变压器纵联差动保护的基本特点详解

变压器的纵联差动保护的主要特点是需要避开流过差动回路的不平衡电流。现对其不平衡电流产生的原因和消除方法分别讨论如下：

（1）由变压器励磁涌流所产生的Iu.su不平衡电流。

变压器的励磁电流Iu仅流经变压器的某一侧，因此，通过电流互感器反应到差动回路中不能被平衡。在正常运行情况下，此电流很小，一般不超过额定电流的2%～10%。在外部故障时，由于电压降低，励磁电流减小，它的影响就更小。

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电流（又称励磁涌流）。这是因为在稳定工作情况下，铁芯中的磁通应滞后于外加电压90°，如图62（a）所示。如果空载合闸时，正好在电压瞬时值u＝0时接通电路，则铁芯中应该具有磁通-φm。由于铁芯中的磁通不能突变，将出现一个非周期分量的磁通，其幅值为＋φm。经过半个周期以后，铁芯中的磁通将达到2φm。如果铁芯中还有剩余磁通φs，则总磁通将为2φm＋φs，如图62（b）所示。此时，变压器的铁芯严重饱和，励磁电流Iu将剧烈增大，如图62（c）所示，此电流就称为励磁涌流Iu.su，其数值最大可达到额定电流的6～8倍，同时包含有大量的非周期分量和高次谐波分量，如图62（d）所示。励磁涌流的大小和衰减时间，与外加电压的相位、铁芯中的剩磁的方向和大小、电源容量的大小、回路的阻抗，以及变压器容量的大小和铁芯性质等都有关系。例如，正好在电压瞬时值为最大时合闸，就不会出现励磁涌流，而只有正常时的励磁电流。对于三相变压器而言，无论在任何瞬间合闸，至少有两相将要出现程度不同的励磁涌流。

图62　　变压器励磁涌流的产生及变化曲线

（a）稳态情况下，磁通与电压的关系；（b）在u＝0瞬间空载合闸时，磁通与电压的关系；
（c）变压器铁芯的磁化曲线；（d）励磁涌流的波形

表61所示的数据，是对几次励磁涌流试验数据的分析。

表61　励磁涌流试验数据举例

由此可见，励磁涌流具有以下特点：

1）包含很大成分的非周期分量，往往使涌流偏向于时间轴的一侧。

2）包含大量的高次谐波，而以二次谐波为主。

3）波形之间出现间断，如图63所示，在一个周期的中间断角为α。

根据以上特点，在变压器纵联差动保护中防止励磁涌流影响的方法有：

1）鉴别短路电流和励磁涌流波形的差别。

2）利用二次谐波制动等。

（2）由于变压器各侧电流相位不同引起的不平衡电流。

图63　励磁涌流的波形(www.xing528.com)

在电力系统中，大、中型变压器采用Y，d11接线的很多，变压器一、二次侧线电流相位差为30°，如果两侧电流互感器采用相同接线方式，即使和的数值相等，其不平衡电流为Iunb1＝2I1sin15°＝0.518I1。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、d11接线的变压器星形接线侧的电流互感器接成三角形接线，三角形接线侧的电流互感器接成星形接线，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，如图64（a）所示，变压器Y、d11接线的电流相量图如图64（b）所示，按图64（a）所示接线进行相位补偿之后，高压侧保护臂中电流比该侧互感器二次侧电流大■3倍。

图64　Y，d11接线的变压器两侧电流互感器的接线及电流相量图

为了保证在正常运行及外部故障情况下流入差动回路的电流为零，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是，其中，nl1和nl2为适应接线的需要而采用的新变比。

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，要防止发生差动继电器的电流相别接错和极性接反现象，在变压器差动保护投入前要做一次接线检查。在运行后，如测量不平衡电流值过大而不合理时，应在变压器带负荷时，测量互感器一、二次侧电流相位关系，判别接线是否正确。

（3）计算变比与实际变比不同产生的不平衡电流。

由于两侧的电流互感器都是根据产品目录选取标准变比，而变压器的变比也是一定的。因此，三者的关系很难满足的要求，从而在差动回路中产生不平衡电流。

在微机型变压器保护中，可以预先在变压器一侧电流互感器的二次电流上乘以一个固定系数（三绕组变压器需在两侧各乘一个固定系数）以保证正常运行时差电流为零、外部故障且电流互感器未饱和时差电流也为零，这样就消除了计算变比与实际变比不同而产生的不平衡电流。

当采用具有速饱和铁芯的差动继电器时，可以利用它的平衡线圈W ph来消除此差电流的影响。以双绕组变压器为例，假设在区外故障时I′2＞I″2，如图65所示，则差动线圈中将流过电流（I′2＋I″2），由它所产生的磁势为Wcd（I′2＋I″2）。

图65　利用速饱和变流器的平衡线圈消除差电流影响的原理接线图

为了消除这个差动电流的影响，将平衡线圈Wph接入二次电流较小的一侧，如图65所示应接于I″2的回路中，适当地选择Wph的匝数，使磁势WphI″2能完全抵消Wcd（I′2＋I″2），则在二次线圈W2里就不会感应电势，因而继电器I中也没有电流，达到了消除差电流影响的目的。

Wph与Wcd应该按照如下关系选择

按式（62）计算的Wph匝数，一般都不是整数，而实际上W ph只能按数匝数进行选择，因此还会有一残余的不平衡电流存在，这在整定计算时应该予以考虑。

（4）两侧电流互感器型号不同产生的不平衡电流。

变压器两侧电流水平不同使得变压器两侧电流互感器的型号必然不同，型号不同的电流互感器在饱和特性，励磁电流（归算至同一侧）的数值上也就不同，因此，在差动回路中所产生的不平衡电流也就较大，这种不平衡电流是不可避免的，只能靠尽可能减少电流互感器铁芯的饱和程度来削弱它的影响。为此应严格按照电流互感器的10%误差曲线选择二次负载，负载小了等于降低了二次电压，也就降低了电流互感器的磁通密度，减弱了铁芯饱和程度，相应地也就减小了不平衡电流。

（5）变压器带负荷调整分接头产生的不平衡电流。

带负荷调整变压器的分接头是保证电力系统运行电压稳定的重要手段，而改变分接头就是改变变压器的变比，如果差动保护已按照某一变比调整好，则当分接头改变时，就会产生一个新的不平衡电流流入差动回路，由此产生的不平衡电流的数值也随着分接头的变化在改变。在微机型变压器保护中，可在软件中设计进行动态的算法，但其他类型的保护中则不具备这一条件。因此，在整定计算时，对这一个不平衡电流也要予以考虑。