第四讲变压器差动保护

变压器主保护（一）变压器的基本结构及联结组别1.1：电力变压器主要是由铁芯及绕在铁芯上的两个或两个以上的绝缘绕组构成。为增强各绕组之间的绝缘及铁芯，绕组散热的需要，将铁芯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引到变压器壳体之外。大型电力变压器均为三相三铁芯柱式变压器或者由三个单相变压器组成的三相组式变压器。1.2：将变压器同侧的三个绕组按一定的方式连接起来，组成某一联结组别的三相变压器。双绕组变压器的主要联结组别有：YNy,YNd,Dd及Dd-d。分析表明，联结组别为Yy的变压器，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，进而使变压器过热。因此，为避免油箱壁局部过热，超高压大容量的变压器均采用YNd的联结组别。YNd联结组别的变压器中YN连接的绕组为高压侧绕组，而呈d连接的绕组为低压侧绕组，前者接大电流接地系统（中性点直接接地系统），后者接小电流接地系统（中性点不接地或经消弧线圈接地的系统）。1.3：在实际运行的变压器中，最多的即为YNd11联结组别的，以其为例，介绍一下联结组别的含义：Y代表变压器高压绕组接成Y形，N代表中性点接地，D代表低压绕组接成d，11代表低压侧的线电压或线电流分别滞后高压侧对应线电压或线电流330（即三角形侧超前星型侧30度），相当于时钟的11点，故又叫11点接线方式。（二）瓦斯保护：变压器的主保护主要由瓦斯保护和差动保护构成，简单介绍一下瓦斯保护瓦斯保护：瓦斯保护是变压器油箱内绕组短路故障及异常的主要保护。其原理是：变压器内部故障时，在故障点产生有电弧的短路电流，造成油箱内局部过热并使变压器油分解，产生气体（瓦斯），进而造成喷油，冲击气体继电器，瓦斯保护动作。瓦斯保护分轻瓦斯和重瓦斯两种，轻瓦斯保护作用于信号，重瓦斯保护作用于跳闸。重瓦斯保护是油箱内部故障的主保护，它能反映变压器内部的各种故障。当变压器组发生少数匝间短路时，虽然故障点的故障电流很大，但在差动保护中产生的差流可能不大，差动保护可能拒动，此时，靠重瓦斯保护切除故障。（三）变压器纵差保护的构成原理及接线：根据基尔霍夫第一定律，0I；式中I表示变压器各侧电流的向量和，其物理意义是：变压器正常运行或外部故障时，若忽略励磁电流损耗及其他损耗，则流入变压器的电流等于流出变压器的电流。因此，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。见变压器纵差保护原理接线。（四）变压器纵差保护需考虑的特殊问题及其解决方案：（1）在正常工况下，使差动保护各侧电流的相位相同：当变压器采用YND接线方式时，流入变压器电流的相角与流出变压器的不同，如当联结组别为YNd11时，变压器两侧的相角差为30度。当流入变压器的电流大小和相位与流出时的不同时，I就不可能等于零或很小。解决方案：1，硬件移相：即改变高压侧差动TA接线方式移相，由于相位差其实就是由高低压侧的接线组别不同引起的，那么将变压器Y形侧的TA二次侧接成三角形的，而将三角形侧的TA二次侧接成是Y形的，这样就可以把TA二次电流的相位校正过来；2，软件移相：目前这种方法已经被广泛采用于微机保护装置中，如南瑞的RCS978，南自的PST1200，采用软件校正时，变压器各侧TA均采用Y形接线，然后计算差动TA二次两相电流之差，这种移相方式与采用改变TA接线进行移相的方式的效果是完全一样的，这是因为取Y形接线TA二次两相电流之差与将Y形接线侧TA改成三角形后取一相的输出电流是等效的。（2）空投变压器时纵差保护能可靠躲过励磁涌流的影响：空投变压器时产生的励磁涌流：空投时产生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。