变压器差动保护的分析和讨论

变压器是目前电力系统中大量使用到的设备，分布于不同电压阶层，其性能的好坏直接影响到整个网络供电的可靠性和系统的正常运行。为了避免因变压器的故障引起的事故，通常在回路中安装继电器保护装置。变压器的保护，一般可以分为非电量的瓦斯保护和纵联差动保护。瓦斯保护是变压器内部故障的主要保护元件。变压器纵差动保护的基本原理是用辅助导线将变压器各侧的二次电流引入差动继电器（采用环流法接线），比较各侧电流方向及大小来判断变压器是否发生了短路，以决定保护是否动作。随着计算机和网络技术的不断发展，微机、集成电路等大量运用到变压器保护当中。按照继电器的不同，变压器保护可以分为电磁型差动继电器保护、整流型差动继电器保护、静态差动继电器保护。其中静态差动继电器保护又可以分为晶体管保护、集成电路保护和微机型保护。按所保护物理量分类，可分为电流保护，电压保护，差动保护，瓦斯保护，零序电流保护。

一. 变压器差动保护的简要原理

差动保护是利用基尔霍夫电流定理工作的，当变压器正常工作或区外故障时，将其看作理想变压器，则流入变压器的电流和流出电流（折算后的电流）相等，差动继电器不动作。当变压器内部故障时，两侧（或三侧）向故障点提供短路电流，差动保护感受到的二次电流和的正比与故障点电流，差动继电器动作。

对于电网中的任一个节点,恒有:

式中　Ii 为被保护对象第i个端子电流相量.但是若被保护对象是变压器，它还具有自身特点：

式中Ig为变压器励磁电流。

二. 变压器差动保护技术的现状和问题

1.励磁涌流的产生及克服方法

电力变压器的差动保护一般包括以下两个部分：一是鉴别励磁涌流和内部故障电流，二是区分外部故障和内部故障。长期的运行经验表明差动保护是能够准确区分区内和区外故障的, 因此当前变压器差动保护的主要矛盾集中在鉴别励磁涌流和内部故障电流上。当变压器及其所在系统正常运行时,对于大型变压器，励磁电流远小于额定电流，不会影响变压器纵差保护的工作性能;当外部系统短路时,电压严重下降，励磁电流更是进一步减小。而当变压器空载合闸或外部故障切除后电压恢复时, 励磁电流将明显增大,可达变压器额定电流的6～8倍。此时若不能通过涌流识别判据对其进行制动，则保护必然会误动。

间断角原理是根据变压器励磁涌流和内部故障的具有不同特征电流波形的来区分是内部故障还是励磁涌流的。小电流情况下电流中的谐波含量以及频率的变化对间断角的测量影响较大, 因此在系统振荡时可能误动。二次谐波制动原理是励磁涌流中含有较大的偶次谐波分量且以二次谐波为主, 通过计算差动电流中的二次谐波电流可以判断是否存在励磁涌流。利用变压器电压量判别涌流的基本原理是当变压器因励磁涌流出现严重饱和时, 端电压会发生严重畸变, 其中包含较大的谐波分量, 可以用来鉴别励磁涌流。应用最广泛的二次谐波制动原理, 利用了电流中明显的谐波特征。间断角原理的差动保护则运用了电流的明显波动特征。就采用的信息量而言, 间断角原理使用了更多的信息, 而二次谐波则较少。因此, 从原理上讲, 间断角原理比二次谐波更先进, 只是由于微机实现的困难才没有得到广泛的应用。

2.不平衡电流产生的原因及克服方法

其产生原因可能有以下几种：计算变比与实际变比不一致而产生不平衡电流；由变压器带负荷调节分接头产生的不平衡电流；电流互感器传变误差产生的不平衡电流；变压器励磁电流产生的不平衡电流。其中，励磁电流造成的影响最大。

