摘要：变压器是电力系统的重要组成部分。随着电力工业的迅速发展，对供电系统的稳定性有了更高的要求，因此，变压器的稳定运行也越来越重要，也对变压器的保护提出了更高的要求。本文从变压器的保护入手，主要分析了变压器继电保护中的差动保护，并对运行中存在的不平衡电流进行了简要的分析。
关键词：变压器；继电保护；差动保护；不平衡电流
引言：
近几年，为适应国家在城乡电网改造的需求，发展了一批新型、优质的配电变压器，使配电网络的变压器装备更趋先进，供电更可靠，农村用电更趋低价。近年发展的配电变压器的损耗值在不断下降，尤其空载损耗值下降更多，这主要归功于磁性材料导磁性能的改进，其次是导磁结构铁心型式的多样化。如较薄高导磁硅钢片或非晶合金的应用，阶梯接缝全斜结构铁心、卷铁心(平面型、立体型)、退火工艺的应用等。在降低损耗的同时也注意噪声水平的降低。在干式配电变压器方面又将局部放电试验列为例行试验，用户又对局部放电量有要求，作为干式配电变压器运行可靠性的一项考核指标，这比国际电工委员会规定的现行要求要严格。因此，在现有基础上预测我国各类配电变压器的发展趋势，推动配电变压器进一步发展应是一件比较重要工作。
变压器的继电保护是利用当变压器内外发生故障时，由于电流、电压、油温等随之发生变化，通过这些突然变化来发现、判断变压器故障性质和范围，继而作出相应的反应和处理。若发现是差动保护动作，需对动作原因进行判断。要准确判断出是变压器套管等原因造成的，还是变压器内部故障的原因。继电保护动作断路器跳闸后，不要随即将掉牌信号复归，而应检查保护动作情况，并查明原因，在消除故障恢复送电前，方可将所有的掉牌信号全部复归。
1.1 差动保护
差动保护是利用基尔霍夫电流定理工作的，当变压器正常工作或区外故障时，将其看作理想变压器，则流入变压器的电流和流出电流（折算后的电流）相等，差动继电器不动作。当变压器内部故障时，两侧（或三侧）向故障点提供短路电流，差动保护感受到的二次电流和的正比于故障点电流，差动继电器动作。差动保护原理简单、使用电气量单纯、保护范围明确、动作不需延时，一直用于变压器做主保护。另外差动保护还有线路差动保护、母线差动保护等等。
变压器差动保护是防止变压器内部故障的主保护。其接线方式，按回路电流法原理，把变压器两侧电流互感器二次线圈接成环流，变压器正常运行或外部故障，如果忽略不平衡电流，在两个互感器的二次回路臂上没有差电流流入继电器，
如果内部故障，流入继电器的电流等于短路点的总电流。当流入继电器的电流大于动作电流，保护动作断路器跳闸。
1. 2 纵联差动保护
所谓变压器的纵联差动保护，是指由变压器的一次和二次电流的数值和相位进行比较而构成的保护。纵联差动保护装置，一般用来保护变压器线圈及引出线上发生的相间短路和大电流接地系统中的单相接地短路。对于变压器线圈的匝间短路等内部故障，通常只作后备保护。
纵联差动保护装置由变压器两侧的电流互感器和继电器等组成，两个电流互感器串联形成环路，电流继电器并接在环路上。因此，流经继电器的电流等于两侧电流互感器二次侧电流之差。在正常情况下或保护范围外发生故障时，两侧电流互感器二次侧电流大小相等，相位相同，因此流经继电器的差电流为零，但如果在保护区内发生短路故障，流经继电器的差电流不再为零，因此继电器将动作，使断路器跳闸，从而起到保护作用。 变压器纵差保护是按照循环电流原理构成的 变压器纵差保护的原理要求变压器在正常运行和纵差保护区（纵差保护区为电流互感器TA1、TA2之间的范围）外故障时，流入差动继电器中的电流为零，保证纵差保护不动作。但由于变压器高压侧和低压侧的额定电流不同，因此，为了保证纵差保护的正确工作，就须适当选择两侧电流互感器的变比，使得正常运行和外部故障时，两个电流相等。
