摘要:本文簡要闡述了變壓器差動保護的工作原理,分析了差動保護不平衡電流產生的原因,并提出了相應的防范措施。

　　關鍵詞:差動保護工作原理;不平衡電流產生原因;防范措施

　　1.前言

　　變壓器差動保護是按照循環電流原理構成的,是變壓器的主保護。一般采用的是帶制動特性的比率差動保護,因其所具有的區內故障可靠動作,區外故障可靠閉鎖的特點使其在系統內得到了廣泛運用。雙繞組變壓器,在其兩側裝設電流互感器。當兩側電流互感器的同極性在同一方向,則將兩側電流互感器不同極性的二次端子相連接(如果同極性端子均置于靠近母線一側,二次側為同極相連),差動繼電器的工作線圈并聯在電流互感器的二次端子上。在正常運行或外部故障時,兩側的二次電流大小相等,方向相反,在繼電器中電流為零,因此差動保護不動作。然而,由于變壓器在實際運行中引起的不平衡電流,使差動繼電器的動作電流增大,從而降低了保護的靈敏度。

　　2.產生原因

　　(1)穩態不平衡電流產生的原因:

①變壓器高低壓側繞組接線方式不同;

②變壓器各側電流互感器的型號和變比不相同;

③帶負荷調分接頭引起變壓器變比的改變。

　　(2)暫態不平衡電流主要是由于變壓器空載投入電源或外部故障切除,電壓恢復時產生的勵磁涌流。

　　3.差動保護用的電流互感器的基本要求

　　差動保護用的電流互感器需要滿足兩個條件:

一是穩態誤差必須控制在10%誤差范圍之內,因為整定計算中采用的不平衡穩態電流是按10%誤差條件計算的。

二是暫態誤差。電流互感器剩磁對于飽和影響很大,當剩磁與短路電流暫態分量引起的磁通極性相同時,加重二次電流的畸變,因此電流互感器鐵心中存在剩磁,則電流互感器可能在一次電流遠低于正常飽和值即過早飽和。差動保護的暫態不平衡電流比穩態時大得多,僅在整定計算時將穩態不平衡電流增大二倍是不夠安全的。采取抗飽和的辦法是使用帶有氣隙的TPY級電流互感器。但是差動保護廣泛使用的是P級電流互感器,對P級電流互感器規定允許穩態誤差不超過10%,暫態誤差必然要超過穩態誤差,在實用上可在按穩態誤差選出的技術規范基礎上通過“增密”以限制暫態誤差。

　　采用增密的方法主要有:

(1)將準確限值系數增大二倍(允許短路電流為額定電流的倍數);

(2)將二次額定負擔增大一倍;

(3)增大二次電纜截面使二次回路的總電阻減半;

(4)改用5P級電流互感器(復合誤差由10%降為5%)。

　　目前110kV及以下電壓等級均采用P級電流互感器,220kV變壓器亦采用P級電流互感器或5P級、PR級電流互感器,因此差動保護需要采取抗電流互感器飽和的措施。500kV變壓器在500kV側、220kV側均用TPY級電流互感器,對于600MW大型發電機變壓器組保護,500kV側均采用TPY級電流互感器,在發電機側已有TPY級電流互感器可選用。

      4.變壓器勵磁涌流的影響和防范措施

　　4.1變壓器勵磁涌流對差動保護的影響
　　變壓器的高、低壓側是通過電磁聯系的,故僅在電源的一側存在勵磁電流,它通過電流互感器構成差回路中不平衡電流的一部分。在正常運行情況下,其值很小,一般不超過變壓器額定電流的3%～5%。當外部發生短路故障時,由于電源側母線電壓降低,勵磁電流更小,因此這些情況下的不平衡電流對差動保護的影響一般可以不必考慮。在變壓器空載投入電源或外部故障切除后電壓恢復過程中,由于變壓器鐵芯中的磁通急劇增大,使鐵芯瞬間飽和,這時出現數值很大的沖擊勵磁電流(可達5～10倍的額定電流),通常稱為勵磁涌流。勵磁涌流的波形如下圖所示:

