变压器差动保护原理

主变差动保护

一、主变差动保护简介

主变差动保护作为变压器的主保护,能反映变压器内部相间短路故障、高压侧单相接地短路及匝间层间短路故障 ,差动保护是输入的两端CT电流矢量差，当两端CT电流矢量差达到设定的动作值时启动动作元件.

差动保护是保护两端电流互感器之间的故障（即保护范围在输入的两端CT之间的设备上），正常情况流进的电流和流出的电流在保护内大小相等，方向相反,相位相同,两者刚好抵消，差动电流等于零；故障时两端电流向故障点流,在保护内电流叠加,差动电流大于零.驱动保护出口继电器动作，跳开两侧的断路器,使故障设备断开电源.

二、纵联差动保护原理

（一）、纵联差动保护的构成

纵联差动保护是按比较被保护元件（1号主变）始端和末端电流的大小和相位的原理而工作的.为了实现这种比较，在被保护元件的两侧各设置一组电流互感器TA1、TA2，其二次侧按环流法接线，即若两端的电流互感器的正极性端子均置于靠近母线一侧，则将他们二次的同极性端子相连,再将差动继电器的线圈并入,构成差动保护。其中差动继电器线圈回路称为差动回路，而两侧的回路称为差动保护的两个臂.

(二)、纵联差动保护的工作原理

根据基尔霍夫第一定律，

=

∑•I;式中∑•I表示变压器各侧电流的向量和,其物理意义是：变压

器正常运行或外部故障时，若忽略励磁电流损耗及其他损耗，则流入变压器的电流等于流出变压器的电流。因此，纵差保护不应动作。

当变压器内部故障时，若忽略负荷电流不计，则只有流进变压器的电流而没有流出变压器的电流，其纵差保护动作，切除变压器。见变压器纵差保护原理接线。

(1)正常运行和区外故障时，被保护元件两端的电流和的方向如图1。5.5（a）所示，则流入继电器的电流为

继电器不动作。

（2）区内故障时，被保护元件两端的电流和的方向如图 1.5.5(b）所示，则流入继电器的电流为

此时为两侧电源提供的短路电流之和，电流很大，故继电器动作，跳开两侧的断路器.

由上分析可知，纵联差动保护的范围就是两侧电流互感器所包围的全部区域，即被保护元件的全部,而在保护范围外故障时，保护不动作。因此，纵联差动保护不需要与相邻元件的保护在动作时间和动作值上进行配合,是全线快速保护,且具有不反应过负荷与系统震荡及灵敏度高等优点。

三、微机变压器纵差保护的主要元件介绍

主要元件有:1)比率差动保护元件，2）励磁涌流闭锁元件,3）TA饱和闭锁元件，4）TA断线闭锁（告警）元件,5）差动速断元件，6）过励磁闭锁元件

下面对各个元件的功能和原理作个简要的介绍：

[]⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧==>+++->≤≤++->≤+>∑∑==m

i i d m i i r

e r cdqd e e bl e r d e r e cdqd e e r bl d

e r cdqd r d I I I I I I I I I K I I I I I I I I I I K I I I I I I 115.06........1.05.5]6[75.065.0..........................1.0]5.0[5.0.....................................................2.0（1)比率差动保护元件：变压器在正常负荷状态下，差动回路中的不平衡电流很小，但当发生区外短路故障时，由于电流互感器可能饱和等等因素,会使不平衡电流增大，当不平衡电流超过了保护动作电流时，差动保护就会误动。比率差动保护就是用来区分差流是由内部故障还是不平衡输出(特别是外部故障）引起的,它引入了外部短路电流作为制动电流，当外部短路电流增大时，制动电流随之增大，使得继电器的动作电流也相应增大，这样就可以有效的躲过不平衡电流,避免误动的出现.比率差动元件采用初始带制动的变斜率比率制动特性，由低值比率差动（灵敏）和高值比率差动（不灵敏）两个元件构成。为了保证区内故障的快速切除，只有低值比率差动元件(灵敏）设有TA 饱和判据，高值比率差动元件（不灵敏)不设TA 饱和判据.

