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变压器差动保护原理分析
作者：陆位宁
【摘要】结合SEL-587保护装置，对变压器差动保护原理进行探讨。分析了变压器差动保护如何区分区内、区外故障，如何消除变压器励磁涌流、CT饱和、CT断线、变压器过励磁等的影响。
【关键词】变压器保护 差动保护 励磁涌流 星三角变换
电力变压器是电力系统中非常重要的设备,也是我们所做的工程中经常接触到的设备。而变压器保护则是我们所做的微机保护中很普遍的一种保护。差动保护是变压器保护的主保护，本文将结合我公司使用的变压器保护装置SEL-587对变压器差动保护的一些技术问题进行讨论，并提出设计、调试需注意的一些问题。
变压器差动保护一般要求解决以下一些技术问题： （1） 快速准确地区分变压器的区内故障和区外故障；
（2） 消除CT传变误差及变压器运行时产生的不平衡电流对差动保护的影
响；
（3） 准确识别变压器励磁涌流，避免因励磁涌流产生的差流导致差动误
动；
（4） 消除CT饱和对差动电流的影响； （5） 消除变压器过励磁的影响；
（6） 准确判别CT断线的情况，解决其对差动保护的影响。
随着继电保护技术、电子技术、通信技术等方面的不断发展，为在变压器保护设计中解决这些技术问题提供了可能。特别是现在大量采用的微机型变压器保护装置，在越来越好的计算机硬件平台的基础上，具有了更加强大的数据处理、数据记忆、计算、逻辑判断等软件功能，因此，可以很好地处理和解决变压器保护中的这些技术问题。
1 电流调整变比（TAP1，TAP2）
继电器以TAP1、TAP2分别作为高、低压侧电流的基准值，两侧电流分别与各自的基准值进行运算（运算方法后边将会提到），得出各自的标幺值，再进行差流的比较。继电器使用标准方程来设置TAP1和TAP2，当变压器连接方式为YDAB，CT连接方式为YY时，C1、C2均为1，其它连接方式请参考SEL587说明书。MVA表示变压器最大容量，VWDG1、VWDG2分别为变压器高、低压侧额定线电压，CTR1、CTR2分别为高、低压侧CT变比。
TAP1?MVA*1000*C1
3*VWDG1*CTR1MVA*1000*C2
3*VWDG2*CTR2 TAP2?继电器计算TAP1和TAP2具有下面的限制： 1) TAP整定值范围为0.1*In—32*In；2）比值
TAPMAX?4.5
TAPMIN可见，在变压器及电压等级已经确定的情况下，为了满足以上两点要求，必须选择适当的CT变比，以保证整定的TAP值在上述范围内。这是设计上需要注意的。
2 采用比例制动元件区分区内、区外故障
1）动作电流（O87P）
可设置动作电流值在一个最小启动值以增进灵敏度，但是也需要足够高以避免动作于稳态CT误差和变压器励磁电流。建议将O87P整定在0.3。
O87P整定值范围为0.1到1.0倍的调整变比。整定值当乘以TAPmin（TAP1和TAP2中的较小值）以后必须使动作电流大于或等于0.1*IN。例如，如果TAPmin等于1.0A以及IN=5A，最小O87P整定值应为0.5。
2）制动折线百分比（SLP1，SLP2）
应用制动折线百分比整定值（SLP1）是为了区分区内和区外故障。整定SLP1以躲过变压器分接头、励磁电流以及继电器误差引起的差电流。
例如：
电流互感器误差等于±10%。标幺值表示为： e=0.1
变压器分接头调整电压变比范围为90%到110%。标幺值表示为： a=0.1
因此，由穿越电流引起的最大差电流为：
1?e Idmax?(1?e)*IW1?*IW2
1?a这里，IW1和IW2为经过补偿后的变压器高低压二次侧电流。由于对于外部故障和负荷电流，IW1=IW2，我们可以将最大差电流表示为绕组电流的百分比值：
2*e?a?e*a *100%?28.18%
1?a除了上面计算的误差，我们还要考虑变压器启动电流（?3%）和继电器测量误差（?5%）引起的额外误差。最大的总误差将近36%。因此，较保守的折线1整定值SLP1为40%。
图1 百分比制动差动特性
3) 采用继电器内部星三角变换以消除不平衡电流的影响
对于星三角连接方式的变压器，区外故障、带负荷调分接头、CT传变误差等都有可能在星接侧产生不平衡电流。为了消除不平衡电流的影响，避免差动保护误动，传统的继电器是在星接侧采用角接的CT来去除零序分量，以消除不平衡电流流入继电器，SEL-587继电器则是把这一工作放在继电器内部来进行。以Yd11接线的变压器为例，对于SEL-587，高低压侧的CT都为Y连接方式，继电器内部对高压侧流入的电流进行星三角变换，去除了零序分量的影响。
经过星三角变换后得出的电流为：
IAW1C?IAW1?IBW1 3IBW1?ICW1 3ICW1?IAW1 3IBW1C?ICW1C?IAW2C=IAW2 IBW2C=IBW2 ICW2C=ICW2
