变压器保护 华东电网出的教材 - 图文

第十一章 变压器保护

第一节 概述

变压器是电力系统重要的主设备之一。在发电厂通过升压变压器将发电机电压升高，而由输电线路将发电机发出的电能送至电力系统中；在变电站通过降压变压器再将电能送至配电网络，然后分配给各用户。在发电厂或变电站，通过变压器将两个不同电压等级的系统联起来，该变压器称作联络变压器。 一 变压器的基本结构及接线组别

电力变压器主要由铁芯及绕在铁芯上的两个或三个绝缘绕组构成。为增强各绕组之间的绝缘及铁芯、绕组散热的需要，将铁芯及绕组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。

另外，为提高变压器的传输容量，在变压器上加装有专用的散热装置，作为变压器的冷却之用。

大型电力变压器均为三相三铁芯柱式变压器或由三个单相变压器组成的三相组式变压器。

将变压器同侧的三个绕组按一定的方式连接起来，组成某一接线组别的三相变压器。 双卷电力变压器的接线组别主要有：YN，y、YN,d、D，d、及D，d－d。理论分析表明，接线组别为Y，y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，三相铁芯变压器按Y，y联接的方式，只适用于容量为1800KVA以下的小容量变压器。而超高压大容量的变压器均采用YN,d的接线组别。

在超高压电力系统中，YN,d接线的变压器，呈YN形联接的绕组为高压侧绕组，而呈d形联接的绕组为低压侧绕组，前者接大电流系统（中性点接地系统），后者接小电流系统（中性点不接地系统）。

在实际运行的变压器中，在YN,d接线的变压器的接线组别中，以YN,d11为最多，YN,d1及YN,d5的也有。

YN,d11接线组别的含意是：（a）变压器高压绕组接成Y型，且中性点接地，而低压侧绕组接成d；（b）低压侧的线电压（相间电压）或线电流分别滞后高压侧对应相线电压或线电

00

流330。330相当于时钟的11点钟，故又称11点接线方式。

同理，YN,d1及YN,d5的接线组别，则表示d侧的线电流或线电压分别滞后Y侧对应相线

00

电流或线电压30及150。相当时钟的1点及5点，分别称之为1点接线及5点接线方式。 在电机学中，对变压器各绕组之间相对极性的表示法，通常用减极性表示法。

YN,d11、YN,d1及YN,d5接线组别变压器各绕组接线，相对极性及两侧电流的向量关系，分别如图11-1、图11-2及图11-3所示。

1

A BCA BC******IAIBICIAIBICI'aI'bI'cI'aI'bI'c******IaIbIc a b c IaIbIc a b c （a）接线方式 （b) 接线方式 IAIa-I' cIaIA-I' bI'aI'a30°30°Ic30°Ib30°30°30°I'c-I' cI'b-I' bI'cI'ICbIBICI-I' aBIc-I' a图9-4Ib(b) 向量图 (b) 向量图 11-1 YN,d11变压器绕组接线方式 图11-2 YN,d1变压器组接线方式及及两侧电流向量图 两侧电流向量图 IA-I'Ic cI??aI'aI?A*AI?a30°*aIbI??30°I?*30°BbBI?-I' bbI'*bcI'bICI?IBC*I??cCI?c-I' a*c

Ia

（a） 接线方式 （b） 向量图

图11-3 YN,d5变压器绕组接线方式及两侧电流向量图 在上述各图中：I?A、I?B、I?C－变压器高压侧三相电流； I?a、I?b、I?c－变压器低压侧三相电流；

2

图

?－各绕组之间的相对极性。

由图可以看出：YN,d11接线的变压器，低压侧三相电流I?a、I?b、I?c分别滞后高压侧三相电流I?A、I?B、I?C3300； YN,d1接线的变压器低压侧三相电流I?a、I?b、I?c分别滞后高压侧三相电流I?A、I?B、I?C300；YN,d5接线的变压器，低压侧三相电流分别滞后高压侧三相电流I?A、

?、I?1500。 IBC二 变压器的故障及不正常运行方式 1 变压器的故障

若以故障点的位置对故障分类，有油箱内的故障和油箱外的故障。 （1）油箱内的故障

变压器油箱内的故障，主要有各侧的相间短路，大电流系统侧的单相接地短路及同相部分绕组之间的匝间短路。 （2）油箱外的故障

变压器油箱外的故障，系指变压器绕组引出端绝缘套管及引出短线上的故障。主要有相间短路（两相短路及三相短路）故障，大电流侧的接地故障、低压侧的接地故障。 2 变压器的异常运行方式

大型超高压变压器的不正常运行方式主要有：由于系统故障或其他原因引起的过负荷，由于系统电压的升高或频率的降低引起的过激磁，不接地运行变压器中性点电位升高，变压器油箱油位异常，变压器温度过高及冷却器全停等。 三 变压器保护的配置

变压器短路故障时，将产生很大的短路电流，使变压器严重过热，甚至烧坏变压器绕组或铁芯。特别是变压器油箱内的短路故障，伴随电弧的短路电流可能引起变压器着火。另外短路电流产生电动力，可能造成变压器本体变形而损坏。

变压器的异常运行也会危及变压器的安全，如果不能及时发现及处理，会造成变压器故障及损坏变压器。

为确保变压器的安全经济运行，当变压器发生短路故障时，应尽快切除变压器；而当变压器出现不正常运行方式时，应尽快发出告警信号及进行相应的处理。为此，对变压器配置整套完善的保护装置是必要的。 1 短路故障的主保护

变压器短路故障的主保护，主要有纵差保护、重瓦斯保护、压力释放保护。另外，根据变压器的容量、电压等级及结构特点，可配置零差保护及分侧差动保护。 2 短路故障的后备保护

目前，电力变压器上采用较多的短路故障后备保护种类主要有：复合电压闭锁过流保护；零序过电流或零序方向过电流保护；负序过电流或负序方向过电流保护；复合电压闭锁功率方向保护；低阻抗保护等。 3 异常运行保护

变压器异常运行保护主要有：过负荷保护，过激磁保护，变压器中性点间隙保护，轻瓦斯保护，温度、油位保护及冷却器全停保护等。

3

第二节 故障量经变压器的传递

当变压器某侧系统中发生故障时，变压器非故障侧各相电流的大小、相位及其他特点，除与故障侧故障类型、严重程度有关之外，尚与变压器的接线方式有关。

在变压器保护配置设计及分析保护的动作行为时，必须知道变压器故障时其两侧故障电流的大小及相位关系。

以下介绍故障电流及故障电压经YN,d11、YN,d1及YN,d5接线组别的变压器传递。 一 简化假设

为简化分析及突出故障分量经变压器的传递，作以下几点假设：

1 不考虑变压器的变比，不考虑负荷电流及过渡电阻对短路电流及故障电压的影响。 2 当变压器高压侧故障时，认为故障电流全部由低压侧供给；而变压器低压侧故障时，认

为故障电流全部由变压器高压侧提供。

0

3 故障点在变压器输出端部；忽略有功分量的影响，阻抗角为90。 二 YN,d11变压器高压侧单相接地短路 1 边界条件及对称分量

设变压器高压侧A相发生金属性接地短路，故障电流为IK。则故障点的边界条件为

??I??0；I??I?；U??0 IBCAKA?、U?、U?，则根据边设A相各序量电流及各序量电压分别为I?A1、I?A2、I?AO及UA1A2AO界条件可求得各序量：

11 I?A1?(I?A?aI?B?a2I?C)?I?K

3311 I?A2?(I?A?a2I?B?aI?C)?I?K

33 I?A0?(I?A?I?B?I?C)?I?K

??U??U??0 UA1A2A01313在上述各式中：a——旋转因子，a?ej120 可得：

? ???????????????（11-1） ?=I?=1I?=IIA1AOKA2

3?=-（U?+U?） ???????????????（11-2） UA1A2AO01??U??A1?(X2??X0?)3IK??1???XI?? ??UA22?A1??X2?IK ???????????????（11-3） 3???1???XI???UA00?A1??X0?IK3? 4

在式（11-3）中：X0?——系统对故障点的等效零序电抗； X2?——系统对故障点的等效负序电抗。 2 变压器高压侧电压及电流向量图和序量图

?为参考向量（置于纵坐标轴上）若以A相的正序电压U，根据式（11-1）～（11-3），A1并考虑到零序电抗X0?通常大于负序电抗X2?，可绘制出变压器高压侧的电流、电压的序量图及向量图。如图11-4所示。 UA1IC1=IB2UC2UB2IA1=IA0=IA2UA2UC1UA0=UB0=UC0UCUBUB1IA0=IB0=IC0I?B?I?C?0IA=IKIB1=IC2 图9-7a（a）电压序量及向量图 （b）电流序量及向量图 （）图11-4 YN,d11变压器高压侧A相接地故障点的电压、电流序量图及向量图 由图11-4可以看出，当变压器高压侧单相接地短路时，其他两非故障相的电压不会降低，但两相电压之间的相位差要发生变化。其变化的大小和方向与负序电抗X2?及零序电抗??I??0。 X0?的相对大小有关。不计负荷电流影响时IBC3 变压器低压侧电压、电流的序量图和向量图

由于变压器的接线组别为YN,d11，根据序量经变压器传递原理知：变压器Y侧的正序电

0

压和正序电流向d侧传递时，将逆时针移动30；而负序电压和负序电流向d侧传递时，将

0

顺时针移动30；Y侧的零序电压和零序电流不会出现在变压器d侧的输出端（即d的线电压和线电流中不会出现零序电压及零序电流）。

?为参考向量，绘制出的变压根据图11-4及序量经变压器传递原理，并以高压侧的UA1器△侧电压、电流的向量图及序量图如图11-5所示。

Ua1Ib2Uc2UaIcIc1Ia1UbIaUb2UcUb1Ic2Ia2Ua2Ib1图9-8a （b） 电流向量及序量图图9-8b（a） 电压向量及序量图 （）图11-5 YN,d11变压器高压侧A相接地短路时d侧电压、电流序量图和向量图 由图11-5可以看出：YN,d11变压器高压侧A相发生单相接地故障时，低压侧故障相的后

（） 5

序相（b相）电流等于零，而电压最高。其他两相（a相和c相）电流大小相等，方向相反。 4 低压侧电压和电流大小的计算 （1） 低压侧电流

Ia?Ic?IKcos300? Ib?0 。 （2） 低压侧的电压 Ub?IK?(X2??X0?)?X2???IK(2X2??X0?)； 33IK3223X2??3X2?X0??X0?。

