電力變壓器輕微匝間故障保護策略

1、電力變壓器輕微匝間故障保護策略1 緒論隨著電力系統的出現，繼電保護技術就相伴而生。與當代新興科學技術相比，電力系統繼電保護是相當古老了，然而電力系統繼電保護作為一門綜合性科學又總是充滿青春活力，處于蓬勃發(fā)展中。之所以如此，是因為它特別注重理論與實踐并重，與基礎理論、新理論、新技術的發(fā)展緊密聯系在一起，同時也與電力系統的運行和發(fā)展息息相關。電力系統自身的發(fā)展是促進繼電保護發(fā)展的內因，是繼電保護發(fā)展的源泉和動力，而相關新理論、新技術、新材料的發(fā)展是促進繼電保護發(fā)展的外因，是電力系統繼電保護發(fā)展的客觀條件和技術基礎。1.1 變壓器差動保護的發(fā)展簡述電流差動保護原理是由C H Merz和B.Price

2、在1904年提出的，其理論基礎是基爾霍夫電流定律，它是電力變壓器的主保護，也是各種電氣元件使用最廣泛的一種保護方式。自上世紀70年代微處理器的出現，元件保護進入到微機保護時代。國外在70年代即對變壓器個別保護的計算機實現開展研究。80年代國外開始研制發(fā)電機及變壓器整套微機保護。1989年波蘭Korbasiewcz發(fā)表了發(fā)電機變壓器組微機保護系統。1990年印度Verma等也發(fā)表了變壓器全套微機保護的研究成果。到90年代見到正式商業(yè)產品，如Siemens及ABB公司均已有微機發(fā)變組全套保護。我國微機元件保護的研制，是從80年代開始的。1987年在我國首先研制成微機式發(fā)電機失磁保護系統，在此基礎上

3、于1989年開發(fā)研制成發(fā)電機全套微機保護，并于1994年研制成我國第一套適用60萬KW及以下容量水、火發(fā)電機變壓器組全套微機保護。隨后，國內又研制成用于水輪機發(fā)電機變壓器組的微機保護。1988年后有多家研制成了變壓器微機保護。電氣主設備內部故障的主保護方案之一是差動保護，差動保護在發(fā)電機上的應用比較簡單。作為變壓器主保護，對其要求有兩方面，即防止外部短路時不平衡電流及防止勵磁涌流所致的誤動作。但是作為變壓器內部故障的主保護，差動保護將有許多特點和困難，變壓器具有兩個及更多個電壓等級，構成差動保護所用電流互感器的額定參數各不相同，由此產生的差動保護不平衡電流將比發(fā)電機的大得多。變壓器每相原副邊電

4、流之差（正常運行時的勵磁電流）將作為變壓器差動保護不平衡電流的一種來源，特別是當變壓器過勵磁運行時，勵磁電流可達變壓器額定電流的水平，勢必引起差動保護誤動作。更有甚者，在空載變壓器突然合閘時，或者變壓器外部短路被切除而變壓器端電壓突然恢復時，暫態(tài)勵磁電流（即勵磁涌流）的大小可與短路電流相比擬，在這樣大的不平衡電流下，要求差動保護不誤動，是一個相當復雜困難的技術問題。正常運行中的變壓器，根據電力系統的要求，需要調節(jié)分接頭，這又將增大變壓器差動保護的不平衡電流;變壓器差動保護應能反應高、低壓繞組的匝間短路，而匝間短路時雖然短路環(huán)流中電流很大，但流入差動保護的電流可能不大：變壓器差動保護還應能反應高

5、壓側（中性點直接接地系統）經高阻接地的單相短路，此時故障電流也較小;當變壓器繞組匝間短路時，變壓器仍帶有負荷，這就是說變壓器內部短路時被保護設備仍有流出電流，影響保護的靈敏動作。綜上所述，將差動保護用于變壓器，一方面由于各種因素產生較大或很大的不平衡電流，另一方面又要求能反應具有流出電流性質的輕微內部短路，可見變壓器差動保護要比發(fā)電機等其他元件差動保護復雜得多。1.2 勵磁涌流判別原理的研究現狀隨著超高壓、遠距離輸電在電力系統中的應用越來越廣泛，大容量變壓器的應用日益增多，對變壓器保護的可靠性、快速性提出了更高的要求。電力變壓器在空載合閘投入電網或外部故障切除后電壓恢復時會產生數值很大的勵磁涌

6、流，同時波形嚴重畸變，容易造成差動保護誤動作，直接影響到變壓器保護的可靠性。差動保護一直是電力變壓器的主保護，其理論根據是基爾霍夫電流定律，對于純電路設備，差動保護無懈可擊。但是對于變壓器而言，由于內部磁路的聯系，本質上不再滿足基爾霍夫電流定律，變壓器勵磁電流成了差動保護不平衡電流的一種來源。當前變壓器差動保護的主要矛盾仍然集中在勵磁涌流和內部故障電流的鑒別上。近十多年來，國內外許多學者致力于變壓器繼電保護的研究，提出了不少判別勵磁涌流的新原理和新方法。1）電流波形特征識別法電流波形特征識別法一直是人們研究的熱點，目前仍占據主流。該方法以勵磁涌流和內部故障電流波形特征的差異為依據。己運用于實踐