1.3 变压器本身所存在的不平衡电流及减小其影响的措施
在正常运行及保护范围外部短路稳态情况下流入纵联差动保护差回路中的电流叫稳态不平衡电流Ibp。
1.3.1 由变压器两侧电流相位不同而产生的不平衡电流
由于变压器通常采用Y，d11的接线方式，因此，其两侧电流的相位相差30度，即使变压器两侧的电流大小相等，反映到差动继电器中也回出现不平衡电流。
为了消除这种不平衡电流的影响，可用相位补偿法，通常将变压器的星形侧的三个电流互感器接成三角形，而将变压器三角形侧的三个电流互感器接成星形，并适当考虑联接方式后可把二次电流的相位校正过来。相位补偿后，在互感器接成三角形侧的差动一臂中，电流又增大了1.732倍。为了保证在正常运行及外部故障情况下差动回路中没有电流，就必须将该侧电流互感器的变比加大1.732倍。在微机保护中，通过程序中的平衡系数来平衡，以减小二次电流，使之与另一侧的电流相等。
1.3.2 由两侧电流互感器的误差引起的不平衡电流
变压器两侧电流互感器有电流误差△I，在正常运行及保护范围外部故障时流入差回路中的电流不为零，电流互感器的电流误差和其励磁电流的大小、二次负载的大小及励磁阻抗有关，而励磁阻抗又与铁芯特性和饱和程度有关。
当被保护变压器两侧电流互感器型号不同，变比不同，二次负载阻抗及短路电流倍数不同时都会使电流互感器励磁电流的差值增大。
减少这种不平衡电流影响的措施：
（1）在选择互感器时，应选带有气隙的D级铁芯互感器，使之在短路时也不饱和。
（2）选大变比的电流互感器，可以降低短路电流倍数。
（3）在考虑二次回路的负载时，通常都以电流互感器的10％误差曲线为依据，进行导线截面校验，不平衡电流会更小。最大可能值为：
1.3.3 由计算变比与实际变比不同而产生的不平衡电流
由于变压器两侧的电流互感器都是根据产品目录选取标准的变比，而变压器的变比也是一定的，因此，两侧互感器的变比与变压器的变比很难满足要求，此时差动回路中将有电流流过。
减少这种不平衡电流影响的措施：为了消除此不平衡电流，常采用具有速饱和铁芯的差动继电器利用它的平衡线圈来消除此差电流的影响。一般平衡线圈接于保护臂电流小的一侧，因为平衡线圈和差动线圈共同绕在继电器的中间磁柱上。适当选择平衡线圈的平衡匝数，使它产生懂得磁势与差流在差动线圈中产生的磁势相抵消。因此在铁芯中没有磁通，继电器不可能动作。但实际上平衡线圈只能按整匝数进行选择，所以还会有一残余的不平衡电流存在，在整定计算时应加以考虑。
1.3.4带负荷调变压器的分接头产生的不平衡电流
在电力系统中为什么采用带负荷调压的变压器会产生不平衡电流，改变分接头的位置不仅改变了变压器的变比，也破坏了变压器两侧电流互感器变比的比等于变压器变比的条件，故会产生不平衡电流。
带负荷调整分接头是电力系统中采用带负荷调压的变压器来调整电压的常用方法，实际上改变分接头就是改变变压器的变比，如果差动保护已按某一变比调整好（如利用平衡线圈），则当分接头改变时就会产生新的不平衡电流流入差动回路，此时不可能再用重新选择平衡线圈的方法来消除这个不平衡电流，为了避免不平衡电流的影响，在整定保护的动作电流时应予以考虑，通常是提高保护的动作整定值。
综上所述，由变压器两侧电流相位不同和计算变比与实际变比的不同产生的不平衡电流可适当地选择电流互感器二次线圈的接法和变比、以及采用平衡线圈的方法，可使其降到最小。但由励磁涌流、互感器的型号不同和带负荷调整分接头而产生的不平衡电流是不可能消除的。因此变压器的纵差动保护必须躲过这不平衡电流的影响。不平衡电流越小，保护的灵敏度就越高，从而保证变压器安全可靠运行。
1.4 暂态情况下的不平衡电流及减小其影响的措施
