纵联差动保护

6.2 纵联差动保护6.2.1 基本原理6.2.1.1 定义差动保护是一种依据被保护电气设备进出线两端电流差值的变化构成的对电气设备的保护装置，一般分为纵联差动保护和横联差动保护。

变压器的差动保护属纵联差动保护，横联差动保护则常用于变电所母线等设备的保护。

6.2.1.2 基本原理变压器纵差保护是按照循环电流原理构成的变压器纵差保护的原理要求变压器在正常运行和纵差保护区（纵差保护区为电流互感器TA 1、TA 2之间的范围）外故障时，流入差动继电器中的电流为零，即2•'I －2•''I ＝0，保证纵差保护不动作。

但由于变压器高压侧和低压侧的额定电流不同，因此，为了保证纵差保护的正确工作，就须适当选择两侧电流互感器的变比，使得正常运行和外部故障时，两个电流相等。

(a) 双绕组变压器正常运行时的电流分布 (b) 三绕组变压器内部故障时的电流分布（图6.4 变压器纵差保护原理接线图）在图6.4（a ）双绕组变压器中，变压器两侧电流1•'I 、1•''I 同相位，所以电流互感器TA 1、TA 2二次的电流2•'I 、2•''I 同相位，则2•'I －2•''I ＝0的条件是2•'I ＝2•''I ，即 2•'I ＝2•''I ＝11i n I •'＝21i n I •'' (6.1) 即 12i i n n ＝11••'''I I ＝T K (6.2) 式中，1i n 、2i n ——分别为TA 1、TA 2的变比； T K ——变压器的变比。

若上述条件满足，则当变压器正常运行或纵差保护区外故障（以下简称“区外故障”或“区内故障”）时，流入差动继电器的电流为K I •＝2•'I －2•''I ＝0 (6.3)当区内故障时，2•''I 反向流出，则流入差动继电器的电流为K I •＝2•'I ＋2•''I ＞ 0 (6.4) 当K I ＞ 0时，差动继电器动作，驱动变压器两侧断路器分闸，对变压器起到保护作用。

6.2.1.3 动作整定值实际运行中，由于变压器的励磁涌流、有载调压等因素的影响，当变压器正常运行或区外故障时，流入差动继电器的电流K I ≠0，而是存在一个大于零的不平衡电流，其最大值称所以，为了保证纵差保护的动作可靠性，差动继电器的动作电流值act K I ⋅应按躲过变压器可能出现的最大不平衡电流来整定计算，即 act K I ⋅＝rel K max ub I ⋅ （6.5） 式中，rel K ——可靠系数，其值大于1。

从式(6.5)可见，不平衡电流max ub I ⋅愈大，继电器的动作电流也愈大。

可见max ub I ⋅太大，就会降低区内故障时保护的灵敏度，因此，减小不平衡电流及其对保护的影响，就成为实现变压器纵差保护的主要问题。

6.2.2 纵差保护的接线方式牵引变压器常采用YN,d11接线方式，因此，因此牵引变压器两侧电流的相位差为30°，如果两侧电流互感器采用相同的接线方式，即使两侧电流数值相同，也会产生12sin15I 的不平衡电流。

因此，必须补偿由于两侧电流相位不同而引起的不平衡电流。

传统的方法是将YN,d11接线的变压器星形接线侧的电流互感器接成三角形接线，三角形接线侧的电流互感器接成星形接线，这样可以使两侧电流互感器二次连接臂上的电流2AB I 和2ab I 相位一致，如图6.5(a)所示,电流相量图如图6.5(b)所示。

按图6.5(a)接线进行相位补偿后，高压侧保护倍，为使正常负荷时两侧保护臂中电流接近相等，T i i K n n 312= （6.6）（图6.5 Y,d11接线的变压器两侧电流互感器的接线及电流相量图）在微机变压器纵差保护中，两侧的电流互感器均接成星形，称为二次全星形联结，如图6.6（a）所示。

变压器三角形侧的电流经过接成星形的三个电流互感器输入微机保护装置，装置采集后得到三角形侧的三个线电流；而变压器星形侧的电流经过接成星形的三个电流互感器输入微机装置后，由软件对星形侧的电流进行校正，装置把采集的三个相电流两两相减，再同三角形侧的线电流相平衡，如图6.6（b）、(c)所示。

这种方式使得二次接线简单，便于判断故障相和TA断线。

(a)变压器及其纵差保护接线、(b)电流互感器一次电流相量图、(c)纵差保护回路的电流相量图（图6.6 二次全星形联结的纵差保护接线及其对称运行的相量图）6.2.3 不平衡电流产生的原因及消除6.2.3.1 变压器励磁电流正常情况下，变压器的励磁电流很小，通常只有变压器额定电流的3%～6%或更小，故纵差保护回路中的不平衡电流也很小。

在区外故障时，由于系统电压下降，励磁电流也将减小，因此，在稳态情况下，励磁电流对纵差保护的影响常常可忽略不计。

但是，在电压突然增加的特殊情况下，例如在空载投入变压器或外部故障切除后恢复供电等情况下，就可能产生很大的励磁电流，其数值可达额定电流的6～8倍。

这种暂态过程中出现的变压器励磁电流通常称为励磁涌流。

由于励磁涌流的存在，常常导致纵差保护误动作，给变压器纵差保护的实现带来困难。

为此，应讨论变压器励磁涌流产生的原因和它的特点，并从中找到克服励磁涌流对纵差保护影响的方法。

产生励磁涌流的原因主要是变压器铁芯的严重饱和使励磁阻抗大幅度降低。

励磁涌流的大小和衰减速度与合闸瞬间电压的相位、剩磁的大小、方向、电源和变压器的容量等有关。

当电压为最大值时合闸，就不会出现励磁涌流，只有正常励磁电流。

但是对于三相变压器，无论在任何瞬间合闸，至少有两相会出现程度不等的励磁涌流。

根据实验结果及分析可知，励磁涌流具有以下三个特点：（1）励磁涌流很大，其中含有大量的直流分量。

（2）励磁涌流中含有大量的高次谐波，其中以2次谐波为主，而短路电流中2次谐波成分很小。

表6.1中列出了短路电流和励磁涌流中各次谐波分量的比例。

（3）励磁涌流的波形有间断角，如图6.7所示。

（图6.7 励磁涌流波形的间断角）根据励磁涌流的特点，为了防止励磁涌流对纵差保护的影响，变压器纵差保护常采用下述措施：（1）采用带有速饱和变流器的差动继电器构成纵差保护。

