摘要:該文通過分析變壓器不平衡電流的產(chǎn)生原因，提出相應(yīng)的防范措施，以提高差動保護(hù)動作的選擇性、速動性、靈敏性、可靠性，確保變壓器的安全穩(wěn)定運行。關(guān)鍵詞：微機保護(hù) 勵磁涌流 差動保護(hù)  

      1 差動保護(hù)原理簡述   

    變壓器差動保護(hù)作為變壓器的主保護(hù),目前電網(wǎng)中的110 kV變壓器的差動保護(hù)大多采用由多微機實現(xiàn)的比率差動保護(hù)。之所以采用比率制動特性，是為了防止區(qū)外故障引起不平衡的差動電流造成保護(hù)誤動。由多微機實現(xiàn)的比率差動保護(hù)的動作特性如圖1所示。   


    差動保護(hù)動作電流為Id，制動電流為Ir，差動保護(hù)電流啟動值為Icdqp，比率差動制動系數(shù)為Kbl，變壓器的額定電流為Ie，圖中的陰影部分為保護(hù)動作區(qū)。如圖2所示，輸入變壓器的電流：I1，I2，I3，由(I1 + I2 + I3)構(gòu)成變壓器的差動電流，即Id = (I1 + I2 + I3)作為差動繼電器的動作量。在正常運行或外部故障時，在繼電器中電流Id在理想狀態(tài)下等于零，因此差動保護(hù)不動作。然而，由于變壓器實際運行中引起的種種不平衡電流，使得差動繼電器的動作電流增大，從而降低了保護(hù)的靈敏度。  

      2 產(chǎn)生不平衡電流的原因
  
     不平衡電流的產(chǎn)生有穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)兩方面。  

     穩(wěn)態(tài)情況下不平衡電流:

    ·變壓器各側(cè)繞組接線方式不同；  
    ·變壓器各側(cè)電流互感器的型號和變比不相同，實際的電流互感器變比和計算變比不相同；  
    ·帶負(fù)荷調(diào)分接頭引起變壓器變比的改變。  

    暫態(tài)情況下不平衡的電流:

   ·變壓器空載投入電源時或外部故障切除，電壓恢復(fù)時產(chǎn)生的勵磁涌流。  
   ·短路電流的非周期分量主要為電流互感器的勵磁涌流，使其鐵芯飽和，誤差增大而引起不平衡電流。 

     3 不平衡電流的影響及相應(yīng)的防范措施  

     變壓器差動保護(hù)的不平衡電流直接影響到差動保護(hù)的選擇性、速動性、靈敏性和可靠性。故此，分析其影響并采取相應(yīng)的防范措施對提高變壓器差動保護(hù)性能是十分重要的。  

      3.1 變壓器高低壓側(cè)繞組接線方式不同的影響及其防范措施 

      變壓器接線組別對差動保護(hù)的影響。如Yy0接線的變壓器，因為一二次繞組對應(yīng)相的電壓同相位，所以一二次兩側(cè)對應(yīng)相的相位幾乎*相同。但當(dāng)變壓器采用Yd11接線時，因為三角形接線側(cè)的線電壓，在相位上相差30°，所以其對應(yīng)相的電流相位關(guān)系也相差30°，即三角形側(cè)電流比星形側(cè)的同一相電流，在相位上超前30°，因此即使變壓器兩側(cè)電流互感器二次電流的數(shù)值相等，在差動保護(hù)回路中就會出現(xiàn)不平衡電流。 

      變壓器接線組別影響的防范措施。消除由變壓器Yd11接線而引起的不平衡電流的措施，采用相位補償法，也就是通常所說的Y/△轉(zhuǎn)換。即將變壓器星形側(cè)的電流互感器二次側(cè)接成三角形，而將變壓器三角形側(cè)的電流互感器二次側(cè)接成星形，從而把電流互感器二次電流的相位校正過來。  

      對于由多微機實現(xiàn)的變壓器差動保護(hù)，由于軟件計算的靈活性，允許變壓器的各側(cè)互感器二次側(cè)都按Y型接線，在進(jìn)行差動計算時由軟件對變壓器Y型側(cè)電流進(jìn)行相位校準(zhǔn)及電流補償。即Y/△轉(zhuǎn)換可由程序軟件實現(xiàn)。整定人員可以通過對接線方式定值的整定來選擇是否需要進(jìn)行Y/△轉(zhuǎn)換。  

