差动保护不平衡电流的产生机理及措施

甘辉霞

（三峡大学电气与新能源学院，湖北宜昌 443002）

差动保护不平衡电流的产生机理及措施

甘辉霞

（三峡大学电气与新能源学院，湖北宜昌 443002）

差动保护是变压器的主保护，具有选择性好、灵敏度高等一系列优点。从差动保护的基本原理入手，深入分析了几类差动保护不平衡电流的产生的原因，结合差动保护在实际案例中的应用，探讨避免不平衡电流的技术措施及对策，具有一定的理论和实用价值。

变压器差动保护；不平衡电流；变压器；电流互感器（TA）

0 引言

差动保护作为变压器、电动机、母线及短线路等元件的主保护，具有选择性好、灵敏度高等一系列优点。这几种差动保护原理是基本相同的，但变压器差动保护还要考虑到变压器接线组别、各侧电压等级；电流互感器（TA）变比、极性；励磁涌流等因素的影响。所以同其他差动保护相比，变压器差动保护实现起来要更复杂一些，本文就深入分析了这几方面如何产生不平衡电流的原因，结合实际工程应用，探讨差动保护避免不平衡电流的技术措施。

1 差动保护的基本原理

差动保护要考虑的一个基本原则是要保证正常情况和区外故障时，用以比较的变压器高、低压侧电流幅值是相等，相位相反或相同，从而在理论上保证差流（不平衡电流）为0[1]。

流过差动继电器KD的电流（不平衡电流）为：

理想情况下，被保护对象（变压器）正常运行或外部短路时，流入继电器的电流为零，当变压器内部发生短路时，和方向相同，流入继电器的电流大于差动保护动作电流，保护动作。因此，差动保护可靠动作的关键在于流过差动线圈的不平衡电流。

2 不平衡电流产生的因素及影响

2.1 变压器电压等级、绕组接线方式对不平衡电流的影响

电力系统中带负荷调整变压器分接头是调节系统电压的重要手段。改变调压档位实际上就是改变变压器的变比[2]。变压器变比的归算方法是按照额定或实际最有可能运行的电压来计算的，这样分接头位置改变后，会导致不平衡电流的产生。

变压器不同的接线组别，除Y/Y或△/△外，都会导致变压器高低压侧电流相位不同。如Y/ D-11，D侧电压、电流相量超前Y侧30°，造成主变TA二次侧电流相量差并不为零，形成不平衡电流。对于接线组别带来的影响，可通过外部TA接线方式来解决。当主变为Y/△接线时，高压侧TA二次采用△接线，低压侧TA二次采用Y接线，由保护TA完成相角的归算同时消除零序电流分量的影响。

电流由变压器高压侧传变到低压侧时，相位前移30°。低压侧TA接成Y/Y，角度没有偏移。高压侧TA接成Y/△，TA二次侧比一次侧（也即变压器高压侧）相位也前移了30°。这样就保证了高低压侧TA的二次电流同相位。同时，高压侧TA接成Y/△后，电流幅值增大了3倍。向量图见图1。

图1 变压器差动向量图

对于微机保护实现的方法和计算的精度有了很大提高。变压器高、低压侧TA都是采取Y/Y接线，相角归算由内部程序完成，再通过电流矢量相减消除相角误差。

2.2 TA对不平衡电流的影响

2.2.1 TA极性判别

为保证差动能够正常动作，变压器TA必须采用同名端接线。在实际工程中，由于差动TA极性不对而导致差动保护误动的事情时有发生。因此工程中差动保护的接线，首先要注意TA的极性。现场一般采用如下的方法进行判断：（1）把TA一次看作负荷，根据电流从L1或L2流入或是流出来判断电位；（2）把TA二次看作电源，根据L1、L2的电位判断K1、K2的电位，电流由高电位端流出，低电位端流入。

测试人员在变压器TA处，按照某个电流方向（一般按正方向来）用电池组一极固定，一极间断点击的方式给TA一次施加电流，同时观察TA二次接入电流表指针偏转的方向。反复几次，即可判断出TA的极性，如果一次施加的是正方向电流（电流从L1流进L2流出），电流表（电流表正极接K1，负极接K2）指针会先正偏，马上返回，因为TA电感线圈储能后反向放电的过程，指针会反偏。以上现象判断TA的L1和K1为同名端。

