差動(dòng)保護(hù)的原理及作用

1、變壓器差動(dòng)保護(hù)的工作原理

與線路縱差保護(hù)的原理相同，都是比較被保護(hù)設(shè)備各側(cè)電流的相位和數(shù)值的大小。

2、變壓器差動(dòng)保護(hù)與線路差動(dòng)保護(hù)的區(qū)別：

由于變壓器高壓側(cè)和低壓側(cè)的額定電流不相等再加上變壓器各側(cè)電流的相位往往不相同。因此，為了保證縱差動(dòng)保護(hù)的正確工作，須適當(dāng)選擇各側(cè)電流互感器的變比，及各側(cè)電流相位的補(bǔ)償使得正常運(yùn)行和區(qū)外短路故障時(shí)，兩側(cè)二次電流相等。 例如圖8-5所示的雙繞組變壓器

3.變壓器縱差動(dòng)保護(hù)的特點(diǎn)

1 、勵(lì)磁涌流的特點(diǎn)及克服勵(lì)磁涌流的方法

(1)勵(lì)磁涌流：

在空載投入變壓器或外部故障切除后恢復(fù)供電等情況下在空載投入變壓器或外部故障切除后恢復(fù)供電等情況下，變壓器勵(lì)磁電流的數(shù)值可達(dá)變壓器額定6～8倍變壓器勵(lì)磁電流通常稱為勵(lì)磁涌流。

(2)產(chǎn)生勵(lì)磁涌流的原因

因?yàn)樵诜€(wěn)態(tài)的情況下鐵心中的磁通應(yīng)滯后于外加電壓90°，在電壓瞬時(shí)值u=0瞬間合閘，鐵芯中的磁通應(yīng)為-Φm。但由于鐵心中的磁通不能突變，因此將出現(xiàn)一個(gè)非周期分量的磁通+Φm，如果考慮剩磁Φr，這樣經(jīng)過半過周期后鐵心中的磁通將達(dá)到2Φm+Φr，其幅值為如圖8-6所示。此時(shí)變壓器鐵芯將嚴(yán)重飽和，通過圖8-7可知此時(shí)變壓器的勵(lì)磁電流的數(shù)值將變得很大，達(dá)到額定電流的6～8倍，形成勵(lì)磁涌流。

(3)勵(lì)磁涌流的特點(diǎn)：

①勵(lì)磁電流數(shù)值很大，并含有明顯的非周期分量，使勵(lì)磁電流波形明顯偏于時(shí)間軸的一側(cè)。

②勵(lì)磁涌流中含有明顯的高次諧波，其中勵(lì)磁涌流以2次諧波為主。

③勵(lì)磁涌流的波形出現(xiàn)間斷角。

表8-1 勵(lì)磁涌流實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)舉例

(4)克服勵(lì)磁涌流對(duì)變壓器縱差保護(hù)影響的措施：

①采用帶有速飽和變流器的差動(dòng)繼電器構(gòu)成差動(dòng)保護(hù);

②利用二次諧波制動(dòng)原理構(gòu)成的差動(dòng)保護(hù);

③利用間斷角原理構(gòu)成的變壓器差動(dòng)保護(hù);

④采用模糊識(shí)別閉鎖原理構(gòu)成的變壓器差動(dòng)保護(hù)。

2、 不平衡電流產(chǎn)生的原因

(1)穩(wěn)態(tài)情況下的不平衡電流

①變壓器兩側(cè)電流相位不同

電力系統(tǒng)中變壓器常采用Y，d11接線方式，因此，變壓器兩側(cè)電流的相位差為30°，如下圖所示，Y側(cè)電流滯后△側(cè)電流30°，若兩側(cè)的電流互感器采用相同的接線方式，則兩側(cè)對(duì)應(yīng)相的二次電流也相差30°左右，從而產(chǎn)生很大的不平衡電流。