三折线比率差动保护的动作特性如图5。1所示。

图5.1比率差动保护动作特性图

比率差动动作方程：

式中：e I 为变压器额定电流;

m I I ~1分别为变压器各侧电流;cdqd I 为稳态比率差动起动电流；d I 为差动电流；r I 为制动电流；bl K 为比率制动系数整定值（75

.02.0≤≤bl K ）。 比率差动保护按相判别，满足以上条件时动作。但是保护出口必须还要经过TA 的饱和判别,TA 断线判别（可选），励磁涌流判别。

由图可以看出，具有比率制动特性差动元件的动作特性主要由起动电流，拐点电流，比率制动系数（即特性曲线的斜率）决定，而动作特性又决定了差动元件的动作灵敏度和躲区外故障的能力，当这三个量中的两个固定以后,比率制动系数越小,或拐点电流越大，或初始动作电流越小,差动元件的动作灵敏度越高，而此时躲区外故障的能力越差。

（2） TA 饱和闭锁元件：区外短路故障时，若一侧电流互感器出现饱和，则差动回路中的不平衡电流将会增大，容易导致纵差保护误动作，为了解决TA 饱和对差动保护的影响，首先设置一个高定值比率差动动作区，它是不需要经过TA 的饱和判别的，即图中的阴影部分,其保护判据如下:

[]⎩⎨⎧>+->e r

e e r d I I I I I I 8.02.18.06.0 d I ，r I ，e I 的定义与上文相同.当d I ，r I 确定的工作点落入该区域时,纵差动保护可以经TA 断线判别（可选)，励磁涌流判别后快速动作。如果工作点没有在高定值比率差动动作区时，通常利用二次电流中的二次和三次谐波含量来判别TA 是否饱和,其判据如下：

⎩⎨⎧>>1

33122**φφφφφφI k I I k I xb xb 式中：321,,φφφI I I 分别为电流中的基波、二次和三次谐波；xb xb k k 32,φφ为比例常数。

当与某相差动电流有关的电流满足上式时即认为此相差流是由TA 饱和引起的,此时闭锁稳态比率差动保护。

（3）TA 断线闭锁(告警）元件：变压器带有一定的负荷时，若电流互感器二次回路断线，则会造成纵差动保护的起动元件、差动元件动作,从而导致纵差动保护误动作,即使变压器负荷电流很小甚至空载情况下，当电流互感器二次回路断线时,纵差保护虽然不动作,但当区外故障时,必然会造成纵差保护的误动作.所以应设置TA 二次断线闭锁。

TA 二次断线判据分未引起差动保护起动和引起差动保护起动两种情况。起动元件未动作时，满足就判为TA 二次断线：任一相差流大于设定值且

r d kI I >（k =15％～20％)，判断线后延时10秒发报警

信号，但不闭锁纵差保护。

起动元件动作后,以下条件没有一条满足的也判为TA 二次断线：1）任一侧负序相电压大于6V ；2）起动后任一侧任一相电流比起动前增加；3）起动后最大相电流大于1.1倍额定电流;4）任一侧任一相间工频变化量电压元件起动。

判TA 断线后瞬时闭锁保护（通过控制字选择也可不闭锁保护仅发出报警信号，也可在额定负荷下才闭锁保护，或不闭锁保护发出报警），无论是异常报警是否引起差动保护起动,均说明差动回路存在问题,或定值存在问题,应该受到同等重视.比如当差回路断线时，在轻负荷情况下不会引起差动起动，但会引起差流报警，如果此时及时处理，就可以避免负荷增加后或者区外故障引起的差动保护误动作。

（4）差动电流速断保护元件

比率制动的差动保护能作为变压器的主保护，但在严重内部故障时，短路电流很大，TA 严重饱和使交流暂态传变严重恶化，TA 二次侧电流发生严重畸变，高次谐波分量增大,从而使涌流判别元件误判为励磁涌流，致使差动保护拒动或延缓动作，严重损坏变压器，所以变压器比率制动的差动保护还应

配有差动速断保护。 其动作判据为：Id >Isd

其中:Id 为变压器差动电流，Isd 为差动电流速断保护定值，当任一相差动电流大于差动速断整定值时瞬时动作跳开变压器各侧开关.

(5)过激磁闭锁元件：

由于变压器过激磁（过激磁:铁磁性材料都有一个最大磁感强度，超过这个最大磁感强度,线圈中的电流无论再怎么增大，硅钢片中的磁感强度都不会再怎么显著地增加，所谓过激磁就是指线圈中的电流超过了某一个值，使硅钢片中的最大磁感强度达到了极限．)时，其激增的励磁电流会导致差动保护误动作,故应判断出这种情况，闭锁差动保护.由于发生过激磁时，励磁电流中的五次谐波含量大大增加，故采用差电流中五次谐波的含量作为对过激磁的判别，其判据如下：

