变压器差的动保护原理(详细).pdf

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第1页共10页变压器差动保护一：

这里讲的是差动保护的一种，即变压器比例制动式完全纵差保护（以下简称差动）；二：

差动保护的定义由于在各种参考书中没有找到差动保护的具体定义，这里只根据自己所掌握的知识给差动保护下一个定义：

当区内发生某些短路性故障的时候，在变压器各侧电流互感器CT的二次回路中将产生大小相同，相位不同的短路电流，当这些短路电流的向量和即差流达到一定值时，跳开变压器各侧断路器的保护，就是变压器差动保护三：

下面我以两圈变变压器为例，针对以上所述变压器差动保护的定义，对差动保护进行阐述：

I2-I2nhI1低图一nBCT2nlI2CT1I1高I2Ia低In高差动InIa1、图一所示：

为一两圈变变压器，具体参数如下：

主变高压侧电压U高=220KV,主变低压侧电压U低=110KV,变压器容量Sn=240000KVA,I1：

流过变压器高压侧的一次电流；I”：

流过变压器低压侧的一次电流；I2：

流过变压器高压侧所装设电流互感器即CT1的二次电流；I2”：

流过变压器低压侧所装设电流互感器即CT1的二次电流；nh：

高压侧电流互感器CT1变比；nl：

低压侧电流互感器CT2变比；nB：

变压器的变比；各参数之间的关系：

I1/I2=nhI”/I2”=nlI2=I2”I1/I”=nh/nl=1/nB2、区内：

CT1到CT2的范围之内；3、反映故障类型：

高压侧内部相间短路故障，高压侧（中性点直接接地）单相接地故障以及匝间、层间短路故障；第2页共10页四：

差动的特性1、比率制动：

如图二所示，为差动保护比率特性的曲线图：

IopocIres.oOf制动电流Ires图二bdeIop动作电流aP下面我们就以上图讲一下差动保护的比率特性：

o：

图二的坐标原点；f：

差动保护的最小制动电流；d：

差动保护的最小动作电流；p：

比率制动斜线上的任一点；e：

p点的纵坐标；b：

p点的横坐标；动作区：

在of范围内，由于电流小于最小制动电流，因此在此范围内，只要电流大于最小动作电流Iopo，差动保护动作；当电流大于f点时，由于电流大于最小制动电流，此时保护开始进行比率制动运算，曲线抬高，此时只有当电流在比率制动曲线以上时保护动作；因此，图中阴影部分，即差动保护的动作区；制动区：

当电流在落在曲线以下而大于最小动作电流的时候，由于受比率制动系数的制约，保护部动作，这个区域就是差动保护的制动区；比率制动系数K：

实际上比率制动系数，就是图二中斜线的斜率，因此我们只要计算出此斜线的斜率，就等于算出了比率制动系数。

以p点为例：

计算出斜线pc的斜率K=pa/ac=（pb-ab）/（ob-of）；举例说明一下：

差动保护有关定值整定如下：

最小动作电流Iopo=2,最小制动电流Iopo=5,比率制动系数k=0.5；按照做差动保护比率制动系数的方法，施加高压侧电流I1=6A,180度，低压侧电流I2=6A,0度，固定I1升I2,当I2升到9.4A的时候保护动作，计算一下此时的比率制动系数。

由于两圈变差动的制动电流为（I1+I2）/2,因此，Izd=（9.4+6）/2=7.7,所以K=（9.4-6-2）/（7.7-5）=1.4/2.7=0.52;2、谐波制动：

当差动电流中的谐波含量达到一定值的时候，我们的装置就判此电流为非故障电流，进行谐波闭锁。

500kv一下等级的变压器之第3页共10页进行二次谐波判别，500kv及以上变压器，则还需进行5次谐波判别。

以二次谐波为例：

二次谐波系数=差电流中的二次谐波分量与基波分量的比值。

当谐波系数大于整定值时，保护被闭锁；小于整定值时，保护被开放；根据经验，二次谐波制动比可整定为0.150.2；五、不平衡电流实际上，差动保护比率制动也好，谐波制动也好，归根结底都是要躲过变压器的不平衡电流，而不平衡电流，也正是可能引起差动保护误动的最重要因素之一。