7、的方法有：二次諧波制動原理和間斷角原理，新近提出的有采樣值差動原理、波形對稱原理，波形疊加原理、波形相關性分析法和波形擬合法。其中，采樣值差動原理是間斷角原理的衍生，波形對稱原理是間斷角原理的改進，而波形疊加原理、波形相關性分析法和波形擬合法則是波形對稱原理的衍生或改進。另外，隨著科學研究領域的逐步擴大，研究層次的逐漸加深，產生的若干新興學科也為判別勵磁涌流提供了新的手段，其中有代表性的是神經網絡和小波變換。然而，就目前發(fā)表的文獻看，這些新興手段也只是局限于對電流波形進行一些簡單的加工，所以仍屬于電流波形特征識別法的范疇。2）諧波識別法該方法是通過電流或電壓中諧波含量的多少來區(qū)分內部故障和勵磁

8、涌流。主要有利用二次諧波電流和分析變壓器端電壓中的諧波分量兩種鑒別勵磁涌流的方法即二次諧波制動和電壓制動。大多數變壓器差動繼電器利用差動電流的諧波分量區(qū)分不同于勵磁涌流和過勵狀況的內部故障，諧波分量可以用于制動或閉鎖繼電器動作。3）磁通特性識別法磁通特性識別法是考慮利用磁通量，綜合運用變壓器的電壓和電流進行勵磁涌流判別的方法。目前主要有三種磁制動方案： 是基于變壓器在不同工況下的勵磁特性曲線建立故障判別區(qū);二是建立差動電流id和變壓器的互感磁鏈之間的關系曲線，通過比較與的關系是否落在空載磁化曲線附近來判斷是否為勵磁涌流;三是分析比較-曲線上故障時或涌流時的切線斜率與半周波前對應的切線斜率的值，

9、相等則為故障。4）等值電路法該方法是基于變壓器導納型等值電路的勵磁涌流判別方法，通過檢測對地導納參數變化來鑒別變壓器內外故障。5）功率法第一種：對故障狀態(tài)下系統正負序網絡模型進行分析，由變壓器兩端電流電壓計算出兩側正負序功率，根據正負序功率方向的不同，快速、準確地區(qū)分變壓器的內部故障、外部故障和勵磁涌流。第二種：先根據電流電壓計算出變壓器兩端功率值，并計算出兩者之差，用求得的有功功率差額W(r)來判別勵磁涌流和變壓器內部故障。該方法的優(yōu)點是第一沒有讓勵磁涌流成為動作的因素，故在勵磁涌流判別方面有較大的優(yōu)勢。第二與以往的勵磁涌流判據相比，功率差動保護的功能更為全面具有區(qū)分變壓器內、外部故障的功能

10、，可以作為獨立保護使用。6）其它基于參數辨識的變壓器差動保護：該方法無需鑒別勵磁涌流，通過建立變壓器的線性模型，而模型無需涉及變壓器鐵心的非線性關系和磁滯效應。當變壓器繞組漏感和電阻在正常運行、外部故障及勵磁涌流時不發(fā)生變化，而在變壓器內部故障時要發(fā)生變化。根據這一特性，可把變壓器繞組的漏感和電阻值是否發(fā)生變化作為區(qū)分變壓器內部故障和正常、外部故障、勵磁涌流情況的判據?；趧畲抛杩棺兓淖儔浩鲃畲庞苛髋袆e方法：在勵磁涌流出現時，變壓器的勵磁阻抗急劇變化，而在正常運行或故障時勵磁阻抗基本不變這一特征來區(qū)分變壓器勵磁涌流和短路故障.因而不需要變壓器參數和系統參數。1.3 存在的問題眾所周知，影響變

11、壓器差動保護動作正確與否的關鍵是保護裝置能否正確區(qū)分勵磁涌流和內部故障。有關勵磁涌流的分析一直以來都是焦點，意義重大。主要應解決的主要問題有：（1）正確識別勵磁涌流和內部故障時的短路電流。變壓器空載合閘或外部短路故障切除電壓突然恢復時，變壓器有很大的勵磁電流即勵磁涌流通過，因該勵磁涌流僅在變壓器的側流通，故流入差動回路。變壓器內部短路故障時，差動回路流入的是很大的短路電流。顯然，作為縱差動保護，勵磁涌流作用下不應動作，短路電流作用下保護應可靠動作。（2）外部短路故障切除電壓突然恢復的暫態(tài)過程中，應保證縱差動保護不發(fā)生誤動作。應當注意在這個暫態(tài)過程中，一方面變壓器存在勵磁涌流，勵磁涌流的非周期分

