大型变压器纵向差动保护探讨

大型变压器纵向差动保护探讨

张冠军

中冶天工集团有限公司天津300308

摘要：大型变压器纵向差动保护主要在变压器本体内部绕组相间短路、绕组对地短路以及绕组匝间短路故障时，能够快速切断电源，阻断事故进一步扩大，以免影响其他用电设备。本文阐述了变压器纵向差动保护的原理、特点、纵差保护整定值的计算方法、在实际安装调试过程中常发生的问题以及解决问题的措施方法。

关键词：变压器、纵向差动保护、比率制动、保护整定、电流互感器二次回路。

1、概述：

大型变压器广泛应用于发电、冶金、化工、送变电等工业领域，是变配电系统中重要的电气设备，保证变压器可靠安全运行，直接关系到变配电系统以及用电设备的安全运行。在变配电系统运行过程中，由于变配电、变压器系统出现短路、接地、等故障，直接危及到变压器系统设备安全。为保证变压器和变配电系统的安全，对大型变压器必须设置变压器纵向差动保护，以便在发生故障时快速切断电源，从而阻止故障进一步扩大，把损失降到最低。下面就大型变压器的纵向差动保护的原理、整定值的计算、安装调试、运行过程中的一些常见问题以及采取的措施、解决的方法，做一些探讨。

2、变压器纵向差动保护的原理

纵向差动保护是比较被保护设备各引出端电气量（电流）大小和相位的一种保护。设被保护设备有n个引出端，各个端子的电流向量如图1所示：

定义流入为电流正向，则当被保护设备没有短路时，恒有,当被保护设备本身发生相间、对地短路时，设短路电流为Ik.in,则有,在被保护设备正常运行或外部发生各种短路时,该继电器中理论上没有动作电流,保护可靠不误动作;当被保护设备本身发生相间短路时,巨大的短路电流全部流入该继电器,保护灵敏动作。

2.1变压器纵向差动保护方式的选择

在变压器本体发生故障时，为了保证变压器纵向差动保护能准确、可靠动作，外部发生故障时，纵向差动保护不误动作，变压器纵向差动保护采用比率制动方式。

2.2变压器纵向差动保护

变压器纵向差动保护原理如图2：

变压器无故障时：i1+i2=0,流入差动继电器的电流向量和为零，差动继电器不动作。

当变压器内部发生短路故障时，i1+i2≠0,流入差动继电器的电流向量和不为零，差动继电器动作，切断变压器电源。

3、变压器纵向差动保护的特点

3.1变压器纵向差动保护高低压各侧的额定电压和额定电流各不相等

因此各侧电流互感器的型号一定不同，而且各侧三相接线方式不尽相同，所以各侧的电流相位也可能不一致，这将使外部短路不平衡电流增大。所以，变压器纵向差动保护的最大制动系数比发电机、电动机的大，灵敏度相对较低。

3.2变压器高压绕组常有调压分接头

由于调压分接头进行有载调压，使变压器纵向差动保护已调整平衡的二次电流又被破坏，不平衡电流增大，这将使变压器纵向差动保护的最小动作电流和制动系数都相应增大。

3.3保护范围更大

对于定子绕组的匝间短路，发电机、电动机纵向差动保护完全没有作用。但变压器各侧绕组的匝间短路，通过变压器铁芯磁路的耦合，改变了各侧电流的大小和相位，使变压器纵差保护对匝间短路有作用。

3.4对变压器高低压绕组开焊的保护

当变压器高低压绕组发生开焊故障时，变压器纵向差动保护不动作，起不到保护作用。绕组开焊故障只能依靠瓦斯保护或压力保护。

4、变压器纵向差动保护整定的计算

国内变压器纵向差动保护有比率制动式和标积制动式，一般多采用比率制动式。下面重点说明比率制动式纵差保护整定计算。比率制动特性如图3，需要整定计算图3中的A、B、C三点。

