對提高變壓器保護動作可靠性的探討

　　摘要：根據對變壓器故障類型和不正常工作狀態，提出變壓器應配置的保護類型。通過對勵磁涌流及不平衡電流產生的原因、抑制及消除方法的分析，提出了提高變壓器差動保護可靠性的措施，并用實例說明上述措施是正確有效的，據此設計開發出的裝置經試驗和現場運行證明，其靈敏度和可靠性都得到顯著提高。

　　關鍵詞：變壓器 差動保護 可靠性

　　1、緒言

　　電力變壓器是電網的重要組成元件之一，在電網的安全穩定運行中具有極其重要的作用。由于電網中變壓器數量越來越多，其單體價值又非常高，一旦發生故障將造成嚴重后果，所以對變壓器保護動作的可靠性有更高的要求。近年來，110KV變壓器保護正確動作率一直徘徊在70％～80％之間（1999年66.99%, 2000年75.12%，2001年82.54%，2002年74.77%），遠低于線路保護的正確動作率，因此迫切需要對變壓器保護進一步發展與完善。【1】【2】

　　2、變壓器故障的類型及應配置的保護【3】

　　變壓器的運行故障主要有兩類：（1）油箱內部故障－包括各相繞組之間的相間短路、單相繞組部分線匝之間的匝間短路、單相繞組或引出線通過外殼發生的單相接地故障、鐵心燒損等；（2）油箱外部故障－包括引出線的相間短路、絕緣套管閃絡或破碎引起的單相接地（通過外殼）短路等。變壓器故障會導致不正常工作狀態，主要表現在：外部短路或過負荷產生過電流、油箱漏油造成油面降低、中性點過電壓、因外加電壓過高或頻率降低引起過勵磁等。

　　根據變壓器的故障狀態，應裝設下述保護：（1）瓦斯保護－防止變壓器油箱內各種短路故障和油面降低，其中重瓦斯跳閘、輕瓦斯發信號；（2）縱聯差動保護和電流速斷保護－防止變壓器繞組和引出線多相短路、大接地電流系統側繞組和引出線的單相接地短路及繞組匝間短路；（3）相間短路的后備保護，包括過電流保護、復合電壓起動的過電流保護、負序過電流保護－防止變壓器外部相間短路并作為瓦斯保護和差動保護的后備；（4）零序電流保護－防止大接地電流系統中變壓器外部接地短路；（5）過負荷保護－防止變壓器對稱過負荷；（6）過勵磁保護－防止變壓器過勵磁。【4】

　　3、變壓器的勵磁涌流及變壓器差動保護【5】

　　當變壓器空載投入和外部故障切除后電壓恢復時，因鐵心飽和及存在剩磁會出現很大的勵磁電流即勵磁涌流，其特點是含有很大成分的非周期分量、含有大量的高次諧波分量且以二次諧波為主、波形之間有間斷，其大小和衰減時間與外加電壓、鐵芯剩磁大小與方向、回路阻抗、變壓器容量和鐵芯性質有關。對于三相交流變壓器，由于三相之間相差1200，所以任何瞬間合閘至少有兩相出現不同的勵磁涌流，它對變壓器差動保護的正確動作有不利影響，而在穩態運行及差動范圍外發生故障時則影響不大。

　　差動保護是用某種通信通道將電氣設備兩端的保護裝置縱向聯接起來，并將兩端電氣量比較來判斷保護是否動作，其基礎是基爾霍夫定律。根據該定律，保護范圍內流入與流出的電流應該相等（變壓器歸算到同側）。當保護范圍內發生故障時，其流入與流出的電流不等，差動保護就根據這個不平衡電流動作。差動保護原理簡單易于實現，有很高的動作選擇性和靈敏度，以其優越的保護性能成為大容量、高電壓變壓器的主保護，缺點是在勵磁涌流情況下容易誤動。

　　從電路上看，變壓器一次繞組和二次繞組并非是一個節點，變壓器差動保護原理建立在穩態磁路平衡的基礎上，是差動保護原理的一種拓展。在暫態過程中這種平衡關系將被打破，只有等到暫態過程衰減后，原先的平衡關系才能重新建立，因此需要檢測這種暫態。變壓器差動保護中的關鍵問題是如何處理勵磁涌流導致的誤動，目前常用的涌流閉鎖方法有二次諧波制動、間斷角閉鎖、波形對稱原理等。勵磁涌流是一次系統在穩態和衰減直流分量疊加磁鏈的激勵下，作用于非線性勵磁特性的電流輸出。衰減的直流分量在頻域中是用傅立葉分析的一個連續的密度譜，而穩態交流分量在頻域上是用傅立葉級數分析的一個離散幅值譜。在保護的數字信號處理中，將衰減的直流分量在時間上截斷并進行了周期延拓，導致產生成了離散的幅度譜，混疊到了原來的幅度譜中，影響了二次諧波分量的大小，給二次諧波制動原理的差動保護帶來了困難。

　　4、變壓器差動保護不平衡電流產生的原因及消除方法【6】

　　從理論上講，變壓器在正常運行和區外故障時，應該有Ij=I1"- I2"=0。然而，由于變壓器在結構和運行上的特點，實際運行中很多因素使Ij= Ibp≠0，（Ibp為不平衡電流），即當保護范圍內無故障時也存在不平衡電流，這些不平衡電流有可能引起保護誤動。對不平衡電流產生的原因及消除方法分析如下。

　　穩態情況下不平衡電流產生的原因有：

　　（1）因各側繞組的接線方式不同造成電流相位不同而產生不平衡電流

　　我國規定的五種變壓器標準聯結組中，35kV Y/D-11雙繞組變壓器常被使用。這種聯結方式的變壓器兩側電流相差300，要使差動保護不誤動就要設法調整CT二次回路的接線和變比以進行相位校正，使電源側和負荷側的CT二次電流相差1800且大小相等，這樣就能消除Y/D-11變壓器接線對差動保護的影響。其它方式依此類推。

　　（2）因CT計算變比與實際變比不同而產生不平衡電流

　　由于各側的CT變比都是標準的，如：600/5、800/5、1000/5、1200/5等，變壓器的變比也是一定的，很難完全滿足或的要求，即Ij≠0，產生Ibp，此時差動回路就有不平衡電流流過使保護可能誤動。通常利用差動繼電器的平衡線圈進行磁補償來消除或減小這個差值，即用平衡線圈彌補實際變比與理想值之差，使兩臂電流差接近零，從而消除或盡量減小不平衡電流。

　　（3）因各側CT型號不同而存在變換誤差產生不平衡電流

　　因各側CT型號不同，其結構形式、飽和特性、勵磁電流（歸算到同側）、傳變特性等也就不同。因此正常運行情況下差動回路中產生在兩臂的不平衡電流較大：Ibp.CT =Ktx?Ker?Id.max/ nl1（其中Ktx =1），會影響保護正確動作。在外部故障因某一側CT飽和而產生大量的不平衡電流時，也有可能影響變壓器差動保護的正確動作。所以應采用CT同型系數為1的互感器以滿足10％誤差曲線的要求，并在整定計算中予以考慮。