变压器差动保护原理及接线示意图

电流速断保护虽然动作迅速、构造简单，但它不能保护整个变压器，且反映内部故障不够灵敏。因此，当大容量（2000kV·A以上）变压器用电流速断保护的灵敏度不能满足要求时，以及对于并联运行的6300kV·A或单独运行的10000kV·A及其以上的变压器，应装设差动保护作为快速动作的主保护。变压器差动保护主要用来保护变压器内部相间短路，单相接地（对大电流接地系统中的变压器而言）以及变压器外部引入、引出线的短路。

1.变压器差动保护的工作原理

变压器差动保护的原理接线示意如图7－42所示。

图7－42　变压器差动保护的原理接线示意

在变压器原、副路两侧均装设电流互感器，它们的二次线圈首尾相连，差动继电器接在两个电流臂之间。由电路可知，差动继电器中流过的电流为两个电流互感器二次侧电流差值，如图7－42（a）所示，即不平衡电流为

如果差动继电器启动电流大于此不平衡电流，则差动继电器不动作。

当变压器单独运行时，在两个电流互感器之间，即差动保护范围之内，如k－2点发生短路，如图7－42（b）所示，流过差动继电器的电流为

此电流若大于继电器的启动电流，则差动继电器动作，并经过中间继电器使断路器QF1和QF2同时跳闸，将故障变压器切离电源。如果两台变压器并列运行，其中一台T1发生故障，如图7－42（c）所示，则流经差动继电器KA的电流为

此电流若大于启动电流，继电器动作，并将QF1和QF2同时断开，使故障变压器T1退出工作，但对变压器T2来说，k－3短路系保护区以外故障，其差动继电器中流过的电流仅为不平衡电流，因此并不动作。所以，当多台变压器并列运行时，差动保护完全可以满足选择性要求。

除了上述穿越性短路差动保护不应该动作外，在变压器空载投入或电压消失后又突然恢复而流入激磁涌流时，以及电流互感器二次断线时，差动保护也不应动作。因此，差动保护的启动电流必须大于最大的不平衡电流。如不平衡电流较大，势必影响差动保护的灵敏度。为了提高差动保护的灵敏度，必须设法降低最大不平衡电流值的影响。

2.不平衡电流的产生与补偿方法

现对变压器差动保护所用原、副级电流互感器二次连接线中不平衡电流的产生与补偿方法，从下述5个方面加以说明：

（1）变压器一、二次接线方式不同，两侧电流的相位不一致，产生不平衡电流。如/d11接线的变压器两侧电流相位差为30°，即使两侧电流互感器副路电流数值完全相等，其不平衡电流也不等于零，而是等于。这时应加以补偿。既然/d11接线的变压器次级电流比初级电流超前30°，那么设法使差动保护两侧电流互感器引出臂上的电流相位相同，即可补偿不平衡电流。其具体方法是将/d11接线的变压器星形接线侧的电流互感器接成三角形接线，三角形接线侧的电流互感器接成星形接线，如图7－43所示。

图7－43　/d11接线变压器两侧电流互感器的接线

（2）变压器激磁涌流产生的不平衡电流。因为变压器原、副绕组是磁的耦合，且变压器的激磁电流仅流经电源侧的原绕组，反映到电流互感器的二次差动回路中不能被平衡，而产生不平衡电流。在正常运行时，变压器的激磁电流很小，一般不超过额定电流的2％～5％。在外部短路时，电压显著降低，激磁电流也随之减小，其影响就更小。但是当变压器空载投入或外部故障切除后电压突然恢复时，在原绕组中可能出现数值很大的激磁涌流。这是因为在正常稳定工作情况下，铁芯中的磁通滞后于外加电压90°。如果空载合闸，正好赶在电压瞬时值由负的趋近零的瞬间，则铁芯中应该具有磁通为负的最大值－Φm，可是铁芯中的磁通不能突变，因而将引起一个幅值为正非周期分量的磁通（＋Φm），于是经过半个周期以后，铁芯中的总磁通则达到2Φm。如果铁芯中尚有剩磁通，则总磁通将为2Φm与剩磁通之和。此时变压器的铁芯严重饱和，激磁电流将急剧增大，此电流即所谓变压器的激磁涌流，其初始值最大可达额定电流的6～8倍，且含有大量的非周期分量和高次谐波分量，但衰减得也很快。有的约经十几个周期即可衰减到稳态的正常值。