1.4.1 外部短路时的不平衡电流
在变压器差动保护范围外部发生故障的暂态过程中，在差回路中将产生暂态不平衡电流，因为变压器两侧电流互感器的铁芯特性及饱和程度不同。
减少这种不平衡电流影响的措施：在差回路中接入速饱和中间变流器SBH，如下图所示。速饱和变流器是一个铁芯截面较小，易于饱和的中间变流器。直流分量使速饱和变流器饱和。这时，交流分量电流难于转换到速饱和变流器的副边，差动继电器不会动作。
1.4.2 由变压器励磁涌流所产生的不平衡电流
变压器的励磁涌流仅流经变压器的某一侧，因此，它通过电流互感器反应到差动回落中不能被平衡，在正常运行情况下，此电流很小，一般不超过额定电流的2%--10%。在外部故障时，由于电压降低，励磁涌流减小，它的影响就很小。但是在变压器空载投入和外部故障切除恢复时，由于变压器的铁芯严重饱和，励磁电流将剧烈增大，这时出现数值很大的励磁电流，可达额定电流的5—10倍。（通常称为励磁涌流）励磁涌流中含有大量的非周期分量和高次谐波分量（以二次谐波为主）它不是正弦波。而是尖顶波，往往使涌流偏于时间轴的一侧。励磁涌流的大小和衰减速度、合闸瞬时外加电压的相位铁芯中剩磁的大小和方向、电流容量的大小、回路的阻抗、变压器的容量和铁芯性质等有关系。例如，正好在电压瞬时值为最大时合闸，就不会出现励磁涌流，而只有正常时的励磁电流。对于三相变压器而言，无论在任何瞬间合闸，至少有两相要出现程度不同的励磁涌流。
励磁涌流具有以下特点：
(1)包含有很大成分的非周期分量，往往使涌流偏于时间轴的一侧；
(2)包含有大量的高次谐波，而以二次谐波为主；
(3)波形之间出现间断，在一个周期中间断角为α。
在变压器纵差动保护中防止励磁涌流影响的方法有：
(1)采用具有速饱和铁心的差动继电器；
(2)鉴别短路电流和励磁涌流波形的差别；
(3)利用二次谐波制动等 。
变压器差动保护中减小励磁涌流影响的方法：防止励磁涌流的影响，采用BCH型具有速饱和变流器的继电器是国内目前广泛采用的一种方法。当外部故障时，所含非周期分量的最大不平衡电流能使速饱和变流器的铁芯很快单方面的饱和，致使不平衡电流难以传变到差动继电器的差动线圈上，保证差动保护不会误动。内部故障时，速饱和变流器的一次线圈中虽然也有非周期分量，但它的衰减速度相当快，一般2个周期衰减完毕，以后变流器中通过的全是周期性的短路电流，所以继电器能灵敏动作。鉴别短路电流和励磁涌流波形的差别，它是利用整流后的波形在动作整定值下存在时间长短来判断是内部故障还是励磁涌流。利用二次谐波制动，差动保护在变压器空载投入和外部故障切除电压恢复时，利用二次谐波进行制动，内部故障时，利用比例制动回路躲过不平衡电流。
结束语
本文通过对变压器保护的分析，不仅剖析了变压器差动保护的原理，而且对变压器差动保护在运行过程中出现的不平衡电流进行了分析。
本文主要以下两个方面入手分析变压器差动保护的不平衡电流：
一是从稳定运行过程中由于设备本身的特点所引起的不平衡电流的原因，即由变压器两侧电流相位不同而产生的不平衡电流；由两侧电流互感器的误差引起的不平衡电流；由计算变比与实际变比不同而产生的不平衡电流；带负荷调变压器的分接头产生的不平衡电流，并提出减小其影响的措施。
二是在变压器运行过程中暂态情况下的不平衡电流，即外部短路时的不平衡电流和变压器励磁涌流所产生的不平衡电流，并提出减小其影响的措施。
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论文作者:高波
论文发表刊物:《电力设备》2019年第6期
论文发表时间:2019/7/8
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