　　由圖可知,勵磁涌流IE中含有大量的非周期分量與高次諧波,因此勵磁涌流已不是正弦波,而是尖頂波,且在最初瞬間完全偏于時間軸的一側。勵磁涌流的大小和衰減速度,與合閘瞬間外加電壓的相位,鐵芯中剩磁的大小和方向、電源容量、變壓器的容量及鐵芯材料等因素有關。對于單相的雙繞組變壓器,在其它條件相同的情況下,當電壓瞬時值為零時合閘,勵磁電流最大;如果在電壓瞬時值最大時合閘,則不會出現勵磁涌流,而只有正常的勵磁電流。對于三相變壓器,無論任何瞬間合閘,至少有兩相會出現不同程度的勵磁涌流。

在起始瞬間,勵磁涌流衰減的速度很快,對于一般的中小型變壓器,經0.5～1S后其值不超過額定流的0.25～0.5倍;大型電力變壓器勵磁涌流的衰減速度較慢,衰減到上述值時約2～3S。這就是說,變壓器容量越大衰減越慢,完全衰減要經過幾十秒的時間。依據試驗和理論分析結果得知,勵磁涌流中含有大量的高次諧波分量,其中二次諧波分量所占比例最大,約為60%以上。四次以上諧波分量很小,在最初幾個周期內,勵磁涌流的波形是間斷的(即兩個波形之間有一間斷角),每個周期內有120。～180。的間斷角,最小也不低于80。～100。[見下圖(b)]。另外,勵磁涌流對于額定電流幅值的倍數,與變壓器容量有關,容量越大,變壓器的涌流倍數也越小。

　　4.2變壓器差動保護中減小勵磁涌流影響的措施
　　防止勵磁涌流影響,采用BCH型具有速飽和變流器的繼電器是國內目前廣泛采用的一種方法。當外部故障時,所含非周期分量的最大不平衡電流能使速飽和變流器的鐵芯很快地單方面飽和,傳變性能變壞,致使不平衡電流難于傳變到差動繼電器的差動線圈上,保證差動保護不會誤動。內部故障時雖然速飽和變流器一次線圈的電流也含有一定的非周期性分量,但它衰減得快,一般經過1.5～2個周波即衰減完畢,此后速飽和變流器一次線圈中通過的完全是周期性的短路電流,于是在二次線圈中產生很大的感應電動勢,并使執行元件中的相應電流也較大,從而使繼電器能靈敏地動作。速飽和變流器正是利用容易飽和的性能來躲過變壓器外部短路不平衡電流和空載合閘勵磁涌流的非周期分量影響。

　　4.3采用內部短路電流和勵磁涌流波形的差別(有無間斷角)來躲過勵磁涌流
　　此種方法是將差電流進行微分,再將微分后的電流進行全波整流,利用整流后的波形在動作整定值下存在時間長短來判斷是內部故障,還是勵磁涌流。

　　4.4利用二次諧波制動
　　保護裝置在變壓器空載投入和外部故障切除電壓恢復時,利用二次諧波分量進行制動;內部故障時,利用基波做;外部故障時,利用比例制動回路躲過不平衡電流。

　　5.提高靈敏度和快速性必須建立在安全、可靠的基礎上

　　差動保護應具有高靈敏度和快速性,輕微匝間短路能快速跳閘。但提高靈敏度和快速性必須建立在安全、可靠的基礎上。運行實踐證明:使用較低的起動電流值在區外故障或區外故障切除時會引起差動保護誤動的嚴重后果,因此對于靈敏度和快速性不要追求過高的指標而忽視可靠性。

　　提高靈敏度雖對反映輕微故障是有效的,但靈敏度的提高必然會降低安全性。變壓器的嚴重故障并不都是由輕微故障發展而來的,故障發生的瞬間仍會發生燒毀設備的事故,同時輕微故障發展為嚴重故障也需要時間,因此輕微故障帶一些時間切除故障也是允許的,長時間的運行實踐證實變壓器氣體保護是動作時間稍長地切除輕微的匝間故障。

　　輕微匝間故障時產生的機械應力和熱效應不大,在200ms內故障切除,不會危及鐵心,從檢修的角度,只要鐵心不損壞,輕微和嚴重的匝間故障都需要更換線圈,因此只要差動保護在鐵心損壞之前動作,就可以滿足檢修的要求,不需要追求減少線圈的燒損程度而犧牲保護的安全性。

　　6.結語

　　綜上所述,為了保證差動保護動作的選擇性,差動繼電器的動作電流應盡量避開最大不平衡電流。不平衡電流越小,保護裝置的靈敏度越高,從而保證變壓器的安全穩定運行;變壓器的差動保護應建立在安全可靠的基礎之上。