變壓器縱差保護原理及不平衡電流分析

1．變壓器縱差保護基本原理

縱差保護在發(fā)電機上的應用比較簡單，但是作為變壓器內(nèi)部故障的主保護，縱差保護將有許多特點和困難。變壓器具有兩個或更多個電壓等級，構(gòu)成縱差保護所用電流互感器的額定參數(shù)各不相同，由此產(chǎn)生的縱差保護不平衡電流將比發(fā)電機的大得多，縱差保護是利用比較被保護元件各端電流的幅值和相位的原理構(gòu)成的，根據(jù)KCL 基本定理[1]，當被保護設備無故障時恒有各流入電流之和必等于各流出電流之和。

當被保護設備內(nèi)部本身發(fā)生故障時，短路點成為一個新的端子，此時 電流大于0，但是實際上在外部發(fā)生短路時還存在一個不平衡電流。事實上，外部發(fā)生短路故障時，因為外部短路電流大，特別是暫態(tài)過程中含有非周期分量電流，使電流互感器的勵磁電流急劇增大，而呈飽和狀態(tài)使得變壓器兩側(cè)互感器的傳變特性很難保持一致，而出現(xiàn)較大的不平衡電流。因此采用帶制動特性的原理，外部短路電流越大，制動電流也越大，繼電器能夠可靠制動。

另外，由于縱差保護的構(gòu)成原理是基于比較變壓器各側(cè)電流的大小和相位，受變壓器各側(cè)電流互感器以及諸多因素影響，變壓器在正常運行和外部故障時，其動差保護回路中有不平衡電流，使縱差保護處于不利的工作條件下。為保證變壓器縱差保護的正確靈敏動作，必須對其回路中的不平衡電流進行分析，找出產(chǎn)生的原因，采取措施予以消除。

2． 縱差保護不平衡電流分析

2.1 穩(wěn)態(tài)情況下的不平衡電流

變壓器在正常運行時縱差保護回路中不平衡電流主要是由電流互感器、變壓器接線方式及變壓器帶負荷調(diào)壓引起。

（1）由電流互感器計算變比與實際變比不同而產(chǎn)生。正常運行時變壓器各側(cè)電流的大小是不相等的。為了滿足正常運行或外部短路時流入繼電器差動回路的電流為零，則應使高、低壓兩側(cè)流入繼電器的電流相等，即高、低側(cè)電流互感器變比的比值應等于變壓器的變比。但是[1]，實際上由于電流互感器的變比都是根據(jù)產(chǎn)品目錄選取的標準變比，而變壓器的變比是一定的，因此上述條件是不能得到滿足的，因而會產(chǎn)生不平衡電流。

（2）由變壓器兩側(cè)電流相位不同而產(chǎn)生。變壓器常常采用兩側(cè)電流的相位相差30°的接線方式（對雙繞組變壓器而言）。此時，如果兩側(cè)的電流互感器仍采用通常的接線方式（即均采用Ｙ形接線方式），則二次電流由于相位不同，也會在縱差保護回路產(chǎn)生不平衡電流。

（3）由變壓器帶負荷調(diào)整分接頭產(chǎn)生。在電力系統(tǒng)中，經(jīng)常采用有載調(diào)壓變壓器，在變壓器帶負荷運行時利用改變變壓器的分接頭位置來調(diào)整系統(tǒng)的運行電壓。改變變壓器的分接頭位置，實際上就是改變變壓器的變化[2]。如果縱差保護已經(jīng)按某一運行方式下的變壓器變比調(diào)整好，則當變壓器帶負荷調(diào)壓時，其變比會改變，此時，縱差保護就得重新進行調(diào)整才能滿足要求，但這在運行中是不可能的。因此，變壓器分接頭位置的改變，就會在差動繼電器中產(chǎn)生不平衡電流，它與電壓調(diào)節(jié)范圍有關，也隨一次電流的增大而增大。

2.2 暫態(tài)情況下的不平衡電流

（1）由變壓器勵磁涌流產(chǎn)生

變壓器的勵磁電流僅流經(jīng)變壓器接通電源的某一側(cè)，對差動回路來說，勵磁電流的存在就相當于變壓器內(nèi)部故障時的短路電流[3]。因此，它必然給縱差保護的正確工作帶來不利影響。正常情況下，變壓器的勵磁電流很小，故縱差保護回路的不平衡電流也很小。在外部短路時，由于系統(tǒng)電壓降低，勵磁電流也將減小。因此，在正常運行和外部短路時勵磁電流對縱差保護的影響常�？珊雎圆挥嫛５�是，在電壓突然增加的特殊情況下，比如變壓器在空載投入和外部故障切除后恢復供電的情況下，則可能出現(xiàn)很大的勵磁電流，這種暫態(tài)過程中出現(xiàn)的變壓器勵磁電流通常稱勵磁涌流。

（2）由變壓器外部故障暫態(tài)穿越性短路電流產(chǎn)生

縱差保護是瞬動保護，它是在一次系統(tǒng)短路暫態(tài)過程中發(fā)出跳閘脈沖。因此，必須考慮外部故障暫態(tài)過程的不平衡電流對它的影響。在變壓器外部故障的暫態(tài)過程中，一次系統(tǒng)的短路電流含有非周期分量，它對時間的變化率很小，很難變換到二次側(cè)，而主要成為互感器的勵磁電流，從而使互感器的鐵心更加飽和。

3．變壓器縱差保護中不平衡電流的克服方法

從上面的分析可知，構(gòu)成縱差保護時，如不采取適當?shù)拇胧�，流入差動繼電器的不平衡電流將很大，按躲開變壓器外部故障時出現(xiàn)的最大不平衡電流整定的縱差保護定值也將很大，保護的靈敏度會很低。若再考慮勵磁涌流的影響，保護將無法工作。因此，如何克服不平衡電流，并消除它對保護的影響，提高保護的靈敏度，就成為縱差保護的中心問題。

（1）由電流互感器變比產(chǎn)生的不平衡電流的克服方法

對于由電流互感器計算變比與實際變比不同而產(chǎn)生的不平衡電流可采用2種方法來克服：一是采用自耦變流器進行補償。通常在變壓器一側(cè)電流互感器（對三繞組變壓器應在兩側(cè)）裝設自耦變流器，將LH輸出端接到變流器的輸入端，當改變自耦變流器的變比時，可以使變流器的輸出電流等于未裝設變流器的LH的二次電流，從而使流入差動繼電器的電流為零或接近為零。二是利用中間變流器的平衡線圈進行磁補償。通常在中間變流器的鐵心上繞有主線圈即差動線圈，接入差動電流，另外還繞一個平衡線圈和一個二次線圈，接入二次電流較小的一側(cè)。適當選擇平衡線圈的匝數(shù)，使平衡線圈產(chǎn)生的磁勢能完全抵消差動線圈產(chǎn)生的磁勢，則在二次線圈里就不會感應電勢，因而差動繼電器中也沒有電流流過。采用這種方法時，按公式計算出的平衡線圈的匝數(shù)一般不是整數(shù)，但實際上平衡線圈只能按整數(shù)進行選擇，因此還會有一殘余的不平衡電流存在，這在進行縱差保護定值整定計算時應該予以考慮。

（2）由變壓器兩側(cè)電流相位不同而產(chǎn)生的不平衡電流的克服方法