233IK; 3 Ua?Uc?三 YN,d11变压器高压侧B、C两相接地短路 1 边界条件及对称分量

当变压器高压侧B、C两相接地短路时（设短路电流为I?K），可得故障点的边界条件为；

??U??0 I?A=0；UBC将该边界条件用对称分量表示，可得

??U??U?? UA1A2A0?UA ....................................（11-4）

3 I?A1??(I?A2?I?A0) ....................................（11-5） 2 高压侧电压、电流向量图和序量图

?参考向量（置于纵坐标上）根据式（11-4）和式（11-5），并以U，则可绘制出故障点A1电压、电流的向量图和序量图。如图11-6所示。

IkCUA=3UA1IC1IC2IC0=IB0=IA0IA2IA1IB2UA1=UA2=UA0UC0UB0??U??0UBCIB1Z < Z02∑∑UC1UB2UB1UC2

IkB

（a）电压向量图及序量图 （b）电流向量图及序量图

图11-6 YN,d11变压器高压侧B、C两相接地短路时高压侧电压、电流向量图和序量图

6

UaIcUa1Ua2Ic1Ic2IaIa1Ia2Ub2Ub1Uc1Uc2Ib2UcIb1

(a) 电压向量图及序量图（b） 电流向量图及序量图

图11-7 YN,d11变压器高压侧B、C两相接地短路时低压侧电压、电流向量图和序量图 由图11-6（b）可以看出：YN,d11变压器高压侧B、C两相发生接地短路时，B、C两相的电流大小相等，两者之间的相位发生变化，其变化的大小和方向决定于零序电流与负序电流的相对大小。

3 变压器低压侧电压、电流的向量图和序量图

根据图11-6所示的向量图、序量图以及序量经YN,d11变压器传递原理，并以正序电压

Ib?为参考向量，可以画出变压器高压侧B、C两相接地短路时，低压侧的电压、电流的序UA1量图和向量图。如图11-7所示。 4 低压侧电压和电流大小的计算

由图11-7（a）可以看出，当YN,d11变压器高压侧B、C两相发生接地短路时，变压器

??0）低压侧B相电压等于零（即U，而a、c两相电压大小相等，方向相反，其值为 b Ua?Uc?2UA3?cos300?UA 33由图11-7（b）可以看出，低压侧b相电流最大，其值等于 I?b?I?b1?I?b2?EdX0?(1?)

X2?X0?X?X2?0?X1??X2??X0?1?(X0?X0?)2?

X2??X0?X2??X0? Ia?Ic?EdX2?X0?X1??X2??X0?以上各式中：Ed——等值电源的电势；

X1?、X2?、X0?——分别为系统对故障点的等值正序电抗、负序电抗和

零序电抗。

四 YN,d1变压器高压侧B、C两相短路 1 边界条件及对称分量

当变压器高压侧B、C两相短路时，设短路电流为IK，故障点的边界条件为

??U? I?A?0；I?B?I?K??I?C；UBC将该边界条件用对称分量表示，则得

7

???1(a?a2)I??3I??IA1BK33?????3I? ? ??????????????（11-6） ?IA2K3???0?I?A0????0?UA0? ? ????????????（11-7） 3??IKX2??UA1?UA2?jIA1X2??j3?在式（11-7）中：X2?——对故障点的等值负序电抗。 2 变压器高压侧电压、电流的序量图和向量图

?为参考向量，划出变压器高压侧B、C两相短路根据式（11-6）和式（11-7）并以UA1时故障点的电压、电流的序量图和向量图。如图11-8所示。 UAICUaIcUA2UA1IC1IC2Ua2Ua1Ic2Ic1IA2IA1Uc1Uc2Ib1Ia2Ia=IbUC1UB2UAUB=UC= 2UB1UC2IB1IB2Ub2Ub1Ia1Ib2￣Ub 图9-11b9-11a图图9-12b 9-12a （b）电流向量图（a）电压向量图 （b）电流向量图 （a）电压向量图 及序量图 及序量图 及序量图 及序量图 图11-8 YN,d1变压器高压侧B、C两相短 图11-9 YN,d1变压器高压侧B、C两相短

路时故障电压、电流向量图及序量图 路时低压侧电压、电流向量图及序量图 根据图11-8及序量经YN,d1变压器的传递原理，绘制出的变压器低压侧电压、电流序量图及向量图。如图11-9所示。

由图11-9可以看出：YN,d1变压器高压侧发生B、C两相短路时，低压侧的C相电压等于零，而a相电压和b相电压大小相等，方向相反，其值也有降低。低压侧c相电流最大，

0

而a相电流与b相电流大小相等、方向相同，且与C相电流相电流相位差为180。 4 低压侧电压和电流值的计算 （1）各相电压

由11-9（a）可以得出：

（）（）―IB??0； Uc??23U?1?23U?3U Uaa1AA2222??3U UbA2（2）各相电流

由图11-9（b）可以得出：

（）（）8

Ia?3323IK；Ib?IK；Ic?IK。 333五 YN,d5变压器低压侧两相短路

1 边界条件及对称分量

变压器低压侧无电源。在变压器低压侧发生b、c两相短路，设短路电流为IK，则故障点的边界条件为

??U? I?a=0；I?B?I?K??I?C；Ubc将边界条件用对称分量表示，则得

????I??3I??Ia1a2K3????U??jIX?j3IX ???????????????（11-8） ??Ua1a2a12?K2?3??Ua0?0???2 低电压侧电压、电流的序量图和向量图

?为参考向量，则根据式（11-8）可划出故障点电压、电流序量图和向量图，如若以Ua1图11-10所示。 UaIcUa2Ua1Ic1Ic2Ia2Ia1Uc1Ub2UaUb=Uc= 2Ub1Uc2Ib1Ib2 （a）电压序量图和向量图 图9-13a （b）电流序量图和向量图图9-13b图11-10 YN,d5变压器低压侧B、C两相短路时电压、电流序量图及向量图 Ib（）￣UBICIA=IB= 2UB1UB2IA1IB2UC1￣IB1IA2UC2UA1UA2IC2IC1UA （a）电压序量图和向量图 （b）电流序量图和向量图 图9-14b图11-11 YN,d5变压器低压侧B、C两相短路时高压侧电压、电流序量图及向量图 图9-14（）a

（）（）IC9

3 变压器高压侧电压、电流的序量图和向量图

根据图11-10及序量经YN,d5变压器传递定理，可绘制低压侧b、c两相短路时变压器高压侧电压、电流的序量图和向量图。如图11-11所示。

??0，而A相电压与B相电压大小相由图11-11可以看出：变压器高压侧的C相电压Uc等，方向相反；C相电流最大，A相电流与B相电流大小相等、相位相同，而与C相电流相

位相反。

4 高压侧电压和电流的计算 （1）各相电压 UC?0

UA?UB?2Ua1cos300?IKX2? （2）各相电流

C相电流：IC?23IK

3A相电流等于B相电流：IA?IB?3IK

3

第三节 变压器纵差保护

一 变压器纵差保护的构成原理及接线

与发电机、电动机及母线差动保护（纵差保护）相同，变压器纵差保护的构成原理也是基于克希荷夫第一定律，即

式中：

?I??0 ????????????????????（11-9） ?I?－变压器各侧电流的向量和。

式（11－9）代表的物理意义是：变压器正常运行或外部故障时，流入变压器的电流等于流出变压器的电流。此时，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。

在以前的模拟式保护中，变压器纵差保护的原理接线如图11-12所示。

10

ABCLH1*********JAJBJC*LH2**a****b**c

图11-12 变压器纵差保护原理接线图

在图11-12中：LH1、LH2－分别为变压器两侧的差动TA；

JA、JB、JC－分别为A、B、C三相的三个分相差动继电器。

可以看出：图11-12为接线组别为YN,d11变压器的分相差动保护的原理接线图。该接线图也适用于微机型变压器差动保护。图中相对极性的标号＊采用减极性标示法。

二 实现变压器纵差保护的技术难点

实现发电机、电动机及母线的纵差保护比较容易。这是因为这些主设备在正常工况下或外部故障时其流进电流等于流出电流，能满足

?I??0的条件。而变压器却不同。变压器在

正常运行、外部故障、变压器空投及外部故障切除后的暂态过程中，其流入电流与流出电流相差较大或很大。

为此，要实现变压器的纵差保护，需要解决几个技术难点。 1 变压器两侧电流的大小及相位不同

变压器正常运行时，若不计传输损耗，则流入功率应等于流出功率。但由于两侧的电压不同，其两侧的电流不会相同。

超高压、大容量变压器的接线方式，均采用YN,d方式。因此，流入变压器电流与流出变压器电流的相位不可能相同。当接线组别为YN,d11（或YN,d1）时，变压器两侧电流的相

0

位相差30。

流入变压器的电流大小和相位与流出电流大小和相位不同，则

?I?就不可能等于零或

很小。

2 稳态不平衡电流大

与发电机、电动机及母线的纵差保护相比，即使不考虑正常运行时某种工况下变压器两侧电流大小与相位的不同，变压器纵差保护两侧的不平衡电流也大。其原因是： （1）变压器有激磁电流

变压器铁芯中的主磁通是由激磁电流产生的，而激磁电流只流过电源侧，在实现的纵差保护中将产生不平衡电流。

11

激磁电流的大小和波形，受磁路饱和的影响，并由变压器铁芯材料及铁芯的几何尺寸决定，一般为变压器额定电流的3%～8%。大型变压器的激磁电流相对较小。 （2）变压器带负荷调压

为满足电力系统及用户对电压质量的要求，在运行中，根据系统的运行方式及负荷工况，要不断改变变压器的分接头。变压器分接头的改变，相当于变压器两侧之间的变比发生了变化，将使两侧之间电流的差值发生了变化，从而增大了其纵差保护中的不平衡电流。

根据运行实际情况，变压器带负荷调压范围一般为±5%。因此，由于带负荷调压，在纵差保护产生的不平衡电流可达5%的变压器额定电流。 （3）两侧差动TA的变比与计算变比不同

变压器两侧差动TA的名牌变比，与实际计算值不同，将在纵差保护产生不平衡电流。另外，两侧TA的型号及变比不一，也将使差动保护中的不平衡电流增大。由于两侧TA变比误差在差动保护中产生的不平衡电流可取6%变压器额定电流。 3 暂态不平衡电流大

