电力变压器轻微匝间故障保护策略

1、电力变压器轻微匝间故障保护策略1 绪论随着电力系统的出现，继电保护技术就相伴而生。与当代新兴科学技术相比，电力系统继电保护是相当古老了，然而电力系统继电保护作为一门综合性科学又总是充满青春活力，处于蓬勃发展中。之所以如此，是因为它特别注重理论与实践并重，与基础理论、新理论、新技术的发展紧密联系在一起，同时也与电力系统的运行和发展息息相关。电力系统自身的发展是促进继电保护发展的内因，是继电保护发展的源泉和动力，而相关新理论、新技术、新材料的发展是促进继电保护发展的外因，是电力系统继电保护发展的客观条件和技术基础。1.1 变压器差动保护的发展简述电流差动保护原理是由C H Merz和B.Price

2、在1904年提出的，其理论基础是基尔霍夫电流定律，它是电力变压器的主保护，也是各种电气元件使用最广泛的一种保护方式。自上世纪70年代微处理器的出现，元件保护进入到微机保护时代。国外在70年代即对变压器个别保护的计算机实现开展研究。80年代国外开始研制发电机及变压器整套微机保护。1989年波兰Korbasiewcz发表了发电机变压器组微机保护系统。1990年印度Verma等也发表了变压器全套微机保护的研究成果。到90年代见到正式商业产品，如Siemens及ABB公司均已有微机发变组全套保护。我国微机元件保护的研制，是从80年代开始的。1987年在我国首先研制成微机式发电机失磁保护系统，在此基础上

3、于1989年开发研制成发电机全套微机保护，并于1994年研制成我国第一套适用60万KW及以下容量水、火发电机变压器组全套微机保护。随后，国内又研制成用于水轮机发电机变压器组的微机保护。1988年后有多家研制成了变压器微机保护。电气主设备内部故障的主保护方案之一是差动保护，差动保护在发电机上的应用比较简单。作为变压器主保护，对其要求有两方面，即防止外部短路时不平衡电流及防止励磁涌流所致的误动作。但是作为变压器内部故障的主保护，差动保护将有许多特点和困难，变压器具有两个及更多个电压等级，构成差动保护所用电流互感器的额定参数各不相同，由此产生的差动保护不平衡电流将比发电机的大得多。变压器每相原副边电

4、流之差（正常运行时的励磁电流）将作为变压器差动保护不平衡电流的一种来源，特别是当变压器过励磁运行时，励磁电流可达变压器额定电流的水平，势必引起差动保护误动作。更有甚者，在空载变压器突然合闸时，或者变压器外部短路被切除而变压器端电压突然恢复时，暂态励磁电流（即励磁涌流）的大小可与短路电流相比拟，在这样大的不平衡电流下，要求差动保护不误动，是一个相当复杂困难的技术问题。正常运行中的变压器，根据电力系统的要求，需要调节分接头，这又将增大变压器差动保护的不平衡电流;变压器差动保护应能反应高、低压绕组的匝间短路，而匝间短路时虽然短路环流中电流很大，但流入差动保护的电流可能不大：变压器差动保护还应能反应高

5、压侧（中性点直接接地系统）经高阻接地的单相短路，此时故障电流也较小;当变压器绕组匝间短路时，变压器仍带有负荷，这就是说变压器内部短路时被保护设备仍有流出电流，影响保护的灵敏动作。综上所述，将差动保护用于变压器，一方面由于各种因素产生较大或很大的不平衡电流，另一方面又要求能反应具有流出电流性质的轻微内部短路，可见变压器差动保护要比发电机等其他元件差动保护复杂得多。1.2 励磁涌流判别原理的研究现状随着超高压、远距离输电在电力系统中的应用越来越广泛，大容量变压器的应用日益增多，对变压器保护的可靠性、快速性提出了更高的要求。电力变压器在空载合闸投入电网或外部故障切除后电压恢复时会产生数值很大的励磁涌

6、流，同时波形严重畸变，容易造成差动保护误动作，直接影响到变压器保护的可靠性。差动保护一直是电力变压器的主保护，其理论根据是基尔霍夫电流定律，对于纯电路设备，差动保护无懈可击。但是对于变压器而言，由于内部磁路的联系，本质上不再满足基尔霍夫电流定律，变压器励磁电流成了差动保护不平衡电流的一种来源。当前变压器差动保护的主要矛盾仍然集中在励磁涌流和内部故障电流的鉴别上。近十多年来，国内外许多学者致力于变压器继电保护的研究，提出了不少判别励磁涌流的新原理和新方法。1）电流波形特征识别法电流波形特征识别法一直是人们研究的热点，目前仍占据主流。该方法以励磁涌流和内部故障电流波形特征的差异为依据。己运用于实践

