試析變壓器差動保護研究

劉振東

（哈爾濱電業(yè)局道外供電局，黑龍江 哈爾濱 150001）

電力變壓器差動保護是按照循環(huán)電流原理構(gòu)成的,是變壓器的主保護。一般采用的是帶制動特性的比率差動保護,因其所具有的區(qū)內(nèi)故障可靠動作,區(qū)外故障可靠閉鎖的特點使其在系統(tǒng)內(nèi)得到了廣泛運用。雙繞組變壓器,在兩側(cè)裝設(shè)電流互感器。當(dāng)兩側(cè)電流互感器的同極性在同一方向,則將兩側(cè)電流互感器不同極性的二次端子相連接,差動繼電器的工作線圈并聯(lián)在電流互感器的二次端子上。在正常運行或外部故障時,兩側(cè)的二次電流大小相等,方向相反,在繼電器中電流為零,因此差動保護不動作。然而,由于變壓器在實際運行中引起的不平衡電流,使差動繼電器的動作電流增大,從而降低了保護的靈敏度。

1 產(chǎn)生原因

1.1 穩(wěn)態(tài)不平衡電流產(chǎn)生的原因：①變壓器高低壓側(cè)繞組接線方式不同;②變壓器各側(cè)電流互感器的型號和變比不相同;③帶負(fù)荷調(diào)分接頭引起變壓器變比的改變。

1.2 暫態(tài)不平衡電流主要是由于變壓器空載投入電源或外部故障切除,電壓恢復(fù)時產(chǎn)生的勵磁涌流。

2 差動保護用的電流互感器的基本要求

目前110kV及以下電壓等級均采用P級電流互感器,220kV變壓器亦采用P級電流互感器或5P級、PR級電流互感器,因此差動保護需要采取抗電流互感器飽和的措施。500kV變壓器在500kV側(cè)、220kV側(cè)均用TPY級電流互感器,對于600MW大型發(fā)電機變壓器組保護,500kV側(cè)均采用TPY級電流互感器,在發(fā)電機側(cè)已有TPY級電流互感器可選用。

差動保護用的電流互感器需要滿足兩個條件:一是穩(wěn)態(tài)誤差必須控制在10%誤差范圍之內(nèi),因為整定計算中采用的不平衡穩(wěn)態(tài)電流是按10%誤差條件計算的。二是暫態(tài)誤差。電流互感器剩磁對于飽和影響很大,當(dāng)剩磁與短路電流暫態(tài)分量引起的磁通極性相同時,加重二次電流的畸變,因此電流互感器鐵心中存在剩磁,則電流互感器可能在一次電流遠(yuǎn)低于正常飽和值即過早飽和。差動保護的暫態(tài)不平衡電流比穩(wěn)態(tài)時大得多,僅在整定計算時將穩(wěn)態(tài)不平衡電流增大二倍是不夠安全的。采取抗飽和的辦法是使用帶有氣隙的TPY級電流互感器。但是差動保護廣泛使用的是P級電流互感器,對P級電流互感器規(guī)定允許穩(wěn)態(tài)誤差不超過10%,暫態(tài)誤差必然要超過穩(wěn)態(tài)誤差,在實用上可在按穩(wěn)態(tài)誤差選出的技術(shù)規(guī)范基礎(chǔ)上通過“增密”以限制暫態(tài)誤差。采用增密的方法主要有:(1)將準(zhǔn)確限值系數(shù)增大二倍 (允許短路電流為額定電流的倍數(shù));(2)將二次額定負(fù)擔(dān)增大一倍;(3)增大二次電纜截面使二次回路的總電阻減半;(4)改用5P級電流互感器。

3 變壓器勵磁涌流的影響和防范措施

3.1 變壓器勵磁涌流對差動保護的影響

變壓器的高、低壓側(cè)是通過電磁聯(lián)系的,故僅在電源的一側(cè)存在勵磁電流,它通過電流互感器構(gòu)成差回路中不平衡電流的一部分。在正常運行情況下,其值很小,一般不超過變壓器額定電流的3%～5%。當(dāng)外部發(fā)生短路故障時,由于電源側(cè)母線電壓降低,勵磁電流更小,因此這些情況下的不平衡電流對差動保護的影響一般可以不必考慮。在變壓器空載投入電源或外部故障切除后電壓恢復(fù)過程中,由于變壓器鐵芯中的磁通急劇增大,使鐵芯瞬間飽和,這時出現(xiàn)數(shù)值很大的沖擊勵磁電流(可達(dá)5～10倍的額定電流),通常稱為勵磁涌流。