st xb th I k I 155* ，其中th st I I 51,分别为每相差动电流中的基波和五次谐波,

xb k 5为五次谐波制动系数。当过激磁倍数大于1.4时,不再

闭锁差动保护。

朗目山风电厂主变差动保护装置简介

朗目山风电厂主变差动保护使用：CSC —326GD 数字式变压器差动保护装置。

1。装置型号说明：

2。装置简介：

CSC —326GD 为适用于110kV 及以下电压等级的变压器差动保护装置，最大支持四侧差动。装置包括两块硬件完全相同的CPU ，主CPU 负责保护元件的动作出口,启动CPU 负责开放启动继电器,这种冗余设计的方法完全杜绝了因硬件原因(如A/D 转换回路损坏）所引起的保护误动；主CPU 实时与启动CPU 之间互检交流计算量，一旦发现某块CPU 的A/D 通道异常，可以给出告警信息，避免保护拒动。 装置可以配置开入开出插件（DIO ），完成变压器分接头的档位采集和分接头控制。

3。 保护程序整体结构

保护CPU 程序的总体结构包括主程序、采样中断服务程序和故障处理程序及录波处理程序。

朗目山风电厂主变差动保护情况

1、差动速断保护

当任一相差动电流大于差动速断整定值时，差动速断保护瞬时动作，跳开各侧开关,其动作判据为：I d > I sd

（其中: I d 为变压器差动电流， I sd 为差动电流速断保护定值.）

2、比率差动保护

2。1 比率差动保护特性

由于变压器各侧TA性能、变比有差异以及各侧绕组连接组别的不同,差动回路存在不平衡电流,采用常规三段式折线特性,能够保证区外故障不平衡电流最大时不发生误动，又能保证切除区内故障的灵敏性，动作方程如下，特性曲线见图4

其中I e 为变压器额定电流, I 1..。.。.。 m 分别为变压器各侧电流， I cd 为稳态比率差动起动定值, I d 为差动电流， I r为制动电流， k 为比率制动系数整定值（ 0.2 ≤ k ≤ 0.7 ），推荐整定为k = 0.5.

程序中按相判别，任一相满足以上条件时,比率差动保护动作。比率差动保护经过励磁涌流判别、TA 断

线判别（可选择)后出口。

2.2 励磁涌流闭锁原理

1）二次谐波闭锁原理

采用三相差动电流中二次谐波与基波的比值作为励磁涌流闭锁判据:I dφ2 >K xb 。2 I dφ

(式中， I dφ2为差动电流中的二次谐波分量, K xb.2 为二次谐波制动系数， I dφ为差动电流中的基波分量.)

采用或门闭锁方式，即三相差流中某相判为励磁涌流，闭锁整个比率差动保护.

2) 模糊识别闭锁原理

设差流导数为I （k) ，每周的采样点数是2n 点，对数列：

可认为X (k) 越小,该点所含的故障信息越多，即故障的可信度越大；反之， X (k) 越大,该点所包含的涌流的信息越多,即涌流的可信度越大。取一个隶度函数，设为A[X （k）］，综合半周信息，对k = 0，1，2。。.n ，

求得模糊贴进度N

为：取门槛值为K，当N>K 时，认为是故障，当N

3 异常检测

3。1 整组复归判别

启动元件返回后，连续5s 内差流均不越限,则差动保护整组复归。

3。2 TA 断线检测

正常情况下判断TA 断线是通过检查所有相别的电流中有一相或两相无流且存在差流（差流大于差流越限值），即判为TA 断线。

在有电流突变时，判据如下：

1）发生突变后电流减小（而不是增大）.2）本侧三相电流中有一相或两相无流,且对侧三相电流无变化。（满足以上条件时判为TA 二次回路断线。）

TA 二次断线后，发出告警信号，并可选择闭锁或不闭锁差动保护出口。

3。3 差流越限告警

正常情况下，差动压板投入时，监视各相差流异常，在保护未启动的情况下，延时5 秒发出告警信号，判据如下:I dφ〉0。3 I cd式中，I dφ为各相差动电流。

4、差动保护动作逻辑图

总之，差动保护是根据“电路中流入节点电流的总和等于零”原理制成的.差动保护把被保护的电气设备看成是一个节点,那么正常时流进被保护设备的电流和流出的电流相等，差动电流等于零.当设备出现故障时，流进被保护设备的电流和流出的电流不相等，差动电流大于零。当差动电流大于差动保护装置的整定值时，保护动作，将被保护设备的各侧断路器跳开，使故障设备断开电源