12、量將使一側電流互感器（勵磁涌流僅在變壓器一側流通）的誤差特別是角誤差增大;另一方面變壓器負荷電流的存在。這兩方面的因素導致差動回路不平衡電流的增大，變壓器微機差動保護這種情況下不應誤動。（3）應解決好區(qū)外短路故障時差動回路中的不平衡電流和保護靈敏度之間的矛盾。區(qū)外短路故障時，由于縱差動保護各側電流互感器變比不匹配、有載調壓變壓器抽頭的改變、電流互感器誤差特別是暫態(tài)誤差的影響，差動回路中流過數值不小的不平衡電流，為保證縱差動保護不誤動，動作電流應高于區(qū)外短路故障時的最大不平衡電流，這勢必要影響到內部故障時保護的靈敏度。作為縱差動保護，既要保證區(qū)外短路故障差動回路流過最大不平衡電流時不發(fā)生誤動作，

13、又要在內部短路故障時保證一定的靈敏度。2 變壓器差動保護2.1 變壓器的差動保護2.1.1 變壓器差動保護的基本原理對于構成理想變壓器模型，差動保護在原理上只能反映被保護設備內部短路電流，而不管外部有多嚴重。 (a) 兩相變壓器原理圖 (b)三相變壓器原理圖圖1 變壓器差動保護的原理接線由于變壓器高壓測和低壓測的額定電流不同，因此，為了保證縱差動保護的正確工作，就必須適當選擇兩側電流互感器的變化，使得在正常運行和外部故障時，兩個二次電流相等。例如圖1(a)中，應使： 或 式中為高壓測電流互感器的變比；為低壓測電流互感器的變比；為變壓器的變比（即高，低壓測額定電壓之比）。當被保護設備發(fā)生短路（橫

14、向故障）時，有，為流向保護設備的端電流向量，如同圖1所示。差動保護就反應了這個內部短路電流，保證此保護的明確選擇性，快速性和高度靈敏性，當然也失去了對相鄰元件的遠后備保護功能。2.1.2 變壓器差動回路不平衡電流的分類變壓器的縱差動保護需要躲開差動回路中的不平衡電流?，F對其不平衡電流產生進行分類討論：1）由變壓器勵磁涌流，所產生的不平衡電流變壓器的勵磁電流：僅流經變壓器的某一側，因此，通過電流互感器反應到差動回路中不能被平衡，在正常運行情況下，此電流很小，一般不超過額定電流的210%。在外部故障時，由于電壓降低，勵磁電流減小，它的影響更小。但是當變壓器空載投入和外部故障切除后電壓恢復時，則可能

15、出現數值很大的勵磁涌流。其數值最大可達額定電流的68倍，同時包含有大量的非周期分量和高次諧波分量。勵磁涌流的大小和衰減時間，與外加電壓的相位、鐵心中剩磁的大小和方向、電源容量的大小、回路的阻抗以及變壓器容量的大小和鐵心性質等有關系。2）由變壓器兩側電流相位不同而產生的不平衡電流由于變壓器常采用Y/11的接線方式，因此，其兩側電流相位差30°。為了消除這種不平衡電流的影響，通常都是將變壓器星形側的三個電流互感器接成三角形，而將變壓器三角形側的三個電流互感器接成星形，并適當考慮聯接方式后即可把二次電流的相位校正過來。但是電路互感器采用上述聯接方式后，在互感器接成側的差動一臂中，電流又增大

16、倍。此時為保證正常運行及外部故障情況下差動回路中應沒有電流，就必須將該側電流互感器的變比加大倍，以減小二次電流，使之與另一側的電流相等，故此時選擇變比的條件3）由計算變比與實際變比不同而產生的不平衡電流由于兩側的電流互感器都是根據產品目錄選擇標準變比，而變壓器的變比是一定的，因此，三者的關系很難滿足的要求，此時差動回路中將有電流流過。當采用具有速飽和鐵心的差動繼電器時，通常利用它的平衡線圈來消除此差動電流的影響。4）由兩側電流互感器型號不同而產生的不平衡電流由于兩側電流互感器的型號不同，它的飽和特性、勵磁電流也不同，因此，在差動回路中所產生的不平衡電流也就較大。此時應采用電流互感器的同型系數。

17、5）由變壓器帶負荷調整分接頭而產生的不平衡電流帶負荷調整變壓器的分接頭，是電力系統中采用帶負荷調壓的變壓器來調整電壓的方法，實際上改變分接頭就是改變變壓器的變比，如果差動保護已經按照某一變比調整號，則當分接頭改換時，就會產生一個新的不平衡電流流入差動回路。此時不可能再重新選擇平衡線線圈匝數的方法來消除這個不平衡電流，這是因為變壓器的分接頭經常在改變，而差動保護的電流回路在帶電的情況下是不能進行操作的。因此，對由此產生的不平衡電流，應在縱差動保護的整定值中給予考慮?？偫磥?，上述(2)、(3)項可以選擇互感器二次線圈使其降到最低。但是(1)、(4)、(5)各項不平衡電流，實際上是不可能消除的，因