（1）两侧差动TA型号、变比及二次负载不同

与发电机纵差保护不同，变压器两侧差动TA的变比不同、型号不同；由各侧TA端子箱引至保护盘TA二次电缆的长度相差很大，即各侧差动TA的二次负载相差较大。

差动TA型号及变比不同，其暂态特性就不同；差动TA二次负载不同，二次回路的暂态过程就不同。这样，在外部故障或外部故障切除后的暂态过程中，由于两侧电流中的自由分量相差很大，可能使两侧差动TA二次电流之间的相位发生变化，从而可能在纵差保护中产生很大的不平衡电流。

（2）空投变压器的励磁涌流

空投变压器时产生的励磁涌流的大小，与变压器结构有关，与合闸前变压器铁芯中剩磁的大小及方向有关，与合闸角有关；此外，尚与变压器的容量、距大电源的距离（即变压器与电源之间的联系阻抗）有关。

多次测量表明：空投变压器时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。

由于励磁涌流只由充电侧流入变压器，对变压器纵差保护而言是一很大的不平衡电流。 （3）变压器过激磁

在运行中，由于电源电压的升高或频率的降低，可能使变压器过激磁。变压器过激磁后，其励磁电流大大增加。使变压器纵差保护中的不平衡电流大大增加。 （4）大电流系统侧接地故障时变压器的零序电流

当变压器高压侧（大电流系统侧）发生接地故障时，流入变压器的零序电流因低压侧为小电流系统而不流出变压器。因此，对于变压器纵差保护而言，上述零序电流为一很大的不平衡电流。

三 空投变压器的励磁涌流 1 励磁涌流产生的机理

以单相变压器为例，说明其空投时励磁涌流产生的机理。 忽略变压器及合闸回路电阻的影响，电源电压的波形为正弦波。则空投瞬间变压器铁芯中的磁通与外加电压的关系为

Wd??Umsin(?t??)????????????????????（11-10）

at式中：W－变压器空投侧绕组的匝数； Φ－铁芯中的磁通； Um－电源电压的幅值；

12

?－合闸角；

ω－角速率，当频率为50Hz，ω＝314。 由式（11-10）可得 d??Umsin(?t??)dt??????????????????（11-11） W?式（11-11）为一不定积分方程，求解得 ???Umcos(?t??)?C??????????????????（11-12） W?式（11-12）中：C－积分常数，由初始条件确定。当t＝0时，则 C?Umcos???s ????????????????????（11-13） W?式中：?s－合闸前铁芯中的剩磁通。

将式（11-13）代入（11-12），并考虑到电源回路及变压器绕组的有效电阻及损耗

??UU???mcos(?t??)?(mcos???s)eT???mcos(?t??)?(?mcos???s)eT??（11-14）

W?W?tt式是：?m?Um ； W? T－时间常数，与合闸回路的损耗及感抗有关。

式（11-14）中的第一项为磁通的强迫分量，而第二项为磁通的自由分量或衰减的分量。 由式（11-14）可以看出，在空投变压器的瞬间，铁芯中的磁通由三部分组成：强迫磁通?mcos(?t??)，剩磁通?s及决定于合闸角?的磁通?mcos?。根据式11-14及不考虑自由分量衰减并设合闸角?＝0剩磁?S?0.9?m时，在合闸瞬间变压器铁芯中的综合磁通变化曲线如图（11-13）所示的曲线?。

u?3?s2O?2??t??m1

图11-13 空投变压器时变压器铁芯中的磁通变化波形

在图（11-13）中：

曲线1－外加电压波形；

曲线2－铁芯中的强迫磁通（或稳定磁通）； 曲线3－空投变压器时铁芯中综合磁通波形。

0

可以看出：当初始合闸角等于0、变压器铁芯中的剩余磁通?s＝0.9?m时，铁芯中的最大磁通达2.9?m，从而使变压器铁芯严重饱和，励磁电流猛增，即产生所谓励磁涌流。 2 励磁涌流的特点

13

在某台变压器空投时拍摄的变压器三相励磁涌流的波形如图（11-14）所示。

图11-4 空投变压器的励磁涌流

由图11-14可以看出励磁涌流有以下几个特点：

（1） 偏于时间轴一侧，即涌流中含有很大的直流分量；

0

（2） 波形是间断的，且间断角很大，一般大于150；

（3） 由于波形间断，使其在一个周期内正半波与负半波不对称；

（4） 含有很大的二次谐波分量，若将涌流波形用福里叶级数展开或用谐波分析仪进行测

量分析，不同时刻涌流中二次谐波分量与基波分量的百分比大于30%，有的达80%甚至更大；

（5） 在同一时刻三相涌流之和近似等于零；

另外，励磁涌流是衰减的，衰减的速度与合闸回路及变压器绕组中的有效电阻和电感有关。

3 影响励磁涌流大小的因素

由式（11-14）可以看出，空投变压器时铁芯中的磁通的大小与?m、cos?及?s有关。而励磁涌流的大小与铁芯中磁通的大小有关。磁通越大，铁芯越饱和，励磁涌流就越大。因此，影响励磁涌流大小的因素主要有： （1）电源电压

变压器合闸后，铁芯中强迫磁通的幅值?m?Um。因此，电源电压越高，?m越大，励W?磁涌流越大。 （2）合闸角?

当合闸角?＝0时，?mcos?最大，励磁涌流大；而当?＝900，?mcos?等于零，励磁涌流较小； （3）剩磁Bs

合闸之前，变压器铁芯中的剩磁越大，励磁涌流就越大。另外，当剩磁Bs的方向与合闸之后?mcos?的方向相同时，励磁涌流就大。反之亦反。

此外，励磁涌流的大小，尚与变压器的结构、铁芯材料及设计的工作磁密有关。变压器的容量越小，空投时励磁涌流与其额定电流之比就越大。

测量表明：空投变压器时，变压器与电源之间的阻抗越大，励磁涌流越小。在末端变电站，空投变压器时最大的励磁涌流可能小于其额定电流的2倍。

四 变压器纵差保护的实现

实现变压器纵差保护，要解决的技术问题主要有：在正常工况下，使差动保护各侧电流的相位相同或相反，使由变压器各侧TA二次流入差动保护的电流产生的效果相同，即是等效的；空投变压器时不会误动，即差动保护能可靠躲过励磁涌流；大电流侧系统内发生接地

14

故障时保护不会误动；能可靠躲过稳态及暂态不平衡电流。 1 差动保护两侧电流的移相方式

呈Y,d接线的变压器，两侧电流的相位不同，若不采取措施，要满足各侧电流的向量和等于零，即?I??0，根本不可能。因此，要使正常工况下差动保护各侧的电流向量和为零，首先应将某一侧差动TA二次电流进行移相。

在变压器纵差动保护中，对某侧电流的移相方式有两类共4种。两类是：通过改变差动TA接线方式移相（即由硬件移相）；由计算机软件移相。4种是：改变高压侧差动TA接线方式移相；采用辅TA移相；由软件在差动元件高压侧移相；由软件在差元件低压侧移相。 （1）改变差动TA接线方式进行移相

过去的模拟式变压器纵差保护，大多采用改变高压侧差动TA的接线方式进行移相的。对于微机型保护也可采用这种移相方式。

采用上述移相方式时，需首先知道变压器的接线组别。变压器的接线组别不同，相应的差动TA的接线组别亦不相同。

（I）YN,d11变压器差动TA的接线组别

YN,d11变压器及纵差保护差动TA接线原理图如图11-12所示。

0

在图11-12中，由于变压器低压侧各相电流分别超前高压侧同名相电流30，因此，低

0

压侧差动TA二次电流（也等于流入差动元件的电流）也超前高压侧同名相电流30。而从高压侧差动TA二次流入各相差动元件的电流（分别为TA二次两相电流之差）滞后变压器同名

00

相电流150。因此，各相差动元件的两侧电流的相位相差180。 （II）YN,d5变压器及差动TA的接线组别

YN,d5变压器及差动TA的原理接线如图11-15所示。

?Ia?IbABCLH1******?Ic?IA*?IB*?IC*JAJBJC***??Ia??IbLH2**a??Ic*b**c*

图11-15 YN,d5变压器及差动TA原理接线图

在图11-15中：

I?A、I?B、I?C－变压器高压侧三相一次电流；

15

I?a、I?b、I?c－变压器高压侧TA二次各相输出电流（分别为对应两相电流之差）；

?、I?c?－变压器低压侧TA二次三相电流； ?、I?b I?a JA、JB、JC－三相差动元件。

由图11-15可以看出：正常工况下，从低压侧差动TA二次流入各相差动元件的电流

?、I?、I?1500；而从高压侧差动TA?、I?c?分别滞后变压器高压侧一次同名相电流I?、I?bI?aABC?、I?c?、I?b与I?b二次流入各差动元件的电流I?a、I?b、I?c分别超前I?A、I?B、I?C300，故I?a与I?a0

?相位相差180。 与I?c（III）YN,d1变压器及差动TA的接线

YN,d1变压器及差动TA的原理接线如图11-16所示。

ABC**LH1?Ia?IA**?Ib**?Ic*?IB*?IC*JAJBJC*??Ia*??Ib*??IcLH2**a*b**c*

图11-16 YN,d1变压器及差动TA原理接线图

在图11-16中，各符号的物理意义同图11-15。

?、I?c?分?、I?b由图11-16可以看出：正常工况下，从低压侧TA二次流入各差动元件的电流I?a别滞后变压器高压侧一次同名相电流I?A、I?B、I?C300；而从高压侧TA二次流入各相差动元

?、I?c与I?c?相?、I?b与I?b件的电流I?a、I?b、I?c分别超前同名相电流I?A、I?B、I?C1500，故I?a与I?a位相差1800。

由以上所述可知，改变变压器高压侧TA接线移相的实质是：对于接线组别分别为YN,d11、YN,d1及YN,d5的变压器，其纵差保护差动TA的接线应分别为D11，y、D1，y及D5，y，从而使正常工况下各相差动元件两侧电流的相位相差1800。 （2）接入辅助TA的移相方式

用辅助TA的电流移相方式，与用改变差动TA接线方式对电流进行移相的方法实质相

16

同。

对于YN,d接线的变压器，其差动TA的接线为Y，y，而在保护装置中设置一组辅助TA，接成d形，接入变压器高压侧差动TA二次，对该侧电流进行移相，以达到正常工况下使各相差动元件两侧电流相位相反的目的。