（2）利用二次谐波制动的差动继电器构成纵差保护。

（3）采用鉴别波形间断角的差动继电器构成纵差保护。

6.2.3.2 电流互感器计算变比与实际变比不同根据纵差保护的基本原理可知，要保证变压器正常运行或纵差保护范围外短路时不动作，则变压器高、低压侧电流互感器的变比需要符合类似式（6.2）或式（6.6）的要求，并按该式进行计算与选用。

但实际上由于电流互感器在制造上的标准化，往往选出的是与计算变比相接近且较大的标准变比的电流互感器。

这样，由于变比的标准化使得其实际变比与计算变比不一致，从而产生不平衡电流。

在传统的纵差保护中，常常用具有速饱和铁芯的差动继电器的平衡线圈来消除此差流的影响。

在微机变压器纵差保护中，两侧电流互感器的电流比和变压器的电压比不需要严格满足上述要求。

采用二次全星形联结的微机纵差保护对两侧（或三侧）电流互感器的电流比没有特别要求，可以采用具有标准化电流比的电流互感器，它将电流互感器二次侧电流差改为数字差（由软件实现），即由此带来的二次侧不平衡电流用数值计算进行补偿。

这种补偿方法较之传统纵差保护采用的补偿方法更准确，不平衡电流更小。

当然，微机保护装置在采样和数据处理时会带来一定的误差。

对于采样带来的误差，可通过提高采样的精度来改善，如采用位数更高的A/D转换器件。

对于数据处理（如数据截断）所带来的误差，可通过加宽数据窗长度的方法来提高精度。

但数据窗越长，所需的处理时间也会越长，从而对保护的快速性产生影响。

此外，研究新的保护算法也可改善误差。

一般而言，采样和数据处理所产生的不平衡电流很小。

6.2.3.3 变压器两侧电流互感器型号不同变压器各侧电压等级和额定电流不同，所以变压器各侧的电流互感器型号不同，它们的饱和特性、励磁电流(归算至同一侧)也就不同，从而在差动回路中产生较大的不平衡电流。

为保证纵差保护的正常工作，通常根据电流互感器的10%误差曲线来选择电流互感器的型号。

6.2.3.4 变压器有载调压变压器带负荷调节分接头是电力系统中电压调整的一种方法，改变分接头就是改变电力系统变压器的变比。

但对继电保护来讲，在整定计算中，纵差保护只能按照某一变比整定，选择恰当的平衡线圈减小或消除不平衡电流的影响。

当纵差保护投入运行后，在调压抽头改变时，一般不可能对纵差保护的电流回路重新操作，因此又会出现新的不平衡电流。

不平衡电流的大小与调压范围有关。

为克服由此产生的不平衡电流，应在纵差保护的整定中加以考虑。

6.2.3.5 纵差保护范围外部短路故障在变压器纵差保护区外故障的暂态过程中，由于变压器两侧电流互感器的铁芯饱和特性及饱和程度不同，互感器饱和后，传变误差增大而引起的不平衡电流，对纵差保护产生较大的影响。

当区外故障时，短路电流中含有很大的非周期分量。

在短路后的t＝0时，突增的非周期分量使电流互感器的铁芯中产生一个突增的磁通，它使二次回路中产生一个突增的非周期分量电流，此电流是去磁的。

电流互感器一、二次回路的衰减时间常数不同，一次回路衰减时间常数较短（例如0.05秒），二次回路的电阻小，电感大，衰减时间常数较长，甚至可达1秒。

在一次侧非周期分量减少以后，二次侧衰减很慢的非周期分量电流为励磁电流的一部分，使电流互感器铁芯饱和。

铁芯饱和后，励磁阻抗大大降低，周期分量的励磁电流加大，最大值出现在几个周波之后，其值为稳态励磁电流的很多倍，波形如图6.8所示。

曲线3为铁芯饱和以后励磁电流的周期分量，曲线4为短路电流中衰减的非周期分量（归算到互感器的二次侧）；曲线1为互感器的二次侧感应的非周期分量电流；曲线2为总的励磁电流（误差电流），其中包括铁芯饱和后加大的励磁电流和互感器二次衰减慢的直流分量。

总误差电流偏到时间轴的一侧。

（图6.8 过渡过程中电流互感器励磁电流的波形图）外部短路暂态过程中变压器两侧电流互感器励磁电流大大增加，由于两侧电流互感器铁芯饱和程度不同，两侧总励磁电流的差即暂态过程中不平衡电流加大。

从分析和实验记录的不平衡电流波形可知，外部短路暂态不平衡电流比稳态不平衡电流大，并含有较大直流分量。

为了减少纵差保护区部故障的暂态过程中不平衡电流的影响，在电磁式继电保护中曾采用在差动回路中接入具有快速饱和特性的中间变流器。

速饱和变流器是一个铁芯截面较小、易于饱和的中间变流器。

从上面的分析可知，暂态不平衡电流中有较大的直流分量。