18、此，變壓器的縱差動保護必須躲開這些不平衡電流的影響。由于在滿足選擇性的同時，還要求保護內部故障時有足夠的靈敏性，這就是構成變壓器差動保護的主要困難。根據上述分析，在穩(wěn)定情況下，為整定變壓器縱差動保護所采用的最大不平衡電流式中10%電流互感器容許的最大相對誤差;電流互感器的同型系數，取為1;由帶負荷調壓所引起的相對誤差，如果電流互感器二次電流在相當于被調節(jié)變壓器額定抽頭的情況下處于平衡時，則U等于電壓調整范圍的一半；由于所采用的互感器變比或平衡線圈的匝數與計算值不同時，所引起的相對誤差;保護范圍外部最大短路電流歸算到二次側的值。2.1.3 變壓器縱差動保護的整定計算原則1）縱差動保護啟動電流的整

19、定原則在正常運行情況下，為防止電流互感器二次回路斷線時引起差動保護誤動作，保護裝置的啟動電流應大于變壓器的最大負荷電流。當負荷電流不能確定時，可采用變壓器的額定電流，引入可靠系數（一般采用1.3），則保護裝置的啟動電流為：躲開保護范圍外部短路時的最大不平衡電流，此時繼電器的啟動電流應為：無論按上述哪一個原則考慮變壓器縱差動保護的啟動電流，都還必須能夠躲開變壓器勵磁涌流的一箱當變壓器縱差動保護采用波形鑒別或二次諧波制動的原理構成時，它本身就具有躲開勵磁涌流的性能，一般無須再另作考慮。而當采用具有速飽和鐵心的差動繼電器時，雖然可以利用勵磁涌流中的非周期分量時鐵心飽和，來避越勵磁涌流的影響，但根據運

20、行經驗，差動繼電器的啟動電流仍需整定為時，才能躲開勵磁涌流的影響。對于各種原理的差動保護，其躲開勵磁涌流影響的性能，最后還應經過現場的空載合閘試驗加以檢驗。2）縱差動保護靈敏度系數的校驗變壓器縱差動保護的靈敏系數可按下式校驗：式中應采用保護范圍內部故障時，流過繼電器的醉即采用在單側電源供電時，系統在最小運行方式下，變壓器發(fā)生短路時的最小短路電流，按照要求，靈敏度系數一般不應低于2.當不能滿足要求時，則需要采用具有制動特性的差動繼電器。必須指出，及時靈敏系數的校驗能滿足要求，但對變壓器內部的匝間短路，輕微故障等情況，縱差動保護往往也不能迅速而靈敏地動作。運行經驗表明，在此情況下，常常都是瓦斯保護

21、首先動作，然后待故障進一步發(fā)展，差動保護才動作。顯然可見，差動保護的整定值越大，則對變壓器內部故障的反應能力就越低。當變壓器差動保護的啟動電流按上述原則整定時，為了能夠可靠地躲開外部故障時的不平衡電流和勵磁涌流，同時又能提高變壓器內部故障時的靈敏性，在變壓器的差動保護中廣泛采用這具有不同特性的差動繼電器。2.2 各種變壓器主保護的討論如前所述，在討論變壓器內部故障主保護的時候，應該首先注意變壓器差動保護不平衡電流大，較易誤動;同時注意流出電流對變壓器小匝數匝間短路時差動保護靈敏度的影響。此外還應該注意空載合閘時勵磁涌流對變壓器差動保護的誤動、帶有匝間短路的變壓器在空載合閘時差動保護的延緩動作以

22、及過勵磁情況下的變壓器差動保護動作行為。（1）比率制動式差動保護采用這一原理的差動保護，既能在外部短路時有可靠的制動作用，又能在內部短路時有較高的靈敏度。但是它對內部短路時的流出電流適應能力較差，對勵磁涌流和過勵磁也需采取特殊措施。比率制動特性的原理在數字保護上的改進，主要體現在它的動作電流不是固定不變的，它隨著外部短路電流的增大而增大，所以能保證區(qū)外故障不誤動，同時對內部短路又有較高的靈敏度。對于雙繞組變壓器，具有如圖2中的折線，相應的動作判據為：> 當<>+ 當式中為比率制動縱差動保護制動系數。，iop.0為最小動作電流，為最小制動電流。它的動作特性如圖3，它有三個部分組

23、成：無制動區(qū)，比率制動區(qū)和速飽和區(qū)。當制動電流小于拐點電流的時候，動作電流為常數起動電流；當制動電流大于拐點電流的時候，動作電流隨制動電流的增長而沿著一條直線增長;當動作電流大于差動速斷電流時，反應了故障情況嚴重，保護將無延時地動作出口。圖2 二折線比例制動特性圖3 三折線比例制動特性在討論變壓器內部故障主保護地時候，首先應該注意變壓器差動保護地不平衡電流較大，較易誤動：同時需要注意流出電流對變壓器輕微匝間短路時差動保護靈敏度地影響。區(qū)外故障的時候繼電器的差流并非為零，差動回路存在穩(wěn)態(tài)不平衡電流和暫態(tài)不平衡電流，在無制動區(qū)，差動回路以消除固定誤差為主，動作電流很小：對于制動區(qū)，因TA感受的電流