7、的方法有：二次谐波制动原理和间断角原理，新近提出的有采样值差动原理、波形对称原理，波形叠加原理、波形相关性分析法和波形拟合法。其中，采样值差动原理是间断角原理的衍生，波形对称原理是间断角原理的改进，而波形叠加原理、波形相关性分析法和波形拟合法则是波形对称原理的衍生或改进。另外，随着科学研究领域的逐步扩大，研究层次的逐渐加深，产生的若干新兴学科也为判别励磁涌流提供了新的手段，其中有代表性的是神经网络和小波变换。然而，就目前发表的文献看，这些新兴手段也只是局限于对电流波形进行一些简单的加工，所以仍属于电流波形特征识别法的范畴。2）谐波识别法该方法是通过电流或电压中谐波含量的多少来区分内部故障和励磁

8、涌流。主要有利用二次谐波电流和分析变压器端电压中的谐波分量两种鉴别励磁涌流的方法即二次谐波制动和电压制动。大多数变压器差动继电器利用差动电流的谐波分量区分不同于励磁涌流和过励状况的内部故障，谐波分量可以用于制动或闭锁继电器动作。3）磁通特性识别法磁通特性识别法是考虑利用磁通量，综合运用变压器的电压和电流进行励磁涌流判别的方法。目前主要有三种磁制动方案： 是基于变压器在不同工况下的励磁特性曲线建立故障判别区;二是建立差动电流id和变压器的互感磁链之间的关系曲线，通过比较与的关系是否落在空载磁化曲线附近来判断是否为励磁涌流;三是分析比较-曲线上故障时或涌流时的切线斜率与半周波前对应的切线斜率的值，

9、相等则为故障。4）等值电路法该方法是基于变压器导纳型等值电路的励磁涌流判别方法，通过检测对地导纳参数变化来鉴别变压器内外故障。5）功率法第一种：对故障状态下系统正负序网络模型进行分析，由变压器两端电流电压计算出两侧正负序功率，根据正负序功率方向的不同，快速、准确地区分变压器的内部故障、外部故障和励磁涌流。第二种：先根据电流电压计算出变压器两端功率值，并计算出两者之差，用求得的有功功率差额W(r)来判别励磁涌流和变压器内部故障。该方法的优点是第一没有让励磁涌流成为动作的因素，故在励磁涌流判别方面有较大的优势。第二与以往的励磁涌流判据相比，功率差动保护的功能更为全面具有区分变压器内、外部故障的功能

10、，可以作为独立保护使用。6）其它基于参数辨识的变压器差动保护：该方法无需鉴别励磁涌流，通过建立变压器的线性模型，而模型无需涉及变压器铁心的非线性关系和磁滞效应。当变压器绕组漏感和电阻在正常运行、外部故障及励磁涌流时不发生变化，而在变压器内部故障时要发生变化。根据这一特性，可把变压器绕组的漏感和电阻值是否发生变化作为区分变压器内部故障和正常、外部故障、励磁涌流情况的判据。基于励磁阻抗变化的变压器励磁涌流判别方法：在励磁涌流出现时，变压器的励磁阻抗急剧变化，而在正常运行或故障时励磁阻抗基本不变这一特征来区分变压器励磁涌流和短路故障.因而不需要变压器参数和系统参数。1.3 存在的问题众所周知，影响变

11、压器差动保护动作正确与否的关键是保护装置能否正确区分励磁涌流和内部故障。有关励磁涌流的分析一直以来都是焦点，意义重大。主要应解决的主要问题有：（1）正确识别励磁涌流和内部故障时的短路电流。变压器空载合闸或外部短路故障切除电压突然恢复时，变压器有很大的励磁电流即励磁涌流通过，因该励磁涌流仅在变压器的侧流通，故流入差动回路。变压器内部短路故障时，差动回路流入的是很大的短路电流。显然，作为纵差动保护，励磁涌流作用下不应动作，短路电流作用下保护应可靠动作。（2）外部短路故障切除电压突然恢复的暂态过程中，应保证纵差动保护不发生误动作。应当注意在这个暂态过程中，一方面变压器存在励磁涌流，励磁涌流的非周期分

