變壓器差動保護的基本原理及邏輯圖

1、變壓器差動保護的工作原理
與線路縱差保護的原理相同，都是比較被保護設備各側電流的相位和數值的大小。
2、變壓器差動保護與線路差動保護的區別：
由于變壓器高壓側和低壓側的額定電流不相等再加上變壓器各側電流的相位往往不相同。因此，為了保證縱差動保護的正確工作，須適當選擇各側電流互感器的變比，及各側電流相位的補償使得正常運行和區外短路故障時，兩側二次電流相等。 例如圖8-5所示的雙繞組變壓器
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3.變壓器縱差動保護的特點
1 、勵磁涌流的特點及克服勵磁涌流的方法
 （1）勵磁涌流：
    在空載投入變壓器或外部故障切除后恢復供電等情況下在空載投入變壓器或外部故障切除后恢復供電等情況下，變壓器勵磁電流的數值可達變壓器額定6～8倍變壓器勵磁電流通常稱為勵磁涌流。
 （2）產生勵磁涌流的原因
    因為在穩態的情況下鐵心中的磁通應滯后于外加電壓90°，在電壓瞬時值u=0瞬間合閘，鐵芯中的磁通應為-Φm。但由于鐵心中的磁通不能突變，因此將出現一個非周期分量的磁通+Φm，如果考慮剩磁Φr，這樣經過半過周期后鐵心中的磁通將達到2Φm+Φr，其幅值為如圖8-6所示。此時變壓器鐵芯將嚴重飽和，通過圖8-7可知此時變壓器的勵磁電流的數值將變得很大，達到額定電流的6～8倍，形成勵磁涌流。
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（3）勵磁涌流的特點：
   ①勵磁電流數值很大，并含有明顯的非周期分量，使勵磁電流波形明顯偏于時間軸的一側。
   ②勵磁涌流中含有明顯的高次諧波，其中勵磁涌流以2次諧波為主。
   ③勵磁涌流的波形出現間斷角。
表8-1 勵磁涌流實驗數據舉例
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（4）克服勵磁涌流對變壓器縱差保護影響的措施：
   ①采用帶有速飽和變流器的差動繼電器構成差動保護；
   ②利用二次諧波制動原理構成的差動保護；
   ③利用間斷角原理構成的變壓器差動保護；
   ④采用模糊識別閉鎖原理構成的變壓器差動保護。
2、 不平衡電流產生的原因
（1）穩態情況下的不平衡電流
   ①變壓器兩側電流相位不同
    電力系統中變壓器常采用Y，d11接線方式，因此，變壓器兩側電流的相位差為30°，如下圖所示，Y側電流滯后△側電流30°，若兩側的電流互感器采用相同的接線方式，則兩側對應相的二次電流也相差30°左右，從而產生很大的不平衡電流。
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②電流互感器計算變比與實際變比不同
    由于變比的標準化使得其實際變比與計算變比不一致，從而產生不平衡電流。
   【實例分析1】由電流互感實際變比與計算變比不等產生的不平衡電流分析
    在表8-2中，變壓器型號、變比、Y,d11 接線。計算由于電流互感器的實際變比與計算不等引起的不平衡電流。計算結果如表8-2。由表8-2可見，由于電流互感器的實際變比與計算變比不等，正常情況將產生0.21A的不平衡電流。
表8-2 計算變壓器額定運行時差動保護臂中的不平衡電流
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③變壓器各側電流互感器型號不同
    由于變壓器各側電壓等級和額定電流不同，所以變壓器各側的電流互感器型號不同，它們的飽和特性、勵磁電流（歸算至同一側）也就不同，從而在差動回路中產生較大的不平衡電流。
   ④變壓器帶負荷調節分接頭
    變壓器帶負荷調整分接頭，是電力系統中電壓調整的一種方法，改變分接頭就是改變變壓器的變比。整定計算中，差動保護只能按照某一變比整定，選擇恰當的平衡線圈減小或消除不平衡電流的影響。當差動保護投入運行后，在調壓抽頭改變時，一般不可能對差動保護的電流回路重新操作，因此又會出現新的不平衡電流。不平衡電流的大小與調壓范圍有關。
  （2）暫態情況下的不平衡電流
    暫態過程中不平衡電流的特點：
    ①暫態不平衡電流含有大量的非周期分量，偏離時間軸的一側。
    ②暫態不平衡電流最大值出現的時間滯后一次側最大電流的時間（根據此特點靠保護的延時來躲過其暫態不平衡電流必然影響保護的快速性，甚至使變壓器差動保護不能接受）。    
  8.3.3減小不平衡電流的措施
 （1）減小穩態情況下的不平衡電流
    變壓器差動保護各側用的電流互感器，選用變壓器差動保護專用的D級電流互感器；當通過外部最大穩態短路電流時，差動保護回路的二次負荷要能滿足10%誤差的要求。
 （2）減小電流互感器的二次負荷
    這實際上相當于減小二次側的端電壓，相應地減少電流互感器的勵磁電流。減小二次負荷的常用辦法有：減小控制電纜的電阻(適當增大導線截面，盡量縮短控制電纜長度)；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，在一次側電流較大的情況下，電流互感器不容易飽和。因而勵磁電流較小，有利于減小不平衡電流。同時也改善了電流互感器的暫態特性。
 （4）減小變壓器兩側電流相位不同而產生的不平衡電流采用相位補償
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如變壓器為Y，d11接線其相位補償的方法是將變壓器星形側的電流互感器接成三角形，將變壓器三角形側的電流互感器接成星形，如圖8-10(a)所示，以補償30°的相位差。圖8-10(b)為星形側的一次電流和三角形側的一次電流，及其相位關系。采用相位補償接線后，變壓器星形側電流互感器二次回路側差動臂中的電流分別為（右上圖紅色），它們剛好與三角形側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，差動回路中兩側的電流的相位相同。