24、超過了額定電流，致使誤差隨外部短路電流增加的很快，不平衡電流增大，誤差電流隨著區(qū)外故障電流的增加而增加，動作特性是一條比率制動直線。由分析可以得出結論：對于有流出電流的情況，二折線比率制動特性的差動保護，靈敏度相對低，當變壓器內部輕微匝間短路時有可能拒動。具有三折線比率制動特性的差動保護兼顧了變壓器外部嚴重短路的可靠性和內部輕微短路存在流出電流的靈敏度，其動作判據為： 當 當 當 其中K1，K2分別為第二、第三段折線的斜率（常數），為第二個折點的制動電流。三折線比率制動差動保護具有很好的可靠性和靈敏度，但它的動作特性必須由三段組成，動作判據比較復雜。從圖2和圖3中可以看出非線性制動特性的要求，

25、但是它們都是由分段直線近似構成的。由于雙曲線均己有開始上升慢，后來上升快的特點，比較適合用來實現非線性制動特性。雙曲線型制動差式差動保護的判據為：其中可為常數，為雙曲線定點的縱坐標。用雙曲線制動特性去擬合三折線比率制動特性時，令可得計算表明，由于特別重視嚴重外部短路條件下的可靠性，當越大時，兩種折線制動特性越接近：當小于0.51m時，雙曲線制動特性具有較高的可靠性和較低的靈敏度。（2）標積制動式差動保護定義兩繞組電流I1、I2，的正方向均是流入變壓器，并令、。的相角差為，即差動電流制動電流 當時 當<0時當變壓器正常運行或外部短路時，和的相角差。有-90°90°則&g

26、t;0，有制動電流，有效防止誤動。當變壓器縱差動區(qū)內短路（包括相間、匝間短路和中性點接地一側的接地短路），如有270°>>90°則<0，令制動電流，保護靈敏動作在很大的外部短路電流下，TA可能飽和，二次電流幅值減小，比率制動式縱差動保護的不平衡電流急劇增大而制動電流反而減小，可能造成誤動。但是標積制動式縱差動保護在很大的外部短路電流作用下，特別是暫態(tài)非周期分量電流的影響，兩側TA的傳變特性可能相差較大，出現幅值很大的暫態(tài)不平衡電流，但是兩側二次電流的相角差別不致太大，縱差動可靠不誤動。（3）變壓器分側差動保護由于變壓器差動保護區(qū)內包含著原副方繞組間的磁渦合

27、，從而有一些勵磁涌流，過勵磁等引起誤動的特殊問題，這就啟發(fā)我們將一個雙繞組變壓器分解看作兩個被保護對象，對與每一繞組內部短路保護就完全等同與發(fā)電機一相定子繞組的相間短路保護，從而非常簡單，與空載合閘涌流、過勵磁電流完全無關，因為這些電流對分側差動保護而言是穿越性電流。（4）差動速斷保護變壓器差動保護原理復雜，裝置中常用到各種濾波環(huán)節(jié)，使保護動作速度比較慢。為了取得在嚴重的內部短路時有高速的保護，一般在比率制動式或標積制動式差動保護的基礎上，利用原有裝置中的差動電流，不經濾波電路，直接采用差動電流的全波幅值作為動作量，沒有制動量，這就是差動速斷保護。差動速斷保護的動作電流應按變壓器空載合閘、有最

28、大勵磁涌流時不誤動作為整定原則。對于大型變壓器，還應考慮外部短路時可靠不誤動。所有這些保護都是根據變壓器內部一些特征量而提出的，他們都是以差動保護為基礎，但是差動原理應用與變壓器保護卻遇到了越來越多的困難，如前所述，差動保護的最基本概念是當被保護設備完好時，不管外部系統發(fā)生何種短路或是擾動，恒有對發(fā)電機、電動機、電抗器、電容器、母線等電氣設備均成立，但是對變壓器卻不成立，因為對于n個繞組的變壓器在正常運行或外部短路時有正常情況或是外部短路時，對于大型變壓器而言，就非常接近發(fā)電機等主設備差動保護實際條件。但是當無故障的變壓器空載合閘或是切除外部短路時，或者過電壓或是過勵磁，情況就不一樣了。為防止

29、誤動有二次諧波和五次諧波制動等方案。但是由于眾多因素的影響，二次和五次諧波電流的大小很難確切定量，從而造成誤動。從物理概念上講變壓器差動保護范圍內，不僅包含電路，而且包含非線性的鐵芯磁路，造成當變壓器本身無故障、空載合閘或僅有異常情況時，差動保護具有很大的差動電流。目前為了探索更好的變壓器保護原理，又提出如下變壓器微機主保護?；诨芈贩匠趟惴ǖ淖儔浩魑C型主保護基于電感倒數等效電路的變壓器微機型主保護模糊邏輯在變壓器差動保護中的初步應用小波變換在變壓器差動保護中的應用研究基于勵磁電抗數值大小的空載合閘涌流判據另外為了分析變壓器內部短路的狀況，又提出了變壓器內部短路計算的基本方法以及電感參數的計