产生变压器不平衡电流有以下几个重要的原因：

1、由变压器励磁涌流Ily所产生的不平衡电流；励磁涌流主要是由于在变压器空投时产生的含有大量高次谐波含量的电流，其中以2次谐波为主。

我们的800变压器差动保护中有“二次谐波制动系数”一项定值，用来防止此原因造成的差动误动。

二次谐波制动系数：

差电流中的二次谐波分量与基波分量的比值；根据经验，此系数可整定为15%25%2、由于变压器两侧电流相位不同而产生的不平衡电流；由于变压器常采用Y，d11的接线方式，因此，如果两侧的电流互感器仍采用通常的接线方式，则二次侧电流由于相位不同，也会有一个差电流流入我们的保护装置。

为了消除这种不平衡电流的影响，通常都是将变压器星星侧的三个电流互感器接成三角形，而将变压器三角形侧的三个电流互感器接成星形，并适当考虑联结方式后即可把二次电流的相位校正过来。

但我们的保护要求现场二次侧电流互感器的接线都接为星形接线，因此，一次侧为Y，d11的接线方式的变压器将产生差流，差动保护靠程序将此不平衡电流补偿掉，具体方法如下：

如图所示为Y，d11两卷变压器两侧绕组及电流互感器接线方式及其中通过的一次、二次电流流向：

（各电流均为向量值）第4页共10页IbIaIaIbIcIaIcIbIaIAAIAYICIBIABABCIbIcIcIBICC其中：

IA,IB,IC表示流过变压器高压侧一次绕组的电流；Ia,Ib,Ic表示流过变压器低压侧一次绕组的电流；IA,IB,IC表示流过变压器高压侧电流互感器二次侧的电流；Ia,Ib,Ic表示流过变压器低压侧电流互感器的一次侧电流；各电流关系如下：

Ia=Ia+IbIa=Ia-IbIb=Ib+IcIb=Ib-IcIc=Ic+IaIc=Ic-Ia向量图：

IcIcICIcIBIbIaIAYIAIaIbIbIa为了消除相位上带来的差异：

第5页共10页Iah=IA-IBIbh=IB-ICIch=IC-IA为了消除幅值上带来的差异：

Iah=Iah/1.732=（IA-IB）Ibh=Ibh/1.732=（IB-IC）Ich=Ich/1.732=（IC-IA）而低压侧电流保持不变Ial=IaIbl=IbIcl=Ic其中：

Iah，Ibh，Ich表示保护装置中实际采到的高压侧电流；Ial，Ibl，Icl表示保护装置中实际采到的高压侧电流；向量图ICIcIchIchIchIbhIBIbhIBIbhIbhIcIcIbIcIcIbIaIaIahIAYIahIAYIAIahIAIahIbIbIbIbIaIaIaIa因此，差动保护的高、低压侧电流相位一致，高压侧电流幅值不变。

3、由计算变比与实际变比不同而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的变比，而变压器的变比也是一致的，因此，三者的关系很难满足nl2/nl1=nB的要求，此时差动回路中将有电流流过。

当采用具有速饱和铁心的差动继电器时，通常都是利用它的平衡线圈Wph、来消除此茶电流的影响。

4、由两侧电流互感器型号不同而产生的不平衡电流由于两侧电流互感器型号不同，他们的饱和特性、励磁电流（归算置同一侧）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。

此时应采用电流互感器的通行系数。

5、由变压器带负荷调整分接头而产生的不平衡电流带负荷调整变压器的分接头，是电力系统中采用带负荷调压的变压器来调整电压的方法，实际上改变分接头就是改变变压器的变比nB。

如果差动保护已按照某一变比调整好，则当分接头改换时，就会产生一个新的不平衡电流流入差动回路。

对由此而产生的不平衡第6页共10页电流，应在总差动保护的整定值中予以考虑。

六、整定计算差动电流的定值整定比较复杂，需要考虑的各种因素很多，这里只对一些定值做一个简单的介绍，仅作参考：

1、最小动作电流的整定差动最小动作电流应大于变压器额定负载时的不平衡电流，即Iop.minKrel（Ker+U+m）IN/na（87）式中：

IN变压器额定电流；na电流互感器的变比；Krel可靠系数，取1.31.；Ker电流互感器的比误差，10P型取0.032，5P型和TP型取0.012；U变压器调压引起的误差，取调压范围中偏离额定值的最大值（百分值）；m由于电流互感器变比未完全匹配产生的误差，初设时取0.05。

