对提高变压器保护动作可靠性的探讨

　　摘要：根据对变压器故障类型和不正常工作状态，提出变压器应配置的保护类型。通过对励磁涌流及不平衡电流产生的原因、抑制及消除方法的分析，提出了提高变压器差动保护可靠性的措施，并用实例说明上述措施是正确有效的，据此设计开发出的装置经试验和现场运行证明，其灵敏度和可靠性都得到显著提高。

　　关键词：变压器 差动保护 可靠性

　　1、绪言

　　电力变压器是电网的重要组成元件之一，在电网的安全稳定运行中具有极其重要的作用。由于电网中变压器数量越来越多，其单体价值又非常高，一旦发生故障将造成严重后果，所以对变压器保护动作的可靠性有更高的要求。近年来，110KV变压器保护正确动作率一直徘徊在70％～80％之间（1999年66.99%, 2000年75.12%，2001年82.54%，2002年74.77%），远低于线路保护的正确动作率，因此迫切需要对变压器保护进一步发展与完善。【1】【2】

　　2、变压器故障的类型及应配置的保护【3】

　　变压器的运行故障主要有两类：（1）油箱内部故障－包括各相绕组之间的相间短路、单相绕组部分线匝之间的匝间短路、单相绕组或引出线通过外壳发生的单相接地故障、铁心烧损等；（2）油箱外部故障－包括引出线的相间短路、绝缘套管闪络或破碎引起的单相接地（通过外壳）短路等。变压器故障会导致不正常工作状态，主要表现在：外部短路或过负荷产生过电流、油箱漏油造成油面降低、中性点过电压、因外加电压过高或频率降低引起过励磁等。

　　根据变压器的故障状态，应装设下述保护：（1）瓦斯保护－防止变压器油箱内各种短路故障和油面降低，其中重瓦斯跳闸、轻瓦斯发信号；（2）纵联差动保护和电流速断保护－防止变压器绕组和引出线多相短路、大接地电流系统侧绕组和引出线的单相接地短路及绕组匝间短路；（3）相间短路的后备保护，包括过电流保护、复合电压起动的过电流保护、负序过电流保护－防止变压器外部相间短路并作为瓦斯保护和差动保护的后备；（4）零序电流保护－防止大接地电流系统中变压器外部接地短路；（5）过负荷保护－防止变压器对称过负荷；（6）过励磁保护－防止变压器过励磁。【4】

　　3、变压器的励磁涌流及变压器差动保护【5】

　　当变压器空载投入和外部故障切除后电压恢复时，因铁心饱和及存在剩磁会出现很大的励磁电流即励磁涌流，其特点是含有很大成分的非周期分量、含有大量的高次谐波分量且以二次谐波为主、波形之间有间断，其大小和衰减时间与外加电压、铁芯剩磁大小与方向、回路阻抗、变压器容量和铁芯性质有关。对于三相交流变压器，由于三相之间相差1200，所以任何瞬间合闸至少有两相出现不同的励磁涌流，它对变压器差动保护的正确动作有不利影响，而在稳态运行及差动范围外发生故障时则影响不大。

　　差动保护是用某种通信通道将电气设备两端的保护装置纵向联接起来，并将两端电气量比较来判断保护是否动作，其基础是基尔霍夫定律。根据该定律，保护范围内流入与流出的电流应该相等（变压器归算到同侧）。当保护范围内发生故障时，其流入与流出的电流不等，差动保护就根据这个不平衡电流动作。差动保护原理简单易于实现，有很高的动作选择性和灵敏度，以其优越的保护性能成为大容量、高电压变压器的主保护，缺点是在励磁涌流情况下容易误动。

　　从电路上看，变压器一次绕组和二次绕组并非是一个节点，变压器差动保护原理建立在稳态磁路平衡的基础上，是差动保护原理的一种拓展。在暂态过程中这种平衡关系将被打破，只有等到暂态过程衰减后，原先的平衡关系才能重新建立，因此需要检测这种暂态。变压器差动保护中的关键问题是如何处理励磁涌流导致的误动，目前常用的涌流闭锁方法有二次谐波制动、间断角闭锁、波形对称原理等。励磁涌流是一次系统在稳态和衰减直流分量叠加磁链的激励下，作用于非线性励磁特性的电流输出。衰减的直流分量在频域中是用傅立叶分析的一个连续的密度谱，而稳态交流分量在频域上是用傅立叶级数分析的一个离散幅值谱。在保护的数字信号处理中，将衰减的直流分量在时间上截断并进行了周期延拓，导致产生成了离散的幅度谱，混叠到了原来的幅度谱中，影响了二次谐波分量的大小，给二次谐波制动原理的差动保护带来了困难。

　　4、变压器差动保护不平衡电流产生的原因及消除方法【6】

　　从理论上讲，变压器在正常运行和区外故障时，应该有Ij=I1"- I2"=0。然而，由于变压器在结构和运行上的特点，实际运行中很多因素使Ij= Ibp≠0，（Ibp为不平衡电流），即当保护范围内无故障时也存在不平衡电流，这些不平衡电流有可能引起保护误动。对不平衡电流产生的原因及消除方法分析如下。

　　稳态情况下不平衡电流产生的原因有：

　　（1）因各侧绕组的接线方式不同造成电流相位不同而产生不平衡电流

　　我国规定的五种变压器标准联结组中，35kV Y/D-11双绕组变压器常被使用。这种联结方式的变压器两侧电流相差300，要使差动保护不误动就要设法调整CT二次回路的接线和变比以进行相位校正，使电源侧和负荷侧的CT二次电流相差1800且大小相等，这样就能消除Y/D-11变压器接线对差动保护的影响。其它方式依此类推。

　　（2）因CT计算变比与实际变比不同而产生不平衡电流

　　由于各侧的CT变比都是标准的，如：600/5、800/5、1000/5、1200/5等，变压器的变比也是一定的，很难完全满足或的要求，即Ij≠0，产生Ibp，此时差动回路就有不平衡电流流过使保护可能误动。通常利用差动继电器的平衡线圈进行磁补偿来消除或减小这个差值，即用平衡线圈弥补实际变比与理想值之差，使两臂电流差接近零，从而消除或尽量减小不平衡电流。

　　（3）因各侧CT型号不同而存在变换误差产生不平衡电流

　　因各侧CT型号不同，其结构形式、饱和特性、励磁电流（归算到同侧）、传变特性等也就不同。因此正常运行情况下差动回路中产生在两臂的不平衡电流较大：Ibp.CT =Ktx?Ker?Id.max/ nl1（其中Ktx =1），会影响保护正确动作。在外部故障因某一侧CT饱和而产生大量的不平衡电流时，也有可能影响变压器差动保护的正确动作。所以应采用CT同型系数为1的互感器以满足10％误差曲线的要求，并在整定计算中予以考虑。