变压器差动保护

变压器差动保护讲课资料

一、 引言：

电力变压器对电力系统的安全稳定运行至关重要。一旦发生故障遭到损坏，将会造成很大的经济损失，因此，对继电保护的要求很高，差动保护是变压器主保护之一，动作迅速、灵敏而且可靠。该保护也是我们继电保护调试人员在工作中经常接触到的设备。下面将介绍一些有关于差动保护方面的一些知识。

二、 差动保护的作用：

差动保护是防止变压器内部故障的主保护，在35KV及以上变电站中普遍采用，主要用于保护双绕组或三绕组变压器绕组内部及其引出线上发生的各种相间短路故障，同时也可以用来保护变压器单相匝间短路故障。差动保护的范围是构成变压器差动保护的电流互感器之间的电气设备以及连接这些设备的导线。简单地讲，就是输入的两端TA之间的设备。由于差动保护对保护区外故障不会动作，因此差动保护不需要与区外相邻元件保护在动作值和动作时限上相互配合，发生区内故障时，可以整定为瞬时动作。差动保护原理简单、使用电气量单纯、保护范围明确、动作不需延时，所以用于变压器主保护。

三、 差动保护的原理：

差动保护是利用基尔霍夫电流定律中“在任意时刻，对电路中的任一节点，流经该节点的电流代数和恒为零”的原理工作的。差动保护把被保护的变压器看成是一个节点，在变压器的各侧均装设电流互感器，把变压器各侧电流互感器副边按差接线法接线，即各侧电流互感器的同极性端都朝向母线侧，将同极性端子相连，并联接入差动继电器。在继电器线圈中流过的电流是各侧电流互感器的副边电流之差，也就是说差动继电器是接在差动回路的，从理论上讲，正常情况下或外部故障时，流入变压器的电流和流出的电流（折算后的电流）相等，差回路中的电流为零。

当变压器正常运行或区外故障（流过穿越性电流）时，各侧电流互感器的副边电流流入保护装置，通过微机保护程序运行，各侧电流存在的相位差由软件自动进行校正，自动计算出各侧电流IH-(IM-IL)接近为零（IH

为高压侧电流，IM为中压侧电流，IL为低压侧电流）则保护不动作。当变压器内部发生相间或匝间短路故障时，两侧（或三侧）向故障点提供短路电流，在差动回路中由于IM或IL改变了方向或等于零，流入差动继电器的电流IH-(IM-IL)不再接近于零，当差动电流大于差动保护装置的整定值时，保护动作，将被保护变压器的各侧断路器跳开，使故障变压器断开电源。下图为差动保护原理接线图

四、 差动保护接线特点：

在电力系统中，三绕组变压器通常采用YN，Yn,d11的接线方式，因为各侧电流相位不一致，d侧电流比y侧电流超前30°，从而在变压器差动保护的差回路中产生较大的不平衡电流。在原来的电磁式保护中，按照差动保护原理，在正常运行或有穿越性电流流过时，流入继电器的电流必须为零，即必须保证电源侧与负荷侧电流相位相差180°，使流入差动继电器的电流接近于零。因此，必须通过改变接线组别的方法矫正相位差，而改变接线组别的话，既麻烦且容易出现错误。在微机保护逐渐普及的今天，由于软件计算的灵活性，允许变压器各侧TA二次侧都按Y形接线，在进行差动计算时由软件对变压器副边电流进行相位校准，各侧电流存在的相位差由软件自动进行校正，简化了TA接线，现场施工中简单易行。

由软件进行相位校准后，还必须对各侧TA变比进行计算调整，才能消除不平衡电流对变压器差动保护的影响。在微机保护装置中变比的计算调整也是靠软件实现的，将计算出的TA调整系数当作定值送入微机保护，

由保护软件实现TA自动平衡功能，消除不平衡电流的影响。应注意的是采用微机型差动保护装置之后各侧差动TA的极性仍然朝向母线侧，只有这样的接线才能保证软件计算正确。

五、 差动保护电流互感器方面的一些问题：

1、电流互感器连接组的变比匹配和相位修正

一般来说，在电力变压器中有电流流过时，通过变压器各侧电流互感器的二次电流不会正好完全平衡，这是由于变压器的变比和接线组别以及变压器各侧的电流互感器的变比和接线等情况有关。这些因素主要是：1）变压器各侧的电压等级，包括分接头情况2）变压器各侧的电流互感器情况及其接线方法3）变压器Y-△接线下造成的电流相位差4）变压器Y接线绕组侧中性点接地情况5）变压器△侧有无接地故障零序电流电源。