12、量将使一侧电流互感器（励磁涌流仅在变压器一侧流通）的误差特别是角误差增大;另一方面变压器负荷电流的存在。这两方面的因素导致差动回路不平衡电流的增大，变压器微机差动保护这种情况下不应误动。（3）应解决好区外短路故障时差动回路中的不平衡电流和保护灵敏度之间的矛盾。区外短路故障时，由于纵差动保护各侧电流互感器变比不匹配、有载调压变压器抽头的改变、电流互感器误差特别是暂态误差的影响，差动回路中流过数值不小的不平衡电流，为保证纵差动保护不误动，动作电流应高于区外短路故障时的最大不平衡电流，这势必要影响到内部故障时保护的灵敏度。作为纵差动保护，既要保证区外短路故障差动回路流过最大不平衡电流时不发生误动作，

13、又要在内部短路故障时保证一定的灵敏度。2 变压器差动保护2.1 变压器的差动保护2.1.1 变压器差动保护的基本原理对于构成理想变压器模型，差动保护在原理上只能反映被保护设备内部短路电流，而不管外部有多严重。 (a) 两相变压器原理图 (b)三相变压器原理图图1 变压器差动保护的原理接线由于变压器高压测和低压测的额定电流不同，因此，为了保证纵差动保护的正确工作，就必须适当选择两侧电流互感器的变化，使得在正常运行和外部故障时，两个二次电流相等。例如图1(a)中，应使： 或 式中为高压测电流互感器的变比；为低压测电流互感器的变比；为变压器的变比（即高，低压测额定电压之比）。当被保护设备发生短路（横

14、向故障）时，有，为流向保护设备的端电流向量，如同图1所示。差动保护就反应了这个内部短路电流，保证此保护的明确选择性，快速性和高度灵敏性，当然也失去了对相邻元件的远后备保护功能。2.1.2 变压器差动回路不平衡电流的分类变压器的纵差动保护需要躲开差动回路中的不平衡电流。现对其不平衡电流产生进行分类讨论：1）由变压器励磁涌流，所产生的不平衡电流变压器的励磁电流：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，在正常运行情况下，此电流很小，一般不超过额定电流的210%。在外部故障时，由于电压降低，励磁电流减小，它的影响更小。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

15、出现数值很大的励磁涌流。其数值最大可达额定电流的68倍，同时包含有大量的非周期分量和高次谐波分量。励磁涌流的大小和衰减时间，与外加电压的相位、铁心中剩磁的大小和方向、电源容量的大小、回路的阻抗以及变压器容量的大小和铁心性质等有关系。2）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常采用Y/11的接线方式，因此，其两侧电流相位差30°。为了消除这种不平衡电流的影响，通常都是将变压器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即可把二次电流的相位校正过来。但是电路互感器采用上述联接方式后，在互感器接成侧的差动一臂中，电流又增大

16、倍。此时为保证正常运行及外部故障情况下差动回路中应没有电流，就必须将该侧电流互感器的变比加大倍，以减小二次电流，使之与另一侧的电流相等，故此时选择变比的条件3）由计算变比与实际变比不同而产生的不平衡电流由于两侧的电流互感器都是根据产品目录选择标准变比，而变压器的变比是一定的，因此，三者的关系很难满足的要求，此时差动回路中将有电流流过。当采用具有速饱和铁心的差动继电器时，通常利用它的平衡线圈来消除此差动电流的影响。4）由两侧电流互感器型号不同而产生的不平衡电流由于两侧电流互感器的型号不同，它的饱和特性、励磁电流也不同，因此，在差动回路中所产生的不平衡电流也就较大。此时应采用电流互感器的同型系数。

17、5）由变压器带负荷调整分接头而产生的不平衡电流带负荷调整变压器的分接头，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，如果差动保护已经按照某一变比调整号，则当分接头改换时，就会产生一个新的不平衡电流流入差动回路。此时不可能再重新选择平衡线线圈匝数的方法来消除这个不平衡电流，这是因为变压器的分接头经常在改变，而差动保护的电流回路在带电的情况下是不能进行操作的。因此，对由此产生的不平衡电流，应在纵差动保护的整定值中给予考虑。总括看来，上述(2)、(3)项可以选择互感器二次线圈使其降到最低。但是(1)、(4)、(5)各项不平衡电流，实际上是不可能消除的，因