在工程实用整定计算中可选取Iop.min（0.20.5）INna。

一般工程宜采用不小于0.3IN/na的整定值。

根据实际情况（现场实测不平衡电流）确有必要时也可大于0.5IN/na。

2、最小制动电流Ires.0的整定最小制动电流宜取Ires.0（0.81.0）IN/na。

3、不平衡系数的整定平衡系数通常是以高压侧为基准尽心计算的。

Kph=1Kpm=Ih/ImKpl=Ih/Il式中：

Kph高压侧平衡系数Kpm中压侧平衡系数Kpl低压侧平衡系数Ih高压侧二次额定电流Im中压侧二次额定电流Il低压侧二次额定电流下面以一实例计算一下变压器的平衡系数：

一电厂主变各侧参数如下：

高压侧电压等级110KV,变比600/5，电抗器侧电压等级6.3KV,变比1000/5，机尾侧电压等级6.3KV,变比4000/5，则各侧平衡系数计算如下：

高压侧二次电流i1=Sn/（1.732110600/5）A电抗器侧二次电流i2=Sn/（1.7326.31000/5）A机尾侧二次电流i3=Sn/（1.7326.34000/5）A高压侧平衡系数k1定为1，则电抗器侧平衡系数k2为：

i1/i2=0.095机尾侧平衡系数k3为：

i1/i3=0.38由于我们差动保护定值平衡系数的整定范围为0.14，电抗器侧的平衡系数超范围，因此三侧平衡系数可同时乘以3，得出k1=3,k2=0.285,k3=1.14,第7页共10页变压器差动保护的基本原理及逻辑图1、变压器差动保护的工作原理与线路纵差保护的原理相同，都是比较被保护设备各侧电流的相位和数值的大小。

2、变压器差动保护与线路差动保护的区别：

由于变压器高压侧和低压侧的额定电流不相等再加上变压器各侧电流的相位往往不相同。

因此，为了保证纵差动保护的正确工作，须适当选择各侧电流互感器的变比，及各侧电流相位的补偿使得正常运行和区外短路故障时，两侧二次电流相等。

例如图8-5所示的双绕组变压器8.3.2变压器纵差动保护的特点1、励磁涌流的特点及克服励磁涌流的方法

（1）励磁涌流：

在空载投入变压器或外部故障切除后恢复供电等情况下在空载投入变压器或外部故障切除后恢复供电等情况下，变压器励磁电流的数值可达变压器额定68倍变压器励磁电流通常称为励磁涌流。

（2）产生励磁涌流的原因因为在稳态的情况下铁心中的磁通应滞后于外加电压90，在电压瞬时值u=0瞬间合闸，铁芯中的磁通应为-m。

但由于铁心中的磁通不能突变，因此将出现一个非周期分量的磁通+m，如果考虑剩磁r，这样经过半过周期后铁心中的磁通将达到2m+r，其幅值为如图8-6所示。

此时变压器铁芯将严重饱和，通过图8-7可知此时变压器的励磁电流的数值将变得很大，达到额定电流的68倍，形成励磁涌流。

（3）励磁涌流的特点：

励磁电流数值很大，并含有明显的非周期分量，使励磁电流波形明显偏于时间轴的一侧。

励磁涌流中含有明显的高次谐波，其中励磁涌流以2次谐波为主。

励磁涌流的波形出现间断角。

表8-1励磁涌流实验数据举例（4）克服励磁涌流对变压器纵差保护影响的措施：

采用带有速饱和变流器的差动继电器构成差动保护；利用二次谐波制动原理构成的差动保护；利用间断角原理构成的变压器差动保护；采用模糊识别闭锁原理构成的变压器差动保护。

2、不平衡电流产生的原因

（1）稳态情况下的不平衡电流变压器两侧电流相位不同电力系统中变压器常采用Y，d11接线方式，因此，变压器两侧电流的相位差为30，如下图所示，Y侧电流滞后侧电流30，若两侧的电流互感器采用相同的接线方式，则两侧对应相的二次电流也相差30左右，从而产生很大的不平衡电流。