常规的变压器差动保护装置，采用电流互感器接线修正来修正相位差，并通过内部的器件进行变比匹配或者通过专用的外部辅助电流互感器进行变比匹配，从而解决这些问题。目前，微机型变压器差动保护装置利用本身方便的计算条件，通过保护软件单纯地以数学方法来实现匹配各种变压器和其电流互感器TA的变比，以及被保护变压器接线组别形成的相位差。不需要装置内部的器件进行变比匹配或专用的外部辅助电流互感器进行变比匹配。

2、电流互感器饱和的问题

常规电磁耦合方式的电流互感器，由于故障电流大或系统时间常数

长以及电流互感器本身的剩磁因素引起的电流互感器饱和情况，会对变压器差动保护装置产生极为不利的影响，特别是电流互感器的暂态饱和对引用变压器各侧电流量的变压器差动保护的影响更大。

目前，一方面对于电流互感器的选型已经考虑或注意到电流互感器

的暂态饱和问题，另一方面要求保护装置本身具有一定的抗电流互感器饱和的能力。对于保护装置采用的判别方法主要是利用电流互感器饱和后的电流特征识别，如电流波形识别法、谐波含量判别法、时差判别法等。通过对电流量和电压量综合判别，对于电流互感器二次电路的各种断线或短路情况都能很好地判别出来。

3、电流互感器接线的相序、极性和接地问题

变压器差动保护按照有关的规定，在保护投运前要严格检查输入保护装置的电流互感器接线电路的相序和极性，确保变压器差动保护的正确动作。但现场确有接错变压器各侧电流互感器三相电路的接线，导致相序和极性错误的情况发生，造成变压器差动保护不应有的误动。如果保护装置本身可以直观的显示输入的变压器各侧电流量的相角、幅值，那么对于变压器差动保护的各侧电流互感器接线的相序和极性检查会有很大的帮助，对变压器差动保护的安全稳定运行又多了一份保证。利用微机型保护的较强人机接口功能，可以直观显示变压器各侧电流量的相对相位角度和幅值，显示差流的幅值等，观察输入电流量的测量情况。因此，在变压器投运后带有轻负荷的情况下，由现场的保护技术人员通过观察变压器差动保护装置显示的变压器各侧电流量的情况和差流的情况，绘出变压器各侧电流量的向量图，就可以直接分析验证变压器各侧电流互感器电路接线是否正确。

现场也有将接入变压器差动保护装置的电流互感器二次回路多点

接地的情况发生，造成变压器差动保护装置误动或异常，解决这一问题一方面靠严格执行有关的规程进行施工外，另一方面在变压器投运后带有负荷的情况下，如果变压器差动保护装置测量显示的差流不正常，在排除了相序接线错误和装置本身数字化平衡变压器各侧电流量的整定值错误的情况下，那么可以检查电流互感器二次回路是否有多点接地的情况存在。

3、差动保护用电流互感器的基本要求

差动保护用的电流互感器需要满足两个条件，其一是稳态误差必须

控制在10%误差范围之内，因为整定计算中采用的不平衡稳态电流是按10%误差条件计算。其二是暂态误差，影响电流互感器暂态特性的参数主要有：短路电流及非周期分量，一次回路的时间常数，电流互感器工作循环及经历时间，二次回路时间常数等。电流互感器剩磁对于饱和影响很大，当剩磁与短路电流暂态分量引起的磁通极性相同时，加重二次电流的畸变，因此电流互感器铁芯中存在剩磁，则电流互感器可能在一次电流远低于正常饱和值即过早饱和。差动保护的暂态不平衡电流比稳态时大得多，仅在整定计算时将稳态不平衡电流增大二倍是不够安全的。采取抗饱和的办法是使用带有气隙的TPY级电流互感器。但是差动保护广泛使用的是P级电流互感器，对P级电流互感器规定允许稳态误差不超过10%，暂态误差必然超过稳态误差，在使用上可在按稳态误差选出