18、此，变压器的纵差动保护必须躲开这些不平衡电流的影响。由于在满足选择性的同时，还要求保护内部故障时有足够的灵敏性，这就是构成变压器差动保护的主要困难。根据上述分析，在稳定情况下，为整定变压器纵差动保护所采用的最大不平衡电流式中10%电流互感器容许的最大相对误差;电流互感器的同型系数，取为1;由带负荷调压所引起的相对误差，如果电流互感器二次电流在相当于被调节变压器额定抽头的情况下处于平衡时，则U等于电压调整范围的一半；由于所采用的互感器变比或平衡线圈的匝数与计算值不同时，所引起的相对误差;保护范围外部最大短路电流归算到二次侧的值。2.1.3 变压器纵差动保护的整定计算原则1）纵差动保护启动电流的整

19、定原则在正常运行情况下，为防止电流互感器二次回路断线时引起差动保护误动作，保护装置的启动电流应大于变压器的最大负荷电流。当负荷电流不能确定时，可采用变压器的额定电流，引入可靠系数（一般采用1.3），则保护装置的启动电流为：躲开保护范围外部短路时的最大不平衡电流，此时继电器的启动电流应为：无论按上述哪一个原则考虑变压器纵差动保护的启动电流，都还必须能够躲开变压器励磁涌流的一箱当变压器纵差动保护采用波形鉴别或二次谐波制动的原理构成时，它本身就具有躲开励磁涌流的性能，一般无须再另作考虑。而当采用具有速饱和铁心的差动继电器时，虽然可以利用励磁涌流中的非周期分量时铁心饱和，来避越励磁涌流的影响，但根据运

20、行经验，差动继电器的启动电流仍需整定为时，才能躲开励磁涌流的影响。对于各种原理的差动保护，其躲开励磁涌流影响的性能，最后还应经过现场的空载合闸试验加以检验。2）纵差动保护灵敏度系数的校验变压器纵差动保护的灵敏系数可按下式校验：式中应采用保护范围内部故障时，流过继电器的醉即采用在单侧电源供电时，系统在最小运行方式下，变压器发生短路时的最小短路电流，按照要求，灵敏度系数一般不应低于2.当不能满足要求时，则需要采用具有制动特性的差动继电器。必须指出，及时灵敏系数的校验能满足要求，但对变压器内部的匝间短路，轻微故障等情况，纵差动保护往往也不能迅速而灵敏地动作。运行经验表明，在此情况下，常常都是瓦斯保护

21、首先动作，然后待故障进一步发展，差动保护才动作。显然可见，差动保护的整定值越大，则对变压器内部故障的反应能力就越低。当变压器差动保护的启动电流按上述原则整定时，为了能够可靠地躲开外部故障时的不平衡电流和励磁涌流，同时又能提高变压器内部故障时的灵敏性，在变压器的差动保护中广泛采用这具有不同特性的差动继电器。2.2 各种变压器主保护的讨论如前所述，在讨论变压器内部故障主保护的时候，应该首先注意变压器差动保护不平衡电流大，较易误动;同时注意流出电流对变压器小匝数匝间短路时差动保护灵敏度的影响。此外还应该注意空载合闸时励磁涌流对变压器差动保护的误动、带有匝间短路的变压器在空载合闸时差动保护的延缓动作以

22、及过励磁情况下的变压器差动保护动作行为。（1）比率制动式差动保护采用这一原理的差动保护，既能在外部短路时有可靠的制动作用，又能在内部短路时有较高的灵敏度。但是它对内部短路时的流出电流适应能力较差，对励磁涌流和过励磁也需采取特殊措施。比率制动特性的原理在数字保护上的改进，主要体现在它的动作电流不是固定不变的，它随着外部短路电流的增大而增大，所以能保证区外故障不误动，同时对内部短路又有较高的灵敏度。对于双绕组变压器，具有如图2中的折线，相应的动作判据为：> 当<>+ 当式中为比率制动纵差动保护制动系数。，iop.0为最小动作电流，为最小制动电流。它的动作特性如图3，它有三个部分组