②電流互感器計(jì)算變比與實(shí)際變比不同

由于變比的標(biāo)準(zhǔn)化使得其實(shí)際變比與計(jì)算變比不一致，從而產(chǎn)生不平衡電流。

【實(shí)例分析1】由電流互感實(shí)際變比與計(jì)算變比不等產(chǎn)生的不平衡電流分析

在表8-2中，變壓器型號(hào)、變比、Y,d11 接線。計(jì)算由于電流互感器的實(shí)際變比與計(jì)算不等引起的不平衡電流。計(jì)算結(jié)果如表8-2。由表8-2可見，由于電流互感器的實(shí)際變比與計(jì)算變比不等，正常情況將產(chǎn)生0.21A的不平衡電流。

表8-2 計(jì)算變壓器額定運(yùn)行時(shí)差動(dòng)保護(hù)臂中的不平衡電流

③變壓器各側(cè)電流互感器型號(hào)不同

由于變壓器各側(cè)電壓等級(jí)和額定電流不同，所以變壓器各側(cè)的電流互感器型號(hào)不同，它們的飽和特性、勵(lì)磁電流(歸算至同一側(cè))也就不同，從而在差動(dòng)回路中產(chǎn)生較大的不平衡電流。

④變壓器帶負(fù)荷調(diào)節(jié)分接頭

變壓器帶負(fù)荷調(diào)整分接頭，是電力系統(tǒng)中電壓調(diào)整的一種方法，改變分接頭就是改變變壓器的變比。整定計(jì)算中，差動(dòng)保護(hù)只能按照某一變比整定，選擇恰當(dāng)?shù)钠胶饩€圈減小或消除不平衡電流的影響。當(dāng)差動(dòng)保護(hù)投入運(yùn)行后，在調(diào)壓抽頭改變時(shí)，一般不可能對(duì)差動(dòng)保護(hù)的電流回路重新操作，因此又會(huì)出現(xiàn)新的不平衡電流。不平衡電流的大小與調(diào)壓范圍有關(guān)。

(2)暫態(tài)情況下的不平衡電流

暫態(tài)過程中不平衡電流的特點(diǎn)：

①暫態(tài)不平衡電流含有大量的非周期分量，偏離時(shí)間軸的一側(cè)。

②暫態(tài)不平衡電流最大值出現(xiàn)的時(shí)間滯后一次側(cè)最大電流的時(shí)間(根據(jù)此特點(diǎn)靠保護(hù)的延時(shí)來躲過其暫態(tài)不平衡電流必然影響保護(hù)的快速性，甚至使變壓器差動(dòng)保護(hù)不能接受)。

8.3.3減小不平衡電流的措施

(1)減小穩(wěn)態(tài)情況下的不平衡電流

變壓器差動(dòng)保護(hù)各側(cè)用的電流互感器，選用變壓器差動(dòng)保護(hù)專用的D級(jí)電流互感器;當(dāng)通過外部最大穩(wěn)態(tài)短路電流時(shí)，差動(dòng)保護(hù)回路的二次負(fù)荷要能滿足10%誤差的要求。

(2)減小電流互感器的二次負(fù)荷

這實(shí)際上相當(dāng)于減小二次側(cè)的端電壓，相應(yīng)地減少電流互感器的勵(lì)磁電流。減小二次負(fù)荷的常用辦法有：減小控制電纜的電阻(適當(dāng)增大導(dǎo)線截面，盡量縮短控制電纜長(zhǎng)度);采用弱電控制用的電流互感器(二次額定電流為lA)等。

(3)采用帶小氣隙的電流互感器

這種電流互感器鐵芯的剩磁較小，在一次側(cè)電流較大的情況下，電流互感器不容易飽和。因而勵(lì)磁電流較小，有利于減小不平衡電流。同時(shí)也改善了電流互感器的暫態(tài)特性。

(4)減小變壓器兩側(cè)電流相位不同而產(chǎn)生的不平衡電流采用相位補(bǔ)償

如變壓器為Y，d11接線其相位補(bǔ)償?shù)姆椒ㄊ菍⒆儔浩餍切蝹?cè)的電流互感器接成三角形，將變壓器三角形側(cè)的電流互感器接成星形，如圖8-10(a)所示，以補(bǔ)償30°的相位差。圖8-10(b)為星形側(cè)的一次電流和三角形側(cè)的一次電流，及其相位關(guān)系。采用相位補(bǔ)償接線后，變壓器星形側(cè)電流互感器二次回路側(cè)差動(dòng)臂中的電流分別為(右上圖紅色)，它們剛好與三角形側(cè)電流互感器二次回路中的電流同相位，如圖8-10(c)所示。這樣，差動(dòng)回路中兩側(cè)的電流的相位相同。