在进行差动保护时，不平衡电流会大大增加，使差动电流保护装置处于更加不利的状态，所以减小不平衡电流是十分必要的。为减小因电流互感器性能不同引起的稳态不平衡电流，应该尽可能的使用型号，性能完全相同的D 级电流互感器，使得两侧电流互感器的励磁化曲线相同，以减小不平衡电流。另外，减少电流互感器的二次负载并使各侧负载相同，能够减小铁芯的饱和程度，相应减小了不平衡电流。为减小暂态不平衡电流，根据电流互感器暂态不平衡电流中可能含有大量的非周期性分量，使电流完全偏离时间轴一侧的特点，常在差动回路中接入具有速饱和特性的中间变流器(BHL), BHL的作用是使暂态不平衡电流不反映到继电器回路中去，以避免误动作。纵联差动保护，它在原理上不反映相邻元件上发生的短路故障，不需要在时间上与相邻元件相配合，可实现速动，因此在发电机，变压器，母线保护中得到广泛应用。

3.变压器差动保护误动作及防治

有时纵联差动保护区外的事故也会引起差动保护动作，这样的动作将会影响变压器的连续工作，降低供电的可靠性，这类动作称为差动保护误动作。其原因可能有：(1) 差动保护电流互感器与差动保护设备之间电流回路故障 (2) 由差动继电器或保护装置调试，整定不当引起的事故。(3) 一次性倒闸操作引起的误动作。导致误动作的因素还有很多，如电磁型差动继电器平衡绕组I，II 整定错误，一次设备检修引起的差动误动作等。这些误动作对设备，电网的影响都很大，应想法设法减小误动作率。

继电器保护事故的原因是多方面的，有设计不合理，原理不成熟，制造上的缺陷，定值问题，调试不良等。为减少因事故引起的损失，防止措施是必不可少的。(1)保持正确的连线，做好差动向量测试，以确定保护回路的正确性。(2)检查二次回路的绝缘性是否符合标准。(3)若保护定值与实际相差太大，则要合理计算保护定值，其内容包括二次谐波制动系数和差动速断电流定值，对于大容量，远离电源的变压器，二次谐波制动系数可以取大一点，而差动速断电流定值可取小一点。(4)加强运行，维修人员的技术培训，规范他们的行为，减小人为事故。

三.变压器差动保护发展趋势

随着计算机技术的飞速发展, 新的保护原理和方案不断被应用到计算机继电保护中。不少学者把以模糊理论、人工神经网络、专家系统等非线性科学为主导的智能技术引人到电力系统中,在变压器继电保护中得到应用。

由于变压器参数不易确定, 系统运行方式的随机性, 以及变压器本身的严重非线性, 建立一个精确的数学模型是很困难的。变压器励磁涌流由于与众多的不可预知的因素相关影响最大的是系统合闸角和变压器的剩磁而带有很大随机性。运用模糊集理论能较好地处理由于不确定性所带来的困难, 做到在变压器故障不明时有更完美的决策。对变压器励磁涌流的识别, 可以将差动电流二次谐波含量、变压器端电压水平、差流波形对称性等几种常用判据根据实际情况分别置于不同的置信度,然后综合判别, 从而提高涌流识别的可靠性。而神经网络能实现任意复杂的非线性映射, 即非线性函数的表征。因此, 可用来实现对变压器状态的判别。再综合考虑系统中的模糊性因素, 将能更有效的实施变压器保护。它抛弃了原来的精确描述变压器模型以及根据模型进行算法研究的方法。

随着与微机保护技术密切相关的其他科技领域新技术和新理论的出现,通信技术、信息技术、自适应控制理论、全球定位系统( GPS)等的应用,必将促进自适应保护的飞速发展。自适应继电保护的基本思想是使保护能尽可能地适应电力系统的各种变化,进一步改善保护的性能。自适应保护的发展将实现整定计算在线化,保护性能最佳化。与传统保护不同,自适应保护具有自动识别系统的运行状态和故障状态的能力,并根据状态的改变,实时自动地调整保护的性能,其中包括动作原理、整定值和动作特性,达到最佳的使用效果。对于变压器励磁涌流的精确判别的研究,励磁涌流受系统合闸角和变压器剩磁等不可预知的因素影响,模糊集理论能较好地处理由于不确定因素所带来的随机性,做到完美决策;遗传算法、专家系统等技术也具备独特的求解复杂问题的能力。小波技术由于其在频域和时域均具有良好的局部化性能,对于主设备保护寻找暂态过程中新的故障特征,捕捉和处理微弱突变信号的研究等具有很重要的价值。