激磁涌流的大小和衰减时间与外加电压的相位、铁芯中剩磁的大小和方向、电源容量、回路的阻抗以及变压器和铁芯特性等均有关系。如果合闸时正赶在电压瞬时值为最大时，就不会出现激磁涌流，而只有正常时的激磁电流。对三相变压器来说，无论在任何瞬间合闸，至少有两相出现程度不同的激磁涌流。依据试验数据的分析，得知激磁涌流的特点为：①含有大量非周期分量，占50％～60％，以致激磁涌流偏向时间轴的一侧；②含有大量高次谐波，且以二次谐波为主，占30％～40％；③波形之间有较大的间断角，可达80°以上。(www.xing528.com)

在变压器差动保护中，根据激磁涌流的特点，应设法避开激磁涌流产生不平衡电流的影响，其常见的方法如下：

①根据激磁涌流偏于时间轴一侧的特点，通常采用带速饱和铁芯的专用差动继电器，例如具有短路线圈或制动线圈的BCH－2或BCH－4型继电器等。这类继电器避开激磁涌流的作用，在于非对称波的激磁涌流流入继电器差动线圈（一次线圈）可使铁芯迅速饱和。在铁芯中引起的磁感应强度的变化很小，于是二次绕组中产生的感应电动势也很小，不足以使继电器动作。

②利用二次谐波制动原理躲开激磁涌流，以二次谐波作为制动分量，防止变压器空载投入时保护装置发生误动作，同时配置外部穿越短路时的制动作用，可构成性能可靠、接线简单的变压器晶体管差动保护装置。

③按比较波形间断角来鉴别内部故障和激磁涌流的差动保护。

（3）变压器变比不是1，变压器两侧所装电流互感器的变比势必不同且又不易配合而产生不平衡电流。

在图7－43中，为使差动回路中的不平衡电流等于零，两侧电流互感器流入连接臂的电流必须相等，在正常运行时应等于二次额定电流5A，则按下式可求出电流互感器的变比：

变压器星形接线侧按三角形接线的电流互感器的变比为

变压器三角形接线侧按星形接线的电流互感器的变比为

式中，ITY、ITΔ——变压器星形侧和三角形侧在相应额定电压下的额定电流。

按上述计算值，选择相邻较大的标准变比，这样，在正常运行时电流互感器二次电流不会超过5A。必须指出，由于选择生产厂家所生产的标准变比的电流互感器，其变比不同于计算值，势必在差动回路中仍将出现不平衡电流。这个不平衡电流在变压器外部短路时其值还会更大。这种不平衡电流可以采用补偿变压器加以补偿，使之不流入差动继电器；或者采用带平衡绕组的差动继电器，适当选择平衡绕组的匝数，使之在正常运行或外部短路时，速饱和铁芯内的合成磁势为零而避开不平衡电流的影响，此即国内外所用的磁平衡方法。在选取平衡绕组的整定匝数时，并不能保证与实际计算匝数完全一致，因此这个不平衡电流的影响尚不能完全被消除，还会剩下一个不大的不平衡电流，以Idsq3表示。

（4）变压器两侧电压不同，所选取的两侧电流互感器形式和特性也不相同，从而引起不平衡电流。变压器两侧电流互感器的形式和特性不同，其饱和特性也不一致。当发生外部穿越性短路时，两侧电流互感器的饱和倍数不相同，势必将产生较大的不平衡电流，这是不可避免的且又无法进行补偿。这个不平衡电流以Idsq1表示。

（5）变压器改变分接头时引起不平衡电流。在运行过程中，为了调压而改变它的分接头，变压器的变比发生变化，这时变压器两侧电流的比值也随之改变，破坏了原来电流的平衡关系，而产生不平衡电流，这也是无法消除的。这个不平衡电流以Idsq2表示。

从以上分析可见，前两项所产生的不平衡电流，可借助电流互感器的接线和采用带速饱和铁芯的差动继电器加以消除，后三项所产生的不平衡电流是无法消除的，其总和为

此不平衡电流随外部穿越性短路电流的增大而增大，其最大值取决于变压器二次母线上最大的短路电流。