当然，对于不同接线组别的变压器，辅助TA的连接方式不相同。 （3）用软件对高压侧电流移相

运行实践表明：通过改变变压器高压侧差动TA接线方式对电流进行移相的方法，有许多优点，但也有缺点。其主要缺点是：第一次投运的变压器，若某相差动TA的极性接错，分析及处理相对较麻烦。另外，实现差动元件的TA断线闭锁也比较困难。

在微机型保护装置中，通过计算软件对变压器纵差保护某侧电流的移相方式已被广泛采用。

对于Y，d接线的变压器，当用计算机软件对某侧电流移相时，差动TA的接线均采用Y，y。

用计算机软件对变压器高压侧差动TA二次电流的移相方式，是采用计算差动TA二次两相电流差的方式。分析表明，这种移相方式与采用改变TA接线进行移相的方式是完全等效的。这是因为取Y形接线TA二次两相电流之差与将Y形接线TA改成△形接线后取一相的输出电流是等效的。

应当注意的是：用软件实现移相时，究竟取哪两相TA二次电流之差？这应由变压器的接线组别决定。

当变压器的接线组别为YN,d11时，在Y侧流入A、B、C三个差动元件的计算电流，应分别取I?a?I?b、I?b?I?c、I?c?I?a（I?a、I?b、I?c－差动TA二次三相电流）。

当变压器的接线组别为YN,d1时，在Y侧三个差动元件的计算电流应分别为I?a-I?c、

??I?。I?b-I?a及I?c-I?b；I?c-I?b、I当变压器接线组别为YN,d5时，则三个计算电流分别为I?b-I?a、ab

（4）用软件在低压侧移相方式

就两侧差动TA的接线方式而言，用软件在低压侧移相方式与用软件在高压侧移相方式相同，差动TA的接线均为Y，y。

在变压器低压侧，将差动TA二次各相电流移相的角度，也由变压器的接线组别决定。

0

当变压器接线组别为YN,d11时，则应将低压侧差动TA二次三相电流以次向滞后方向移动30；

0

当变压器接线组别为YN,d1时，则将低压侧差动TA二次三相电流分别向超前方向移动30；而当变压器接线组别为YN,d5时，则应分别将低压侧差动TA二次三相电流向超前方向移动0

150。

2 消除零序电流进入差动元件的措施

对于YN,d接线的变压器，当高压侧线路上发生接地故障时，（对纵差保护而言是区外故障），有零序电流流过高压侧，而由于低压侧绕组为d联接，在变压器的低压侧无零序电流输出。这样，若不采取相应的措施，在变压器高压侧系统中发生接地故障时，纵差保护可能误动而切除变压器。

当变压器高压侧发生接地故障时，为使变压器纵差保护不误动，应对装置采取措施而使零序电流不进入差动元件。

对于差动TA接成D，y及用软件在高压侧移相的变压器纵差保护，由于从高压侧通入各相差动元件的电流分别为两相电流之差，已将零序电流滤去，故没必要再采取其他滤去零序电流的措施。

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对于用软件在低压侧进行移相的变压器纵差保护，在高压侧流入各相差动元件的电流应分别为

??1(I??I??I?)，I??1(I??I??I?)，I??1(I??I??I?) Iaabcbabcc333abc因为1(I?a?I?b?I?c)为零序电流，故在高压侧系统中发生接地故障时，不会有零序电流进

3入各相差动元件。 应当指出，对于接线为YN,y的变压器（主要指发电厂的启备变），在其纵差保护装置中，应采取滤去高压侧零序电流的措施，以防高压侧系统中接地短路时差动保护误动。 3 差动元件各侧之间的平衡系数

若变压器两侧差动TA二次电流不同，则从两侧流入各相差动元件的电流大小亦不相同，从而无法满足?I??0。

在实现变压器纵差保护时，采用“作用等效”的概念。即使两个不相等的电流产生作用（对差动元件）的大小相同。

在电磁型变压器纵差保护装置中（BCH型继电器），采用“安匝数”相同原理；而在模拟式保护装置（晶体管保护及集成电路保护）中，将差动两侧大小不同的两个电流通过变换器（例如KH变换器）变换成两个完全相等的电压。

在微机型变压器保护装置中，引用了一个将两个大小不等的电流折算成作用完全相同电流的折算系数，将该系数称作为平衡系数。

根据变压器的容量，接线组别、各侧电压及各侧差动TA的变比，可以计算出差动两侧之间的平衡系数。

设变压器的容量为Se，接线组别为YN,d11两侧的电压分别为UY及U△，两侧差动TA的变比分别为nY及n?，若以变压器△侧为基准侧，计算出差动元件两侧之间的平衡系数K。 （I）差动TA接线为D，y（用改变差动TA接线方式移相）

变压器两侧差动TA二次电流IY及I?分别为

IY? I??Se3U?n?3Se3UYnY

?SeUYny

要使KIy?I?，则平衡系数 K?UYnyI?? ……………………………………………………（11-15） Iy3U?n?（II）差动TA接线为YN, y，由软件在高压侧移相

差动两侧TA二次电流分别为

IY?Se3UYIy、I??Se3U?n?Se3UYnY

每相差动元件两侧的计算电流 高压侧：两相电流之差I?y???低压侧：I?Se3U?n??3?Se UYnY

18

故平衡系数 K?UYny3U?n? ……………………………………………………（11-16）

可以看出：式（11-15）与式（11-16）完全相同。

由上所述，可以得出如下的结论：对于YN,d接线的变压器，用改变TA接线方式移相及由软件在高压侧移相，差动元件两侧之间的平衡系数完全相同。此外，该平衡系数只与变压器两侧的电压及差动TA的变比有关，而与变压器的容量无关。 （III）差动TA接线为Y，y、由软件在低压侧移相

平衡系数K?UYny ……………………………………………………（11-17） U?n?表11-1为三卷变压器纵差保护各侧之间平衡系数计算表

表11-1 Y，Y，d变压器纵差保护各侧之间的平衡系数（以低压侧为基准值） 项目名称 TA接线 TA二次电流 各相差动元件的计算电流 对低压侧的平衡系数 各侧系数 高压侧（H） Y Se3UhnhSe Uhnh中压侧（M） Y Se3Umnm低压侧（L） Y Se3ULnLSe ULnL Se UmnmUhnh3ULnL Umnm3ULnL 1 说明：表中列出的平衡系数是用软件在高压侧移相或用改变TA接线方式移相的条件下计算出来的。Se－变压器的额定容量；Uh、nh－分别为高压侧额定电压及TA的变比；Um、nm－分别为变压器中压侧额定电压及TA的变比；UL、nL－分别为变压器低压侧额定电压及TA变比。 4 躲涌流措施

在变压器纵差保护中，是利用涌流的各种特征量（含有直流分量、波形间断或波形不对称、含有二次谐波分量）作为制动量或进行制动，来躲过空投变压器时的励磁涌流。 5 躲不平衡电流（暂态不平衡电流及稳态不平衡电流）大的措施

运行实践表明，对变压器纵差保护进行合理地整定计算，适当提高其动作门坎，可以使其有效地躲过不平衡电流大的影响。

五 微机变压器纵差保护 1 构成及逻辑框图

大型超高压变压器的纵差保护，由分相差动元件、涌流闭锁元件、差动速断元件、过激磁闭锁元件及TA断线信号（或闭锁）元件构成。涌流闭锁方式可采用分相闭锁或采用“或门”闭锁方式。其逻辑框图分别如图11-17及图11-18所示。

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?IA1?I?IAn?IB1?IA2A相差动速断元件A相差动元件B相差动速断元件C相差动速断元件≥1信号.........?IA1?IA2?IAn?IBn?IB2B相差动元件≥1≥1C相差动元件A相涌流判别TA断线信号?IC2?IC1&出口Cn≥1B相涌流判别C相涌流判别

图11-17 “或门”闭锁式变压器纵差保护逻辑框图

A相差动速断元件B相差动速断元件C相差动速断元件≥1A相差动A相涌流判别&信号.........≥1?IB1?IB2出口B相差动B相涌流判别?IBn&≥1&信号?IC1?IC2?ICnTA断线C相差动C相涌流判别&

图11-18 “分相”闭锁式变压器纵差保护逻辑框图

涌流“分相”闭锁方式，是指某相的涌流闭锁元件只对本相的差动元件有闭锁作用，而对其它相无闭锁作用。而涌流“或门”闭锁方式，是指：在三相涌流闭锁元件中，只要有一相满足闭锁条件，立即将三相差动元件全部闭锁。

由图11-14可以看出，变压器空投时，三相励磁涌流是不相同的。各相励磁涌流的波形、幅值及二次谐波的含量不相同。对某些变压器空投录波表明，在某些条件下，三相涌流之中的某一相可能不满足闭锁条件。此时，若采用“或门闭锁的纵差保护，空投变压器时不会误动。而采用“分相”闭锁方式的差动保护，空投变压器时容易误动。

采用“分相”闭锁方式的优点是：如果空投变压器时发生内部故障，保护能迅速而可靠动作并切除变压器；而“或门”闭锁方式的差动保护，则有可能拒动或延缓动作。 2 差动元件的作用原理

目前，在广泛应用的变压器纵差保护装置中，为提高内部故障时的动作灵敏度及可靠躲过外部故障的不平衡电流，均采用具有比率制动特性的差动元件。

不同型号的纵差保护装置，其差动元件的动作特性不相同。差动元件的动作特性曲线，有I段折线式、II段折线式及三段折线式。采用较多的为二段折线式。 （1）动作方程

差动元件动作特性不同，其动作方程有差异。以下，介绍动作特性为I段折线式、II段折线式及III段折线式差动元件的动作方程。

20

（I）I段折线式差动元件

国外生产的变压器纵差保护中，有采用I段折线式动作特性的差动元件的。其动作方程可用下式表示

??Id?Iop.o ……………………………………………………………（11-18） ?I?SI?dres?式中：

Id??I?（I?、I?—分别为差动元件两侧的电流）—差电流，对于两卷变压顺Idz?I； 2112 Iop.o—差动元件的启动电流，也叫最小动作电流，或初始动作电流；