IAW1、IBW1、ICW1分别为高压侧流入继电器的实际三相电流，IAW2、IBW2、ICW2分别为低压侧流入继电器的实际三相电流，IAW1C、IBW1C、ICW1C、IAW2C、IBW2C、ICW2C分别为补偿后高低压侧三相电流。将补偿后的电流分别除以TAP1、TAP2得出补偿后高、低压侧电流的标幺值，两侧电流标幺值之差得出差流标幺
值IOP,两侧电流标幺值之和即是制动电流IRT。
IAW1CIAW2C IOP??TAP1TAP2IAW1CIAW2C?TAP1TAP2 IRT?2IOP、IRT满足图1中的条件，差动动作。图1中，折线上方为动作区，折线下方为制动区。
3 采用二次谐波闭锁整定值（PCT2）来闭锁差动，以消除励磁涌流的影响 变压器空载投入电源或外部故障切除后，电压恢复过程中，由于变压器铁芯中的磁通急剧增大，使铁芯瞬间饱和，这将产生很大的冲击励磁电流——励磁涌流。变压器励磁涌流波形中包含有一定数量的二次谐波分量。SEL-587继电器可测量流经变压器的二次谐波分量值。可设置继电器当二次谐波分量在基波分量中的含量（IF2/IF1）超过PCT2整定值时，闭锁百分比率制动差动元件。
变压器仿真表明在第一个周波中励磁涌流（IF2/IF1）超过30%。整定值设为15%即可保证安全。
4 五次谐波闭锁（PCT5，TH5，TH5D）
ANSI/IEEE（C37.91，C37.102）定义的过励磁为：变压器端口上的电压频率比（V/Hz）在满负荷超过1.05倍标幺值或空载时超过1.1倍标幺值。变压器过励磁会产生奇次谐波，它会作为差电流进入变压器差动保护继电器。五次谐波闭锁主要用于电厂的单元发电机升压变压器。变压器电压和发电机频率在启动时会有所不同，而导致过励磁变压器。
对过励磁时这些电流的傅立叶分析表明，35%的五次谐波闭锁百分比率差动元件是比较合适的。退出五次谐波闭锁，可整定PCT5为OFF。
可以在启动时使用五次谐波差动电流的动作来驱动一个告警输出。此告警表示变压器过励磁。对于满负荷状态，0.1的TH5整定值对应10%的基波电流。可整定的延时整定值TH5D能够防止继电器动作于暂态的五次谐波。
如果五次谐波门槛超过也可以考虑触发一个事件报告。
TH5整定值范围为0.1到3.2倍TAP值。整定值乘以TAPmin（TAP1和TAP2中的较小值）后得到的动作电流必须大于或等于0.1*IN。例如，如果TAPmin等于1.0A并且IN=5A，那么最小TH5整定值为0.5。 5 独立谐波闭锁元件（IHBL）
当给一个三相变压器充电，涌流谐波至少体现在2相电流上。在通常的单相继电器中，每个继电器执行一相中的谐波电流比较。SEL-587继电器可以按两种方式执行谐波闭锁：
1）独立谐波闭锁（IHBL=Y）可闭锁特定相的百分比率差动元件，如果该相的谐波（二次或五次）超过闭锁门槛的话。其它的元件不闭锁。
2）公共谐波闭锁（IHBL=N）将闭锁所有的百分比率差动元件，如果任一相谐波量值超过闭锁门槛。公共谐波闭锁是比较安全的方案，但是由于需等待所有三相的谐波都低于门槛，会稍微延迟百分比率差动元件的动作。
5 速断无制动电流（U87P），避免区内故障时CT严重饱和影响保护的快速性 一般情况下，比率制动原理的差动保护能作为变压器的主保护，但当变压器出现严重内部故障时，短路电流很大的情况下，TA严重饱和，使交流暂态传变严重恶化，TA的二次侧基波电流为0，高次谐波分量增大，比率制动原理的差动保护无法反映区内的短路故障，从而影响了比率差动保护的快速动作。
防范此局限性的措施主要是配备差动速断保护，作为辅助保护。确保变压器在发生内部严重故障时保护装置能快速动作。设置速断无制动电流启动值（U87P）为8单位。如果需要，此整定值可调整改变。无制动差动元件只响应基波分量。 速断无制动差动元件不受SLP1、SLP2、IRS1、PCT2、PCT5或IHBL整定值影响。
U87P整定值范围为1.0到16.0倍的TAP值。整定值乘以TAPmax（TAP1和TAP2中的较大值）后得到的动作电流必须小于或等于32*IN。例如，如果TAPmax等于12.0A并且IN=5A，那么最大U87P整定值为32*5A/12.0，或13.3倍的TAP值。 6 CT断线的解决方法
SEL-587没有设置CT断线的闭锁逻辑，似乎国外的厂家认为没有必要做CT断线闭锁。因为CT断线也是一种故障，严重时CT二次产生的强大的电势会烧毁CT。当然，国内的很多项目都要求做CT断线闭锁。解决的方法是可以通过判断系统电压，当继电器检测到系统电压正常时，闭锁差动动作。但SEL-587没有电压检测元件，可以由后备保护装置，如SEL-351A来完成电压检测，SEL-351A把系统电压正常的信号输出给SEL-587，SEL-587收到这一信号则闭锁差动保护动作。
【结束语】变压器差动保护是各种差动保护中较复杂的一种，需要考虑很多内部、外部条件的影响。随着微机保护技术的飞速发展，我们可以很方便的解决不平衡电流、励磁涌流、CT饱和、CT断线等问题的困扰，保证了保护能快速、可靠、灵敏并有选择性地动作。