变压器保护原理培训资料

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内部培训资料

国电南京自动化股份有限公司

南京新宁电力技术有限公司

第一节概述

变压器是电力系统重要的主设备之一。在发电厂通过升压变压器将发电机电压升高，而

由输电线路将发电机发出的电能送至电力系统中；在变电站通过降压变压器再将电能送至配

电网络，然后分配给各用户。在发电厂或者变电站，通过变压器将两个不一致电压等级的系

统联起来，该变压器称作联络变压器。

一变压器的基本结构及接线组别

电力变压器要紧由铁芯及绕在铁芯上的两个或者三个绝^绕组构成。为增型各绕组之间

的绝缘及铁芯、绕组散热的需要，将铁芯及绕组置于装有变压器油的油箱中。然后，通过绝

缘套管将变压器各绕组的两端引到变压器壳体之外。

另外，为提高变压器的传输容量，在变压器上加装有专用的散热装置，作为变压器的冷

却器。

大型电力变压器均为三相变压器或者由三个单相变压器构成的三相变压器。

将变压器同侧的三个统组按一定的方式连接起来，构成某一接线组别的三相变压器。

双卷电力变压器的接线组别要紧有：Yo/Y.YN/A,及△/△-△«＞理论分析说明，

接线组别为Yo/Y压器，运行时某侧电压波形要发生畸变，从而使变压器的损耗增加，继而

使变压器过热。因此，为避免油箱壁局部过热，二相铁芯变压器按Y/Y联接的方式，只适用

于容量为1800KVA下列的小容量变压器。而超高压大容量的变压器均使用Y。/△的接线组别。

在超高压电力系统中，Yo/△接线的变压器，呈Y形联接的绕组为高压侧绕组，而呈△

形联接的绕组为低压侧绕组，前者接大电流系统（中性点接地系统），后者接小电流系统（中

性点不接地系统）。

在实际运行的变压器中，在Y。/△接线的变压器的接线组别中，以Yo/ZXTI为最多，Yo/

△-1及YO/A-5的也有。

Yo/Z\T1接线组别的含意是：（a）变压器高压绕组接成Y型，且中性点接地，而低压侧

绕组接成4;（b）低压侧的线电压（相间电压）或者线电流分别滞后高压侧对应相线电压或

者线电流330°。330°相当于时钟的11点钟,故又称11点接线方式。

同理，“△一1接线组别，则表示△侧的线电流或者线电压分别滞后Y侧对应相线电流

或者线电压30%相当时钟的1点，分别称之为1点接线。

在电机学中，对变压器各绕组之间相对极性的表示法，通常用减极性表示法。

YO/A-11.YO/A-1接线组别变压器各绕组接线，相对极性及两侧电流的向最关系，分

别如图11T、图11-2所示。

ABCABC

(a)接线方式(b)接线方式

(b)向量图(b)向量图

图11-1YO/A-11变压器绕组接线方式图152YO/A-1变压器组接线方式及

及两侧电流向量图两侧电流向量图

在上述各图中：“、心一变压器高压侧三相电流;

ia、ib>ic一变压器低压侧三相电流；

大一各绕组之间的相对极性。

由图能够看出：YO/A-U接线的变压器，低压侧三相电流)、八、4分别滞后高压侧

三相电流〃、ic330°；Yo/Z\T接线的变压器低压侧三相电流)、ib、分别滞后高

压侧三相电流〃、•o、ic30°;

二变压器的故障及不正常运行方式

1变压器的故障

若以故障点的位置对故障分类，变压器的故障，有油箱内的故障与油箱外的故障。

3故障点在变压器输出端部；忽略有效分量的影响，阻抗角为90°。

二Y/A-11变压器高压侧单相接地短路

1边界条件及对称分量

设变压器高压侧A相发生金属性接地短路，故障电流为IK。则故障点的边界条件为

=/c=o；iA=iK；uA=o

设A相各序量电流及各序量电压分别为着、“2、，。及。川、办2、办。，则根据边

界条件可求得各序量：

12.|

I*）,

/.2=§（14+〃4+”/（?）=§W

=g（，A+1+ic）=g，K

呢+°＜42+办0=°

在上述各式中：。一一旋转因子，〃=/20。

可得：

“="2==...............................................................（11T）

=-（〃八2+0八。）...............................（11-2）

-1=（＞2£+X（）£）；

，。从2=一＞2/川=一；*2£〃...............................................................（11-3）

呢0=-X0乩1=-"OHK

在式（11-3）中：X此一一系统对故障点的等效零序电抗；

X2r一—系统对故障点的等效负序电抗。

2变压器高压侧电压及电流向量图与序量图

若以A相的正序电压Su为参考向量（胃于纵坐标轴卜.），根据式（11T）〜（11-3）.

