浅析电力变压器差动保护不平衡电流产生原因及抑制方法

浅析电力变压器差动保护不平衡电流产生原因及抑制方法

【摘要】电力变压器微机保护通常由电流纵联差动保护与瓦斯保护作为主保护，其最关键也是最困难的问题是如何防止变压器不平衡电流所导致的差动保护误动作。但差动保护应用于变压器时，效果并不是很理想。

【关键词】变压器;不平衡电流;相位补偿

一、引言

电力变压器在电力系统中是十分重要的电气设备。电力变压器微机保护通常由电流纵联差动保护与瓦斯保护作为主保护，而过电流或复合电压启动的过电流保护、过负荷保护、零序过流保护、过激磁保护等构成其后备保护。瓦斯保护可以反映变压器油箱内部的相间或匝间短路故障，是一种非电量保护，其动作时间一般晚于差动保护。差动保护是作为变压器相间、匝间和接地短路故障的保护，它是变压器的一种重要的保护形式。

二、变压器差动保护的基本原理及研究的主要内容

差动保护装置，可用来保护变压器线圈内部及其引出线上发生的相间短路和接在大电流接地电网上变压器的单相接地故障。为了实现上述保护功能，电力变压器的高低压线路两侧都装设电流互感器。由于变压器具有两个或更多个电压等级，因此，为了保证差动保护的正确工作，就须适当选择两侧电流互感器的变比。

差动保护是利用比较被保护元件各端电流的幅值和相位的原理构成的，根据基尔霍夫电流定律，当被保护设备无故障时：恒有=0，即各结点流入电流值之和必等于各结点流出电流之和，其中为流向被保护设备各端子的电流;当被保护设备内部发生故障时，短路点成为一个新的端子，此时有>0，但是实际上在外部发生短路时还存在一个不平衡电流，所以差动保护的动作判据应改写为：>

差动保护一直以来都是电力变压器的主保护，其最关键也是最困难的问题是如何防止变压器不平衡电流所导致的差动保护误动作。但差动保护应用于变压器时，效果并不是很理想。这是因为差动保护的理论依据是基尔霍夫电流定律，所以对纯电路设备如发电机、线路等的差动保护无懈击，但对变压器而言，其内部是通过磁路耦合来联系的，并不是纯电路结构，因此基尔霍夫电流定理本质上已不再适用，变压器的励磁电流成了差动保护不平衡电流的一种来源。然而，变压器正常运行时，其励磁电流一般为额定电流的2%～5%，可以忽略不计，通过整定适当的门槛值，差动保护就可以准确区分变压器的内部故障与外部故障。但是当变压器空载投入和外部故障切除后电压恢复时，则可能出现数值很大的励磁涌流。其数值最大可达额定电流的6～8倍，同时包含有大量的非周期分量和高次谐波分量。因此，进一步研究变压器差动保护的误动机理，探索快速、准确的区分变压器励磁涌流和内部故障电流的新方法以提高变压器差动保护的性能，是十分必要的。通过对电力变压器差动保护电路进行分析，找出常见的不平衡电流产

生的原因，并提出了一些措施，提高变压器差动保护的正确动作率，确保变压器的安全稳定运行。变压器差动保护中，解决涌流制动问题是一个关键。

三、差动保护中不平衡电流产生的原因

由于差动保护的构成原理是基于比较变压器各侧电流的大小和相位，受变压器各侧电流互感器以及诸多因素影响，变压器在正常运行和外部故障时，其差动回路中有不平衡电流，使差动保护处于不利的工作条件下。为保证变压器差动保护的正确灵敏动作，必须对其回路中的不平衡电流进行分析，找出原因，采取措施予以消除。

不平衡电流的产生原因有稳态和暂态两方面：

1.稳态情况下的主要的不平衡电流

电力系统中常采用Y/△—11（即Y，d11）接线方式，因此，变压器两侧的相位差为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等，也会产生2I1sin15°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。具体方法是将Y/△—11接线的变压器星形接线侧的电流互感器二次侧接成三角形接线，三角形接线侧的电流互感器二次侧接成星形接线，这样可以使两侧电流互感器二次连接臂上的电流IAB2和Iab2相位一致，按该方法接线进行相位补偿后，高压侧保护臂中电流比该侧互感器二次侧电流大倍，为使正常负荷时两侧保护臂中电流接近相等，故高压侧电流互感器变比应增大倍。