      3.2 電流互感器型號和變比不相同的影響及其防范措施 

      由于變壓器各側(cè)額定電壓不同，裝設(shè)在各側(cè)的電流互感器型號也就不同，所以飽和特性和勵磁電流（歸算到同一側(cè)）也不相同。因此,在外部短路時也會引起較大的不平衡電流，對這種情況可以采用適當(dāng)增大保護(hù)動作電流的辦法來解決。  

      另一方面，由于電流互感器都是標(biāo)準(zhǔn)化的定型產(chǎn)品，所以實際選用的變比，與計算變比不可能*一致，而且變壓器的變比也不可能*相同，這是在差動保護(hù)回路中引起不平衡電流的又一原因。這種由于變比選擇不合適而引起的不平衡電流，可利用磁平衡原理在差動繼電器中設(shè)置平衡線圈加以消除。一般平衡線圈接于保護(hù)臂電流小的一側(cè)，因為平衡線圈和差動線圈共同繞在繼電器的中間磁柱上，適當(dāng)選擇平衡線圈的匝數(shù)，使它產(chǎn)生的磁勢與差流在差動線圈中產(chǎn)生的磁勢相抵消，這樣，在二次繞阻就不會感應(yīng)電勢了，流經(jīng)差動繼電器的執(zhí)行元件的電流為0。但接線時要注意極性，應(yīng)使小電流在平衡線圈的差流在差動線圈中產(chǎn)生的磁勢相反。 

      對于由多微機實現(xiàn)的變壓器差動保護(hù)，這部分功能也可以由程序軟件來實現(xiàn)，即通過調(diào)整平衡系數(shù)Kb來控制。具體計算時，只需根據(jù)變壓器各側(cè)一次額定電流、差動互感器變比求出電流平衡調(diào)整系數(shù)Kb，將Kb值當(dāng)作定值輸入微機保護(hù)，由保護(hù)軟件實現(xiàn)電流自動平衡調(diào)整，消除不平衡電流。  

      3.3 在運行中改變分接頭的影響及其防范措施 

      電力系統(tǒng)在運行中，通常利用調(diào)節(jié)變壓器分接頭的方法來維持電網(wǎng)的電壓水平。改變變壓器分接頭，也就改變了變壓器的變比。但差動保護(hù)中電流互感器變比的選擇以及差動繼電器平衡線圈已經(jīng)確定，當(dāng)變壓器分接頭改變時，差動回路原先的平衡被破壞了，即出現(xiàn)了新的不平衡電流Ibp，Ibp與一次電流Idmax成正比，即  

      Ibp =±dU·Idmax/Kn  

      式中 ±△U——調(diào)壓分接頭相對于額定抽頭位置的zui大變化范圍； 

　　 Idmax——通過調(diào)壓側(cè)的zui大外部故障電流。  

      為了消除這一不平衡電流的影響，在整定保護(hù)的動作電流時應(yīng)給予相應(yīng)的考慮，即提高保護(hù)的動作整定值。  

      3.4 變壓器勵磁涌流的影響及其防范措施 

      變壓器的勵磁涌流對差動保護(hù)的影響。變壓器的高、低壓側(cè)是通過電磁的，故勵磁涌流僅存在于電源的一側(cè)，它通過電流互感器構(gòu)成差動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(dāng)外部發(fā)生短路故障時，由于電源側(cè)母線電壓降低，勵磁電流就更小，因此，在這種情況下一般可以不必考慮不平衡電流對差動保護(hù)的影響。但在變壓器空載投入電源或外部故障切除后，電壓恢復(fù)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，這將產(chǎn)生很大的沖擊勵磁電流——勵磁涌流。由于勵磁涌流具有很大的數(shù)值和非周期分量，故對變壓器的差動保護(hù)有很大的影響。勵磁涌流的主要特點如下：  

      ·勵磁涌流的數(shù)值大。變壓器空載投入時，變壓器的勵磁涌流可達(dá)到變壓器額定電流的6～8倍，即Ily = (6～8)Ie。勵磁涌流對于額定電流幅值的倍數(shù)與變壓器容量的關(guān)系是，容量越大，變壓器的涌流倍數(shù)越小。  

      ·勵磁涌流中含有大量的非周期分量與高次諧波分量。根據(jù)試驗和理論分析結(jié)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zui大，四次以上諧波分量很小。在zui初幾個周期內(nèi)，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(nèi)有120～180°的間斷角，zui小也不低于80～100°。非周期分量則是偏到時間軸的一邊，并具有衰減慢的特點。  