   ②數值補償
    變壓器星形側電流互感器變比
    變壓器三角形側電流互感器變比
   ③軟件校正
    微機保護中采用軟件進行相位校正
（5）減小電流互感器由于計算變比與標準變比不同而引起的不平衡電流采用數值補償
   ①采用自耦變流器。
   ②利用BCH型差動繼電器中的平衡線圈。
   ③在變壓器微機保護的軟件中采用補償系數使差動回路的不平衡電流為最小。
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（6）由變壓器兩側電流互感器型號不同而產生的不平衡電流
    在差動保護的整定計算中加以考慮。
（7）由變壓器帶負荷調整分接頭而產生的不平衡電流
    在變壓器差動保護的整定計算中考慮。
    在穩態情況下，變壓器的差動保護的不平衡電流可由下式決定
（8）減小暫態過程中非周期分量電流的影響
   ①差動保護采用具有速飽和特性的中間變流器，
   ②選用帶制動特性的差動繼電器或間斷角原理的差動繼電器等，利用其它方法來解決暫態過程中非周期分量電流的影響問題。 
8.3.4 和差式比率制動式差動保護原理
  1.雙繞組變壓器比率制動的差動保護原理。
 （1）和差式比率制動的動作判據
   ①差動電流：
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②制動電流：
   ③差動保護動作的第一判據：
   ④制動比率系數：
   ⑤外部故障時，保護可靠地不動作。應滿足如下判據：
   ⑥差動保護動作的第二判據
  2.比率制動特性的整定
 （1）最小啟動電流Iact0
 （2）拐點制動電流Ibrk0可選取
 （3）最大制動系數Kbrk.max和制動特性斜率S
   ①最大制動系數
②比率制動特性曲線如下圖
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③比率制動系數的整定值D取0.3～0.5
   ④比率制動特性的斜率S，由上圖可知
    當Ibrk0<<Ibrk.max和Iact0<<Ibrk.max， 則上式可得
    即比率制動特性的折線BC過坐標原點，在任何制動電流下有相同的制動系數。
 （4）內部故障靈敏度校驗
    在系統最小運行方式下，計算變壓器出口金屬性短路的最小短路電流（周期分量），同時計算相應的制動電流，由相應的比率制動特性查出對應與的起動電流則靈敏系數
   要求Ksen>2.0
  3.三繞組變壓器比率制動的差動保護原理。
  對于三繞組變壓器，其差動保護的原理與雙繞組變壓器的差動保護原理相同，但差動電流和制動電流及最大不平衡電流應做相應的更改。差動電流和制動電流分別為
    在有的變壓器差動保護直接取三側中最大電流為制動電流，即
    最大不平衡電流的計算公式如下：
    在微機保護中，考慮采用數值補償系數后誤差非常小Δm≈0，則上式為
  4.勵磁涌流閉鎖原理
    采用二次諧波制動原理
    在變壓器勵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系數，可以鑒別變壓器空載合閘時的勵磁涌流，從而防止變壓器空載合閘時保護的誤動。
    在差動保護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：
    如選二次諧波制動系數為定值D3，那么只要大于定值D3，就可以認為是勵磁涌流出現，保護不應動作。在值小于D3，同時滿足比率差動其他判據時才允許保護動作。
    ∴比率差動保護的第三判據應滿足下式
    二次諧波制動系數D3，有0.15、0.2、0.25三種系數可選 。
  5.差動速斷保護
 （1）采用差動速斷保護的原因
一般情況下比率制動原理的差動保護能作為電力變壓器主保護，但是在嚴重內部故障時，短路電流很大的情況下，TA嚴重飽和使交流暫態傳變嚴重惡化，TA的二次側基波電流為零，高次諧波分量增大，反應二次諧波的判據誤將比率制動原理的差動保護閉瑣，無法反映區內短路故障，只有當暫態過程經一定時間TA退出暫態飽和比率制動原理的差動保護才動作，從而影響了比率差動保護的快速動作，所以變壓器比率制動原理的差動保護還應配有差動速斷保護，作為輔助保護以加快保護在內部嚴重故障時的動作速度。差動速斷保護是差動電流過電流瞬時速動保護。
（2）差動速斷的整定值按躲過最大不平衡電流和勵磁涌流來整定            
  6.變壓器比率差動保護程序邏輯框圖
 （1）變壓器差動保護程序邏輯框圖
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2）變壓器差動保護程序邏輯原理
    在程序邏輯框圖中D1=Iact0、D2=KrelId/Ibrk為比率制動系數 整定值，D3為二次諧波制動系數整定值。可見比率差動保護動作的三個判據是“與”的關系(圖8-14中的與門Y2)，必須同時滿足才能動作于跳閘。而差動速斷保護是作為比率差動保護的輔助保護。其定值為D4=Iact.s，在比率差動保護不能快速反映嚴重區內故障時，差動速斷保護應無時延地快速出口跳閘。因此這兩種保護是“或”的邏輯關系(圖8-14中 的或門H3)。比率差動保護在TA二次回路斷線時會產生很大的差電流而誤動作，所以必須經TA斷線閉鎖的否門再經與門Y3才能出口動作。當TA斷線時 與門Y3被閉鎖住，不能出口動作。

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