发电机起动运行后可以通过保护装置采样值来判断TA的极性，这似乎大大方便了调试人员在现场的工作，但值得注意的是，空载或小负荷运行电流很小，采样值来判断TA极性会有很大的误差，电流达到0.3 A以上时可以准确判断，但是如果TA极性接反，差动保护就会动作，所以一般现场必须按照图2的方法检查所有TA的极性及其回路。

2.2.2 TA的计算变比与实际变比不一致

变压器高、低压侧电流不相等，为保证差流为零，TA的变比应按照下式选择：

IIN、IIIN分别代表变压器一次侧、二次侧的额定电流。

图2 现场TA极性测量图

国家规定TA采用标准变比，实际采用的TA变比可能与该计算值不等，从而造成二次侧电流相减结果不等于零。同时在实际的工程中，TA即使型号匹配，也可能因为误差造成不平衡电流，影响保护的可靠性。这种不平衡电流一般是利用中间变流器的平衡线圈进行磁补偿[3]，如图3所示。

图3 平衡线圈接线图

通常在中间变流器的铁心上绕有主线圈即差动线圈Wcd，接入差动电流，另外还绕一个平衡线圈Wph和一个二次线圈W2，接入二次电流较小的一侧。适当选择平衡线圈的匝数，使平衡线圈产生的磁势能完全抵消差动线圈产生的磁势，则在二次线圈W2里就不会感应电势，因而差动继电器中也没有电流流过。采用这种方法时，按公式计算出的平衡线圈的匝数一般不是整数，但实际上平衡线圈只能按整数进行选择，因此还会有残余的不平衡电流存在，这在进行纵差保护定值整定计算时应该予以考虑。

2.2.3 TA的型号及饱和特性

虽然现场对差动保护用TA的选型一般都是要求变压器各侧是同型号，但因为变比和容量都有差别，致使TA的特性也不尽相同。因此当区外故障穿越性电流增大，可能导致TA饱和，TA饱和特性不一致，造成不平衡电流增大[4]。为了消除不平衡电流通常采用带速饱和变流器的差动继电器，能有效克服暂态过程中非周期分量的影响。根据速饱和变流器的磁化曲线可以看出，周期分量很容易通过速饱和变流器变换到二次侧，而非周期分量不容易通过速饱和变流器变换到二次侧。因此，当一次线圈中通过暂态不平衡电流时，它在二次侧感应的电势很小，此时流入差动继电器的电流很小，差动继电器不会动作。

2.3 励磁涌流的影响

变压器空载投入和外部故障切除后电压恢复时，出现的励磁涌流其数值可达变压器额定电流的6～8倍。励磁涌流会形成差动回路的不平衡电流，并将使差动保护误动作。励磁涌流中含有大量的非周期分量和高次谐波分量[2]，其中以二次谐波分量为主，波形中还会出现间断角。为了防止励磁涌流对差动保护的影响，根据保护设计方案的不同大致有如下解决方法：（1）谐波制动原理；（2）波形判别原理；（3）间断角闭锁原理。

2.3.1 谐波制动原理

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，即：I2＞K2b·I1。

其中I2为每相差动电流中的二次谐波，I1为对应相的差流基波，K2b为二次谐波制动系数整定值。当I2与I1的比值大于K2b时，可靠制动差动保护；当等于或小于K2b时，差动保护动作。

2.3.2 波形判别原理

采用三相差动电流中的波形判别作为励磁涌流识别判据，内部故障时有如下表达式成立：

其中S为差动电流的全周积分值，S+为差动电流的瞬时值与差动电流半周前的瞬时值的全周积分值，Kb为某一固定常数，St为门槛值，Id为差电流的全周积分值，α为某一比例常数。

当发生励磁涌流时以上波形判别关系式不成立，差动保护不会误动。

2.3.3 间断角闭锁原理

间断角闭锁原理的变压器差动保护采用的判据：

若间断角θd＞65°，则认为是励磁涌流，而非变压器内部故障，此时立即闭锁比率差动继电器，以防止其在变压器空载合闸和外部故障切除电压恢复过程中误动；若波宽θw≥140°，并且间断角θd≤65°，则短时开放比率差动继电器，一旦θd＞65°，则立即闭锁比率差动继电器。

3 结论

本文从变压器差动保护的基本原理入手，着重分析了变压器电压等级、绕组接线方式，电流互感器同名端、饱和特性，以及励磁涌流等三个方面产生不平衡电流的原因，就如何避免不平衡电流产生探讨了相应的措施，在实际工程具有一定的实用价值。

［1］王维俭.电力系统继电保护原理［M］.北京：清华大学出版社，1991.

