变压器纵联差动保护

第四节

纵差动保护的原理接线如下图所示。

变压器纵联差动保护

对双绕组变压器实现

一、变压器纵联差动保护的原理

纵联差动保护是反应被保护变压器各端流入和流出电流的相量差。

为了保证纵联差动保护的正确工作，应使得在正常运行和外部故障时，两个二次电流相等，差回路电流为零。在保护范围内故障时，流入差回路的电流为短路点的短路电流的二次值，保护动作。应使

I

‘2

I

‘’2

InTA1

‘1

InTA2

‘’2

或

nTA2nTA1

I

I

‘’1‘1

nT

结论：

适当选择两侧电流互感器的变比。纵联差动保护有较高的灵敏度。

二、变压器纵联差动保护在稳态情况下的不平衡电流及减小不平衡电流的措施

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．由变压器两侧电流相位不同而产生的不平衡电流

思考：由于变压器常常采用Y,dll的接线方式, 因此, 其两侧电流的相位差30o。此时，如果两侧的电流互感器仍采用通常的接线方式，则二次电流由于相位不同，会有一个差电流流入继电器。如何消除这种不平衡电流的影响？

解决办法：通常都是将变压器星形侧的三个电流互感器接成三角形，侧的三个电流互感器接成星形。

而将变压器三角形

..

.

2．由两侧电流互感器的误差引起的不平衡电流思考：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，为什么？

为什么在正常运行时，不平衡电流也很小

？

为什么当外部故障时，不平衡电流增大？

原因：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，I'2I''2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：

Ibp0.1

Id.maxnK

tx

TA

3．由计算变比与实际变比不同而产生的不平衡电流思考：两侧的电流互感器、变压器是不是一定满足

nTA2nnnTA2T

TA1

3

或

nnT

TA1

的关系？

原因：很难满足上述关系。

..

.

减少这种不平衡电流影响的措施：

利用平衡线圈Wph来消除此差电流的影响。假设在区外故障时的磁势为Wcd(流较小的一侧，

/2

/2

//

2，如下图所示，则差动线圈中将流过电流（

/2

//2），由它所产生

//

2)。为了消除这个差动电流的影响，通常都是将平衡线圈

Wph接入二次电

应使

/2

////2)=Wph2

Wcd(

4．带负荷调变压器的分接头产生的不平衡电流

思考：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？原因：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。

调整分接头产生的最大不平衡电流为

Ibp

U

Id.maxnTA

变压器调节分接头及

总结：在稳态情况下需要被消除的不平衡电流有电流互感器误差，平衡线圈的计算匝数与整定匝数不一致产生的不平衡电流，即

max /nTAIbp =(Ktx·10%+△U+△wc%)Id·

要保证差动保护在正常运行及保护范围外部故障时不误动，最大不平衡电流进行整定。

差动保护的动作电流要躲开

三、暂态情况下的不平衡电流及减小其影响的措施

1．外部短路时的不平衡电流

思考:在变压器差动保护范围外部发生故障的暂态过程中，为什么在差回路中将产生暂态不平衡电流？

原因：变压器两侧电流互感器的铁芯特性及饱和程度不同。

i

d

t

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。

计算变压器差动保护回路暂态不平衡电流

引入一个非周期分量的影响系数Kfz。外部短路时的暂态不平衡电流，在接入一级速饱和变流器时为

Ibp/＝Kfz·10%·Id·max/nTA

式中Kfz——非周期分量的影响系数，Kfz取1.5～2，在接入两级速饱和变流器时，非周期分量的影响系数取1。

2．由变压器励磁涌流ILy所产生的不平衡电流变压器的励磁电流IL仅流经变压器的某一侧，因此，通过电流互感器反应到差动回路中不能被平衡，在外部故障时，由于电压降低，励磁电流减小，它的影响就更小。

但是当变压器空载投入和外部故障切除后电压恢复时，则可能出现数值很大的励磁电流(又称为励磁涌流)。

u,φ

u

-φ

m

0

-φ

u,φ

u0

m

φ（a)φs

ωｔ

2φ

m+

φ

ωｔ

（b)ILy，其数值最大可达额定电流的

6～8倍，同时包含有大量的非周期

变压器的励磁涌流分量和高次谐波分量。

φφs

0

..