勵磁涌流IE中含有大量的非周期分量與高次諧波,因此勵磁涌流已不是正弦波,而是尖頂波,且在最初瞬間完全偏于時間軸的一側(cè)。勵磁涌流的大小和衰減速度,與合閘瞬間外加電壓的相位,鐵芯中剩磁的大小和方向、電源容量、變壓器的容量及鐵芯材料等因素有關(guān)。對于單相的雙繞組變壓器,在其它條件相同的情況下,當(dāng)電壓瞬時值為零時合閘,勵磁電流最大;如果在電壓瞬時值最大時合閘,則不會出現(xiàn)勵磁涌流,而只有正常的勵磁電流。對于三相變壓器,無論任何瞬間合閘,至少有兩相會出現(xiàn)不同程度的勵磁涌流。在起始瞬間,勵磁涌流衰減的速度很快,對于一般的中小型變壓器,經(jīng)0.5～1S后其值不超過額定流的0.25～0.5倍;大型電力變壓器勵磁涌流的衰減速度慢,衰減到上述值時約2～3S。這就是說,變壓器容量越大衰減越慢,完全衰減要經(jīng)過幾十秒的時間。

3.2 變壓器差動保護中減小勵磁涌流影響的措施

防止勵磁涌流影響,采用BCH型具有速飽和變流器的繼電器是國內(nèi)目前廣泛采用的一種方法。當(dāng)外部故障時,所含非周期分量的最大不平衡電流能使速飽和變流器的鐵芯很快地單方面飽和,傳變性能變壞,致使不平衡電流難于傳變到差動繼電器的差動線圈上,保證差動保護不會誤動。內(nèi)部故障時雖然速飽和變流器一次線圈的電流也含有一定的非周期性分量,但它衰減得快,一般經(jīng)過1.5～2個周波即衰減完畢,此后速飽和變流器一次線圈中通過的完全是周期性的短路電流,于是在二次線圈中產(chǎn)生很大的感應(yīng)電動勢,并使執(zhí)行元件中的相應(yīng)電流也大,從而使繼電器能靈敏地動作。速飽和變流器正是利用容易飽和的性能來躲過變壓器外部短路不平衡電流和空載合閘勵磁涌流的非周期分量影響。

3.3 利用二次諧波制動

保護裝置在變壓器空載投入和外部故障切除電壓恢復(fù)時,利用二次諧波分量進(jìn)行制動;內(nèi)部故障時,利用基波做;外部故障時,利用比例制動回路躲過不平衡電流。

3.4 采用內(nèi)部短路電流和勵磁涌流波形的差別來躲過勵磁涌流

將差電流進(jìn)行微分,再將微分后的電流進(jìn)行全波整流,利用整流后的波形在動作整定值下存在時間長短來判斷是內(nèi)部故障,還是勵磁涌流。

4 提高靈敏度和快速性必須建立在安全、可靠的基礎(chǔ)之上

差動保護應(yīng)具有高靈敏度和快速性,輕微匝間短路能快速跳閘。但提高靈敏度和快速性必須建立在安全、可靠的基礎(chǔ)上。運行實踐證明:使用較低的起動電流值在區(qū)外故障或區(qū)外故障切除時會引起差動保護誤動的嚴(yán)重后果,因此對于靈敏度和快速性不要追求過高的指標(biāo)而忽視可靠性。

提高靈敏度雖對反映輕微故障是有效的,但靈敏度的提高必然會降低安全。變壓器的嚴(yán)重故障并不都是由輕微故障發(fā)展而來的,故障發(fā)生的瞬間仍會發(fā)生燒毀設(shè)備的事故,同時輕微故障發(fā)展為嚴(yán)重故障也需要時間,因此輕微故障可以延時切除故障。

5 結(jié)束語

綜上所述,為了保證差動保護動作的選擇性,差動繼電器的動作電流應(yīng)盡量避開最大不平衡電流。不平衡電流越小,保護裝置的靈敏度越高,變壓器的差動保護應(yīng)建立在安全可靠的基礎(chǔ)之上，從而保證變壓器的穩(wěn)定運行。

[1]發(fā)電機變壓器繼電保護應(yīng)用.中國電力出版社.2005.

[2]變壓器基礎(chǔ)知識.機械工業(yè)出版社.2008.