并考虑到零序电抗X°£通常大于负序电抗X2E，可绘制出变压器高压侧的电流、电压的序量

图及向量图。如图11-4所示。

1AI=IA0=1A2

lAO=bo=\n

rxsi八1，、

(a)电压序审及向最图(b)电流序量及向量图

图11-4变压器高压侧A相接地故障点的电压、电流序量图及向量图

由图11-4能够看出，当变压器高压侧单相接地短路时，其他两非故障相的电压不可能

降低，但两相电压之间的相位差要发生变化。其变化的大小与方向与负序电抗X》及零序电

抗X()£的相对大小有关。不计负荷电流影响时=。。

3变压器低压侧电压、电流的序量图与向量图

由于变压器的接线组别为''/△T1,根据序量经变压器传递原理知：变压器Y侧的正序

电压与正序电流向△侧传递时，将逆时针移动30'；而负序电压与负序电流向△侧传递时，

将顺时针移动30°；Y侧的零序电压与零序电流不可能出现在变压器△侧的输出端(跳△的

线电压与线电流中不可能出现零序电压及零序电流)。

根据图11・4及序量经变压器传递原理，并以高压侧的。加为参考向品，绘制出的变压

器△侧电压、电流的向量图及序量图如图11・5所示。

(a)电压向量及庠量图(b)电流向量及序量图

图11-5Y/A-11变压器高压侧A相接地短路时△侧电压、电流序量图与向量图

由图11-5能够看出：当变压器高压侧A相发生单相接地故障时，低压侧故障相

的后序相(b相)电流等于零，而电压最高,其他两相(a相与c相)电流大小相等，方向

相反。

4低压侧电压与电流大小的计算

(1)低压侧电流

8s30°

与K

〃=。。

（2）低压侧的电压

Ub=与[（*2£+、0£）+*2£]=与（2、25：+*0£）；

%=〃=勺7通+3X2E0E+X晟

三Y/A-11变压器高压侧B、C两相接地短路

1边界条件及对称分量

当变压器高压侧B、C两相接地短路时（设短路电流为〃），可得故障点的边界条件为:

〃二°；呢=及=。

将该边界条件用对称分量表示，可得

呢=内2=0八。=?.....................................（11-4）

=一（〃2+，A（l）........................................................

2高压侧电压、电流向量图与序量图

根据式（11-4）与式（11-5）,并以。川参考向量（置于纵坐标上），则可绘制出故障点

电压、电流的向量图与序量图。如图11-6所示。

（a）电压向量图及序量图（b）电流向量图及序量图

图11-6''"△T1变压器高压侧B、C两相接地短路时高压侧电压、电流向量图与序量图

（a）电压向量图衣序量图（b）电流向量图及序量图

图11-7Y/Z\71变压器高压侧B、C两相接地短路时低压侧电压、电流向量图与序量图

由图11-6(b)能够看出：Y/A-11变压器高压侧B、C两相发生接地短路时，B、C两

相的电流大小相等，两者之间的相位发生变化，其变化的大小与方向决定于零序电流与负序

电流之比。

3变压器低压侧电压、电流的向量图与序量图

根据图11-6所示的向量图、序量图与序量经Y/ZX-11变压器传递原理，并以正序电压

U川为参考向量，能够画出变压器高压侧B、C两相接地短路时，低压侧的电压、电流的序

量图与向量图。如图11-7所示。

4低压电压与电流大小的计算

由图11-7(a)能够看出，当Y/Z\T1变压器高压侧B、C两相发生接地短路时，变压

器低压侧B相电压等于零(即"=0),而a、c两相电压大小相等，方向相反，其值为

u=u=经8s3()0=

“'3

由图11-7(b)能够看出，低压侧b相电流最大，其值等于

仆二皇正。+缶?)

U、2£+X()£

la=lc=-------〜—11+(X0£)2__Xoi_

XZEOEX£+x+X

-XN2xoz210E

X2E+Xqx

以上各式中：Ed一一电源的等值电势；

ME、心工、Xoz——分别为系统对故障点的等值正序电抗、负序电抗与

零序电抗。

四Y/A-1变压器高压恻B、C两相短路

1边界条件及对称分量

当变压器高压侧B、C两相短路时，设短路电流为/忆，故障点的边界条件为

〃=0；18=_；UB=UC

将该边界条件用对称分量表示，则得

0A0=。

..百...............(HO

在式(11-7)中：X2£一一对故障点的等值负序电抗。

2变压器高压侧电压、电流的序量图与向量图

根据式(11-6)与式(11-7)并以U*为参考向量，划出变压器高压侧B、C两相短路

时故障点的电压、电流的序量图与向量图。如图11-8所示。

(a)电压向量图(b)电流向量图(a)电压向量图(b)电流向量图

及序量图及序量图及序量图及序量图

图11-8YO/A-1变压器高压侧B、C两相短图11-9YO/A-1变压器高压侧B、C两相短

路时故障电压、电流向量图及序量图路时低压侧电压、电流向量图及序量

图

根据图11-8及序量经Y/Arl变压器的传递原理，绘制出的变压器低压侧电压、电流序

量图及向量图。如图n-g所示。

由图11-9能够看出；Y/A-1变压器高压侧发生B、C两相短路时，低压侧的C柱电压

等于零，而a相电压与b相电压大小相等，方向相反，其值也有降低。低压侧c相电流最大,

而a相电流与b相电流大小相等、方向相同，且与C相电流相电流相位差为180')。

4低压侧电压与电流值的计算

(1)各相电压

由11-9(a)能够得出：

Uc=0i

凡=2与3号2号~UA=与L

(2)各相电流

由图11-9(b)能够得出:

第三节变压器纵差保护

一变压器纵差保护的构成原理及接线

与发电机、电动机及时线差动保护(纵差保护)相同，变压器纵差保护的构成原理也是

基于克希荷夫第一定律(变压器作为电力系统的一元件，不满足克希荷夫第一定律，而是一

能量守恒元件)，即

》=0(11-9)