φm

2φ

m

+φs

I

L

iL

ωｔ

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，如图所示，在一个周期中间断角为α。

i

L

θ

α

ωt( )

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。

四、BCH—2型差动继电器

1. 组成：

电磁型电流继电器

三柱铁芯：两边柱铁芯截面较小，是中间柱铁芯截面的一半，易于饱和。差动线圈Wcd：接于变压器差动保护的差回路，当安匝磁势达到一定值时，应的某一电势值使电流继电器起动。两个平衡线圈Wph1、Wph2短路线圈Wd′工作线圈W2。

..

.

二次线圈感

.

2．BCH一2型差动继电器构成的变压器差动保护的整定计算

(1)确定基本侧。将变压器两侧电流互感器流入差回路的电流中较大的一侧作为基本侧，计算步骤如表所示。

变压器额定电压

(kV)

变压器额定电流(A)

Ve.g (高压)

Ve.d (低压)

Ie.g

变压器接线方式电流互感器接线方

式

电流互感器计算变

比nTA.js

电流互感器实际变

比nTA.sj

流入差回路的电流

(A)

Se3Ve.g

Y Δ

Ie.d

Δ

Se3Ve.d

Y

Ie.g5Ie.g5Ie.gnTA.sj

3

3

Ie.d5Ie.d5

Ig

3

Ie.dnTA.sj

Id

(2)确定差动保护的动作电流①躲过变压器的励磁涌流

②躲外部短路时的最大不平衡电流

I

dz

＝KkIe.T

bp.ph

I

dz

＝KkIbp. max＝Kk(Ibp.TA+ Ibp.Δu+ IIbp.ph＝Δfph1Id1.max+Δfph2Id2.max

)

Δfph1、Δfph2——平衡线圈的圆整误差，其值为

..

.

fph

Wph.jsWph.sjWph.js

Wcd.zd

③躲开电流互感器二次断线产生的最大不平衡电流

Idz＝KkIfh.max

取以上三条件计算结果中的最大值作为变压器差动保护一次动作电流。(3)计算变压器差动保护基本侧差动线圈匝数基本侧继电器的动作电流为

Idz.j.jb=KjxId z.jb/nTA

基本侧差动线圈的计算匝数

Wcd

js

(AW)dzIdzjjb

60安匝Idzjjb

差动线圈的实际匝数Wcd.sj。

继电器实际动作电流和一次动作电流分别为

I

Idz.s. jb=60(安匝)/Wcd. sj

dz. jb.sj= Idz. s. jb nTA / K

jx

(4)计算非基本侧平衡线圈匝数对双绕组变压器

I

2e.fj

ph+Wcd.zd)= I(W

2e.jb

cd.zdW

平衡线圈的实际匝数，采用四舍五入圆整。(5)平衡线圈圆整误差的计算

Δfph=( Wph.js- Wph.sj)/ ( W

ph.js

+ Wcd.zd)

计算结果的变化范围在0—0.091内。若误差小于0.05，则以上计算结果有效；若误差

大于0.05，则重新计算差动保护的动作电流。

(6)确定短路线圈匝数

对于大容量的变压器，涌流倍数小，衰减慢，要求切除内部故障的时间尽量短，应选取较少的短路线圈匝数。

相反，对于较小容量的变压器，应选用较多匝数的短路线圈，以便更有效地消除非周期分量电流的影响。

(7)灵敏度校验

保护范围内部短路最小灵敏度应大于2。

Klm=Id.min/ I

式中

dz

Id.min——保护范围内故障，流过基本侧的最小短路电流；

Idz——差动保护一次动作电流。

五、带制动特性的差动保护

1．BCH一1型差动继电器组成：三柱式铁芯

电磁型电流继电器

cd，差动线圈W

两个平衡线圈Wph1、Wph2制动线圈Wzh

gz。工作线圈W

..

.

