变压器差动保护历史及思考

电力变压器差动保护技术的发展

及对提高可靠性的思考

董济生

一、引言

电力变压器是电网最主要的设备之一，对于电网的安全稳定运行具有极其重要的作用。由于其单体价值高，在电网中的数量多，一旦发生故障将对电网的运行造成严重后果。通常情况下，变压器保护正确动作率，远低于线路保护的正确动作率。所以历来人们对变压器保护装置的研究、配置、运行都非常重视。随着电网的飞速发展，超高压、大容量变压器的出现，对变压器的保护装置也提出了新的更高的要求。因此迫切需要对变压器保护进一步发展与完善。

本文试图通过对电力变压器差动保护技术的发展的回顾，谈提高其动作可靠性的思考。

二、变压器故障的类型及应配置的保护

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、长时间油温过高、中性点过电压等。

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、油面降低以及长时间油温过高在壳内产生的气体，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相间短路、大电流接地系统侧绕组和引出线的单相接地短路；

（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

防止大电流接地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；

（7）反应变压器油温过高的报警信号。

以上1和7是非电类参数的，其它是电类参数。其中，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不仅成为大容量、高电压变压器的主保护，而且在发电机、超短线路也被采用。但是由于变压器自身的特点，存在着容易误动的情况。

三、变压器差动保护误动的原因

变压器差动保护属于纵差保护，即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，差动保护就是根据这个差电流作为动作判据。但是在实际应用中，由于变压器励磁涌流等原因的存在，导致了变压器差动保护的误动。

从理论上讲，变压器在正常运行和区外故障时，流经差动保护装置的电流应该为零。然而，由于变压器在结构和运行上的特点，实际运行中有很多因素使该电流不为零，从而产生不平衡电流。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。以下，对不平衡电流产生的原因及消除方法予以分析。

1、稳态情况下不平衡电流产生的原因及消除方法：

在变压器稳态运行的状态下，影响差动保护误动的原因就是回路中的不平衡电流。其产生的原因大致有：

（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，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30°，要使差动保护不误动就要设法调整电流互感器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电流互感器二次电流相差180°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。

（2）因电流互感器计算变比与实际变比不同而产生不平衡电流

由于各侧的电流互感器变比都是标准的，如：600/5、800/5、1000/5、1200/5等，变压器的变比也是一定的，二者之间没有必然联系，所以很难完全满足二次电流相等的要求。从而在差动回路就有不平衡电流流过使保护可能误动。通常利用差动保护装置内的平衡电路环节实现平衡。如电磁型差动继电器，是通过平衡线圈进行磁补偿来消除或减小这个差值，从而消除或尽量减小不平衡电流造成的影响。

（3）因各侧电流互感器存在传变特性不同产生不平衡电流

因各侧电流互感器型号不同，其结构形式、饱和特性、励磁电流（归算到同侧）、传变特性等不同，产生的变比误差和角度误差也就不同。因此正常运行情况下差动回路中产生的两臂的不平衡电流较大时，会影响保护正确动作。在外部故障或穿越型故障时这种不平衡电流会进一步放大。因某一侧电流互感器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。所以应采用满足10％误差曲线要求的电流互感器，并在整定计算中予以考虑。

（4）因带负荷调整分接头而产生不平衡电流

有载调压变压器可以带负荷调整变压器分接头。改变分接头就是改变变压器的变比，对于已调整好的差动保护将产生较大的不平衡电流。由于有载调压是带负荷连续调节，而差动保护不能带电调整，所以在整定计算时必须考虑这个因素。　（5）消除零序电流对保护影响的应对措施

　变压器为Y/△接线且星形侧中性点接地时，在发生单相接地故障情况下，星形侧有穿越性零序电流流过，但在三角形侧，没有零序电流存在，那么保护装置中也将产生虚假差流，差动保护有误动可能。所以，微机变压器保护装置设计了将零序电流过滤的功能，以消除不平衡电流在保护装置中产生，防止保护误动。

（6）因差动保护电流互感器回路断线、多点接地等原因引起的不平衡电流

三、变压器励磁涌流的特点及防止误动的技术

当被保护变压器空载投入和外部故障切除后电压恢复时，以及下一级变压器空载投入时，会出现励磁电流即励磁涌流。其特点是，其大小可达相当于6-8倍额定电流。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、波形之间有间断且偏于时间轴的一侧。涌流的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120°，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。

变压器差动保护中关键的技术问题之一，就是如何区别涌流和区内故障的电流，防止励磁涌流导致的误动。回顾国内几十年来的发展情况，防止励磁涌流误动的技术大致经历了几个时期。

在电磁型继电器为主要保护装置元件的时期，差动继电器采用速饱和变流器的直流助磁特性、制动线圈的制动特性等原理防止涌流造成的误动作。在晶体管装置以及数字技术的时期，根据励磁涌流的谐波分量中以二次谐波为主的特点，采用了二次谐波制动的原理。根据励磁涌流中波形之间有间断的特点，采用了监测间断角的原理用来闭锁。