23、成：无制动区，比率制动区和速饱和区。当制动电流小于拐点电流的时候，动作电流为常数起动电流；当制动电流大于拐点电流的时候，动作电流随制动电流的增长而沿着一条直线增长;当动作电流大于差动速断电流时，反应了故障情况严重，保护将无延时地动作出口。图2 二折线比例制动特性图3 三折线比例制动特性在讨论变压器内部故障主保护地时候，首先应该注意变压器差动保护地不平衡电流较大，较易误动：同时需要注意流出电流对变压器轻微匝间短路时差动保护灵敏度地影响。区外故障的时候继电器的差流并非为零，差动回路存在稳态不平衡电流和暂态不平衡电流，在无制动区，差动回路以消除固定误差为主，动作电流很小：对于制动区，因TA感受的电流

24、超过了额定电流，致使误差随外部短路电流增加的很快，不平衡电流增大，误差电流随着区外故障电流的增加而增加，动作特性是一条比率制动直线。由分析可以得出结论：对于有流出电流的情况，二折线比率制动特性的差动保护，灵敏度相对低，当变压器内部轻微匝间短路时有可能拒动。具有三折线比率制动特性的差动保护兼顾了变压器外部严重短路的可靠性和内部轻微短路存在流出电流的灵敏度，其动作判据为： 当 当 当 其中K1，K2分别为第二、第三段折线的斜率（常数），为第二个折点的制动电流。三折线比率制动差动保护具有很好的可靠性和灵敏度，但它的动作特性必须由三段组成，动作判据比较复杂。从图2和图3中可以看出非线性制动特性的要求，

25、但是它们都是由分段直线近似构成的。由于双曲线均己有开始上升慢，后来上升快的特点，比较适合用来实现非线性制动特性。双曲线型制动差式差动保护的判据为：其中可为常数，为双曲线定点的纵坐标。用双曲线制动特性去拟合三折线比率制动特性时，令可得计算表明，由于特别重视严重外部短路条件下的可靠性，当越大时，两种折线制动特性越接近：当小于0.51m时，双曲线制动特性具有较高的可靠性和较低的灵敏度。（2）标积制动式差动保护定义两绕组电流I1、I2，的正方向均是流入变压器，并令、。的相角差为，即差动电流制动电流 当时 当<0时当变压器正常运行或外部短路时，和的相角差。有-90°90°则&g

26、t;0，有制动电流，有效防止误动。当变压器纵差动区内短路（包括相间、匝间短路和中性点接地一侧的接地短路），如有270°>>90°则<0，令制动电流，保护灵敏动作在很大的外部短路电流下，TA可能饱和，二次电流幅值减小，比率制动式纵差动保护的不平衡电流急剧增大而制动电流反而减小，可能造成误动。但是标积制动式纵差动保护在很大的外部短路电流作用下，特别是暂态非周期分量电流的影响，两侧TA的传变特性可能相差较大，出现幅值很大的暂态不平衡电流，但是两侧二次电流的相角差别不致太大，纵差动可靠不误动。（3）变压器分侧差动保护由于变压器差动保护区内包含着原副方绕组间的磁涡合

27、，从而有一些励磁涌流，过励磁等引起误动的特殊问题，这就启发我们将一个双绕组变压器分解看作两个被保护对象，对与每一绕组内部短路保护就完全等同与发电机一相定子绕组的相间短路保护，从而非常简单，与空载合闸涌流、过励磁电流完全无关，因为这些电流对分侧差动保护而言是穿越性电流。（4）差动速断保护变压器差动保护原理复杂，装置中常用到各种滤波环节，使保护动作速度比较慢。为了取得在严重的内部短路时有高速的保护，一般在比率制动式或标积制动式差动保护的基础上，利用原有装置中的差动电流，不经滤波电路，直接采用差动电流的全波幅值作为动作量，没有制动量，这就是差动速断保护。差动速断保护的动作电流应按变压器空载合闸、有最

28、大励磁涌流时不误动作为整定原则。对于大型变压器，还应考虑外部短路时可靠不误动。所有这些保护都是根据变压器内部一些特征量而提出的，他们都是以差动保护为基础，但是差动原理应用与变压器保护却遇到了越来越多的困难，如前所述，差动保护的最基本概念是当被保护设备完好时，不管外部系统发生何种短路或是扰动，恒有对发电机、电动机、电抗器、电容器、母线等电气设备均成立，但是对变压器却不成立，因为对于n个绕组的变压器在正常运行或外部短路时有正常情况或是外部短路时，对于大型变压器而言，就非常接近发电机等主设备差动保护实际条件。但是当无故障的变压器空载合闸或是切除外部短路时，或者过电压或是过励磁，情况就不一样了。为防止