30、算最后瓦斯保護也是變壓器油箱內故障的一種主要保護，特別是鐵芯故障。但是當電氣故障時瓦斯保護反應較遲。瓦斯保護的運行實踐說明，誤動作率較高，當前主要問題仍是提高可靠性。2.3 勵磁涌流對變壓器差動保護的影響縱差動保護的理論基礎是基爾霍夫電流定律（KCL定律），因此縱差動保護在原理上只反應被保護對象的內部短路電流。對于僅包含電路的縱差動保護對象（如發(fā)電機、電動機、母線、電抗器等）本身沒有發(fā)生故障時，不管外部發(fā)生多么嚴重的故障，恒有所有端子電流的相量和為零，即：式中為被保護對象的第t個端子的電流相量均以流入被保護對象為正），如圖4-4所示。當被保護對象發(fā)生內部故障時將有：式中為流向短路點的全部短路電

31、流?？v差動保護正是反應這個內部短路電流，來保證保護的明確選擇性、快速性和高靈敏度的。但如果被保護的對象是變壓器，則就大不相同了。從電路上看變壓器一次繞組和二次繞組并非是一個節(jié)點，變壓器差動保護原理是建立在變壓器穩(wěn)態(tài)磁路平衡的基礎上的（而不是KCL定律），是差動保護原理的一種拓展，在暫態(tài)過程中這種平衡關系被打破，只有等到暫態(tài)過程衰減后，這種原先的平衡關系才能重新建立起來。正因為如此，即使在變壓器內部沒有故障時上式也不成立，而是有 式中為變壓器的勵磁電流。為變壓器縱差保護的不平衡電流，當變壓器及其所在系統正常運行時，對于大型變壓器，（與為變壓器的額定電流），不會影響變壓器縱差保護的工作性能；當外部

32、系統短路時，電壓嚴重下降，就更微不足道了。但是，由前面的分析可知，當變壓器空載投入或外部故障切除后電壓恢復時，則可能出現數值很大的勵磁涌流，其數值可以與短路電流相比擬，而且持續(xù)時間很長，這樣大的暫態(tài)電流流入縱差保護的差動回路，如果不采取一定的措施，必將造成差動保護的誤動作。因此，必須在勵磁涌流時閉鎖差動出口來保證差動保護的可靠性。2.4 變壓器的勵磁涌流的分析電流差動保護作為變壓器的主保護得到了廣泛的應用，但是差動保護必然要面臨解決差動保護在勵磁涌流狀態(tài)下可能誤動的問題，以及在勵磁涌流和故障同時發(fā)生時的解除閉鎖加速跳閘問題?？梢哉f，變壓器差動保護的性能的關鍵就在于勵磁涌流判據的優(yōu)劣。在分析勵磁

33、涌流的基礎上比較討論了兩種常見的勵磁涌流方法。變壓器的磁化曲線是非線性的，當在正常運行狀態(tài)和區(qū)內、外故障時，變壓器運行在磁化曲線的線性段，因而勵磁阻抗是基本保持不變的。在正常情況下，變壓器的勵磁電流很小，對于現代大型變壓器，通常要小于1%變壓器額定電流，因此，當變壓器運行在磁化曲線的線性段時，勵磁阻抗很大，一般以變壓器額定電壓和電流為基準的勵磁阻>100。當變壓器空投或區(qū)外故障切除，電壓恢復正常的過程中，由于磁通不能突變，磁通中出現了非周期性的暫態(tài)分量，與鐵芯剩磁一起使變壓器鐵芯飽和，同時由于電壓是交變的，因而在一個周波內變壓器鐵芯周期性地進入飽和區(qū)和退出飽和區(qū);當進入飽和區(qū)時，勵磁電流

34、的瞬時值很大，可能達到變壓器額定電流的510倍甚至更大，這就是勵磁涌流;而退出飽和區(qū)時，只有正常的勵磁電流，其瞬時值很小。3 匝間短路故障百分比與故障電流的關系3.1 匝間故障計算模型變壓器繞組的故障都屬于匝間短路故障。以Y/接線的雙繞組變壓器在高壓星形繞組發(fā)生匝間短路為例，把短路繞組和高壓繞組分離開來（健全相相應的部分也如此），于是故障后的變壓器變?yōu)橐粋€Y/Y/接線的三繞組變壓器（當然高壓繞組的匝數減少了），故障發(fā)生在短路繞組一側的引線上。由此可見匝間短路有多相與單相之分。最常見的尤其是輕微匝間短路都是單相的。為了節(jié)省篇幅僅討論單相匝間短路。圖4示出計算用系統圖及在變壓器高壓繞組發(fā)生單相匝間