②數(shù)值補(bǔ)償

變壓器星形側(cè)電流互感器變比

變壓器三角形側(cè)電流互感器變比

③軟件校正

微機(jī)保護(hù)中采用軟件進(jìn)行相位校正

(5)減小電流互感器由于計(jì)算變比與標(biāo)準(zhǔn)變比不同而引起的不平衡電流采用數(shù)值補(bǔ)償

①采用自耦變流器。

②利用BCH型差動(dòng)繼電器中的平衡線圈。

③在變壓器微機(jī)保護(hù)的軟件中采用補(bǔ)償系數(shù)使差動(dòng)回路的不平衡電流為最小。

(6)由變壓器兩側(cè)電流互感器型號(hào)不同而產(chǎn)生的不平衡電流

在差動(dòng)保護(hù)的整定計(jì)算中加以考慮。

(7)由變壓器帶負(fù)荷調(diào)整分接頭而產(chǎn)生的不平衡電流

在變壓器差動(dòng)保護(hù)的整定計(jì)算中考慮。

在穩(wěn)態(tài)情況下，變壓器的差動(dòng)保護(hù)的不平衡電流可由下式?jīng)Q定

(8)減小暫態(tài)過程中非周期分量電流的影響

①差動(dòng)保護(hù)采用具有速飽和特性的中間變流器，

②選用帶制動(dòng)特性的差動(dòng)繼電器或間斷角原理的差動(dòng)繼電器等，利用其它方法來解決暫態(tài)過程中非周期分量電流的影響問題。

8.3.4 和差式比率制動(dòng)式差動(dòng)保護(hù)原理

1.雙繞組變壓器比率制動(dòng)的差動(dòng)保護(hù)原理。

(1)和差式比率制動(dòng)的動(dòng)作判據(jù)

①差動(dòng)電流：

②制動(dòng)電流：

③差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作的第一判據(jù)：

④制動(dòng)比率系數(shù)：

⑤外部故障時(shí)，保護(hù)可靠地不動(dòng)作。應(yīng)滿足如下判據(jù)：

⑥差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作的第二判據(jù)

2.比率制動(dòng)特性的整定

(1)最小啟動(dòng)電流Iact0

(2)拐點(diǎn)制動(dòng)電流Ibrk0可選取

(3)最大制動(dòng)系數(shù)Kbrk.max和制動(dòng)特性斜率S

①最大制動(dòng)系數(shù)

②比率制動(dòng)特性曲線如下圖

③比率制動(dòng)系數(shù)的整定值D取0.3～0.5

④比率制動(dòng)特性的斜率S，由上圖可知

當(dāng)Ibrk0

即比率制動(dòng)特性的折線BC過坐標(biāo)原點(diǎn)，在任何制動(dòng)電流下有相同的制動(dòng)系數(shù)。

(4)內(nèi)部故障靈敏度校驗(yàn)

在系統(tǒng)最小運(yùn)行方式下，計(jì)算變壓器出口金屬性短路的最小短路電流(周期分量)，同時(shí)計(jì)算相應(yīng)的制動(dòng)電流，由相應(yīng)的比率制動(dòng)特性查出對(duì)應(yīng)與的起動(dòng)電流則靈敏系數(shù)

要求Ksen>2.0

3.三繞組變壓器比率制動(dòng)的差動(dòng)保護(hù)原理。

對(duì)于三繞組變壓器，其差動(dòng)保護(hù)的原理與雙繞組變壓器的差動(dòng)保護(hù)原理相同，但差動(dòng)電流和制動(dòng)電流及最大不平衡電流應(yīng)做相應(yīng)的更改。差動(dòng)電流和制動(dòng)電流分別為