式中：乏?一变压器各侧电流的向景与。

式（11一9）代表的物理意义是：变压器正常运行或者外部故障时，流入变压器的电流

等于流出变压器的电流。如今，纵差保护不应动作。

当变压器内部故障时，若忽略负荷电流不计，则只有流进变压器的电流而没有流出变压

器的电流，其纵差保护动作，切除变压器。

在往常的模拟式保护中，变压器纵差保护的原理接线如图11-12所示。

图11-12变压器纵差保护原理接线图

在图11-12中：LH1、LH2一分别为变压器两侧的差动TA；

JA、JB、JC一分别为A、B、C三相的三个分相差动继电器。

能够看出：图11-12为接线组别为Yo/^Tl变压器的分相差动保护的原理接线图。该接

线图也适用于微机型变压器差动保护。图中相对极性的标号*使用减极性标示法。

二实现变压器纵差保护的技术难点

实现发电机、电动机及母线的纵差保护比较容易。这是由于这些主设备在正常工况下或

者外部故障时其流进电流等于流出电流，能满足的条件。而变压器却不一致。变压

器在正常运行、外部故障、变压器空投及外部故障切除后的暂态过程中，其流入电流与流出

电流分别相差较大或者很大。

为此，要实现变压器的纵差保护，需要解决几个技术难点。

1变压器两侧电流的大小及相位不一致

变压器正常运行时，若不计传输损耗，则流入功率应等于流出功率。但由于两侧的电压

不一致，其两侧的电流不可能相同。

超高压、大容量变压器的接线方式，均使用Yo/△方式。因此，流入变压器电流与流出

变压器电流的相位不可能相同。，组别为、’（）/△-11（或者Yo/ZV1）时，变压器两侧电

流的相位相差SO。。（根据负荷情况，变压器为三圈变压器时，相角可能不一致，但电压始终

满足上条件）

流入变压器的电流大小与相位与流出电流大小与相位不一致，则就不可能等于零

或者很小。

2稳态不平衡电流大

与发电机、电动机及母线的纵差保护相比，即使不考虑正常运行时某种工况下变压器两

侧电流大小与相位的不一致，在正常运行时，变压器纵差保护两侧的不平衡电流也大。其原

因是：

（1）变压器有励磁电流

变压器铁芯中的主磁通是由励磁电流产生的，而段磁电流只流过电源侧，在实现的纵差

保护中将产生不平衡电流。

励磁电流的大小与波形，受磁路饱与、磁滞及涡流的影响，并由变压器铁芯材料及铁芯

的几何尺寸决定，通常为变压器额定电流的3%〜8%。大型变压器的吼磁电流相对较小，

（2）变压器带负荷调压

为满足电力系统及用户对电压质量的要求，在运行中，根据系统的运行方式及负荷工况,

要不断改变变压器的分接头。变压器分接头的改变，相当于变压器两侧之间的变比发生了变

化，将使两侧之间电流的差值发生了变化，从而增大了其纵差保护中的不平衡电流。

根据运行实际情况，变压器带负荷调压范围通常为±5%。因此，由于带负荷调压，在纵

差保护产生的不平衡电流可达5%的变压器额定电流。

（3）两侧差动TA的变比与计算变比不一致

变压器两侧差动TA的名牌变比，与实际计算值不一致，将在纵差保护产生不平衡电流。

另外，两侧TA的型号及变比不也将使差动保护中的不平衡电流增大。由于两侧TA变比

误差在差动保护中产生的不平衡电流可取6%o

3暂态不平衡电流大

（1）两侧差动TA型号、变比及二次负载不一致

与发电机纵差保护不一致，变压器两侧差动TA的变比不一致、型号不一致；由各侧TA

端子箱引至保护盘TA二次电缆的长度相差很大，即各侧差动TA的二次负载相差较大。

差动TA型号及变比不一致，其暂态特性就不一致；差动TA二次负载不一致，二次回路

的暂态过程就不一致。这样，在外部故障或者外部故障切除后的暂态过程中，由于两侧电流

中的自由分量相差很大，可能使两侧差动TA二次电流之间的相位发生变化，从而可能在纵

差保护中产生很大的不平衡电流。

（2）空投变压器的励磁消流

空投变压器时产生的励磁涌流的大小，与变压器结构有关，与合闸前变压器铁芯中剩磁

的大小及方向有关，与合闸角有关；此外，尚与变压器的容量、距大电源的距离（即变压器

与电源之间的联系阻抗）有关。

多次测量说明：空投变压器时的励磁涌流通常为其额定电流的2〜6倍，最大可达8倍

以上。

由于励磁涌流只由充电侧流入变压器，对变压器纵差保护而言是一很大的不平衡电流。

（3）变压器过激磁

在运行中，由于电源电压的升高或者频率的降低，可能使变压器过激磁。变压器过激磁

后，其励磁电流大大增加。使变压器纵差保护中的不平衡电流大大增加。

（4）大电流系统侧接地故障时变压器的零序电流

当变压器高压侧（大电流系统侧）发生接地故障时，流入变压器的零序电流因低压侧为

小电流系统而不流出变压器。因此，关于变压器纵差保护而言，上述零序电流为一很大的不

平衡电流。

三空投变压器的励磁涌流

1励磁涌流产生的机理

以单相变压器为例，说明其空投时励磁涌流产生的机理。

忽略变压器及合闸问路电阻的影响，电源电压的波形为正弦波。则空投瞬间变压器铁芯

中的磁通与外加电压的关系为

W粤=U,„sni（（uf+a）..........................................（11-10）

式中：变压器空投侧绕组的匝数：

①一铁芯中的磁通：

Um—电源电压的幅值；

a一合闸角；

3一角速率，当频率为50Hz,3=314。

由式（11-10）可得

小D=77^$5（西+a）dt......................................（11-11）

WM

式（11T1）为一不定积分方程，求解得

4）=-■^yLcos（6jr+a）+C......................................（11~12;