电流互感器计算变比与实际变比不同由于变比的标准化使得其实际变比与计算变比不一致，从而产生不平衡电流。

【实例分析1】由电流互感实际变比与计算变比不等产生的不平衡电流分析在表8-2中，变压器型号、变比、Y,d11接线。

计算由于电流互感器的实际变比与计算不等引起的不平衡电流。

计算结果如表8-2。

由表8-2可见，由于电流互感器的实际变比与计算变比不等，正常情况将产生0.21A的不平衡电流。

表8-2计算变压器额定运行时差动保护臂中的不平衡电流第8页共10页变压器各侧电流互感器型号不同由于变压器各侧电压等级和额定电流不同，所以变压器各侧的电流互感器型号不同，它们的饱和特性、励磁电流（归算至同一侧）也就不同，从而在差动回路中产生较大的不平衡电流。

变压器带负荷调节分接头变压器带负荷调整分接头，是电力系统中电压调整的一种方法，改变分接头就是改变变压器的变比。

整定计算中，差动保护只能按照某一变比整定，选择恰当的平衡线圈减小或消除不平衡电流的影响。

当差动保护投入运行后，在调压抽头改变时，一般不可能对差动保护的电流回路重新操作，因此又会出现新的不平衡电流。

不平衡电流的大小与调压范围有关。

（2）暂态情况下的不平衡电流暂态过程中不平衡电流的特点：

暂态不平衡电流含有大量的非周期分量，偏离时间轴的一侧。

暂态不平衡电流最大值出现的时间滞后一次侧最大电流的时间（根据此特点靠保护的延时来躲过其暂态不平衡电流必然影响保护的快速性，甚至使变压器差动保护不能接受）。

8.3.3减小不平衡电流的措施

（1）减小稳态情况下的不平衡电流变压器差动保护各侧用的电流互感器，选用变压器差动保护专用的D级电流互感器；当通过外部最大稳态短路电流时，差动保护回路的二次负荷要能满足10%误差的要求。

（2）减小电流互感器的二次负荷这实际上相当于减小二次侧的端电压，相应地减少电流互感器的励磁电流。

减小二次负荷的常用办法有：

减小控制电缆的电阻（适当增大导线截面，尽量缩短控制电缆长度）；采用弱电控制用的电流互感器（二次额定电流为lA）等。

（3）采用带小气隙的电流互感器这种电流互感器铁芯的剩磁较小，在一次侧电流较大的情况下，电流互感器不容易饱和。

因而励磁电流较小，有利于减小不平衡电流。

同时也改善了电流互感器的暂态特性。

（4）减小变压器两侧电流相位不同而产生的不平衡电流采用相位补偿采用适当的接线进行相位补偿法。

图8-10Y,d11接线变压器差动保护接线图和相量图如变压器为Y，d11接线其相位补偿的方法是将变压器星形侧的电流互感器接成三角形，将变压器三角形侧的电流互感器接成星形，如图8-10（a）所示，以补偿30的相位差。

图8-10（b）为星形侧的一次电流和三角形侧的一次电流，及其相位关系。

采用相位补偿接线后，变压器星形侧电流互感器二次回路侧差动臂中的电流分别为（右上图红色），它们刚好与三角形侧电流互感器二次回路中的电流同相位，如图8-10（c）所示。

这样，差动回路中两侧的电流的相位相同。

数值补偿变压器星形侧电流互感器变比变压器三角形侧电流互感器变比软件校正微机保护中采用软件进行相位校正（5）减小电流互感器由于计算变比与标准变比不同而引起的不平衡电流采用数值补偿采用自耦变流器。

