器的最大负荷电流，即可靠系数，取可靠系数，取1.3；变压器的最大负荷电流。在最大负变压器的最大负荷电流。在最大负荷电流不能确定时，可取变压器额定电荷电流不能确定时，可取变压器额定电流。流。2 纵差动保护灵敏系数的校验纵差动保护灵敏系数的校验.min.krsensetIKI.min.krIsenk纵差动保护的灵敏系数可按下式

27、校验：纵差动保护的灵敏系数可按下式校验：各种运行方式下变压器区内端部故障时，各种运行方式下变压器区内端部故障时，流经差动继电器的最小差动电流；流经差动继电器的最小差动电流；灵敏系数，一般不应低于灵敏系数，一般不应低于2；当按前述整定原则整定的动作电流不能满足灵敏度要当按前述整定原则整定的动作电流不能满足灵敏度要求时，需要采用具有制动特性的差动继电器。求时，需要采用具有制动特性的差动继电器。6.2.4 具有制动特性的差动继电器具有制动特性的差动继电器()rrelresIKf I()relresKf I21II 1resII()unbresIf IresI1 差动继电器的制动特性差动继电器的制动特

28、性具有制动特性的差动继电器具有制动特性的差动继电器在差动继电器中引入一个能够反应变在差动继电器中引入一个能够反应变压器穿越电流大小的制动电流，继电器的动作电流不再是按躲过最大压器穿越电流大小的制动电流，继电器的动作电流不再是按躲过最大不平衡电流整定，而是根据制动电流自动调整。不平衡电流整定，而是根据制动电流自动调整。对于双绕组变压器，外部故障时由于对于双绕组变压器，外部故障时由于 （折算到二次侧），（折算到二次侧），制动电流制动电流 可取可取 ；变压器外部故障时的不平衡电流；变压器外部故障时的不平衡电流可以表示为可以表示为 则具有制动特性差动继电器的动作方程为：则具有制动特性差动继电器的动作方

29、程为： 该曲线称为差动继该曲线称为差动继电器的制动特性。只有当差动电流电器的制动特性。只有当差动电流处于曲线上方时差动继电器才能并处于曲线上方时差动继电器才能并且肯定动作。且肯定动作。处于制动特性上方的区域称为动作处于制动特性上方的区域称为动作区，另一个区域称为制动区。区，另一个区域称为制动区。()relresKf IresIresIresI()relresKf I()relresKf I()()relresrelzaTAresKf IKfUKITAKzafU是一个关于是一个关于 的单调上的单调上升函数。升函数。较小时较小时电流互感器不饱和，电流互感器不饱和， 线性上升；线性上升； TATA未

30、饱和时未饱和时的不平衡电流的不平衡电流较大时较大时电流互感器饱和后，电流互感器饱和后， 不再是线性的。不再是线性的。()relresKf I的线性部分可以表示为：的线性部分可以表示为：电流互感器未饱和时存在的线性误差，由互感器电流互感器未饱和时存在的线性误差，由互感器型号决定，一般小于型号决定，一般小于2%2%。意义与式（意义与式（6 62626）中的相同。）中的相同。()resf I.min.min.,(),setresres gset rresres gsetresres gIIIIK IIIII.max.min.max.setsetresres gIIKII.set rI由于电流互感器的

31、饱和与许多因素有由于电流互感器的饱和与许多因素有关，制动特性中非线性部分的具体数关，制动特性中非线性部分的具体数值是不易确定的。实用的制动特性要值是不易确定的。实用的制动特性要进行简化，在数字式纵差动保护中，进行简化，在数字式纵差动保护中，常常采用一段与坐标横轴平行的直线常常采用一段与坐标横轴平行的直线和一段斜线（图中以和一段斜线（图中以 表示）构表示）构成的所谓成的所谓两折线两折线特性。特性。制动特性的数学表达式为：制动特性的数学表达式为：式中式中K为制动特性的斜率，由图为制动特性的斜率，由图610知：知：.maxmax.maxsetresresIKI.maxsetI.maxresI.maxkI.max.maxsetrelunbIKI.max.maxreskII.max.max.maxreskunbIII.maxresK设变压器穿越电流等于最大外部故障电流设变压器穿越电流等于最大外部故障电流 时，差动继电器动作电流和制动电流分别时，差动继电器动作电流和制动电流分别为为 和和 ，如，如a点所示。点所示。此时差动继电器不平衡电流就是按式（此时差动继电器不平衡电流就是按式（626）计算的最大不平衡电流，）计算的最大不平衡电流，故：故：理论上理论上 ，但制动电流，但制动电流 也要经过电流互感器测也要经过电流互感器测量，互感器饱和会使测量到的制动电流减小，故量，互感器