>V（o

式（11T2）中：C-积分常数，由初始条件确定。当t=0时，则

C=-^-cos«+（1>,..........................................（11-13）

WM$

式中：中,一合闸前铁芯中的剩磁通。

将式(11-13)代入(11-12),并考虑到电源回路及变压器绕组的有效电阻及损耗

T7

①=—^^cos(“x+a)+f^^cosa+WJ"=-O,ncos(/wf+«)+(<!),„cosa+<t>5.)^...(11-14)

式是：①”需；

T一时间常数，与合闸回路的损耗有关。

式（11T4）中的第一项为磁通的强迫分量，而第二项为磁通的自由分量或者衰减的分

量。

由式（11T4）能够看出，在空投变压器的瞬间，铁芯中的磁通由三部分构成：强迫磁

通中,“8s（公+a）,剩磁通5及决定于合闸角a的磁通（D〃,8sa。因此，在合闸瞬间变压器铁

芯中的综合磁通如图（1卜13）所示的曲线中。

图11T3空投变压器的变压器铁芯中的磁通变化波形

在图（11-13）中：合闸角a=0°,5=0.9①”

能够看出：当初始合闸角等于0°、变压器铁芯中的剩余磁通6=0.9%时，铁芯中的

最大磁通达2.9e”，从而使变压器铁芯严重饱与，励磁电流猛增，即产生所谓励磁涌流。

2励磁涌流的特点

在某台变压器空投时拍摄的变压器三相励磁涌流的波形如图（11-14）所示。

oL

一.一

,,,.,.