各部分作用：

差动线圈：通以电流产生磁通φ电流继电器动作。

cd

，在两个二次工作绕组上感应，的电势相串联，能使

铁芯：两边柱截面小，易于饱和，它的作用相当于一级速饱和变流器。

制动线圈：通以电流产生的磁通φzh在两边柱形成环路，在两个二次工作绕组上感应的电势反向串联，合成电势为零，不会使电流继电器动作。它的作用是使两个边柱的铁芯饱和，加大继电器的动作安匝。

安匝制动曲线：继电器的动作安匝与制动安匝的关系曲线。当制动安匝磁势较小时，两边柱铁芯没有饱和，继电器的动作安匝不变，仍为60安匝。当制动安匝加大，铁芯开始饱和，动作安匝开始加大。随着制动安匝磁势的加大，铁芯饱和程度变大，继电器动作安匝加大，如图曲线1或2。

）匝安

动作区

制动区

带有制动线圈的变压器差动保护原理接线如图所示。以变压器的电源侧为基本侧，负

安匝）荷侧为非基本侧。非基本侧接有平衡线圈。制动线圈接在负荷侧。当保护范围外部故障时，

在制动线圈中流有短路电流，使铁芯饱和，增大了继电器的动作安匝。外部故障时继电器不动。内部故障时，若

B侧无电源，制动线圈中没有短路电流，不起制动作用

。

制动线圈的安装位置如下：

(1) 对单侧电源的双绕组变压器，故障没有制动作用。

..

制动线圈应接于负荷侧，外部故障有制动作用，内部

.

(2) 对于单侧电源的三绕组变压器，制动线圈应接于流过变压器最大穿越性短路电流的负荷侧。

(3) 对于双侧电源的三绕组变压器，制动线圈一般接于无电源侧。

(4) 对于双侧电源的双绕组变压器，制动线圈应接于大电源侧。当仅有小电源供电时，能保证保护装置的灵敏度。

2．BCH一1型差动保护的整定计算(1)确定变压器的基本侧。与用BCH一2型差动继电器时相同。(2)计算差动保护的动作电流

①躲开变压器空载投入时的励滋涌流：

I

dz·jb

=KkIe·T

(240MVA及以上容量变压器除外Ibp：

)：

②躲开电流互感器二次断线产生的不平衡电流

Idz＝KkIfh.max

③躲开未装制动线圈侧外部短路时的不平衡电流

Idz·jb=KkIbp

取以上三条件计算结果中的最大值作为变压器差动保护一次动作电流。(3)计算差动线圈匝数与用BCH一2型继电器时相同。(4)计算平衡线圈匝数与用BCH一2型继电器时相同。(5)校验平衡线圈圆整误差与用BCH一2型继电器时相同。

zh：(6)计算制动线圈匝数W

外部短路差回路通以最大不平衡安匝数时，以保证继电器不动来确定制动线圈的匝数。

（7）灵敏度校验

首先求出保护范围内校验点短路时流过制动线圈的电流及制动安匝。依据差动继电器最大安匝制动曲线2求出继电器的动作安匝，其值可近似为

(AW)dz=tgθ2(AW)zh

式中 tgθ2——最大安匝制动曲线2的斜率，可取为当计算出的动作安匝小于

1.4。

BCH一1型

60安匝时，取60安匝。差动保护的灵敏度为

Klm

IdjminWcdzd(AW)dz

2

例题对一台容量为40.5MVA三相三绕组降压变压器进行差动保护整定计算。变压器的接线及各侧的短路电流如下图所示。电压：110±2×2.5％kV／38.5±2×2.5％kV／11kV，接线方式为：Y，d11，d11，变压器的额定电流：213A／608A／2130A。图中标出的短路电流均为归算到110kV侧的三相短路电流值。括号内的数字为最小三相短路电流值。dl点单相接地时,I

(1)

d

＝2．2kA。

～

..

.

(2)差动保护的一次动作电流确定如下: 1)躲励磁涌流及电流互感器的二次断线

Idz·jb=KkIe·T=1.3×213=276(A)

2)躲d3点(外部)短路时的最大不平衡电流

Idz·jb＝KkIbp. max＝Kk(Ibp.TA+ Ibp.Δu+ Ibp.ph)

=1.3×(0.1+0.05+0.05+0.05)×1350=483.75(A) 从以上计算可知,以躲外部短路最大不平衡电流为计算条件 Idz·jb=438.75(A) (3)计算差动线圈匝数及实际动作电流为

,差动保护的动作电流取为

差动线圈的实际匝数应向小调整,取

Wcd，zd=6(匝)

继电器的实际动作电流为

Idz.j.jb.sj=60/6=10(A)

(4)灵敏度校验.以d2点短路为计算条件

,即

下面采用BCH-1型差动继电器,制动线圈放在35KV侧.