S－折线的斜率，通常叫比率动系数；

Ires?,I?－制动电流，一般取差动元件各侧电流中的最大者，即Ires＝maxI12，也有采

??用Ires???I?I122的。

（II）二段折线式差动元件

在国内，广泛采用的变压器纵差保护，多采用具有二段折线式动作特性的差动元件。其动作方程为

???Id?Iop.o??Id?S(Ires?Ires.o)?Iop.oIres?Ires.oIre?sIr……………………………..（11-19）

e.os在式（11-19）中：Ires.o－拐点电流，即开始出现制动作用的最小制动电流； 其他符号的物理意义同式（11-18）。 （III）三段折线式差动元件

根据用户的要求，微机变压器纵差保护的动作特性可作成三段折线式或多段折线式。三段折丝式差动元件的动作方程为

?Id?Iop.o?? ?Id?S1(Ires?Ires.o)?Iop.o??.o)s?S2(Ire?sIr?Id?Iop.o?S1(Ire?sIreIres?Ires.oIres.1?Ires?Ires.o ………..（11-20）

e.1)sIre?Isre.1s在式（11-20）中：S1－第二段折线的斜率；

S2－第三段折线的斜率； Ires.1－第二个拐点电流；

其他符号的物理意义同式（11-19）。 （2）动作特性曲线

根据式（11-18）、式（11-19）及式（11-20），绘制出动作特性分别I段折线式、II段折线式及三段折线式差动元件的动作特性曲线，分别如图11-19、图11-20及图11-21所示。

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IdId动作区动S?tg?作区S?tg??Iop.o?Iop.oIres

Ires.oIres

图11-19 动作特性为I段折线式差动元件 图11-20 二段折线式差动元件的 的动作特性曲线 动作特性曲线

Id区作动?1Iop.o?2S2?tg?2S1?tg?1Ires.oIres1Ires 图11-21 三段折线式差动元件的动作特性曲线

（3）对三种差动元件动作特性的比较

由图11-19、图11-20及图11-21可以看出，具有比率制动特性差动元件的动作特性，由三个物理量来决定：即由启动电流Iop.o，拐点电流Ires.o、Ires.1及比率制动系数（特性曲线的斜率S1、S2）来决定。由于差动元件的动作灵敏度及躲区外故障的能力与其动作特性有关，因此，与Iop.o、Ires.o及S有关。

比较动作特性曲线不同几个差动元件的动作灵敏度，可比较它们的Iop.o、Ires.o及S。可以看出：当启动电流Iop.o及比率制动系数相同的情况下，拐点电流Ires.o越小，其动作区越小，动作灵敏度就低。此时（各曲线的Iop.o及S相同），动作特性如图11-19所示的差动元件的动作灵敏度，比其他两个差动元件低，而躲区外故障的能力比其他两个高。

在比较几个差动元件的动作灵敏度及躲区外故障的能力时，只有将上述三个物理量中的两个固定之后才能进行，而当三个物理量均为变量时是无法比较的。在其他两个量固定之后，比率制动系数越小，或拐点电流越大，或初始动作电流越小，差动元件动作灵敏度越高，但躲区外故障的能力越差。

数十年的运行实践表明，只要对启动电流Iop.o、，拐点电流Ires.o及比率制动系数进行合理的整定，具有二段折线式动作特性的差动元件，完全能满足动作灵敏度及工作可靠性的要

22

求。

3 涌流闭锁元件

目前，在广泛应用的变压器纵差保护装置中，通常采用励磁涌流的特征量之一作为闭锁元件来实现躲过励磁涌流。

在电磁型差动继电器中（BCH型继电器），设置速饱和变流，是根据涌流中有直流分量原理躲涌流的。在晶体管保护和集成电路保护装置中，是采用波形间断原理或二次谐波制动原理躲过涌流的。在微机型保护装置中，是采用二次谐波制动或间断角原理或波形对称原理来区分故障电流与励磁涌流的。 （1）二次谐波制动原理

二次谐波制动原理的实质是：利用差动元件差电流中的二次谐波分量作为制动量，区分出差流是故障电流还是励磁涌流，实现躲过励磁涌流。

在具有二次谐波制动的差动保护中，采用一个重要的物理量，即二次谐波制动比来衡量二次谐波电流的制动能力。

所谓二次谐波制动比K2?z，是指：在差动元件的差电流中，含有基波分量和二次谐波分量，其基波分量大于差动元件的动作电流，而差动元件处于临界制动状态，此时，二次谐波分量电流与基波分量电流的百分比，叫做二次谐波制动比。即

K2?z?I2??100% …………………………………………….（11-21） I1?式中：K2?z－二次谐波制动比； I1?－基波电流；

I2?－二次谐波电流。

由二次谐波制动比定义的边界条件及式（11-21）可以看出，二次谐波制动比越大，与基波电流相比，单位二次谐波电流产生的作用相对越小；而二次谐波制动比越小，单位二次谐波电流产生的制动作用相对越大。

因此，在对具有二次谐波制动的差动保护进行定值整定时，二次谐波制动比整定值越大，该保护躲过励磁涌流的能力越弱；反之，二次谐波制动比整定值越小，保护躲励磁涌流的能力越强。

（2）间断角原理

变压器内部故障时，故障电流波形无间断；而变压器空投时，励磁涌流的波形是间断的，具有很大的间断角（一般大于1500）。按间断角原理构成的差动保护，是根据差电流波形是否有间断及间断角的大小来区分故障电流与励磁涌流的。 （I）关于间断角

说明间断角原理的波形图如图11-22所示。

IidIres?间?t

图11-22 间断角原理图

在图11-22中：Ires－制动电流（直流），其中包括直流门坎值折算成的制动电流量； id－流过差动元件的差流（将负半波反向之后）； ?间－间断角。

23

由图可以看出，间断角的物理意义是：在差流的半个周期内，差动量小于制动量的角度。 （II）差动元件的闭锁角

闭锁角?B，是按间断角原理构成的变压器纵差保护的一个重要物理量，用它来判断差动元件中的差流是故障电流还是励磁涌流引起的。

当测量出的间断角?间，满足 ?间＞?B

时，则判断差流为励磁涌流，将保护闭锁。此时，即是Id?Iop.o，保护也不会动作。

当测量出的间断角，满足 ?间＜?B

时，则认为差动元件中的差流为故障电流。当故障电流Id?Iop.o时，差动保护动作，切除变压器。

（III）保护工况分析

变压器正常运行时差流很小，图11-22中的id很小，而Ires较大，Ires直线将在id项点的上方。此时，间断角?间?3600，且Id?Iop.o，保护可靠不动作。

变压器空投时，产生很大的励磁涌流。设励磁涌流的波形如图11-23中的id所示。

IidIres???t

图11-23 空投变压器时的差流和制动电流波形

由图11-23可以看出：尽管差流id波型幅值很大（能满足Id?Iop.o），但由于间断角?间很大（大于闭锁角?B），差动保护将被可靠闭锁。

当变压器内部故障时，流入差动元件的差流很大且无间断。设故障电流波形如图11-24中的id所示。

IidIres?间?t

图11-24 变压器内部故障时差流和制动电流波形

由图11-24可以看出，?间很小（?间＜?B）。又由于差流幅值很大，能满足Id?Iop.o，

24

故差动保护动作，作用于切除变压器。 （IV）?B定值的影响

当差动元件的启动电流Iop.o为定值时，整定的闭锁角?B越小，则要求在半个周期内差流大于制动电流的角度越大，即交流制动系数越大。空投变压器时，差动元件越不容易误动。反之，闭锁角?B整定值越大，躲励磁涌流的能力越小。

（3）波形对称原理

在微机型变压器纵差保护中，采用波形对称算法，将励磁涌流同变压器故障电流区分开来。其计算方法如下：

首先将流入差动元件的差流进行微分，滤去电流中的直流分量，使电流波形不偏移横坐标轴（即时间轴）的一侧，然后比较每个周期内差电流的前半波与后半波的量值。

设I?j表示差流微分后波形上前半周某一点的值，I?j?1800表示差流波形微分后波形上与Ij点相差1800点的值，K为比率常数，则当若满足

I?j?Ij?1I?j?Ij800?0K ………………………………………………（11-22）

?180则认为波形是对称的，否则认为波形不对称。

在式（11-22）中，K又称不对称系数，通常等于1/2。

变压器内部故障时，I?j值与I?j?1800值大小基本相等、相位基本相反，则I?j与I?j?1800大小相等方向相反，I?j+I?j?1800?0，I?j-I?j?1800?2I?j。此时，K?0。差动保护动作。

励磁涌流的波形具有很大的间断角，I?j值与I?j?1800值相差很大，相位也不会相差1800，因此，I?j+I?j?1800可能较I?j-I?j?1800还大，K值将大于1/2。差动保护被闭锁。

（4）磁制动原理

磁制动涌流闭锁原理，是利用计算变压器的磁通特性来区分励磁涌流与故障电流的。 忽略不计变压器绕组电阻及铁芯的有效损耗，带电后变压器的T型等值网路如图11-25所示。

L1i1L2i2?1uiMM?2u 图11-25 变压器的等值网路

在图11-25中：L1、L2－分别为变压器原边与付边的漏感； M－变压器激磁电感；

i1、i2－变压器输入及输出电流；

?1、u?2－变压器输入及输出电压； u iM－变压器的激磁电流，iM＝i1－i2。 由图11-25可得到变压器的电势的简化方程

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??Ldi1?Mdim ……………………………………………（11-23） U11dtdt由于L1是漏磁通产生的，其值很小，故可将式（11-23）简化为 U1?Mdim ……………………………………………（11-24） dt激磁电感M的大小与变压器铁芯激磁特性有关，当变压器工作磁密变化时（沿磁化曲线变化），M值也随之变化。因此，M值能反映铁芯中的磁密在磁化曲线上的部位。当工作磁密在磁化曲线上的饱和位置时，M值大大降低，从而出现励磁涌流。

在微机型变压器差动保护装置中，可用检测激磁电感M的变化来区分励磁涌流和故障电流。

由式（11-24）可得 M＝U1di。再进一步简化得

dtm Mn?Un ……………………………………………（11-25）

im(n?1)?im(n?1)在式（11-25）中：Un－n时刻的外加电压值； im(n?1)－（n+1)时刻的激磁电流； im(n?1)－（n-1)时刻的激磁电流； Mn－n时刻的激磁电感。

在保护装置中，结合对差流波形的计算，计算电流上升沿开始几个点的M值。当 Mn?Mn?m?K …………………………………………（11-26） 时，判断为励磁涌流，否则判为故障电流。