35、短路的復合序網圖，變壓器被看成是三繞組變壓器，其等值回路是由三個漏抗ZH、ZL、ZK按星形連接的回路。H、L、K分別表示高壓側、低壓側及短路繞組側。Z1LD和Z2LD為低壓側的正、負序負荷阻抗。高壓側中性點接地時刀閘S閉合，否則S斷開。計算的困難在于確定變壓器等值回路中的三個漏抗ZH、ZL和ZK。圖4 單相匝間短路計算用系統圖及復合序網圖變壓器繞組的漏抗決定于漏磁通所經路徑的磁阻，而漏磁通的路徑十分復雜。但是在故障前的漏抗是已知的，只要分析出短路后各繞組與原繞組的關系就可近似地得到故障后形成的三繞組變壓器的各側漏抗。眾所周知，對于三繞組變壓器通過試驗或計算只能依次求得兩個繞組之間漏抗，如ZHK

36、、ZHL和ZLK。把它們歸算到同一側如高壓側，那么圖3中星形等值回路中的各阻抗為式中。漏抗中有效電阻的成分很小，以下計算中都忽略電阻以漏電抗代替漏阻抗。為分析簡便，假設繞組是圓筒形的。圓筒形繞組的漏磁通的路徑有效長度決定于繞組的高h和有效厚度d。通常在計算時把厚度折合為高度得到磁路的有效高度或有效長度h=kh，其中k是折合系數，一般k=1.1。顯然k與比值d/h有關。短路繞組的高度等隨著短路匝數而變化，其折合系數也要隨之變化。為了簡化，下面取實際高度ht與有效厚度d=0.1ht之和作為磁路的有效長度h，ht為原來整個繞組的實際高度。于是如果短路繞組匝數占原高壓繞組總匝數之比為(1>>

37、;0)，則短路繞組的實際高度為ht。短路繞組的漏磁通的路徑的有效長度與原有效長度之比為。設變壓器原有的漏抗為X。以下依次計算三對繞組之間的漏抗。1）高壓繞組和短路繞組之間的漏抗XHK繞組的漏抗與匝數的平方成正比，與磁路的有效長度成反比。高壓繞組去除短路繞組后的匝數，與短路繞組匝數占原來總匝數之比分別為1-和。這兩部分圓筒的半徑相同，是疊起來的，它們之間的漏磁通不穿過鐵芯，全部在空氣中形成環(huán)路，有效高度要加大一倍。短路繞組漏抗將是，其歸算到高壓側之值為。同理高壓繞組的漏抗為。于是可得。2）高低壓繞組之間的漏抗XHL繞組的漏抗與漏磁通路徑的截面成正比。在繞組直徑一定時截面與繞組等效厚度成正比。為兩

38、繞組之間氣隙的寬，1和2分別為兩繞組的厚度，漏磁通的一部分僅與高壓繞組相連，另一部分僅與低壓繞組相連，它們分別決定每一繞組的漏抗。要求每一繞組的漏抗，必須確定這兩部分漏磁通在空間的分界線，這是困難的。試驗也無法確定每一繞組的漏抗。計算時一般認為兩繞組的漏抗（歸算到同一側的值）是相等的。已知的X是原來兩個繞組漏抗的和，與X相對應的漏磁通占據了整個截面。在上面計算XHK時因為每一繞組的漏磁通都占據了整個截面就直接以X為基準進行計算?，F在計算XHL就必須注意到漏磁通路徑截面在兩個繞組間的分配。現高壓繞組的匝數和高度都減少了，整個繞組都面對著低壓繞組，它的漏磁通路徑的截面應減少一半，計算時所用的基準電

39、抗也應減少一半。所以高壓繞組的漏抗為。低壓繞組完好如初，匝數和高度都沒有變化，但一部分面對高壓繞組，其余則否。前一部分產生的漏磁通的路徑的截面應減少一半，后一部分則否。因此低壓繞組的漏抗（歸算到高壓側的值）應為。于是可得。3）低壓繞組與短路繞組之間的漏抗XLK（歸算到高壓側的值）。短路繞組都面對低壓繞組，所以計算的基準電抗要減少一半。其歸算到高壓側的值為。低壓繞組的一部分對短路繞組，其余部分則否。它歸算到高壓側的值為，所以低壓繞組與短路繞組之間的漏抗（歸算到高壓側的值）為：求出XHK、XHL、XLK后就可求出圖4中等值回路中的XH、XL、XK。圖5示出對于不同值計算得到的漏抗（相對于X）之值。