29、误动有二次谐波和五次谐波制动等方案。但是由于众多因素的影响，二次和五次谐波电流的大小很难确切定量，从而造成误动。从物理概念上讲变压器差动保护范围内，不仅包含电路，而且包含非线性的铁芯磁路，造成当变压器本身无故障、空载合闸或仅有异常情况时，差动保护具有很大的差动电流。目前为了探索更好的变压器保护原理，又提出如下变压器微机主保护。基于回路方程算法的变压器微机型主保护基于电感倒数等效电路的变压器微机型主保护模糊逻辑在变压器差动保护中的初步应用小波变换在变压器差动保护中的应用研究基于励磁电抗数值大小的空载合闸涌流判据另外为了分析变压器内部短路的状况，又提出了变压器内部短路计算的基本方法以及电感参数的计

30、算最后瓦斯保护也是变压器油箱内故障的一种主要保护，特别是铁芯故障。但是当电气故障时瓦斯保护反应较迟。瓦斯保护的运行实践说明，误动作率较高，当前主要问题仍是提高可靠性。2.3 励磁涌流对变压器差动保护的影响纵差动保护的理论基础是基尔霍夫电流定律（KCL定律），因此纵差动保护在原理上只反应被保护对象的内部短路电流。对于仅包含电路的纵差动保护对象（如发电机、电动机、母线、电抗器等）本身没有发生故障时，不管外部发生多么严重的故障，恒有所有端子电流的相量和为零，即：式中为被保护对象的第t个端子的电流相量均以流入被保护对象为正），如图4-4所示。当被保护对象发生内部故障时将有：式中为流向短路点的全部短路电

31、流。纵差动保护正是反应这个内部短路电流，来保证保护的明确选择性、快速性和高灵敏度的。但如果被保护的对象是变压器，则就大不相同了。从电路上看变压器一次绕组和二次绕组并非是一个节点，变压器差动保护原理是建立在变压器稳态磁路平衡的基础上的（而不是KCL定律），是差动保护原理的一种拓展，在暂态过程中这种平衡关系被打破，只有等到暂态过程衰减后，这种原先的平衡关系才能重新建立起来。正因为如此，即使在变压器内部没有故障时上式也不成立，而是有 式中为变压器的励磁电流。为变压器纵差保护的不平衡电流，当变压器及其所在系统正常运行时，对于大型变压器，（与为变压器的额定电流），不会影响变压器纵差保护的工作性能；当外部

32、系统短路时，电压严重下降，就更微不足道了。但是，由前面的分析可知，当变压器空载投入或外部故障切除后电压恢复时，则可能出现数值很大的励磁涌流，其数值可以与短路电流相比拟，而且持续时间很长，这样大的暂态电流流入纵差保护的差动回路，如果不采取一定的措施，必将造成差动保护的误动作。因此，必须在励磁涌流时闭锁差动出口来保证差动保护的可靠性。2.4 变压器的励磁涌流的分析电流差动保护作为变压器的主保护得到了广泛的应用，但是差动保护必然要面临解决差动保护在励磁涌流状态下可能误动的问题，以及在励磁涌流和故障同时发生时的解除闭锁加速跳闸问题。可以说，变压器差动保护的性能的关键就在于励磁涌流判据的优劣。在分析励磁

33、涌流的基础上比较讨论了两种常见的励磁涌流方法。变压器的磁化曲线是非线性的，当在正常运行状态和区内、外故障时，变压器运行在磁化曲线的线性段，因而励磁阻抗是基本保持不变的。在正常情况下，变压器的励磁电流很小，对于现代大型变压器，通常要小于1%变压器额定电流，因此，当变压器运行在磁化曲线的线性段时，励磁阻抗很大，一般以变压器额定电压和电流为基准的励磁阻>100。当变压器空投或区外故障切除，电压恢复正常的过程中，由于磁通不能突变，磁通中出现了非周期性的暂态分量，与铁芯剩磁一起使变压器铁芯饱和，同时由于电压是交变的，因而在一个周波内变压器铁芯周期性地进入饱和区和退出饱和区;当进入饱和区时，励磁电流