图11-4空投变压器的励磁涌流

由图11T4能够看出励磁涌流有下列几个特点：

（1）偏于时间轴一侧，即涌流中含有很大的直流分量；

（2）波形是间断的，上问断角很大，通常大于150°；

（3）由于波形间断，使其在一个周期内正半波与负半波不对称；

（4）含有很大的二次谐波分量，若将涌流波形用福里叶级数展开或者用谐波分析仪进行

测量分析，绝大多数涌流中二次谐波分量与基波分量的百分比大于30乐有的达80%

甚至更大；

（5）在同一时刻三相涌流之与近似等于零；（有非周期分量）

（6）励磁涌流是衰减的，衰减的速度与合闸回路及变压器绕组中的有效电阻及其他有效

损耗有关。

3影响励磁涌流大小的因素

由式（11-14）能够看出，空投变压器的铁芯中的磁通的大小与中,〃、8sa及中，有关。

而励磁涌流的大小与铁芯中磁通的大小有关。磁通越大，铁芯越饱与，励磁涌流就越大。因

此，影响励磁涌流大小的因素要紧有：

（1）电源电压

变压器合闸后，铁芯中强迫磁通的幅值中”；=融。因此，电源电压越高，中川越大，励

磁涌流越大。

（2）合闸角a

当合闸角a=0时，①,”cosa最大，励磁涌流大；而当a=90°,中,”8sa等于零，一磁涌

流较小；

（3）剩磁华

合闸之前，变压器铁芯中的剩磁越大，励磁涌流就越大。另外，当剩磁8,的方向与合

闸之后的方向相同时，励磁涌流就大。反之亦反。

此外，励磁涌流的大小，尚与变压器的结构、铁芯材料及设计的工作磁密有关。变压器

的容量越小，空投时励磁涌流与其额定电流之比就越大。

测最说明：空投变压器时，变压器与电源之间的阻抗越大，励磁涌流越小。在末端变电

站，空投变压器时的励磁涌流可能小于其额定电流的2倍。

四变压器纵差保护的实现

实现变压器纵差保护，要解决的技术问题要紧有：在正常工况下，使差动保护各侧电流

的相位相同或者相反；在正常工况下，使由变压器各侧TA二次流入差动保护的电流产生的

效果相同，即是等效的；空投变压器时不可能误动，即差动保护能可靠躲过励磁涌流；大电

流侧系统内发生接地故障时保护不可能误动；能可靠躲过稳态及暂态不平衡电流。

1差动保护两侧电流的移相方式

呈Y/△接线的变压器，两侧电流的相位不一致，若不采取措施，要满足各侧电流的向

量与等于零，即3=o,根本不可能。因此，要使正常工况下差动保护各侧的电流向量与为

零，首先应将某一侧差动TA二次电流进行移相。

在变压器纵差动保护中，府某侧电流的移相方式有两类共4种。两类是：通过改变差动

TA接线方式移相（即由硬件移相）；由计算机软件移相。4种是：改变某侧差动TA接线方式

移相；使用辅TA移相；由软件在差动元件高压侧移相；由软件在差元件低压侧移相。

（1）改变差动TA接线方式进行移相

过去的模拟式变压器纵差保护，大多使用改变高压恻差动TA的接线方式进行移柱的。

关于微机型保护也可使用这种移相方式。

使用上述移相方式时，需首先明白变压器的接线组别。变压器的接线组别不一致，相应

的差动TA的接线组别亦不相同。

（I）YO/A11变压器差动TA的接线组别

YO/A-11变压器及纵差保护差动TA接线原理图如图11T2所示。

在图11-12中，由于变压器低压侧各相电流分别超前高压侧同名相电流30",因此，低

压侧差动TA二次电流（也等于流入差动元件的电流）也超前高压侧同名相电流30°。而从高

压侧差动TA二次流入各相差动元件的电流（分别为TA二次两相电流之差）滞后变压器同名

相电流150°。因此，各相差动元件的两侧电流的相位相差180°。

（IDYo/Z\T变压器及差动TA的接线

YO/A-1变压器及差动TA的原理接线如图11-16所示。

在图11-16中,

由图11-16能够看出：正常工况下，从低压侧TA二次流入各差动元件的电流）、［分

别滞后变压器高压侧一次同名相电流”、小IC30°；而从高压侧TA二次流入各相差动元

件的电流上分别超前同名相电流〃、/«>lc150°,故乙与波、J与一、分与用相

位相差1800o

由以上所述可知，改变变压器高压侧TA接线移相的实质是：关于接线组别分别为Yo/

△-11、Yo/z\T的变压器，其纵差保护差动TA的接线应分别为△-1]“、A-1/Y,从而使正

常工况下各相差动元件两侧电流的相位相差l80°o

（2）接入辅助TA的移框方式

用辅助TA的电流移相方式，与用改变差动TA接线方式对电流进行移相的方法实质相

同。

关于Y。/△接线的变压器，其差动TA的接线为Y/Y,而在保护装置中设置中设置一组辅

助TA,接成△形，接入变压器高压侧差动TA二次，对该侧电流进行移相，以达到正常工况

下使各相差动元件两侧电流相位相反的目的。

当然，关于不一致接线组别的变压器，辅助TA的连接方式不相同。

（加入两种移相的计算方法，简要介绍两种方法的优缺点）

（3）用软件对高压侧电流移相

运行实践说明：通过改变变压器高压恻差动TA接线方式对电流进行移相的方法，有许

多优点，但也有缺点。其要紧缺点是：第一次投运的变压器，若某相差动TA的极性接错，

分析及处理相对较烦恼。另外，实现差动元件的TA断线闭锁也比较困难。

在微机型保护装置.，通过计算软件对变压器纵差保护某侧电流的移相方式已被广泛使

用。

关于Y/△接线的变压器，行用计算机软件对某侧电流移相时，差动TA的接线均使用Y/Y。

用计算机软件对变压器高压差动TA一次电流的移相方式，是使用计算差动TA一次两相

电流差的方式。分析说明，这种移相方式与使用改变TA接线进行移相的方式是完全等效的。

这是由于取Y形接线TA二次两相电流之差与将Y形接线TA改成△形接线后取一相的输出电

流是等效的。

应当注意的是：用软件实现移相时，毕竟取哪两相TA二次电流之差？这应由变压器的

接线组别决定。

当变压器的接线组别为Yo/zX-11时，在Y侧流入A、B、C三个差动元件的计算电流，

应分别取力-心、I、H.、八、北一差动TA二次三相电流）。

当变压器的接线组别为Yo/Z\T时，在Y侧三个差动元件的计算电流应分别为0-乙、

）广1及L一1。

（4）用软件在低压侧移相方式

就两侧差动TA的接线方式而言，用软件在低压侧移相方式与用软件在高压侧移枉方式

相同，差动TA的接线均为Y/Y。

在变压器低压侧，将差动TA二次各相电流移相的角度，也由变压器的接线组别决定。

当变压器接线组别为''/△T1时，则应将低压侧差动TA二次三相电流以次向滞后方向移动

30°；当变压器接线组别为Y/A-1时，则将低压侧差动TA二次三相电流分别向超前方向移

动30”。

2消除零序电流进入差动元件的措施

关于Y。/△接线的变压器，当高压侧线路上发生接地故障时，（对纵差保护而言是区外故

障），有零序电流流过高压侧，而由于低压侧绕组为△联接，在变压器的低压侧无零序电流

输出。这样，若不采取相应的措施，在变压器高压侧系统中发生接地故障时，纵差保扩可能

误动而切除变压器。

当变压器高压侧发生接地故障时，为使变压器纵差保护不误动，应对装置采取措施而使

零序电流不进入差动元件。

关于差动TA接成八/Y及用软件在高压侧移相的变压器纵差保护，由于从高压侧通入各

相差动元件的电流分别为两相电流之差，已将零序电流滤去，故没必要再采取其他措施。

关于用软件在低压侧进行移相的变压器纵差保护，在高压侧流入各相差动元件的电流应

分别为

由于彳0+九+八为零序电流，故在高压侧系统中发生接地故障时，不可能有零序电流

进入各相差动元件。

4差动元件各侧之间的平衡系数

（A、各厂家的保护平衡系数不一致绕组接线方式与差流基准侧；

（B、灵敏度不一致，以三相短路校验；

若变压器两侧差动TA二次电流不•致，则从两侧流入各相差动元件的电流大小亦不相

同，从而无法满足方=0。

在实现变压器纵差保护时，使用“作用等效”的概念。即使两个不相等的电流产生作用

（对差动元件）的大小相同。

在电磁型变压器纵差保护装置中（BCH型继电器），使用“安匝数”相问原理；而在模

拟式保护装置（晶体管保护及集成电路保护）中，将差动两侧大小不一致的两个电流通过变

换器（比如KH变换器）变换成两个完全相等的电压。

在微机型变压器保护装置中，引用了一个将两个大小不等的电流折算成作用完全相同电

流的折算系数，将该系数称作为平衡系数。

根据变压器的容量，接线组别、各侧电压及各侧差动TA的变比，能够计算出差动两侧

之间的平衡系数。

设变压器的容量为Se,接线组别为丫。//\-H两侧的电压分别为山及IM,两侧差动TA

的变比分别为〃＞，及〃A，若以变压器△侧为基准侧，计算出差动元件两侧之间的平衡系数K。

（I）差动TA接线为△/¥（用改变差动TA接线方式移相）

变压器两侧差动TA二次电流lY及/A分别为

jyfiSeSe

YUn

-yfiUYnY-Yy

7一工

A技4%

要使K/y=〃,则平衡系数

...........................................(11-15)