利用BCH型差动继电器中的平衡线圈。

在变压器微机保护的软件中采用补偿系数使差动回路的不平衡电流为最小。

第9页共10页（6）由变压器两侧电流互感器型号不同而产生的不平衡电流在差动保护的整定计算中加以考虑。

（7）由变压器带负荷调整分接头而产生的不平衡电流在变压器差动保护的整定计算中考虑。

在稳态情况下，变压器的差动保护的不平衡电流可由下式决定（8）减小暂态过程中非周期分量电流的影响差动保护采用具有速饱和特性的中间变流器，选用带制动特性的差动继电器或间断角原理的差动继电器等，利用其它方法来解决暂态过程中非周期分量电流的影响问题。

8.3.4和差式比率制动式差动保护原理1.双绕组变压器比率制动的差动保护原理。

（1）和差式比率制动的动作判据差动电流：

制动电流：

差动保护动作的第一判据：

制动比率系数：

外部故障时，保护可靠地不动作。

应满足如下判据：

差动保护动作的第二判据2.比率制动特性的整定

（1）最小启动电流Iact0

（2）拐点制动电流Ibrk0可选取（3）最大制动系数Kbrk.max和制动特性斜率S最大制动系数比率制动特性曲线如下图比率制动系数的整定值D取0.30.5比率制动特性的斜率S，由上图可知当Ibrk0Ibrk.max和Iact02.03.三绕组变压器比率制动的差动保护原理。

对于三绕组变压器，其差动保护的原理与双绕组变压器的差动保护原理相同，但差动电流和制动电流及最大不平衡电流应做相应的更改。

差动电流和制动电流分别为在有的变压器差动保护直接取三侧中最大电流为制动电流，即最大不平衡电流的计算公式如下：

在微机保护中，考虑采用数值补偿系数后误差非常小m0，则上式为4.励磁涌流闭锁原理采用二次谐波制动原理在变压器励磁涌流中含有大量的二次谐波分量，一般约占基波分量的40以上。

利用差电流中二次谐波所占的比率作为制动系数，可以鉴别变压器空载合闸时的励磁涌流，从而防止变压器空载合闸时保护的误动。

在差动保护中差电流的二次谐波幅值用表示，差电流中二次谐波所占的比率可表示为如第10页共10页下式：

如选二次谐波制动系数为定值D3，那么只要大于定值D3，就可以认为是励磁涌流出现，保护不应动作。

在值小于D3，同时满足比率差动其他判据时才允许保护动作。

比率差动保护的第三判据应满足下式二次谐波制动系数D3，有0.15、0.2、0.25三种系数可选。

5.差动速断保护

（1）采用差动速断保护的原因一般情况下比率制动原理的差动保护能作为电力变压器主保护，但是在严重内部故障时，短路电流很大的情况下，TA严重饱和使交流暂态传变严重恶化，TA的二次侧基波电流为零，高次谐波分量增大，反应二次谐波的判据误将比率制动原理的差动保护闭琐，无法反映区内短路故障，只有当暂态过程经一定时间TA退出暂态饱和比率制动原理的差动保护才动作，从而影响了比率差动保护的快速动作，所以变压器比率制动原理的差动保护还应配有差动速断保护，作为辅助保护以加快保护在内部严重故障时的动作速度。

差动速断保护是差动电流过电流瞬时速动保护。

（2）差动速断的整定值按躲过最大不平衡电流和励磁涌流来整定6.变压器比率差动保护程序逻辑框图

（1）变压器差动保护程序逻辑框图2）变压器差动保护程序逻辑原理在程序逻辑框图中D1=Iact0、D2=KrelId/Ibrk为比率制动系数整定值，D3为二次谐波制动系数整定值。

可见比率差动保护动作的三个判据是“与”的关系（图8-14中的与门Y2），必须同时满足才能动作于跳闸。

而差动速断保护是作为比率差动保护的辅助保护。

其定值为D4=Iact.s，在比率差动保护不能快速反映严重区内故障时，差动速断保护应无时延地快速出口跳闸。

因此这两种保护是“或”的逻辑关系（图8-14中的或门H3）。

比率差动保护在TA二次回路断线时会产生很大的差电流而误动作，所以必须经TA断线闭锁的否门再经与门Y3才能出口动作。

当TA断线时与门Y3被闭锁住，不能出口动作。

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