在计算机应用即微机保护的时代，又增加了新的判据原理和功能。

如基于电压/电流相似性的差动保护，可通过在特定时间段内比较变压器电源端电压和差动电流波形的相似性来区分变压器内部故障和励磁涌流，能在很短时间内动作（20ms）且不受电流互感器饱和影响。

虚拟三次谐波的差动保护是用一个虚拟的波形代替第2，5周期，该波形与第1，5周期幅值相同符号相反。由于波形对称，频谱中只有基波和奇次谐波分量，且三次谐波含量比其它谐波都大，这样就可明显提高差动保护的速度。

人工智能的差动保护。借助模糊逻辑算法计算磁通差动电流微分曲线、谐波约束条件以及比率差动特性曲线，然后对计算结果进行分析判别励磁涌流和内部故障，这种保护速度快，能在3/4周期内作出反应，可适用于各种类型的变压器。

能谱分析的差动保护。使用特殊设计的互感器捕捉暂态电流中的高频分量，进而求出原/副边的差动电流和平均电流，再抽取相应的能谱作为动作和约束条件，能谱的数值差别用于区分内部故障和外部故障。

小波变换的差动保护。应用小波分析提取涌流和故障电流的特征，具有很高的辨析度。结合神经网络对变换结果进行诊断分析将进一步提高保护的准确性和可靠性。

标积制动原理有很高的灵敏度，但它对相位特性特别敏感，容易误动。采取特殊的抗电流互感器饱和措施，即可消除这个缺点，从而提高保护动作的可靠性。

其他有代表性的鉴别励磁涌流的方法还有波形对称原理、波形叠加原理、波形相关性分析法和波形拟合法，以及比率制动原理等。

以上各种原理的变压器差动保护装置，都是针对变压器励磁涌流的某个特点研制开发的。由于篇幅的原因，在此对实现的具体电路不做详细介绍。大量运行的实践证明，这些原理以及以此而形成的保护装置，都是行之有效的，也都具有相当高的可靠性。

有一些变压器差动保护装置，属于不依赖于励磁涌流特征的方案。如磁通特性识别法，等值电路参数鉴别法等。还有利用变压器的参数模型正常情况下与变压器内部故障时的不同，提出了保护判据。由于此判据是根据变压器正常运行的模型得到的，它适合于外部故障、励磁涌流及过激磁等情况。因而，在励磁涌流、过激磁、外部故障情况下保护不会误动作

。

随着智能理论的发展，正在探讨各种新原理的差动保护。这些新原理、新方法的出现，将大大提高了主设备保护的灵敏度和鉴别各种故障的能力。其中微机保护的迅速成熟和应用普及体现了强大的优越性。对提高保护的可靠性具有重要作用。可以预见，随着新技术、新原理的不断发展和应用，变压器保护的功能将越来越完善，可靠性将显著提高。

四、　对提高变压器差动保护动作可靠性的思考

通过对变压器差动保护技术的回顾和分析，可以看出。差动保护的原理、判据都是简洁、明了，回路简单易实现，因此成为广泛应用的变压器的主保护。但是消除稳态和暂态情况下不平衡电流引起的误动，又是该保护普遍存在的重要技术问题。

1、实践中，对于稳态情况下存在的不平衡电流，基本上都有相应的技术方案得以解决。为防止暂态的不平衡电流，即各种原因引起的励磁涌流引起的保护误动，采用了多种技术方案，从而形成了各种原理的变压器差动保护装置。各种变压器差动保护装置都是以防止涌流误动的技术为标志。

实际运行的变压器差动保护，在防止涌流误动的技术方案中，根据涌流的特点，以及与故障电流的区别形成的装置，主要是从量和型两个方面的差别入手获取判据。量指的是涌流中与故障电流中存在的谐波分量的差别。型的方面指的是涌流与故障电流波形方面的差别。量的方面以采用以二次谐波制动原理的装置应用最为广泛；在型的方面以鉴别间断角原理来判别励磁涌流的装置历史最长。

2、随着运行经验的积累和对涌流的认识，人们发现围绕着涌流防误动是一种误区。其主要理由是：

（1）、对基于以二次谐波制动原理的装置，由于无功补偿用的并联电容或超高压长输电线分布电容的存在，使得变压器发生内部故障时也会产生很大的二次谐波，而且随着大型变压器铁心采用冷轧硅钢片后，饱和磁通倍数由1.4降至了1.2~1.3，甚至低至1.1~1.15，使励磁涌流中的二次谐波含量有时低至10%以下，这样二次谐波制动原理的制动比率就很难选取，保护就可能存在不正确动作。

（2）、对基于间断角原理的励磁涌流识别方案，也存在着由于电流互感器饱和等因素造成传变影响等问题。

该观点同时认为，由于三相变压器励磁涌流的波形特征随系统电压和等值阻抗、合闸初相角、剩磁大小和方向、绕组接线方式和中性点接地方式、三相铁心结构、铁心材料和组装工艺、磁滞回线和局部磁滞环等不同而改变，所以任何以励磁涌流特征为依据的，防止由励磁涌流而引起误动的措施均不能保证变压器差动保护不误动，差别仅是误动次数的多少。 于是，产生了不依赖涌流特征而设计的变压器差动保护方案。