（II）差动TA接线为Y/Y,由软件在高压侧移相

差动两侧TA二次电流分别为

每相差动元件两侧的计算电流

高压侧：两相电流之差—xV3=-5^-

yl3UYnY"丫

低压侧：心=7匚

故平衡系数

K=(11-16)

商A〃A

能够看出:式（11-15）与式（11-16）完全相同。

由上所述，能够得出如卜.的结论：关于Y。/△接线的变压器，用改变TA接线方式移相及

由软件在高压侧移相，差动元件两侧之间的平衡系数完全相同。此外、该平衡系数只与变压

器两侧的电压及差动TA的变比有关，而与变压器的容量无关。

（lil）差动TA接线为Y/Y、由软件在低压侧移相

平衡系数K=g..........................................（11-17）

说明：表中列出的平衡系数是用软件在高压侧移相或者用改变TA接线方式移相的条件

下计算出来的。Se-变压罂的额定容量；U,,、”八一分别为高压侧额定电压及TA的变比；、

〃,“一分别为变压器中压侧额定电压及TA的变比；UL、以一分别为变压器低压侧额定电压

及TA变比。

4躲涌流措施

在变压器纵差保护中，是利用涌流的各类特征量（含有直流分量、波形间断或者波形不

对称、含有二次谐波分量）作为制动量或者进行制动，来躲过空投变压器时的励磁涌流的。

5躲不平衡电流（暂态不平衡电流及稳态不平衡电流）大的措施（故障分量差动保护）

运行实践说明，对变压器纵差保护进行合理地整定计算，适当提高其动作门坎，能够使

其有效地躲过不平衡电流大的影响。

五微机变压器纵差保护

1构成及逻辑框图

大型超高压变压器的纵差保护，由分相差动元件、涌流比闭锁元件、差动速断元件、过

激磁闭锁元件及TA断线信号（或者闭锁）元件构成。涌流闭锁方式可使用分相闭锁或者使

用“或者门”闭锁方式。其逻辑框图如图UT7及图11T8所示。

图11-17“或者门”闭锁式变压器纵差保护逻辑框图

|茏功出新元R

R机整动ii版元件

C柏拉博斯无件

图11-18“分相”闭锁式变压器纵差保护逻辑框图

涌流“分相”闭锁方式，是指某相的涌流闭锁元件只对本相的差动元件有闭锁作用，而

对其它相无闭锁作用。而涌流“或者门”闭锁方式，是指：在三相涌流闭锁元件中，只要有

一相满足闭锁条件，立马上三相差动元件全部闭锁。

由图11-14能够看出，变压器空投时，三相励磁涌流是不相同的。各相励磁涌流的波形、

幅值及二次谐波的含量不相同。对某些变压器空投录波说明，在某些条件下，三相涌流之中

的某一相可能不满足闭锁条件。如今，若使用“或者门闭锁的纵差保护，空投变压器时不可

能误动。而使用“分相”闭锁方式的差动保护，空投变压器时容易误动。

使用“分相”闭锁方式的优点是：假如空投变压器时发生内部故障，保护能迅速而可靠

动作并切除变压器；而“或者门”闭锁方式的差动保护，则有可能拒动或者延缓动作。

2差动元件的作用原理（注意制动电流的选取方法）

目前，在广泛应用的变压器纵差保护装置中，为提高内部故障时的动作灵敏度及可靠躲

过外部故障的不平衡电流，均使用具有比率制动特性的差动元件。

不一致型号的纵差保护装置，其差动元件的动作特性不相同。差动元件的动作特性曲线,

有I段折线式、H段折线式及三段折线式。使用较多的为二段折线式。

（1）动作方程

差动元件动作特性不一致，其动作方程有差异。下列，介绍动作特性为1段折线式、II

段折线式及III段折线式差动元件的动作方程。

（I）I段折线式差动元件

国外生产的变压器纵差保护中，有使用I段折线式动作特性的差动元件的。其动作方程

可用下式表示

，咫之KJM

式中：

.一差电流,关于两卷变压顺〃=色+可（—"—分别为差动元件两侧的电流）:

/如一差动元件的启动电流，也叫最小动作电流，或者初始动作电流；

幺一折线的斜率，也叫比率动系数；

/%一制动电流，通常取差动元件各侧电流中的最大者，即/〃=max|"同｝,也有使

用3卜3的。

（II）二段折线式差动元件

在国内，广泛使用的变压器纵差保护，多使用具有二段折线式动作特性的差动元件。其

动作方程为

Jd:—hlzo13—Izdo（11-19）

Jdz之Kid-，）"）+DIzdo

在式（11-19）中：/*,一拐点电流，即开始出现制动作用的最小制动电流；

其他符号的物理意义同式（11-18）。

（III）三段折线式差动元件

根据用户的要求，微机变压器纵差保护的动作特性可作成三段折线式或者多段折线式。

三段折丝式差动元件的动作方程为

Q之1dzo勒"Izdc

,—犬21（，”一，Mo）+，”/1-1zd）［zdo.......（11-20）

Jdz23+心1/41一/必，+长2（/）-1M1）

在式（11-20）中：心一第二段折线的斜率；

KN-第三段折线的斜率；

/引一第二个拐点电流；

其他符号的物理意义同式（11/9）。

（2）动作特性曲线

根据式（11-18）.式（11-19）及式（11-20）,绘制出动作特性分别I段折线式、II段折

线式及三段折线式差动元件的动作特性曲线，分别如图11-19、图11-20及图11-21所示。

图11-19动作特性为I段折线式差动元件图11-20二段折线式差动元件的

的动作特性曲线动作特性曲线

图11-21三段折线式差动元件的动作特性曲线

（3）对三种差动元件动作特性的比较

由图11-19.图11-20及图11-21能够看出，具有比率制动特性差动元件的动作特性，

由三个物理量来决定：即由启动电流/七，拐点电流及比率制动系数（特性曲线的斜率

心、£2）来决定。由于差动元件的动作灵敏度及躲区外故障的能力与其动作特性有关，

因此，与、心,及K二有关。

比较动作特性曲线不一致几个差动元件的动作灵敏度，可比较它们的/W、/心及K-

能够看出：当启动电流/人及比率制动系数相同的情况下，拐点电流/必,越小，其动作区越

小，动作灵敏度就低。即动作特性如图11-19所示的差动元件的动作灵敏度，比其他两个差

动元件低，而躲区外故障的能力比其他两个高。

在比较几个差动元件的动作灵敏度及躲区外故障的能力时，只有将上述三个物理量中的

两个固定之后才能进行,而当三个物理量均为变量时是无法比较的。在其他两个量固定之后,

比率制动系数越小，拐点电流越大，初始动作电流越小，差动元件动作灵敏度越高，但躲区

外故障的能力越差。

数十年的运行实践说明，只要对启动电流/〃“、，拐点电流/乂，及比率制动系数进行合理

的整定，具有二段折线式动作特性的差动元件,完全能满足动作灵敏度及工作可靠性的要求。

3涌流闭锁元件

目前，在广泛应用的变压器纵差保护装置中，通常使用励磁涌流的特征量之•作为闭锁

元件来实现躲过励磁涌流的。

在电磁型差动继电器中（BCH型继电器），设置速饱与变流，是根据涌流中有直流分量

原理躲涌流的。在晶体管保护与集成电路保护装置中，是使用波形间断原理或者二次谐波制

动原理躲过涌流的。在微机型保护装置中，是使用二次谐波制动或者间断角原理或者波形对

称原理来区分故障电流与励磁涌流的。

（1）二次谐波制动原理

二次谐波制动原理的实质是：利用流过差动元件差电流中的二次谐波电流作为制动量,

区分出差流是故障电流还是励磁涌流，实现躲过励磁涌流。

具有在二次谐波制动的差动保护中，使用一个重要的物理量，即二次谐波制动比来衡量

二次谐波电流的制动能力。

所谓二次谐波制动比K2a，是指：在通入差动元件的电流（差流）中，含有基波分量

与二次谐波分量，其基波分最大于差动元件的动作电流，而差动元件处于临界制动状态，如

今，二次谐波分量电流与基波分量电流的百分比，叫做二次谐波制动比。即

K2ftX：=2x100%.......................................（11-21）

zl<u

式中：小皿一二次谐波制动比；

一基波电流：

&◎一二次谐波电流。

由二次谐波制动比定义的边界条件及式（11-21）能够看出，二次谐波制动比越大，与

基波电流相比，单位二次谐波电流产生的作用相对越小：而二次谐波制动比越小，单位二次

谐波电流产生的制动作用相对越大。

因此，在对具有二次谐波制动的差动保护进行定值整定时，二次谐波制动比整定值越大,

该保护躲过励磁涌流的能力越弱；反之，二次谐波制动匕整定值越小，保护躲励磁涌流的能

力越强。

（2）间断角原理（目前使用较少，对硬件的要求较高）

变压器内部故障时，故障电流波形无间断；而变压器空投时，励磁涌流的波形是间断的，

具有很大的间断角（通常大于150。）。按间断角原理构成的差动保护，是根据差电流波形是

否有间断及间断角的大小来区分故隙电流与励磁涌流的。

（I）关于间断角

说明间断角原理的波形图如图11-22所示。

图11-22间断角原理图

在图11-22中：一制动电流（直流），其中包含直流门坎值折算成的制动电流量；

为一流过差动元件的差流（将负半波反向之后）；

6间一间断角。

由图能够看出，间断角的物理意义是：在差流的半个周期内，差动量小于制动量的角度。

（II）差动元件的闭锁角

闭锁角与，是按间断角原理构成的变压器纵差保护的一个重要物理量，用它来推断差

动元件中的差流是故障电流还是励磁涌流引起的。

当测量出的间断角厮,，满足

4司>

时，则推断差流为励磁涌流，将保护闭锁。如今，即是保护也不可能动作。

当测量M的间断角，满足