式（11-26）中：Mn－上升沿第n个采样点激磁电感；

Mn?m－上升沿第n+m个采样点的激磁电感；

K－常数。 4 过激磁闭锁元件

运行中的变压器，当由于某种原因造成过激磁时，可能导致纵差保护误动。

对于超高压大型变压器，为防止过激磁运行时纵差保护误动，设置过激磁闭锁元件。当变压器过激磁时，将纵差保护闭锁。

变压器过激磁，激磁电流中的5次谐波分量大大增加。变压器纵差保护的过激磁闭锁元件，实际上是采用5次谐波电流制动元件。即当差流中的5次谐波分量大于某一值时，将差动保护闭锁。

在变压器纵差保护中，采用5次谐波制动比这个物理量K5?z，来衡量5次谐波电流的制动能力。

所谓5次谐波制动比，是指：差流中有基波电流及5次谐波电流，其中基波电流大于差动元件的动作电流，而差动元件处于临界制动状态。此时，5次谐波电流与基波电流的百分比

K5?z?I5??100% …………………………………………（11-27） I1?叫5次谐波制动比。

式（11-27）中：I5?－5次谐波电流； I1?－基波电流。

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与二次谐波制动比类似，5次谐波制动比越大，单位5次谐波电流产生的制动作用越小，差动保护躲过激磁的能力越差；反之，5次谐波制动比越小，单位5次谐波电流产生的制动作用越大，差动保护躲变压器过激磁的能力越强。 5 差动速断元件

差动速断元件，实际上是纵差保护的高定值差动元件。 前已述及，对变压器纵差保护设置的涌流闭锁元件，主要是根据励磁涌流的特征量之一：“波形畸变”或“谐波分量大”实现的。

当变压器内部严重故障TA饱和时，TA二次电流的波形将发生严重畸变，其中含有大量的谐波分量，从而使涌流判别元件误判断成励磁涌流，致使差动保护拒动或延缓动作，严重损坏变压器。

为克服纵差保护的上述缺点，设置差动速断元件。

差动速断元件反映的也是差流。与差动元件不同的是：它反映差流的有效值。不管差流的波形如何及含有谐波分量的大小，只要差流的有效值超过了整定值，它将迅速动作而切除变压器。

五 整定原则及对定值的建议

对变压器纵差保护的整定，就是要确定与差动元件、涌充判别元件、差动速断元件及过激磁闭锁元件动作特性有关的几个物理量的值。 1 差动元件

决定差动元件动作灵敏度及工作可靠性的三要素是：启动电流Iop.o、拐点电流Ires.o及比率制动系数S。因此，对差动元件的整定，就是确定三要素的大小。 （1）启动电流Iop.o

对启动电流Iop.o的整定原则是：可靠地躲过正常工况下最大的不平衡差流。

变压器正常运行时，在差动元件中产生不平衡差流的原因有：两侧差动TA变比有误差、带负荷调压、变压器的激磁电流及通道传输及调整误差等。

启动电流Iop.o可按下式计算

Iop.o?Krel?Ker?K3??u?K4?IN……………………………………………（11－28）

式中：

IN—变压器的额定电流（二次值）； Krel—可靠系数，取1.5～2；

Ker—电流互感器TA的比误差。对于10P型TA，取0.03×2；对于5P型TA，取0.01

×2；

?u—变压器改变分接头或带负荷调压造成的误差，取0.05；

K3—其它误差（变压器的激磁电流等引起的误差），取0.05； K4—通道变换及调试误差，取0.05×2＝0.1。

将以上各值代入式（11-28）可得：Iop.o??0.39~0.52?IN 。 通常取Iop.o??0.4~0.5?IN 多年的运行实践证明：当变压器两侧流入差动保护装置的电流值相差不大（即为同一个数量级）时，Iop.o可取0.4IN。而当差动两侧电流值相差很大（相差10倍以上）时，Iop.o取

27

0.5IN是合理的。 ⑵ 拐点电流Ires.o

运行实践表明：在系统故障被切除后的暂态过程中，虽然变压器的负荷电流不超过其额定电流，但是由于差动元件两侧TA的暂态特性不一致，使其二次电流之间相位发生偏移，可能在差动回路中产生较大的差流，致使差动保护误动作。

为躲过区外故障被切除后的暂态过程对变压器差动保护的影响，应使保护的制动作用提早产生。因此，Ires.o取0.6～0.8IN是合理的。

⑶ 比率制动系数S

比率制动系数S的整定原则，按躲过变压器出口三相短路时产生的最大不平衡差流来整定。

变压器出口区外故障时的最大不平衡电流为：

Iunbmax??Ker??u?K3?K4?K5?Ikmax………………………………………（11－29）

式中：

Ker、?u、K3、K4的物理意义同式（11-28）但Ker取0.1； K5—标征两侧TA暂态特性不一致造成不平衡电流的系数，取0.1； Iunbmax－最大不平衡电流（即差流）；

Ikmax－出口三相短路时最大短路电流（TA二次值）。 代入上式得：

故Iunbmax?0.4Ikmax

忽略拐点电流不计，计算得特性曲线的斜率S≈0.4。 实取比率制动系数要S＝（1.1～1.3）K＝0.48～0.52

长期运行的实践表明：比率制动系数取0.4～0.5是合理的。 1 励磁涌流判别元件的整定 ⑴ 二次谐波制动比的整定

具有二次谐波制动的差动保护的二次谐波制动比，是表征单位二次谐波电流制动作用大小的一个物理量。二次谐波制动比越大，则保护的谐波制动作用越弱，反之亦反。

具有二次谐波制动的差动保护二次谐波制动比，通常整定为15％～20％。但是，在具体整定时应根据变压器的容量、主接线及系统负荷情况而定。

（Ⅰ）对于大容量的发电机变压器组，且在发电机与变压器之间没有断路器时，由于变压器

的容量大且空投的可能性较小，二次谐波制动比可取较大值。例如18％～20％。 （II）对于容量较大的变压器，由于空充电时的励磁涌流倍数较小，二次谐波制动比可取

16％～18％。

（III）对于容量较小且空投次数可能较多的变压器，二次谐波制动比应取较小值。即取

15％～16％。

（IV）对处于冶炼及电气机车负荷所占比重大的系统而自身容量小的电源变压器，在其他

容量较大的负荷变压器空充电时，穿越性励磁涌流可能致使其差动保护误动。因此，除应将变压器的二次谐波制动方式改成“或门”（即一相制动三相）之外，二次谐波制动比还应取较小值。例如14％～15％（或12％～13％）。 ⑵ 闭锁角的整定

与二次谐波制动比相似，按间断角原理构成的变压器差动保护，其闭锁角是衡量该差动保护躲励磁涌流能力的一个物理量。闭锁角整定值越大，该差动保护躲励磁涌流的能力越差。反之亦反。

同样，闭锁角整定值的确定应考虑变压器的容量、主接线及系统负荷情况。

（Ⅰ）对于大容量发电机变压器组，当在发电机与变压器之间没有断路器时，闭锁角应整定

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为较大值，可取70°。

（Ⅱ）对于降压变电站中的大型变压器，闭锁角可整定为65°。 （Ⅲ）对于容量较小的变压器，或系统容量小且处于冶炼或电气机车负荷所占比重大系统中的变压器，闭锁角可整定为60°。 3 差动速断元件的整定

变压器差动速断元件是纵差保护的辅助保护。由于变压器差动保护中设置有涌流判别元件，因此，其受电流波形畸变及电流中谐波的影响很大。当区内故障电流很大时，差动TA可能饱和，从而使差流中含有大量的谐波分量，并使差流波形发生畸变，可能导致差动保护拒动或延缓动作。差动速断元件只反应差流的有效值，不受差流中的谐波及波形畸变的影响。

差动速断元件的整定值应按躲过变压器励磁涌流来确定。通常，

Iop?KIN……………………………………………………………………………（11－30）

式中：

Iop— 差动速断元件的动作电流；

K— 一个正值系数；一般取4～8；

IN— 变压器的额定电流（差动TA二次值）。

由式（11-30）可以看出：差动速断元件的动作值决定于系数K，而K的整定应根据具体情况而定。K的大小与变压器容量、主接线及变压器与无穷大系统（母线）之间联系电抗的大小有关：

（Ⅰ）对于在发电机与变压器之间无断路器的大型变压器发电机组，K值可取3～4； （Ⅱ）对于大型发电厂的中、小型变压器（例如有空投可能性的厂高变及启备变），K值可取8～10；

（Ⅲ）对于经长线路与系统联接的降压变电站中的中、大型变压器，K值可取4～6。 （4）过激磁闭锁元件

对过激磁闭锁元件的整定，就是确定5次谐波制动比K5?z的值。 应当指出，采用5次谐波电流作制动量防止变压器过激磁时差动保护误动措施的正确性值得探讨，此时不论述。对有过激磁闭锁元件的纵差保护，5次谐波制动比通常为

K5?z＝0.3。 六 提高可靠性措施

运行实践及统计表明，在变压器纵差保护不正确动作的类型中，因整定值不妥及TA二次回路不良所占的比率很大。因此，为提高保护的可靠性，除了必须保证保护装置高质量之外，还必须对其各元件整定值进行合理的整定及确保其二次回路的正确性、良好性。 1 多发生的不正确动作类型

统计表明，经常发生的差动保护不正确动作的类型有：正常运行时（系统无故障及无冲击）的误动，区外故障时误动、系统短路故障被切除时误动。 2 不正确动作原因分析

（1）变压器正常运行时差动保护误动

分析及统计表明，正常运行时差动保护误动的主要原因有：（A）由于TA二次回路中接线端子螺丝松动，而使回路连线接触不良或短时开路；（B）TA二次回路中一相接触不良，在接触不良点产生电弧进而造成单相接地或两相之间短路（指TA二次回路短路）；（C）TA二次电缆芯线（相线）外层绝缘破坏或损伤，在运行中由于振动等原因造成接地短路；（D）差动TA二次回路多点接地，其中一个接地点在保护装置盘上，其他接地点在变电站端子箱内，两个接地点之间的地电位相差太大，或由于试验等原因，在差动元件中产生差流使其误

29

动。在雷雨天易发生。

（2）区外故障切除时的误动

区外故障被切除时，流过变压器的电流突然减小到额定负荷电流之下。在此暂态过程中，由于电流中自由分量的存在，使两侧差动TA二次电流之间的相位短时（40~60ms）发生了变化，在差动元件中产生差流。两侧差动TA的暂态特性相差越大，差流值越大，持续的时间就越长。又由于流过变压器的电流较小，差动元件的制动电流较小；当差动元件拐点电流整定得过大时，差动元件处于无制动状态。此时，若初始动作电流定值偏小，保护容易误动。 （3）区外故障时的误动