励磁涌流只由电源侧流入变压器，这会产生很大的不平衡电流，但是励磁涌流有一些很明显的特征，我们通过这些特征可以识别出励磁涌流，从而闭锁差动保护。由图可以看出，励磁涌流有其明显的特征：1）波形偏于时间轴一侧，即涌流中含有很大的直流分量；2）含有明显的二次谐波和偶次谐波，二次谐波的含量在一般情况下不低于基波的30％，而短路电流中几乎不含有二次谐波；3）短路电流波形连续，而励磁涌流的波形出现间断，且间断角很大，一般大于120度；4）由于波形的间断，导致其在一个周波内正半波和负半波不对称。利用这些特征，可以得出一些识别励磁涌流的判据，比较常用的有二次谐波法和间断角法，判别式为ddIKI22（1-1）式中：2dI为差动电流中的二次谐波电流；2K为二次谐波制动系数；dI为差动电流，dI＝TddttiT0)(1，T是一个工频周期时间（20ms）。当式(1-1)满足时，判为励磁涌流，闭锁纵差动保护，当式(1-1)不满足时，开放纵差动保护，间断角原理的变压器差动保护采用如下判据：间断角65j（1-2）波宽140w（1-3）若间断角65j，则判为是励磁涌流，而非变压器内部故障，此时立即闭锁比率差动继电器，以防止其在变压器空载合闸和外部故障切除电压恢复过程中误动；若波宽140w，并且间断角65j，则短时开放比率差动继电器，一旦65j，则立即闭锁比率差动继电器。由此可见，间断角65j为比率差动继电器的闭锁条件，式(1-3)为其短时开放条件，且前提条件是闭锁条件65j不满足，而式(1-2)条件满足时并不能开放比率差动继电器。（3）能可靠躲过稳态及暂态不平衡电流的影响：这里的稳态不平衡电流主要有：变压器的励磁电流，变压器有载调压所引起的不平衡电流，两侧差动TA的不同型号和变比误差所引起的不平衡电流，暂态不平衡电流主要有：两侧差动TA暂态特性不同引起的不平衡电流，有效躲过这些不平衡电流的主要措施是对纵差保护进行合理的整定计算，适当提高其动作门坎。（五）差动保护的作用原理微机变压器纵差保护的主要元件有：1）比率差动保护元件，2）励磁涌流闭锁元件，3）TA饱和闭锁元件，4）TA断线闭锁（告警）元件，5）差动速断元件，6）过励磁闭锁元件下面对各个元件的功能和原理作个简要的介绍：(1)比率差动保护元件：变压器在正常负荷状态下，差回路中的不平衡电流很小，但当发生区外短路故障时，由于电流互感器可能饱和等等因素，会使不平衡电流增大，当不平衡电流超过了保护动作电流时，差动保护就会误动。比率差动保护就是用来区分差流是由内部故障还是不平衡输出（特别是外部故障）引起的，它引入了外部短路电流作为制动电流，当外部短路电流增大时，制动电流随之增大，使得继电器的动作电流也相应增大，这样就可以有效的躲过不平衡电流，避免误动的出现。比率差动元件采用初始带制动的变斜率比率制动特性，由低值比率差动（灵敏）和高值比率差动（不灵敏）两个元件构成。为了保证区内故障的快速切除，只有低值比率差动元件（灵敏）设有TA饱和判据，高值比率差动元件（不灵敏）不设TA饱和判据。三折线比率差动保护的动作特性如图5.1所示。动作电流1.2IeIcdqd0.5Ie0.8Ie6Ie制动电流无TA饱和判据区图5.1比率差动保护动作特性图比率差动动作方程：miidmiirercdqdeeblerderecdqdeerbldercdqdrdIIIIIIIIIKIIIIIIIIIIKIIIIII115.06........1.05.5]6[75.065.0..........................1.0]5.0[5.0.....................................................2.0(5-1)式中：eI为变压器额定电流；mII~1分别为变压器各侧电流；cdqdI为稳态比率差动起动电流；dI为差动电流；rI为制动电流；blK为比率制动系数整定值（75.02.0blK）。