［2］魏勇刚.主变差动保护不平衡电流产生及应对措施［J］.四川电力技术，2005（5）：28-29.

［3］廖婉婷.变压器纵差保护原理及不平衡电流分析［J］.广西电业，2007（7）：72-73.

［4］王永青.TA饱和对继电保护影响的分析及对策［J］.山东电力技术，2006（3）：48-50.

(编辑：向 飞)

图3 砂轮对刀件

2.1.2 砂轮对刀件的设计

为确保砂轮中心通过零件内孔中心，保证键槽对内孔的对称度，设计制造砂轮对刀件，参见图3。

2.1.3 拼装夹具的设计

为适应零件在机床的安装和定位，设计制造角向定位销和定位件，利用标准模块拼装一夹具，使零件安装在工作台上稳定可靠。

2.2 长内键槽磨削加工操作过程

（1）将拼装夹具固定于磨床工作台，按照零件最大直径及砂轮磨轴的高度可调整量调整好拼装夹具在工作台的高度位置，同时尽量将其置于机床主轴中心。另应调整好拼装夹具定位中心线与工作台移动方向一致（Z轴）。

（2）将零件按图1装夹要求置于拼装夹具。固定零件前找正零件A、B基准跳动不大于0.01，利用角向定位销的60°度锥面确定零件角向位置。

（3）采用直径ϕ55 mm，厚10 mm的片砂轮装于磨轮支架上，并将砂轮厚度修整至8 mm（有效工作区），砂轮直径修整至ϕ52 mm。

（4）将砂轮对刀件置于零件N孔，手动旋转砂轮对刀件使其对刀槽处于垂直状态，同时前后移动砂轮主轴使已修整好的砂轮刚好置于砂轮对刀件的对刀槽内，从而确保砂轮中心通过零件N孔中心。

（5）磨削过程中应用压缩空气吹冷零件加工部位及吹走磨尘，以防磨尘堵塞砂轮影响砂轮磨削力及导致零件烧伤等。

3 结论

通过对普通花键磨床磨削装置进行改造和配置专用夹具，实现了长内键槽的磨削加工，从而扩充了其加工能力，最大限度发挥其潜能。同时加工出合格产品，满足了用户要求，达到了预期目的。但要持续稳定保证产品质量，实现大批量生产，还可以进一步做以下方面的改进：

（1）设计制造一专用散热冷却装置，便于用压缩空气吹气冷却，同时保证用压缩空气吹气冷却时磨尘不到处飞扬等；

（2）设计制造一修砂轮设备及砂轮刀，便于修砂轮宽度、直径及圆角。

参考文献：

［1］薄宵.机械加工工艺手册：第2卷［M］.北京：机械工业出版社，1992.

第一作者简介：陈湘辉，男，1967年生，湖南湘乡人，大学本科，高级工程师。研究领域：航空发动机及传动齿轮制造技术。已发表论文1篇。

(编辑：阮 毅)

Mechanism and Countermeasure of Unbalanced Current for Differential Protection

GAN Hui-xia
（College of Electrical Engineering & Renewable Energy of China Three Gorges University，Yichang443002，China）

Differential protection is the main protection of the main transformer，has the good selectivity，high sensitivity and a series of advantages.Starting from the basic principle of differential protection， the article analyzed reasons of several classes of unbalanced current for differential protection，combined with the application in the actual case，and discussed how to avoid unbalanced current.It has a certain theoretical and practical value.

differential protection of transformers；unbalanced current；transformers；current transformers（TA）

TM401

：A

：1009－9492(2014)12－0133－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.12.033

甘辉霞，女，1974年生，湖北公安人，大学本科，高级工程师。研究领域：电力系统继电保护。已发表论文7篇。

2014－08－14