      ·勵磁涌流的衰減速度與電力系統(tǒng)的時間常數(shù)有關(guān)。勵磁涌流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(guān)。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(jīng)0.5～1 s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2～3 s。這就是說，變壓器容量越大勵磁涌流衰減越慢，*衰減要經(jīng)過幾十秒的時間。 

      防止勵磁涌流的影響，傳統(tǒng)上采用具有速飽和變流器的繼電器，這是國內(nèi)目前廣泛采用的一種方法。當(dāng)外部故障時，所含非周期分量的zui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(hù)不會誤動。內(nèi)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(jīng)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*是周期性的短路電流，于是在二次線圈中產(chǎn)生很大的感應(yīng)電動勢，并使執(zhí)行元件中的相應(yīng)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。  

      采用內(nèi)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。 

      即間斷角鑒別法，這種方法是將差電流進(jìn)行微分，再將微分后的電流進(jìn)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(nèi)部故障，還是勵磁涌流。  

     利用二次諧波制動。因為在變壓器勵磁涌流中含有大量的二次諧波分量，故此，利用差流中二次諧波所占的比率作為制動系數(shù)，可以鑒別變壓器空載合閘時的勵磁涌流，從而保證保護(hù)裝置在變壓器空載投入和外部故障切除電壓恢復(fù)時，能有效地制動。其判據(jù)如下:

      在差動保護(hù)中差電流的二次諧波幅值用Id2表示，差電流Id中二次諧波所占的比率K2可表示為K2 = Id2/Id  

      二次諧波制動系數(shù)Kxb，那么只要K2大于定值Kxb就可以認(rèn)為是勵磁涌流出現(xiàn)，保護(hù)不動作。在K2小于Kxb，并同時滿足比率差動其它判據(jù)時，才允許保護(hù)動作。 

      一般來說，二次諧波制動系數(shù)Kxb整定可根據(jù)實際要求整定，整定范圍為0.1～0.35。但根據(jù)變壓器動態(tài)試驗，典型取值為0.15，一般不宜低于0.15。  

     4 微機保護(hù)的局限性及其防范 

     差動保護(hù)應(yīng)要求外部故障時，保護(hù)能可靠制動；內(nèi)部故障時，保護(hù)能可靠動作。無可置疑，作為變壓器主保護(hù)的差動保護(hù)采用多微機保護(hù)，可提高保護(hù)的選擇性、速動性、靈敏性、可靠性。但多微機保護(hù)也還存在著一定的局限性。  

      4.1 微機比率差動的局限性 

      一般情況下，比率制動原理的差動保護(hù)能作為變壓器的主保護(hù)，但當(dāng)變壓器出現(xiàn)嚴(yán)重內(nèi)部故障時，短路電流很大的情況下，TA嚴(yán)重飽和，使交流暫態(tài)傳變嚴(yán)重惡化，TA的二次側(cè)基波電流為0，高次諧波分量增大，比率制動原理的差動保護(hù)無法反映區(qū)內(nèi)的短路故障，從而影響了比率差動保護(hù)的快速動作。  

      防范此局限性的措施主要是配備差動速斷保護(hù)，作為輔助保護(hù)。確保變壓器在發(fā)生內(nèi)部嚴(yán)重故障時保護(hù)裝置能快速動作。由于微機保護(hù)的動作速度快，勵磁涌流開始衰減很快，因此微機保護(hù)的差動速斷整定值可以較電磁式保護(hù)取值大，可取正常運行時負(fù)荷電流的5~6倍。  

      4.2 二進(jìn)制取值方式存在級差局限 

      由于微機取值是按二進(jìn)制方式取值，調(diào)整系數(shù)、定值時不是連續(xù)的而是分級的。這就是步長值。通過步長值調(diào)整定值，在理論上就存在著不可避免的固有誤差。比如，經(jīng)軟件相位校正及電流補償后，電流平衡基本上補償了，但仍然有因級差等原因產(chǎn)生的不平衡現(xiàn)象，經(jīng)計算，當(dāng)平衡調(diào)整系數(shù)的級差是0.0625時，zui大誤差可達(dá)3.122%，故此，當(dāng)定值計算完后，在實際取值時要進(jìn)行復(fù)核，選取微機所能提供的zui接近計算結(jié)果的定值。  

      5 結(jié)束語  

      綜上所述，避越zui大不平衡電流是保證差動保護(hù)動作具有選擇性的必要條件。不平衡電流越小，保護(hù)裝置的靈敏度就越高。所以，采取有效措施防范不平衡電流的影響，對提高差動保護(hù)的整體性能是至關(guān)重要的，這對提高變壓器乃至整個電網(wǎng)的安全運行水平也是十分重要的。