变压器纵联差动保护基本原理简介

变压器纵联差动保护的基本原理与发电机纵联差动保护相同。但由于变压器内部结构、运行方式、电量特征均各有其特点，产生了一系列特有的技术问题，因此，其差动保护在构成上与发电机纵差保护有较大的不同。例如，需要根据变压器各侧绕组连接组别的不同来确定多侧差动接线方式，又如必须妥善处理大励磁涌流引起差动保护误动的问题等，下面分别加以介绍。

首先，为了保证差动保护的正确工作，就必须选择变压器各侧保护用的电流互感器的变比，使得正常运行或外部短路时，流过保护装置的电流≈0或很小，保护不会误动作。以图7.1所示双圈变压器为例，图中，下面说明为变压器各侧TA变比的选择条件。

图7.1　变压器纵联差动保护的原理接线

（1）接线方式及比率制动判据

三相变压器高、低压侧（有时还有中压侧）绕组接线方式（即连接组别）通常不同，例如，常见的主变具有高、低压双侧绕组，采用Y、d11（即Y/△—11）型接线方式，因此，变压器两侧同名相电流的相位不一致。在正常运行工况下，一方面变压器三角形侧的线电流比星形侧对应的线电流超前30°；另一方面因变压器变比K的影响，高、低压侧额定电流也不相同。为了保证正常运行时在变压器差动保护的二次回路中原、副方电流的幅值与相位基本一致，在选取电流互感器的二次接线方式与变比时需考虑进行相位与幅值校正。图7.2示出了Y，d11双绕组变压器原、副方电流互感器二次侧的接法。图中变压器星形侧的电流互感器副方采用三角形接线，而变压器三角侧的电流互感器副方采用星形接线，这样变压器两侧电流互感器二次回路同名相电流分别与（以及）的相位一致，实现了相位校正。

由于变压器高压侧（星形侧）电流互感器副方采用三角形接线，使差动保护输入电流较之每相电流互感器副方电流幅值扩大倍，因此，该侧电流互感器变比的选择也需要在副方按额定电流考虑的基础上相应地扩大倍（幅值校正），以保证正常运行时输入差动保护的电流为最小电流。

变压器差动保护通常采用发电机纵差动保护类似的折线比率制动特性（见图7.2）。根据图7.1假定了正方向，并以a相电流为例，流过差动保护的电流ID：

选择三侧电流中最大一相电量为制动量Ibrk，即

图7.2　变压器差动保护的电流互感器接线

参照式（7.1）直接可写出差动保护动作方程为：

在实际应用中，需要安装三相差动元件，经“或”门出口。

采用比率制动特性后，最小动作电流Iop.min只需躲过正常运行时最大不平衡电流，不平衡电流主要有：

①由于变压器高、低压侧电流互感器变比不能完全满足要求而产生不平衡电流。因电流互感器变比按标准变比设计，难于恰好与变压器变比相匹配，因而有可能产生不平衡电流。此不平衡电流通常是在保护装置中的I—U变换部分通过调整负载电阻来实现，可以做到较精细的调节，基本上能够消除此种不平衡电流影响。

②带负荷调压而产生的不平衡电流。在改变带负荷调压变压器的分接头位置时，实际上变比已发生改变，产生不平衡电流Iunb.T与调压范围ΔU有关，其最大值可用下式计算：

式中　nTA.Y——变压器星形侧电流互感器变比；

ΔU——变压器调压范围；

IY——流过变压器星形侧的最大电流。

当IY=IN（额定电流），Iunb.T.max即为正常运行工况下最大不平衡电流；当IY取为主变星形侧最大短路电流时，则Iunb.T.max为所有工况下最大不平衡电流（带负荷调压引起）。

③变压器两侧电流互感器误差不同产生的不平衡电流。主要通过尽量选择同型同特性的差动保护专用电流互感器，以及减小电流互感器二次负荷等措施来减小此种不平衡电流。

④励磁涌流。这是变压器差动保护必须专门解决的，下面详细说明。

（2）励磁涌流及其制动措施(https://www.xing528.com)

变压器在正常运行工况下的励磁电流很小，一般不超过额定电流的3%～6%。当变压器外部发生短路故障时，由于系统电压降低，致使励磁电流减小，可以不予考虑。当变压器空载投入或者外部故障切除电压恢复时，励磁电流突然大大增加，其值可达变压器额定电流的6～8倍，该电流称为励磁涌流。由于励磁涌流是单侧注入性电流，其幅值又很大，因此会造成比率制动判据误判。变压器差动保护需要解决的突出问题就是，既能可靠地躲过励磁涌流，又能正确地反映内部故障。

为了使差动保护躲过励磁涌流，需要在实际运行条件下对励磁电流波形特征进行分析。励磁电流分析和计算比较复杂，与很多因素（如变压器的结构形式、接线方式、电压突变初相角、电流、电压、阻抗角、铁芯饱和磁通和剩磁通等）密切相关。