4.1最小动作电流Iop.0（A点）

A点整定原则是保证变压器励磁涌流和最大负荷状态下保护不误动作。

最小动作电流Iop.0=Krel(2fi(n)+ΔU+Δm)In

式中Krel—可靠系数，Krel=1.3～1.5；

fi(n)—电流互感器在In下的比值误差，fi(n)=±0.03（10p）,±0.01(5p);

ΔU—变压器分接头调节引起的最大误差（相对于额定电压）；

Δm—TA和TAA变比未完全匹配产生的误差，Δm≈0.05，微机保护Δm=0。一般情况下可取Iop.0=（0.20～0.50）In

式中In—变压器额定电流。

4.2拐点电流Ires.0（B点）

拐点电流Ires.0。可选取Ires.0≤（0.8～1.0）In

4.3最大制动系数Kres.max制动特性斜率s（C点）

外部短路时的最大不平衡电流Iumb.max为

Iumb.max=KstkaperfiIs.max+ΔUHIs.H.max+ΔUMIs.M.max+ΔmⅠIs.Ⅰ.max+ΔmⅡIs.Ⅱ.max

式中Kst—TA的同型系数，Kst=1.0；

kaper—TA的非周期系数，kaper=1.5～2.0（5P或10P型TA）或kaper=1.0（TP型TA）;

fi—TA的比值误差，fi=0.10；

Is.max—流过靠近故障侧TA的最大外部周期分量电流；

Is.H.max、Is.M.max—在所计算的外部短路时，流过调压侧（H、M）TA的最大周期分量电流；

Is.Ⅰ.max、Is.Ⅱ.max—在所计算的外部短路时，流过靠近故障点的另两侧（Ⅰ、Ⅱ）TA的最大周期分量电流；

ΔmⅠ、ΔmⅡ—由于Ⅰ侧和Ⅱ侧的TA（包括TTA）变比不完全匹配而产生的误差，初选可取ΔmⅠ≈ΔmⅡ≈0.05，微机保护ΔmⅠ=ΔmⅡ=0

对于两绕组变压器，Iumb.max=（Kstkaperfi+ΔU+Δm）Is.max

最大制动系数Kres.max为

Kres.max=Krel

制动特性斜率s=

若有Iop.0《Ires.max和Ires.0《Ires.max则由上式可得

s=Kres.max

意即该比率制动特性的折线BC通过坐标原点O，在任何制动电流下均有相同的制动系数。

4.4内部短路的灵敏度校验

在系统最小运行方式下，计算变压器出口金属性短路的最小短路电流Is.min（周期分量），同时计算相应的制动电流Ires；由继电器的比率制动特性查出对应Ires的继电器动作电流Iop,则灵敏度为

Ksen=Is.min/Iop

灵敏度要求Ksen≧2.0

5、变压器纵向差动速断保护的定值整定

为了加速切除变压器严重的内部故障，必须增设差动速断保护，其动作电流整定条件之一是按照躲过变压器空载合闸时励磁涌流电流，即

动作电流Iop=KrelIe.max/na

式中Ie.max—变压器实际的最大励磁涌流；

Krel-可靠系数，可取为1.15～1.30

实际的最大励磁涌流Ie.max是一个很难确定的电流，根据多年现场经验，实际最大励磁涌流电流可以按下面经验确定：

对于大型发电机-变压器组励磁涌流可取：Ie.max=（2～3）Itn(变压器额定电流）；

对于大中型降压变压器组励磁涌流可取：Ie.max=（4～8）Itn(变压器额定电流）；

在实际调试过程中，如果空载冲击试验时，由于励磁涌流电流使得差动速断误动作，可逐步减小速断整定值，直到速断保护可靠不误动作为止。

6、变压器纵向差动保护在调试、运行中应注意的问题

根据多年现场调试和运行反馈回来的信息，变压器纵差保护误动作时有发生，给变压器的安全、可靠运行带来了严重的威胁，同时也对大型发电机-变压器机组、大型变压器安全运行带来了不利，影响变压器供电的工厂正常生产。通过现场调查、分析造成变压器纵差保护误动作的原因，主要是设计、安装、调试过程存在问题。下面就安装调试中常出现的问题及处理办法做一些探讨。