厢v与

时，则认为差动元件中的差流为故障电流。当故障电流上2/血，时，差动保护动作，切除变

压器。

（ill）保护工况分析

变压器正常运行时差流很小，图11-22中的。很小，而勒较大，勺直线将在办项点的

上方。如今，间断角如=360。，且〃〈/修，保护可靠不动作。

变压器空投时，产生很大的励磁涌流。设励磁涌流的波形如图11-23中的七所示。

图11-23空投变压器时的差流与制动电流波形

由图11-23能够看出：尽管差流。波型幅值很大（能满足以〉/血,），但由于间断角厢很

大（大于闭锁角还），差动保护将被可靠闭锁。

当变压器内部故障时，流入差动元件的差流很大且无间断。设故障电流波形如图11-24

中的心所示。

图11-24变压器内部故障时差流与制动电流波形

由图11-24能够看出,厢很小（厢V与）。又由于差流幅值很大,能满足.）3,

故差动保护动作，作用于切除变压器。

（IV）必定值的影响

当差动元件的启动电流/.为定值时，整定的闭锁角与越小，则要求在半个周期内差流

大于制动电流的角度越大，即交流制动系数越大。空投变压器时，差动元件越不容易误动。

反之，闭锁角通整定值越大，躲励磁涌流的能力越小。

（3）波形对称原理

在微机型变压器纵差保护中，使用波形对称算法，符励磁涌流同变压器故障电流区分开

来。其计算方法如下：

首先将流入差动元件的差流进行微分，滤去电流中的直流分量，使电流波形不偏移横坐

标轴（即时间轴）的一侧，然后比较每个周期内差电流的前半波与后半波的量值。

设勺表示差流微分后波形上前半周某一点的值，/%倒）”表示差流波形微分后波形上与。

点相差1800点的值，K为比率常数，则当若满足

：/+)+180。WK......................................(11-22)

/厂。+180。

则认为波形是对称的，否则认为波形不对称。

在式（11-22）中，K乂称不对称系数，通常等于1；2。

变压器内部故障时，/；•值与。值大小基本相等、相位基本相反，则々与5大小

3」IO8nVJJIOU

相等方向相反，q+/）+]80C=°，/；+180。*2。。如今,K«0O差动保护动作。

励磁涌流的波形具有很大的间断角，/；•值与8G"值相差很大，相位也不可能相差18。。,

因此，/；.+/%8c.可能较还大，K值将大于1/2,差动保护被闭锁。

（4）磁制动原理（对三相一体的变压器不适用，分相变压器500KV）

磁制动涌流闭锁原理，是利用计算变压器的磁通特性来区分励磁涌流与故障电流的。

忽略不计变压器绕组电阻及铁芯的有效损耗，带电后变压器的T型等值网路如图11-25

所示。

图11-25变压器的等值网路

在图11-25中：Li、L2一分别为变压器原边与付边的漏感：

M-变压器激磁电感；

V也一变压器两侧的电流；

用、“2一变压器两侧的电压；

%—变压器的激磁电流，=/,一，2。

由图11-25可得到变压器的电势的简化方程

由务M等.....................................（11-23）

由于Li是漏磁通产生的，其值很小，故可将式（11-23）简化为

5=”华.....................................（11-24）

1出

激磁电感M的大小与变压器铁芯激磁特性有关，当变压器工作磁密变化时（沿磁化曲

线变化），M值也随之变化。因此，M值能反映铁芯中的磁密在磁化曲线上的部位。当工作

在磁化曲线上的饱与位置时，M值大大降低，从而出现励磁涌流。

在微机型变压器差动保护装置中，可用检测激磁电感M的变化来区分励磁涌流与故障

电流。

由式（11-24）可得。再进一步简化得

M=_____________(11-25)

hn（n+],）-

在式（11-25）中：q-n时刻的外加电压值;

，砥H+i）—（n+1）时刻的激磁电流；

-（n-1）时刻的激磁电流；

此一n时刻的激磁电感。

在保护装置中，结合对差流波形的计算，计算电流上升沿开始几个点的M值。当

Mn-M/l+m>K.................................（H-26）

时，推断为励磁涌流，否则判为故障电流。

式（11-26）中：M〃一上升沿第n个采样点激磁电感：

用日.一上升沿第n+m个采样点的激磁电感；

K一常数。

4过激磁闭锁元件

运行中的变压器，当由于某种原因造成过激磁时，可能导致纵差保护误动。

关于超高压大型变压器，为防止过激磁运行时纵差保护误动，设置过激磁闭锁元件。当

变压器过激磁时，将纵差保护闭锁。

变压器过激磁时，激磁电流中的5次谐波分量大大增加。变压器纵差保护的过激磁闭锁

元件，实际上是使用5次谐波电流制动元件。即当差流中的5次谐波分量大于某一值时，将

差动保犷闭锁。

在变压器纵差保护中，使用5次谐波制动比这个物理量勺这，来衡量5次谐波电流的

制动能力。

所谓5次谐波制动比，是指：差流中有基波电流及5次谐波电流，其中基波电流大于差

动元件的动作电流，而差劲元件处于临界制动状态。如今，5次谐波电流与基波电流的百分

比

K5ft«：=兵'|（）0%.................................（11-27）

叫5次谐波制动比。

式（11-27）中：，5鹿一5次谐波电流；

/口一基波电流。

与二次谐波制动比类似，5次谐波制动比越大，单位5次谐波电流产生的制动作用越小,

差动保护躲过激磁的能力越差；反之，5次谐波制动比越小，单位5次谐波电流产生的制动

作用越大，差动保护躲变压器过激磁的能力越强。

5差动速断元