区外故障差动保护误动的情况有两种，一种是近区故障（故障点距变压器近）而故障电流很大；另一种是远区故障而故障电流很小（比变压器额定电流大不多）。

前一种故障时保护误动的原因，多因一侧的TA饱和，在差动元件中产生的差流特别大；后一种故障时保护误动的原因，多是两侧差动TA暂态特性相差大及差动元件定值整定有误（拐点电流过大、启动电流过小等）所致。 3 提高可靠性措施

为提高纵差保护的动作可靠性，应作好以下工作： （1）严防TA二次回路接触不良或开路

在保护装置安装调试之后，或变压器大修后投运之前，应仔细检查TA二次回路，拧紧二次回路中各接线端子的螺丝，且螺丝上应有弹簧垫或防震片。 （2）严格执行反措要求

所有差动TA二次回路只能有一个公共接地点；且该接地点应在保护盘上。 （3）确保差动TA二次电缆各芯线之间及各芯线对地的绝缘

应结合主设备检修，定期检查差动TA二次电缆各芯线对地及各芯线之间的绝缘；用1000V摇表测量时，各绝缘电阻应不小于5MΩ。

另外，在配线过程中，不要损坏电缆芯线外层的绝缘，接端子线的裸体外露部分尽量要短，以免因振动等原因而造成接地或相间短路。 （4）纵差保护用TA的选择

在选择变压器纵差保护TA时，一定要保证各组TA的容量及精度等级。优先采用暂态特性好的TP级TA。

另外，选择二次电缆时，差动TA二次回路电缆芯线的截面应够。对于长电缆，其芯线截面应不小于4mm2（铜线）。

保护装置内部辅助TA的特性应好，还可由软件设置抗TA饱和陷井。 （5）合理的整定值

在对变压器纵差保护各元件的定值进行整定时，应根据变压器的容量、结构、在系统中的位置及系统的特点，合理而灵活地选择定值，以确保保护的动作灵敏度及可靠性。

运行实践表明：过份追求差动保护的动作灵敏度及动作的快速性，是误区的一种。

第四节 其他差动保护

根据变压器的类型、容量、电压等级及其他特点，除应装设反应变压器内部故障的纵差保护之外，还可装只反映某一侧故障的分侧差动保护及反应大电流系统侧内部故障的零序差动保护。

一 分侧差动保护 1 构成接线及特点

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分侧差动保护是将变压器的各侧绕组分别作为被保护对象，在各侧绕组的两端设置电流互感器而实现差动保护。实际上，分侧差动保护多用于超高压大型变压器的高压侧，其原理接线如图11-26所示。

A**B*C*LH1**JAJCJBLH2******

图11-26 变压器高压侧分侧差动原理接线图

在图11-26中：LH1、LH2－差动两侧TA； JA、JB、JC－差动继电器。

由图11-26可以看出：分侧差动保护的原理接线图与发电机纵差保护的原理接线图完全相同。

该保护的优点是：它不受变压器激磁电流、励磁涌流、带负荷调压及过激磁的影响。差动两侧的TA可取同型号及同变比的。因此，其动作电流可以适当降低。与变压器纵差保护相比，其动作灵敏度高、构成简单（不需要涌流闭锁元件及差动速断元件）。

另外，在保护的构成上，由于不需要滤去零序电流，故反映内部靠近中性点绕组接地故障的灵敏度比纵差保护要高。

其缺点是，由于只差接变压一侧的绕组，故对变压器同相绕组的匝间短路无保护作用。另外，保护范围比纵差小。

在三卷自耦变压器上，可实现将高压侧、中压侧绕组作为保护对象的高、中压侧分相差动保护。此时，分别在高压输出端、中压输出端及中性点侧设置TA。以一相差动为例，其原理接线如图11-27所示。

三卷自耦变压器高、中压侧差动保护的优缺点与高压侧差动保护相同。

ABabc..bLH3CLH1LH2a..c..JC 31

图11-27 三卷自耦变压器高、中压侧差动保护原理接线图（以C相差动为例） 2 逻辑框图

以图11-26所示的分侧差动保护为例，其构成逻辑框图如图11-28所示。

?IA?I信号A相差动B相差动C相差动TA断线信号≥1出口An?IB?IBn?IC?ICn

图11-28 变压器分侧差动保护逻辑框图

在图11-28中：I?A、I?B、I?C－分别为变压器输出端差动TA二次A、B、C三相电流； I?An、I?Bn、I?Cn－分别为变压器中性点差动TA二次a、b、c三相电流。 由图11-28可以看出，它与发电机纵差保护的逻辑框图相似。但是，装于大电流系统侧

的分侧差动保护，不能采用循环闭锁。在三相差动元件中，只要有一相动作，便立即作用于切除变压器。

3 差动元件的动作方程及动作特性

变压器分侧差动元件的动作特性与纵差元件的动作特性相似。不同的是整定值。以动作特性为二段折线式的差动元件为例，其动作方程为

?Id?Iop.o ??Ires?Ires.oIres?Ires.o??Id?Iop.o?S(Ires?Ires.o)…………………………………（11-31）

在式（11-31）中：

Id??－差流，Id?IA(B,C)?IA(B,C)n；

??IA(B,C)?IA(B,C)n2Ires? Ire－制动电流，s??，或Ires?maxIA(B,C),IA(B,C)n；

?? Iop.o－启动电流； Ir－拐点电流； e.os IA(B,C)－出线侧TA二次A相（或B相或C相）电流； max－取最大值；

IA(B,C)n－中线点侧TA二次A相（或B相或C相）电流。 根据式（11-31）绘制出的差动元件的动作特性如图11-29所示。

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Id区作动?Iop.oS?tg?Ires.oIres 图11-29 分侧差动元件的动作特性曲线

在图11-29中：各符号的物理意义同式（11-31）。 4 整定原则及定值建议 （1）启动电流Iop.o

分侧差动元件的动作电流可按下式计算

Iop.o?Krel(Ker?K2)IN ………………………………………………（11-32） 式中：

－可靠系数，取1.2~1.5；

Ker－两侧TA变比误差，5P级TA，取0.01×2，10P级TA，取0.03×2； IN－变压器该侧的额定电流，TA二次值； K2－通道调整及传输误差，取0.05×2＝0.1。

Krel将各系数值代入式（11-31）得 Iop.o＝（0.24~0.32）IN

（2）比率制动系数S

比率制动系数S，按躲过变压器出口短路的最大不平衡电流来整定。设变压器出口短路时的最大短路电流为Ikmax，在差动元件中产生的最大不平衡电流为Iunbmax，则

Iunbmax?(Kes?K2?K3)Ikmax …………………………………………..（11-33）

在式（11－33）中：

Kes－两侧差动TA的误差，取0.1； K2－通道传输及调整误差，取0.1；

K3－两侧TA暂态特性的误差，取0.1，同变比、同型号的TA可取0.05。 代入式（11-33），得

Iunbmax＝（0.25~0.3）Ikmax

若忽略拐点电流对计算的影响，则在差动元件动作特性平面上，通过最大不平衡电流点曲线的斜率为

S?Kes?K2?K3

则比率制动系数

S?Krel?S? ……………………………………………………….（11-34） 式中： S－比率制动系数；

Krel－可靠系数，取1.2~1.3； 代入式（11-34）得

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S＝0.3~0.39，可取0.4。 （3）拐点电流Ires.o

同变压器纵差保护相同，分侧差动元件拐点电流的整定原则是：在外部故障切除后的暂态过程中，差动元件被可靠制动。

通常Ires.o＝（0.6~0.8）IN（IN－变压器的额定电流，TA二次值）。

二 零差保护

1 构成接线及特点

目前，大容量超高压三卷自耦变压器在电力系统中得到了广泛应用。运行实践表明：220~500KV的变压器，大电流系统侧的单相接地短路是其容易发生的故障类型之一。变压器零差保护是变压器大电流系统侧内部接地故障的主保护。

三卷自耦变压器零序差动保护原理接线如图11-30所示。

******LH2******LH1Jo**LH0

图11-30 自耦变压器零差保护原理接线图

在图11-30中：LH1、LH2、LHO－分别为变压器高压侧、中压侧及中性点的零序TA； JO－零差元件。

由图11-30可以看出，自耦变压器高压侧及中压侧的TA，采用三相同极性并联构成零序滤过器。

零差保护不受变压器激磁电流及带负荷调压的影响，其构成简单，动作灵敏度高。 另外，零差元件各侧TA可以取同型号及同变比的。 2 动作方程及动作特性

为提高零差保护的动作灵敏度及工作可靠性，应采用其动作特性为一段折线式的差动元件。

差动元件动作特性取一段折线式的原因，是变压器正常工况下及外部相间故障时没有零序电流，此时差动元件中无制动量。

在工程实践中，不带制动特性的零差元件也有采用。 一段折线式零差元件的动作方程为

???Iod?Iop,o …………………………………………………….（11-35）

??Iod?SIores式中：Iod－零序差流；

Ior－零序制动电流； e Iop.o－零序差动元件的启动电流；

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S－比率制动系数。

不带制动零差元件的动作方程为

Iod?Iop.o …………………………………………………….（11-36） 式中：Iod－零序差流；

Iop.o－差动元件的动作电流整定值。

根据式（11-35）绘制出的一段折线式零差元件的动作特性如图11-31所示。

Iod区作动?Iop.oIoresS?tg?