比率差动保护按相判别，满足以上条件时动作。但是保护出口必须还要经过TA的饱和判别，TA断线判别（可选），励磁涌流判别。由图可以看出，具有比率制动特性差动元件的动作特性主要由起动电流，拐点电流，比率制动系数（即特性曲线的斜率）决定，而动作特性又决定了差动元件的动作灵敏度和躲区外故障的能力，当这三个量中的两个固定以后，比率制动系数越小，或拐点电流越大，或初始动作电流越小，差动元件的动作灵敏度越高，而此时躲区外故障的能力越差。（2）TA饱和闭锁元件：区外短路故障时，若一侧电流互感器出现饱和，则差动回路中的不平衡电流将会增大，容易导致纵差保护误动作，为了解决TA饱和对差动保护的影响，首先设置一个高定值比率差动动作区，它是不需要经过TA的饱和判别的，即图中的阴影部分，其保护判据如下：ereerdIIIIII8.02.18.06.0(5-2)dI，rI，eI的定义与上文相同。当dI，rI确定的工作点落入该区域时，纵差动保护可以经TA断线判别（可选），励磁涌流判别后快速动作。如果工作点没有在高定值比率差动动作区时，通常利用二次电流中的二次和三次谐波含量来判别TA是否饱和，其判据如下：133122**IkIIkIxbxb(5-3)式中：321,,III分别为电流中的基波、二次和三次谐波；xbxbkk32,为比例常数。当与某相差动电流有关的电流满足上式时即认为此相差流是由TA饱和引起的，此时闭锁稳态比率差动保护。（3）TA断线闭锁（告警）元件：变压器带有一定的负荷时，若电流互感器二次回路断线，则会造成纵差动保护的起动元件，差动元件动作，从而导致纵差动保护误动作，即使变压器负荷电流很小甚至空载情况下，当电流互感器二次回路断线时，纵差保护虽然不动作，但当区外故障时，必然会造成纵差保护的误动作。所以应设置TA二次断线闭锁。TA二次断线判据分未引起差动保护起动和引起差动保护起动两种情况。起动元件未动作时，满足就判为TA二次断线：任一相差流大于设定值且rdkII（k=15%~20%）,判断线后延时10秒发报警信号，但不闭锁纵差保护。起动元件动作后，以下条件没有一条满足的也判为TA二次断线：1）任一侧负序相电压大于6V；2）起动后任一侧任一相电流比起动前增加；3）起动后最大相电流大于1.1倍额定电流；4）任一侧任一相间工频变化量电压元件起动。判TA断线后瞬时闭锁保护（通过控制字选择也可不闭锁保护仅发出报警信号，也可在额定负荷下才闭锁保护，或不闭锁保护发出报警），无论是异常报警是否引起差动保护起动，均说明差动回路存在问题，或定值存在问题，应该受到同等重视。比如当差回路断线时，在轻负荷情况下不会引起差动起动，但会引起差流报警，如果此时及时处理，就可以避免负荷增加后或者区外故障引起的差动保护误动作。（4）差动电流速断保护元件比率制动的差动保护能作为变压器的主保护，但在严重内部故障时，短路电流很大，TA严重饱和使交流暂态传变严重恶化，TA二次侧电流发生严重畸变，高次谐波分量增大，从而使涌流判别元件误判为励磁涌流，致使差动保护拒动或延缓动作，严重损坏变压器，所以变压器比率制动的差动保护还应配有差动速断保护。其动作判据为：IdIsd其中：Id为变压器差动电流，Isd为差动电流速断保护定值，当任一相差动电流大于差动速断整定值时瞬时动作跳开变压器各侧开关。（5）过激磁闭锁元件：由于变压器过激磁时，其激增的励磁电流会导致差动保护误动作，故应判断出这种情况，闭锁差动保护。由于发生过激磁时，励磁电流中的五次谐波含量大大增加，故采用差电流中五次谐波的含量作为对过激磁的判别，其判据如下：stxbthIkI155*，其中thstII51,分别为每相差动电流中的基波和五次谐波，xbk5为五次谐波制动系数。当过激磁倍数大于1.4时，不再闭锁差动保护。