的技术规范上通过“增加磁密度”以限制暂态误差。

采用增加磁密度的方法有以下几种：1）将准确限值系数增大二倍（允

许短路电流为额定电流的倍数）2）将二次额定负载增大一倍3）增加二次电缆截面，使二次回路的总电阻减半4）改用5P级电流互感器（复合误差由10%降低为5%）。

目前110KV及以下电压等级均采用P级电流互感器，220KV变压器

也采用P级电流互感器或5P级、PR级（剩磁系数小于10%）电流互感器，因此差动保护需要采取抗电流互感器饱和的措施。

六、 差动保护不平衡电流产生的原因与对策：

在实际运行中，由于各种因素的影响会引起差动回路中流过不平衡

电流，而且不平衡电流往往对于变压器差动保护的正常工作影响很大，如果不能够很好解决这些问题，就会直接影响变压器差动保护的性能，甚至造成变压器差动保护误动或拒动。

1、不平衡电流产生的原因

各侧电流互感器的特性不可能完全一致，例如35KV侧是使用断路器

中的套管式电流互感器，而10KV侧多数是在高压开关柜内装设独立的环氧树脂浇铸式电流互感器，这两者之间不但型号不同，而且特性也不一致，势必在差回路中引起不平衡电流。变压器的励磁涌流也是引起不平衡电流的一个原因，变压器空载合闸或外部短路故障切除后电压恢复时，在变压器电源侧绕组中将产生很大的励磁涌流，达到额定电流的6-8倍，由于此电流只流过变压器电源侧绕组，因此，在差回路中必然要出现较大的不平衡电流。此外，运行中的变压器带负荷调压使分接开关位置改变后，电流互感器二次电流的平衡关系被破坏，在差回路中产生不平衡电流。变压器区外短路时，由于穿越性短路电流使TA铁芯饱和，从而使不平衡差流增大，而且穿越性电流越大，不平衡差流就越大，二者呈现线性关系。

2、对于不平衡电流的对策

对于电流互感器型号不同的对策是使用厂家相同、伏安特性相同、

准确级次相同的电流互感器，对于励磁涌流的影响可以使用带有速饱和线圈的差动继电器，或者使用带有二次谐波制动的微机保护装置进行克

服，对于改变有载分接开关与区外穿越性故障的情况可以相应引入复式比率差动保护，就是按复式比率大小而动作的差动保护，它能满足正常运行、区外故障、内部故障及励磁涌流等多种情况对保护的要求。在变压器严重内部故障时，短路电流很大的情况下，TA严重饱和产生很大的不平衡电流，影响了复式比率差动保护的快速动作，所以差动保护还应有差动速断保护，作为辅助保护，以加快保护动作速度。

七、 结束语：

虽然变压器差动保护装置越来越先进、智能化越来越高，但是也对

从事相关工作的人员提出了更高的要求——需要工作人员熟练掌握继电保护装置和自动装置的基本原理、接线方式和动作过程、整定原则，熟悉保护装置的技术说明书，掌握保护装置的构成、调试和使用方法，根据主变实际运行状况，科学合理地调整保护定值，最大限度地降低变压器差动保护中的误动或拒动。

服，对于改变有载分接开关与区外穿越性故障的情况可以相应引入复式比率差动保护，就是按复式比率大小而动作的差动保护，它能满足正常运行、区外故障、内部故障及励磁涌流等多种情况对保护的要求。在变压器严重内部故障时，短路电流很大的情况下，TA严重饱和产生很大的不平衡电流，影响了复式比率差动保护的快速动作，所以差动保护还应有差动速断保护，作为辅助保护，以加快保护动作速度。

七、 结束语：

虽然变压器差动保护装置越来越先进、智能化越来越高，但是也对

从事相关工作的人员提出了更高的要求——需要工作人员熟练掌握继电保护装置和自动装置的基本原理、接线方式和动作过程、整定原则，熟悉保护装置的技术说明书，掌握保护装置的构成、调试和使用方法，根据主变实际运行状况，科学合理地调整保护定值，最大限度地降低变压器差动保护中的误动或拒动。

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