当空投变压器到电压u为恒定的无穷大系统的母线上，设u=Umsinωt忽略变压器漏抗，变压器一次匝数N=1，则有：

在t=0合闸瞬间，φ不能突变，只有剩磁φr，即

变压器的空载合闸的总磁通为：

经半个周期（ωt=180°）时：

若φr=0.9Φm，作u和φ的波形如图7.3所示，这样大的磁通会产生很大的励磁电流，称为励磁涌流，此励磁涌流可由φ（t）直接从铁芯曲线作出来。

图形的画法：过S点作水平线交φ（t）于S′S″（S点为开始饱和的磁通），再作S′S″垂线交横轴于θ1，θ2，对应于某φX，由磁化曲线得iX，通过φX作水平线交φ（t）于N点，过N点作垂线MT=iX，连接θ1T得i（t）的一部分。用这种方法可以求出空合变压器励磁涌流的变化曲线，如图7.4所示，可以看出，励磁涌流有如下特点：

①变压器每相绕组励磁涌流中含有较大的二次谐波分量，其含量大小与铁芯饱和磁通、剩磁大小以及电压突变初相角等因素直接相关，对于三角形接法侧的线电流所代表的两相涌流之差来说，有的二次谐波分量可能很小，但总有一个两相涌流之差中的二次谐波分量占基波分量的比值超过20%。

②每相涌流及二相涌流差的波形均会出现所谓间断角。

③在变压器内、外部故障的短路电流中，二次谐波分量所占比例较小，一般也不会出现波形间断。

图7.3　α=0，φr=0.9φm的空载合闸磁通

图7.4　单相变压器励磁涌流的作图求解

利用特点①可以构成二次谐波制动的变压器差动保护，使之有效地躲过励磁涌流的影响。为了在发生涌流时可靠制动，通常对各相差电流分别求取二次谐波对基波的比值，只要其中有一相超过预先整定的二次谐波制动比，即可闭锁差动保护总出口（或闭锁三相差动元件）；利用特点②可以构成间断角原理的变压器差动保护，克服励磁涌流的不利影响。当出现涌流时，相邻波形之间不连续，出现间断角θd。所谓间断角，定义为涌流波形中在基频周波内保持为0的那一段波形所对应的电角度。相应地定义波宽为涌流波形在一基频周期内不为0的那一段所对应的电角度，即波宽θW=2π-θd。在实际应用中，由于电流互感器等元件暂态过程的影响，会出现间断角消失的现象，因而采用输入差电流波形的导数及其他相应的措施恢复间断角，并用涌流导数的间断角和波宽构成涌流判据。

注意：对于三相变压器，电流互感器二次侧所得到的电流总为两相电流差。励磁涌流间断角的大小与电压初相角α、变压器铁芯饱和磁通Βb以及剩磁大小与Βr有关。当其他条件不变时，单独增大α，间断角θd随之增大；当Bb减小时，θd相应减小；而当Βr增大时，θd随之减小。在某一确定的初相角α下，流入继电器的涌流的导数具有最小间断角和最大波宽。

涌流的判据取决于涌流导数的可能最大波宽和最小间断角，它们又主要取决于最大剩磁密度。根据计算分析及国内外测量结果，考虑最大剩磁密度为0.5 Bm～0.7 Bm（Bm为变压器工作磁通密度最大值），差动保护的涌流判别元件可采用下述判据：

该判据与广泛采用的间断角原理判据相比，增加了测量波宽，使得允许的最大剩磁密度达到0.7Bm，并可保证变压器在过励磁时不误动。

（3）变压器差动保护的其他辅助性措施

①差动电流速断。当变压器内部发生严重故障时，差动电流可能大于最大励磁涌流，这时便不需再进行是否励磁涌流的判别，而改由差流元件直接出口。这是因为对于长线或附近装有静止补偿电容器的场合，在变压器发生内部严重故障时，由于谐振也会短时出现较大的衰减二次谐波电流，或者因主电流互感器及中间电流互感器严重饱和而产生二次谐波电流，谐波比制动元件可能会误闭锁保护，直到二次谐波衰减后才返回开放出口；同时，谐波比制动元件本身固有延时较大。这些情况对快速切除严重故障是不利的，利用差动电流速断元件直接出口能克服这个不足。

②电流互感器断线闭锁。大型变压器对差动保护的灵敏系数要求较高，如要求能灵敏地动作于变压器内部匝间短路故障，因而最小差流动作值均低于额定电流，并且三相比率制动元件均以“或”门出口方式，而不宜采用任意两相“与”的出口方式，因此在电流互感器断线时会误动。为此，变压器差动保护需要附设专门的电流互感器断线闭锁装置。