40、圖5 變壓器匝間短路等值參數與短路百分比的關系由圖5可見在<0.2時都有(XH+XK)/X>1。在這些匝間短路時的短路電流都將小于在低壓側引線上短路時的電流。差動保護絕對不能用后者校驗保護的靈敏度。從表1還可以看出越小XHK=XH+XK越大。3.2 故障電流與故障差電流的關系由于計算依據的主要參數故障變壓器的漏抗和負荷阻抗都是近似，所以沒有必要作嚴格的計算。由圖3可見系統供電到P1點后分為兩個支路。一是經低壓側漏抗向負載Z1LD供電，另一是經短路繞組漏抗向零序、負序網供電。這兩個支路的阻抗角相差很大，并聯計算很煩。粗略分析認為它們分別獨自存在，即分別計算負荷狀態(tài)和空載時的故障狀態(tài)。

41、前一種狀態(tài)下得到穿越性的負荷電流，后一種狀態(tài)下0、1、2三個序網串聯，串聯的總阻抗約為3(ZH+ZK)。差動保護測量的是兩相電流之差，不反應I0，不論變壓器中性點是否接地都有I1=I2，不考慮I0有IA=2I1，IB=IC=-I1。由此得IAB=ICA=3I1，IBC=0。由于正常時兩相電流差是相電流的倍。按標么值計算IAB*=ICA*= 3I1*。對于不同X值，變壓器輕微匝間短路時保護測得的差動電流的標么值示于圖6。進一步地，將短路匝數百分比為00.025時差電流的關系示于圖7。圖6 不同X值下差電流的標么值與短路匝數百分比的關系圖7 不同X值下差電流的標么值與短路匝數百分比的關系（縮放）根

42、據以上估算在校驗變壓器對輕微匝間短路的靈敏度時可取穿越性電流為In，差電流為0.5In，并認為兩者相位相同。圖8 短路匝數為1%時故障前與故障后的三相電流4 輕微匝間故障保護策略4.1 方案一：具有比率制動的保護策略長期以來在我國廣泛應用由速飽和變流器供電的機械型差動繼電器。其有兩大缺點：最小啟動電流必需大于1.5In才能保證避開勵磁涌流，因而對輕微匝間短路不靈敏；當短路電流中有直流分量時動作速度變慢,越是加強速飽和變流器的作用帶來的延時越長。若故障靠它切除變壓器燒損得十分嚴重。若有很好的涌流閉鎖元件，差動繼電器就可以靈敏地、快速地動作，把變壓器故障燒損的程度限制到最小。4.1.1 繼電器工作

43、原理4.1.2 比率差動保護整定方法比率差動繼電器的動作特性Id=f(Ires)一般是折線,如圖9所示。折線由與Ires軸平行的直線和斜率為m的直線兩部分組成。水平線與Id軸的交點A的縱坐標I0為繼電器的最小動作電流。拐點D的橫座標一般取Ires=In如圖中虛線所示，其出發(fā)點是認為在穿越性電流Ires小于負荷電流In時差動保護的誤差很小，不需要制動作用,繼電器就是簡單的差動電流繼電器。制動電流Ires的取法很多，但共同之處是都認為在外部短路時Ires等于或正比于（一般為2倍）穿越性電流。實際不同取法并無重大差異。對于雙繞組變壓器,應用最廣范的是取Id=|I1+I2|和Ires=|(I1-I2)

44、/2|。I1和I2是變壓器兩側的電流，以流入變壓器為正方向。圖9 折線型比率差動繼電器的動作特性在內部短路時只要沒有穿越性電流流過就不會有制動作用，Id/Ires的最小值是容易確定的。尤其是數字式繼電器只要Id和Ires是由同一數據采集系統采集到的，那么比率制動判據就一定能滿足。這樣做的好處是可以免去計算外部短路時不平衡電流的麻煩,從而得到通用特性。現在根據輕微匝間短路的要求選擇圖9中的動作特性。首先由于輕微匝間短路的最小故障電流可能為0.5In,因此選擇I0=0.3In是適合的。再考慮在輕微匝間短路時可能送出滿負荷電流,即I1=1.5In，I2=In，則有Ires=1.25In，所以應使輕微

45、匝間短路時的工作點P(1.25In,0.5In)落在動作區(qū)。如果選用圖9的特性拐點D，最好在Ires=1.25In的地方，這樣在輕微匝間短路時沒有制動作用，得到最大的靈敏度。圖9中直線DE的斜率m=1?，F在拐點D的橫坐標Ires=1.25In,DE的直線方程為。分析外部短路時允許的誤差只要將和代入,可得。于是可求得在不同I1值下允許的I2的最小值，進而求出最大的允許誤差，示于圖10圖10 通用比率制動特性在外部短路時允許的誤差比率差動繼電器采用這樣的特性和整定值可以適用于任何系統中的任何變壓器,所以稱為通用特性。4.1.3 實例計算：YS-1000/66/0.4三相變壓器規(guī)格參數數值額定頻率50Hz相 數三相接線方式YN,d11額定容量1000kVA額定電壓66/0.4kV額定電流8.74/1443.3A阻抗電壓50Hz7圖11 YS-1000/66/0.4三相變壓器短路匝數與短路電流值比比率繼電器的繼電特性按4.1.2中的通用特性整定：繼電器的最小動作電流0.3In=2.6243A，拐點的穿越電