(1)(1)确定基本侧同BCH-2型继电器,以110KV为基本侧. (2)(2)计算差动保护的起动电流.

1)1)躲励磁涌流

Idz·jb=KkIe·T =1.5×213=319.5(A)

2)

2)

躲d2点(外部)短路时的最大短路电流产生的不平衡电流

Idz·jb＝KkIbp. max＝Kk(Ibp.TA+ Ibp.Δu+ Ibp.ph)

=1.3×(0.1+0.05+0.05)×965=250(A)

(3)(3)

计算差动线圈匝数及实际动作电流为

..

差动线圈的实际匝数向小调整,整定匝数取为

8匝.实际动作电流

Idz.j.jb.sj=60/8=7.5(A)

(4)(4)

计算非基本侧平衡线圈的匝数

.

1)1)35KV侧平衡线圈匝数的计算

取10KV侧平衡线圈匝数为2匝

(5)(5)平衡线圈的误差

Δfph.35=( Wph.js- Wph.sj)/ ( W

ph.js

+ Wcd.zd) =(1.1-1)/(1.1+8)=0.012<0.05

Δfph.10=( Wph.js- Wph.sj)/ ( W

ph.js

+ Wcd.zd)

=(2.36-2)/(2.36+8)=0.035<0.05 (6)(6)计算制动线圈匝数

制动线圈的实际匝数应向上调整

,取Wzh.js =3匝.

(7)(7)灵敏度校验.在校验点(10KV母线)电路时,流过制动线圈的电流为负荷电流

动安匝为

查BCH-1型继电器最大安匝制动曲线2或计算相应的动作安匝得

(AW)dz=tgθ2(AW)zh=12.15×1.4=17安匝<60安匝

..

.

制

,.

六、二次谐波制动的差动保护

变压器的励磁涌流中含有占基波30％～70％的二次谐波分量，利用二次谐波制动躲过励磁涌流。利用制动线圈躲开外部故障时最大不平衡电流。具有二次谐波制动的变压器差动保护原理接线如7-21所示。它由外部故障制动回路、二次谐波制动回路、差动回路及执行回路组成。

2

2

1

1

1

执行回路

1

1

1

2

2

1

1

2

1

2

2

2

2

1

4

3

3

3

5

3

外部短路制动回路由电抗变换器TXl、整流滤波回路BZ1、C1、R1组成。TX1中的一次线圈流有很大的循环电流，它使二次线圈感应较大电压并实现制动。同时差回路电流很小，保护不会动作。在保护范围内部故障时，变压器有一侧电流要改变方向或消失。电抗变换器TX1一次线圈两部分绕组中电流方向相反或有一部分为零。TX1的二次线圈感应电势变小，制动

3的二次侧感应电压升高，差动保护可靠动作。作用消失或减小。差动回路电流增大，TX

二次谐波制动回路由电抗变换器TX2、电容C2、整流桥BZ2、滤波电容C3及电位器R2

组成。电抗变换器DKB2的一次线圈接在差回路中，其二次绕组与C2组成对二次谐波串联谐振回路，用以提高输出电压，增大二次谐波的制动能力。二次谐波制动作用可借助电位器R2调节。

差动回路由电抗变换器TX3、整流桥BZ3、滤波电容C4及对50周波串联谐振回路L5、C5及电位器R3组成。谐振回路对基波分量电压有较大的输出，对不平衡电流中的非周期分量和高次谐波有较强的抑制能力。调节电位器R3的位置可以调节继电器的起动电流。

执行回路是一个幅值比较的执行回路。当A＞B时，继电器动作。执行元件可以是二极

管环形比较回路，也可由零指示器构成。

调节电位器R1、R2的位置，使在保护范围外部故障及变压器空载投入时可靠不动。器R3的位置，使在保护范围内部故障时可靠动作。

调节电位

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