主变差动保护

【摘要】本文简单分析了变压器励磁涌流对差动保护的影响，介绍了微机型保护装置中利用二次谐波制动原理的变压器差动保护及其整定值的计算方法。

关键词：微机变压器差动保护

变压器在电力系统中得到极其广泛的应用，占着非常重要的地位。因此，提高变压器运行可靠性，对于保证电力系统的安全具有十分重要的意义。现代生产的变压器，在设计和材料方面都有很大的提高，结构和性能上比较可靠，发生故障的机率较小。但由于电力系统的复杂性，情况千变万化，仍有发生故障和出现异常运行的可能。为了确保安全供电，并在事故时尽量减少停电范围，必需根椐变压器的容量和重要程度，装设性能可靠、动作迅速的继电保护装置。

变压器差动保护可以防御变压器绕组和引出线的相间及对地短路故障，是大型变压器最重要、最有效的保护之一。

一、变压器差动保护的特殊问题—励磁涌流

变压器的差动保护与输电线路的纵联差动保护相比，在原理上是一样的。它们之间的区别是，变压器各侧电流大小、相位都不尽相同，而且各侧是通过电磁联系的，在实现差动保护时将产生较大的不平衡电流，使差动保护处于更不利的工作条件下。其中最为突出的是变压器励磁涌流的影响。

我们知道，在稳态工作情况下，铁芯中的磁通滞后于外加电压90°，如图1（a）所示。当变压器空载合闸时正好在电压瞬时值u=0的瞬间，则

铁芯中的磁通应为－Φm，但由于铁芯中的磁通不能突变，因此将产生一个非周期分量的磁通，其幅值为Φm，这样在经过半个周期以后，铁芯中的总磁通就将达到2Φm，如图1（b）所示。此时变压器的铁芯将高度饱和，励磁电流剧烈增大，如图1（c）所示。该电流就称为变压器的励磁涌流，其数值最大可达到变压器额定电流的6~8倍，同时包含大量的非周期分量和高次谐波分量，如图1（d）所示。经过变换的励磁涌流流入差动继电器，就可能造成保护装置误动作。励磁涌流的起始部分衰减很快，一般经0.5~1秒后，其值不超过额定电流的0.25~0.5倍。变压器励磁涌流的大小和衰减时间与外加电压的相位、铁芯中剩余磁通的大小和方向、电源的大小、回路的阻抗、变压器容量的大小和铁芯材料的性质等有关。例如，当合闸时正好电压瞬时值为最大值，就不会出现励磁涌流。对于三相电力变压器，在任何瞬间合闸，至少有两相中要出现程度不同的励磁涌流。

图1 变压器励磁涌流的变化曲线

利用谐波分析仪直接测量，或应用富里埃级数展开式，将励磁涌流的波形分段进行计算，即能得到所包含的直流分量、基波和各次谐波分量的数椐。下表是一台三绕组变压器的实测数椐：

从表中可以看出：

1）励磁涌流中含有很大比例的非周期分量，往往使励磁涌流偏于时间轴的一边。

2）含有很大比例的高次谐波，其中以二次和三次谐波为主，而且随着时间的推移，二次谐波分量所占比例反而增加。

3）三相励磁涌流中总有一相的二次谐波分量很大，可能超过基波分量的60％。

二、变压器差动保护的构成方式

根据躲过励磁涌流方法的不同，变压器差动保护可按不同的工作原理来实现。目前在我国获得广泛应用的变压器差动保护有：

1）差动电流速断保护；

2）采用带速饱和变流器的BCH-2型继电器的差动保护；

3）采用带制动线圈的BCH-1型或BCH-4型继电器的差动保护；

4）采用鉴别波形间断角的差动保护；

5）采用二次谐波制动的差动保护。

在以往的常规电磁型保护装置中，基本上都是使用由BCH型差动继

电器构成的变压器保护。近几年来，由于微机型继电保护装置的广泛应用，

采用二次谐波制动的差动保护已成为变压器保护的主要方式。

三、二次谐波制动原理的变压器差动保护

如前所述，在励磁涌流中含有很大成分的二次谐波。利用二次谐波分

量作为制动量，以防止保护装置在变压器空载投入和外部故障切除后电压

恢复时误动作；同时采用比例制动回路躲过外部穿越性故障时的不平衡电

流；利用基波分量作为动作量，即可构成性能可靠、接线简单的变压器差

动保护——二次谐波制动原理的变压器差动保护。

八十年代，我国的继电保护工作者已经先后研制出多种整流型及晶体

管型的二次谐波制动原理的变压器差动保护装置。但是由于采用的元器件

过多，技术性能又不太稳定，所以没有得到广泛的实际应用。自从微处理

机进入继电保护领域以后，由于微处理机具有极高的运算和数据处理能力，

通过合理的软件配置，使保护装置的接线更加简单、性能更加可靠、调试

更加方便。目前，几乎所有微机型变压器保护装置都是采用这种原理的差

动保护。

四、二次谐波制动原理的变压器差动保护的整定计算

整定计算，主要是确定防止外部短路误动

作的比率制动特性，即最小动作电流、制

动特性曲线的转折点、制动特性折线段的

斜率（制动系数）。

现以南京自动化设备研究院深圳所的IS A 微机主变保护装置为例，简单介绍它的整定计算和整定方法。ISA 微机主变保护装置的原理图如下：

图2 IS A 型微机变压器保护装置原理图

（一）、整定原则

IS A 型差动保护包括两部分，一是差动速断保护，其定值按躲过各种不平衡电流和励磁涌流整定，动作判据为：

二是比率差动保护，有三个判据：

第一个判据表示差电流大于差动电流门槛定值d45，用来躲过变压器正常运行时的不平衡电流；

第二个判据表示复式比率系数K1大于差动比率定值d43，

用来躲过

44

243145

d K d K d Ida >>>42

d Ida >

外部短路时的误差。K1按下式求得：

式中I=1、2、3，分别表示高压侧、中压侧和低压侧。

第三个判据表示差电流中二次谐波所占的比例K2小于二次谐波制动系数定值d44，K2按下式求得：

式中Ida2为电流中二次谐波幅值，由波型鉴别法求得。 差动保护动作后跳开变压器所有各侧的断路器。 （二）、整定计算

1．比率差动保护整定计算

1．1．复式比率差动的比率系数d43按躲过最大CT 变比偏移特性整定，CT 一般保证10％误差特性，故d43典型值取0.2~0.3。

1．2．差动电流门槛定值d45取以下两个算式的最大值

其中In 为变压器额定电流，Id unb 为正常运行时的最大不平衡差流，由于装置考虑了CT 误差自动平衡，Id unb 一般较小。但如果运行中负荷电流中谐波成份很大，Id unb 可能变大。d45整定一般不小于1A 。

1．3．谐波制动系数d44按励磁涌流中二次谐波含量来整定，根据运行经验，典型值取0.15。

2．差动速断保护整定计算

∑=-=

3

11i Iia

Ida Ida K Ida

Ida K 22=

Idunb

d In

d 2.146)3.0~2.0(45==