3、对防止励磁涌流造成误动的其它对策

（1）短时投交叉闭锁逻辑，之后自动开放差动保护。

（2）启用以下临时定值：

①提高差动动作门槛

②降低二次谐波制动值，将制动系数降低到10％左右；

③降低后备保护定值，将复压过流降低至：0.6～1.0额定电流，时间调至0.3～0.5s。

主变投运后，自动启动第二组定值（差动保护正常定值）运行。

（3）采用自适应的比率差动。

国内有些装置，为防止外部故障电流互感器饱和，以及电流互感器暂态特性不一致出现不平衡电流产生的差流，利用检测某相三次谐波与该基波的比值大于定值，自动提高比率制动差动动作值，改变比率制动系数和最小制动电流。

以上措施能初步解决空投变压器励磁涌流跳闸问题，且是以牺牲保护灵敏性和快速性为代价的；但外部故障切除后电压恢复时的励磁涌流以及"和应涌流"跳闸问题仍难以避免。

4、对励磁涌流的研究及发展方向

　利用模糊控制中的隶属函数识别励磁涌流和故障电流。用"加权平均法"计算出的三相差流总隶属度；为用"取大一取小法"计算出的三相差流总隶属度。判断内部故障和励磁涌流，从而开放或者闭锁差动保护。

该方法的先进性在于克服了传统的二次谐波制动原理使用固定式门槛阈值的缺陷，对励磁涌流有反时限特性的自适应性功能，能正确判断励磁涌流和故障电流。计算机仿真试验结果与理论分析吻合，对于提高差动保护可靠性具有明显效果。

　5、抑制或降低涌流、提高保护可靠性

通过科研工作者的研究，涌流抑制技术在近年取得突破，其应用型产品已获得国家有关部门的检验认证，并在变电工程进行实际应用。该技术的应用能极大地抑制励磁涌流的产生，从而保障微机变压器保护的正确动作率，提高保护可靠性。

其基本原理是：通过监测电源电压波形实现对磁通的监测，进而获取在电源电压断电时剩磁的极性，并将这种极性记录下来，在下次合闸时，使偏磁（或激磁）的极性与剩磁极性相反，从而实现对励磁涌流的抑制。由此降低微机差动保护

的不平衡电流，以提高保护可靠性。

未来的发展应该是更为先进的励磁涌流与故障电流的识别技术，以及励磁涌流抑制技术的产物，微机变压器保护的可靠性将由此得到大幅度的提高。

5、另外笔者还认为，

（1）对基于不依赖涌流特征而设计的变压器差动保护方案，是差动保护的一种发展和进步。应该值得鼓励和提倡进一步研究和投入使用。但不是所有以涌流波形特征为依据的差动保护都一定会误动。所以

（2）对基于间断角原理的励磁涌流识别方案。其波形间断的特征无论电流互感器如何饱和，都不至于出现与故障电流难以区别的情况。因此应该是可靠的判据。对于波形对称鉴别原理的保护，利用涌流偏于时间轴一侧，而故障电流相互对称的特点，也不会因电流互感器如何饱和，都不至于出现与故障电流难以区别的情况。

　（3)500kv系统联络变压器大多为单相式自耦变压器，变压器内部绕组对铁芯(即地)的绝缘损坏，即单相接地故障应是变压器内部故障的主要形式。相间短路的可能性极小，因此增加反映零序电流的差动保护十分必要。反映相电流的差动保护至少在保护原理上滤掉了零序电流分量，在变压器内部发生单相接地故障时灵敏度没有反映零序电流的差动保护灵敏度高。

对于单相式自耦变压器中性点均安装有分相电流互感器，也不存在电流相位不易测量的问题。另外，对于微机保护而言，只要将中性点电流互感器接人保护中，在软件上稍作修改即可实现。

（4）对于为微机保护，采用先进的多CPU容错技术进行保护的设计开发以保证装置本身工作的可靠性，可大大降低由于硬件问题引起误动的概率。多CPU同时处理一组数据且信息共享，能及时检测、纠正因硬件故障可能引起的误动和拒动，一个CPU有故障其它正常的CPU仍可工作。

　（5）无论何种原理的差动保护，其电气参数都取自于电流互感器，因此对电流互感器的研制和使用同样需要相应的投入。近年来研制的非电磁性电流互感器，如光电式互感器，将为消除电流互感器固有缺陷提供了很好的途径。

五、结束语

本文回顾了变压器差动保护的发展历史，谈了存在的问题和解决的方法。主要的是解决涌流及电流互感器引起的不平衡电流。各种原理的变压器差动保护都对涌流采取了相应的技术措施，对防止变压器差动保护误动都起到了很好的作用。但另一方面，无论何种保护都离不开电流互感器，所以对于电流互感器的研制和合理使用，与保护装置的研制同样重要。