6.1电流互感器二次端子极性接反或二次回路接线错误

在安装调试过程中，由于安装调试人员不理解变压器纵向差动保护的原理或设计图纸错误，尤其是安装调试人员，对图纸一知半解，甚至不懂变压器纵向差动保护的原理，而不能使电流互感器二次接线正确，从而造成纵向差动保护误动作，为数不少。采取措施：认真做好施工前图纸会审，培训安装调试人员，提高专业水平，严格按正确图纸施工。在新安装、定期试验或二次回路有改动时，变压器纵差保护正式投运之前，必须在变压器带负荷条件下，用高阻电压表测量差动回路的不平衡电压，该不平衡电压应符合继电保护检验规程要求；还应测量变压器各侧二次电流的大小和相位，作出六角图，检查各侧同名相电流的相量和应为零或接近零，说明接线完全正确，然后才能正式投运变压器纵差保护。具体的实例：2004年青海西宁桥头电厂电解铝动力变器送电时，由于差动保护两侧电流互感器二次极性错误造成变压器跳闸，引起上一级的发电机跳闸，造成了较大的经济损失。

6.2空载合闸试验

为了保证变压器空载合闸或切除外部出线短路时，在励磁涌流作用下纵差保护不误动，变压器实际操作中，实际在第一次投运纵差保护时，必须做变压器的冲击合闸试验，而且应进行5～7次，有条件的应记录励磁涌流和合闸方的电源电压波形，以便对空载合闸条件（电压大小和合闸初相角）和涌流大小作出估计，确认变压器纵向差动保护（包括差动电流速断保护）避越励磁涌流的能力，从而避免由于变压器空载励磁涌流而引起的纵差误动作。

6.3变压器纵向差动保护电流互感器二次回路断线

由于各种原因,电流互感器二次回路断线开路,造成纵差保护误动作时有发生。为防止电流互感器二次回路断线开路，在安装调试时应采取以下措施：

6.3.1电流互感器二次回路应尽量减少接头、插销螺丝等。

6.3.2当保护屏处有震动时，应加装抗振措施，电流接线端子加装弹簧垫圈或锁紧螺母。

6.3.3为确保电流互感器二次回路不发生断线，接线端子拧紧后涂上化学涂料，固定可靠连接（拆装时可用一种化学溶剂），并在安装结构上不使端子附近的二次导线常年反复随环境振动而折断。

6.3.4必要时可采用两根电缆并联作为纵差保护的二次引线，以防止发生电流互感器二次线开断。

6.3.5纵向差动保护二次电流回路接地应有一个可靠接地点，但只允许有一个接地点。接地点宜在控制室，切勿在纵差保护的每组电流互感器二次回路都设接地点，以防止附近电焊机作业时引发纵差保护误动作。

6.3.6运行中操作不当，当主变压器的断路器要用旁路替代时，纵向差动保护的电流互感器、保护装置的连片和大电流端子应进行相应的正确操作，以防止由于操作错误而酿成纵向差动保护的误动作。

6.3.7通过多年现场调试经验，在变压器每次送电投运之前，必须对所有电流互感器二次端子、保护屏内电流端子进行检查，看是否有松动的，保证所有电流端子接线牢固可靠。

7、结束语

变压器纵向差动保护对于变压器安全运行非常重要，正确安装调试变压器的纵向差动保护装置，是保证变压器安全可靠运行的必要条件。以上是本人在长期从事变压器安装调试过程中一些心得体会，希望对变压器的安装调试及安全运行提供一些经验借鉴，本文中难免有一些不足之处，望专家批评指正。

参考文献：

1、《发电机变压器继电保护应用》

2、《电机及拖动基础》

作者简介：张冠军男1964.2.24山西侯马本科工业电气自动化电气调试高级工程师