在实际接线中，必须严格注意变压器与两侧电流互感器的极性要求，为防止发生差动继电器的电流回路相互接错，极性接反现象，在变压器的差动保护投入之前要做接线检查，在运行后，如测量不平衡电流值过大不合理时，应在变压器带负载时测量互感器一、二次侧电流相位关系以判别接线是否正确。

2.暂态情况下的主要的不平衡电流

暂态情况下的不平衡电流是由变压器励磁涌流产生的，变压器的励磁电流仅流经变压器接通电源的某一侧，对差动回路来说，励磁电流的存在就相当于变压器内部故障时的短路电流。因此，它必然给纵差保护的正确动作带来不利影响。正常情况下，变压器的励磁电流很小，故纵差保护回路的不平衡电流也很小。在外部短路时，由于系统电压降低，励磁电流也将减小。因此，在正常运行和外部短路时励磁电流对纵差保护的影响常常可以忽略不计。但是，在电压突然增加的特殊情况下，比如变压器在空载投入和外部故障切除后恢复供电的情况下，则可能出现很大的励磁电流，这种暂态过程中出现的变压器励磁电流通常称励磁涌流。变压器的励磁涌流就是一种暂态电流，对差动保护回路不平衡电流的影响更大。

四、减少不平衡电流的措施

1.采用适当的接线进行相位补偿法

由于变压器常采用Y/△—11的接线方式，因此，其两侧电流相位差为30o。为了消除这种不平衡电流的影响，通常都是将变压器星形侧的三个电流互感器接成三角形，而将变压器三角形侧的三个电流互感器接成星形，并适当考虑联接方式后即可把二次电流的相位校正过来。

但是电路互感器采用上述联接方式后，在互感器接成△侧的差动一臂中，电流又增大倍。此时为保证正常运行及外部故障情况下差动回路中应没有电流，就必须将该侧电流互感器的变比加大倍，以减小二次电流，使之与另一侧的电流相等，故此时选择变比的条件。2.利用小波变换后的奇异性进行判别

间断角是励磁涌流波形具有的特性之一，在间断角的起止时刻，都可近似看作边缘跳跃，根据信号奇异性检测原理的分析，若采用合适的小波对这样的信号作小波变换，信号的边全绷t跃点在对应同一位置的所有尺度上（2′），都产生相应的模极大值，而且这些模极大值在相邻的尺度上保持相同的符号，由小尺度（S=2′小）到大尺度（S=2′大）递增。而内部故障电流信号的波形连续，畸变较小，因而小波变换的系数也较平滑，表现为奇异性较小。根据信号在小波变换后表现出的奇异性差异，可以用来区别故障电流和励磁涌流。

另外利用小波变换的奇异性检测方法，还可以精确测量励磁涌流的间断角。间断角处电流的特点是绝对值非常小（接近于零），而A/D转换芯片刚好在零点附近转换误差最大。显然，造成A/D在零点附近误差较大的原因是随机噪声干扰。对于像间断角测量这类暂态信号，相关法、平滑法和相干时间平均法等除噪技术均无效，即使采用较大计算量的最小平方滤波，也只能保证总体信噪比的提高，难以减小过零处的误差，而这些点对间断角的测量是最有意义的。热噪声是任何实际系统无法避免的随机干扰，服从高斯分布。当信号较弱时噪声甚至可以把信号淹没，从而产生较大的测量误差。但在小波变换下的高斯白噪声的模极大值与信号小波变换的模极大值，随尺度增长有截然不同的性质。当按因子2增加时，高斯白噪声小波变换模极大值的个数，按1/2的平均速率减少。根据噪声模极大值跨尺度减少的特性，通过去掉噪声对应的模极大值，可以有效地消除干扰，较准确地确定突变点的位置。

五、总结

本文分析介绍了变压器差动保护的原理，指出运用差动保护的难点在于如何准确区分励磁涌流与故障电流。介绍了不平衡电流的产生并浅析了抑制方法。

大型变压器的出现既为保护增加了难度，同时又对差动保护提出了更高的要求。要从原理上和实现中同时解决变压器继电保护的问题，才能保证变压器安全稳定的运行。

参考文献