在有的變壓器差動(dòng)保護(hù)直接取三側(cè)中最大電流為制動(dòng)電流，即

最大不平衡電流的計(jì)算公式如下：

在微機(jī)保護(hù)中，考慮采用數(shù)值補(bǔ)償系數(shù)后誤差非常小Δm≈0，則上式為

4.勵(lì)磁涌流閉鎖原理

采用二次諧波制動(dòng)原理

在變壓器勵(lì)磁涌流中含有大量的二次諧波分量，一般約占基波分量的40%以上。利用差電流中二次諧波所占的比率作為制動(dòng)系數(shù)，可以鑒別變壓器空載合閘時(shí)的勵(lì)磁涌流，從而防止變壓器空載合閘時(shí)保護(hù)的誤動(dòng)。

在差動(dòng)保護(hù)中差電流的二次諧波幅值用表示，差電流中二次諧波所占的比率可表示為如下式：

如選二次諧波制動(dòng)系數(shù)為定值D3，那么只要大于定值D3，就可以認(rèn)為是勵(lì)磁涌流出現(xiàn)，保護(hù)不應(yīng)動(dòng)作。在值小于D3，同時(shí)滿足比率差動(dòng)其他判據(jù)時(shí)才允許保護(hù)動(dòng)作。

∴比率差動(dòng)保護(hù)的第三判據(jù)應(yīng)滿足下式

二次諧波制動(dòng)系數(shù)D3，有0.15、0.2、0.25三種系數(shù)可選 。

5.差動(dòng)速斷保護(hù)

(1)采用差動(dòng)速斷保護(hù)的原因

一般情況下比率制動(dòng)原理的差動(dòng)保護(hù)能作為電力變壓器主保護(hù)，但是在嚴(yán)重內(nèi)部故障時(shí)，短路電流很大的情況下，TA嚴(yán)重飽和使交流暫態(tài)傳變嚴(yán)重惡化，TA的二次側(cè)基波電流為零，高次諧波分量增大，反應(yīng)二次諧波的判據(jù)誤將比率制動(dòng)原理的差動(dòng)保護(hù)閉瑣，無法反映區(qū)內(nèi)短路故障，只有當(dāng)暫態(tài)過程經(jīng)一定時(shí)間TA退出暫態(tài)飽和比率制動(dòng)原理的差動(dòng)保護(hù)才動(dòng)作，從而影響了比率差動(dòng)保護(hù)的快速動(dòng)作，所以變壓器比率制動(dòng)原理的差動(dòng)保護(hù)還應(yīng)配有差動(dòng)速斷保護(hù)，作為輔助保護(hù)以加快保護(hù)在內(nèi)部嚴(yán)重故障時(shí)的動(dòng)作速度。差動(dòng)速斷保護(hù)是差動(dòng)電流過電流瞬時(shí)速動(dòng)保護(hù)。

(2)差動(dòng)速斷的整定值按躲過最大不平衡電流和勵(lì)磁涌流來整定

6.變壓器比率差動(dòng)保護(hù)程序邏輯框圖

(1)變壓器差動(dòng)保護(hù)程序邏輯框圖

2)變壓器差動(dòng)保護(hù)程序邏輯原理

在程序邏輯框圖中D1=Iact0、D2=KrelId/Ibrk為比率制動(dòng)系數(shù) 整定值，D3為二次諧波制動(dòng)系數(shù)整定值。可見比率差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作的三個(gè)判據(jù)是“與”的關(guān)系(圖8-14中的與門Y2)，必須同時(shí)滿足才能動(dòng)作于跳閘。而差動(dòng)速斷保護(hù)是作為比率差動(dòng)保護(hù)的輔助保護(hù)。其定值為D4=Iact.s，在比率差動(dòng)保護(hù)不能快速反映嚴(yán)重區(qū)內(nèi)故障時(shí)，差動(dòng)速斷保護(hù)應(yīng)無時(shí)延地快速出口跳閘。因此這兩種保護(hù)是“或”的邏輯關(guān)系(圖8-14中 的或門H3)。比率差動(dòng)保護(hù)在TA二次回路斷線時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的差電流而誤動(dòng)作，所以必須經(jīng)TA斷線閉鎖的否門再經(jīng)與門Y3才能出口動(dòng)作。當(dāng)TA斷線時(shí) 與門Y3被閉鎖住，不能出口動(dòng)作。