图11-31 零差元件的动作特性

在图11-31中：各符号的物理意义，同式（11-35）。 3 整定计算

零差保护的整定计算，对动作特性为一段折线式零差元件，是要确定比率制动系数S及启动电流Iop.o；而对于无制动特性的零差元件，是确定其动作电流Iopo。 （1）动作特性为I段折线式的零差元件 （I）最小零序动作电流Iop.o的整定

最小零序动作电流Iop.o的整定原则，应躲过正常工况下差动回路的零序不平衡电流。 正常工况下零差回路的不平衡电流可按下式计算：

Iounb??Ker?K2?IN………………………………………………………………（11-37） 式中：

— 变压器的额定电流（差动TA二次值）；

Ker—各侧不同相差动TA变比不同产生的零序电流，取5％； Iounb－不平衡零序电流；

K2—通道转换及调整误差，取10％。

IN零差元件的最小动作电流为：

Iop.o?Krel?Ker?K2?IN…………………………………………………………（11-38）

式中：

Krel—可靠系数，取1.5～2；

故Iop.o＝（0.225～0.3）IN，可取0.3IN。 （II）比率制动系数S

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比率制动系数的整定原则是：应能使零差保护可靠地躲过区外接地故障时的最大零序不平衡电流。

区外接地故障时最大不平衡零序电流

Iounbmax??Ker?K2?K3?Iok.max………………………………………………（11-39） 式中：

Iok.max—区外接地故障时的最大零序电流；

TA暂态特性不一致产生的误差，取0.1；

K2—区外故障时TA的10％误差，即0.1； Iounbmax－最大零序不平衡电流； K3—通道转换及调整误差，取0.1。 故Iounbmax＝（0.3）3Iok.max

为可靠躲过外部故障，比率制动系数：

S?Krel?0.3?3Iok.max…………………………………………………………… （11-40）

3Iok.maxKer—区外故障时，由各

式中：

Krel—可靠系数；取1.3～1.5。

代入上式得：

S＝0.39～0.45，可实取0.4～0.5。 （2）无制动特性的零差保护

无制动特性的零差保护的动作电流，应按躲过区外接地故障或励磁涌流产生的不平衡电 流来整定。

Iop.o?Krel?Ker?K2?K3?Iok.ma……………………………………………… （11-41） x式中：

Iop.o—零差元件的动作电流；

—可靠系数；取1.5；

Ker、K2、K3—其物理意义同式（11-39）； Iok.max—区外接地故障时的最大零序电流。

Krel 将各值代入式（11-41）得：

Iop.o＝0.375Iok.max 实取0.4Iok.max。

要指出的是：为防止区外故障时零差保护误动，中性点零差TA的变比不宜过小，以防故障时该TA饱和。各侧零差TA最好取同型号及同变比的。

第五节 差动保护的TA断线闭锁

为确保差动保护的动作灵敏度，具有比率制动特性的差动元件的启动电流均很小。这样，当差动元件某侧TA二次的一相或多相断线时，差动保护必将误动。

目前，国内生产的微机型变压器差动保护中，均设置有TA断线闭锁元件。在变压器运行时，一旦出现差动TA二次回路断线，立即发出信号并将差动保护闭锁。 一 TA断线闭锁元件的作用原理

在理想情况下，若不考虑差动保护区内、外不同两点接地短路，则TA二次三相电流之

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和应等于零，即

I?a?I?b?I?c?0

若TA二次回路中一相断线时，则 I?a?I?b?I?c?0

根据以上原理及变压器接线组别、变压器中性点是否接地运行，提出以下TA二次回路断线闭锁判据：

?????I?a?Ib?Ic?3Io??1 ? ………………………………………….（11-42）

????3I2?0式中：?1、?2－门槛值，可根据不平衡差流的大小确定； 3I?0－零序电流，TA二次值；

I?a、I?b、I?c－分别为TA二次a、b、c三相电流。 该判别TA断线的方法有一很大的缺点，3I?0应由其他TA供给。

目前，在微机型保护装置中，多采用根据电流变化情况、变化趋势及电流量值大小来判

断TA断线的。当测量出只有变压器一侧的电流发生了变化，且变化趋势是电流由大向小变化、而电流值小于额定电流时，被判为电流变化侧的TA断线。

当变压器各侧电流均发生变化，且电流变化趋势是由小向大变化、而变化后电流的幅值又大于额定电流，则说明电流的变化是由故障引起的。

二 关于TA断线闭锁元件的作用

众所周知，TA二次回路不能开路。如果TA二次回路开路，将在开路点的两侧产生很高的电压，危及人身及二次设备的安全。另外，在开路点可能产生电弧，进而引起火灾。

变压器的容量越大及TA变比越大，TA二次回路开路的危害越严重。运行实践已充分证明。

因此，当差动保护TA二次开路时，差动保护动作切除变压器，是防止人身伤害及损坏设备的有效办法。

对于大容量的主设备，由于TA的变比很大，TA断线闭锁元件只应发信号而不要闭锁差动保护。

第六节 短路故障的后备保护

大、中型变压器短路故障后备保护的类型，通常有复合电压过电流保护、零序电流及零序方向电流保护、负序电流及负序方向电流保护、低阻抗保护及复合电压方向过流保护。 一 复合电压过电流保护

复合电压过电流保护，实质上是复合电压启动的过电流保护。它适用于升压变压器、系统联络变压器及过电流保护不能满足灵敏度要求的降压变压器。 1 动作方程及逻辑框图

复合电压过流保护，由复合电压元件、过电流元件及时间元件构成，作为被保护设备及

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相邻设备相间短路故障的后备保护。保护的接入电流为变压器某侧TA二次三相电流，接入电压为变压器该侧或其他侧TV二次三相电压。为提高保护的动作灵敏度，三相电流一般取自电源侧，而电压一般取自负荷侧。

保护的动作方程为

??Uac?Uop ? ……………………………………………………….（11-43）

I?I?a(b,c)op? ???U2?U2op??Ia(b,c)?Iop ……………………………………………………….（11-44）

式中：Uac－TV二次a、c两相之间电压； Ia(b,c)－TA二次a相或b相或c相电流； U2－负序电压（TV二次值）； Iop－过电流元件动作电流整定值； Uop－低电压元件动作电压整定值； U2op－负序电压元件的动作电压整定值。 复合电压过电流保护动作逻辑框图如图11-32所示。

Uac＜≥1信号U2＞&Ia＞Ib＞Ic＞≥1t0出口

图11-32 复合电压过电流保护逻辑框图

在图中：Uac＜－接在a、c两相电压之间低电压元件； U2＞－负序过电压元件；

Ia＞、Ib＞、Ic＞－分别为a、b、c相过电流元件。

由图可以看出：当变压器电压降低，或负序电压大于整定值及a相或b相或c相过电流时，保护动作，经延时t作用于切除变压器。 2 整定原则及定值建议 （1）过电流元件

过电流元件的动作电流，按躲过变压器运行时的最大负荷电流来整定，即

Iop?KrelI ……………………………………………………..（11-45） KrN式中：Iop－动作电流整定值；

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Kre－可靠系数，取1.15~1.2； l Kr－返回系数，取0.95~0.98；

IN－变压器额定电流，TA二次值。 代入式（11-45）可得

Iop＝（1.17~1.2）IN。

（2）低电压元件

低电压元件的动作电压按躲过无故障运行时保护安装处出现的最低电压来整定。即

Uop?Umin ……………………………………………………（11-46）

Krel?Kr式中：Uop－动作电压整定值；

Umi－正常运行时出现的最低电压值； n Kr－返回系数，取1.05； Kre－可靠系数，取1.2。 l发电厂厂高变复合电压过电流保护低电压元件的引入电压，通常取自变压器低压侧各段厂用母线。其低电压元件的动作电压，应按躲过电动机自启动的条件整定。对于发电厂升压变压器，当低电压元件的电压取自机端TV二次时，还应考虑躲过发电机失磁运行出现的低电压。

一般 Uop＝（0.6~0.7）UN 式中：UN－额定电压（TV二次值）。

（3）负序电压元件

按躲过正常运行时系统中出现的最大负序电压整定。此外，还应满足相邻线路末端两相短路时负序电压元件有足够的动作灵敏度。通常

U2op?10%UN

式中：UN－额定电压（TV二次值）。

（4）动作延时

应按与相邻线路相间短路后备保护相配合整定。即 t?tmax??t

式中：t－复合电压过流保护的动作延时；

tma－相邻线路相间短路后备保护的最长延时； x ?t－时间级差，一般取0.3~0.5秒。

二 零序电流及零序方向电流保护

电压为110KV及以上的变压器，在大电流系统侧应设置反映接地故障的零序电流保护。有两侧接大电流系统的三卷变压器及三卷自耦变压器，其零序电流保护应带方向，组成零序方向电流保护 。

两卷或三卷变压器的零序电流保护的零序电流，可取自中性点TA二次，也可取自本侧TA二次三相零线上的电流，或由本侧TA二次三相电流自产。零序功率方向元件的接入零序电压，可以取自本侧TV三次（即开口三角形）电压，也可以由本侧TV二次三相电压自产。在微机型保护装置中，零序电流及零序电压大多是自产，因为有利于确定功率方向元件动作方向的正确性。 1 动作方程及逻辑框图

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对于大型三卷变压器，零序电流保护可采用三段，其中I段及II段带方向，第III段不带方向兼作总后备作用。每段一般由两级延时，以较短的延时缩小故障影响的范围或跳本侧断路器，以较长的延时切除变压器。

以三卷变压器为例，其零序电流保护的动作方程为 零序I段

?零序II段 ???3I0?Iop2……………………………………………………………….（11-48）

P?0??0??3I0?Iop1……………………………………………………………….（11-47）

??P0?0零序III段

3I0?Iop3 ……………………………………………………………….（11-49） 在上述三式中：

P0－零序功率元件的测量功率； 3I0－零序电流元件的测量电流；

Iop1、Iop2、Iop3－分别为零序I段、II段、III段动作电流的整定值。 零序方向电流保护的逻辑框图一般如图11-33所示。

t13Io?Iop10≥10出口(缩小故障范围)&t2P03Io?Iop23Io?Iop3&t3t500≥1出口(切除变压器)t40

图11-33 三卷变压器零序方向电流保护逻辑框图

在图11-33中：3I0、P0、Iop1、Iop2、Iop3的物理意义同式（11-47）~（11-49）。 由图11-33可以看出：零序方向电流保护的I段或II段动作后，分别经延时t1或t3作用于缩小故障影响范围，而经t2或t4切除变压器。零序III段不带方向，只作用于切除变压器。 2 整定原则及定值建议

（1）功率方向元件的动作方向

零序功率方向元件动作方向的整定，应根据变压器的作用、保护安装位置（电气位置）及电力系统的具体情况确定。 （I）发电厂的三卷升压变压器

发电厂的三卷升压变压器，其低压侧一般接有大容量的发电机。发电机设置有完善的后备保护，可兼作变压器内部各种短路故障的后备保护。另外，大型超高压变压器的主保护已双重化。此时，变压器高压侧及中压侧的零序电流保护，应分别作为相邻母线及线路故障的后备保护，因此，保护的动作方向应分别指向各侧的母线。 （II）大型变电站的降压变压器

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