34、的瞬时值很大，可能达到变压器额定电流的510倍甚至更大，这就是励磁涌流;而退出饱和区时，只有正常的励磁电流，其瞬时值很小。3 匝间短路故障百分比与故障电流的关系3.1 匝间故障计算模型变压器绕组的故障都属于匝间短路故障。以Y/接线的双绕组变压器在高压星形绕组发生匝间短路为例，把短路绕组和高压绕组分离开来（健全相相应的部分也如此），于是故障后的变压器变为一个Y/Y/接线的三绕组变压器（当然高压绕组的匝数减少了），故障发生在短路绕组一侧的引线上。由此可见匝间短路有多相与单相之分。最常见的尤其是轻微匝间短路都是单相的。为了节省篇幅仅讨论单相匝间短路。图4示出计算用系统图及在变压器高压绕组发生单相匝间

35、短路的复合序网图，变压器被看成是三绕组变压器，其等值回路是由三个漏抗ZH、ZL、ZK按星形连接的回路。H、L、K分别表示高压侧、低压侧及短路绕组侧。Z1LD和Z2LD为低压侧的正、负序负荷阻抗。高压侧中性点接地时刀闸S闭合，否则S断开。计算的困难在于确定变压器等值回路中的三个漏抗ZH、ZL和ZK。图4 单相匝间短路计算用系统图及复合序网图变压器绕组的漏抗决定于漏磁通所经路径的磁阻，而漏磁通的路径十分复杂。但是在故障前的漏抗是已知的，只要分析出短路后各绕组与原绕组的关系就可近似地得到故障后形成的三绕组变压器的各侧漏抗。众所周知，对于三绕组变压器通过试验或计算只能依次求得两个绕组之间漏抗，如ZHK

36、、ZHL和ZLK。把它们归算到同一侧如高压侧，那么图3中星形等值回路中的各阻抗为式中。漏抗中有效电阻的成分很小，以下计算中都忽略电阻以漏电抗代替漏阻抗。为分析简便，假设绕组是圆筒形的。圆筒形绕组的漏磁通的路径有效长度决定于绕组的高h和有效厚度d。通常在计算时把厚度折合为高度得到磁路的有效高度或有效长度h=kh，其中k是折合系数，一般k=1.1。显然k与比值d/h有关。短路绕组的高度等随着短路匝数而变化，其折合系数也要随之变化。为了简化，下面取实际高度ht与有效厚度d=0.1ht之和作为磁路的有效长度h，ht为原来整个绕组的实际高度。于是如果短路绕组匝数占原高压绕组总匝数之比为(1>>

37、;0)，则短路绕组的实际高度为ht。短路绕组的漏磁通的路径的有效长度与原有效长度之比为。设变压器原有的漏抗为X。以下依次计算三对绕组之间的漏抗。1）高压绕组和短路绕组之间的漏抗XHK绕组的漏抗与匝数的平方成正比，与磁路的有效长度成反比。高压绕组去除短路绕组后的匝数，与短路绕组匝数占原来总匝数之比分别为1-和。这两部分圆筒的半径相同，是叠起来的，它们之间的漏磁通不穿过铁芯，全部在空气中形成环路，有效高度要加大一倍。短路绕组漏抗将是，其归算到高压侧之值为。同理高压绕组的漏抗为。于是可得。2）高低压绕组之间的漏抗XHL绕组的漏抗与漏磁通路径的截面成正比。在绕组直径一定时截面与绕组等效厚度成正比。为两

38、绕组之间气隙的宽，1和2分别为两绕组的厚度，漏磁通的一部分仅与高压绕组相连，另一部分仅与低压绕组相连，它们分别决定每一绕组的漏抗。要求每一绕组的漏抗，必须确定这两部分漏磁通在空间的分界线，这是困难的。试验也无法确定每一绕组的漏抗。计算时一般认为两绕组的漏抗（归算到同一侧的值）是相等的。已知的X是原来两个绕组漏抗的和，与X相对应的漏磁通占据了整个截面。在上面计算XHK时因为每一绕组的漏磁通都占据了整个截面就直接以X为基准进行计算。现在计算XHL就必须注意到漏磁通路径截面在两个绕组间的分配。现高压绕组的匝数和高度都减少了，整个绕组都面对着低压绕组，它的漏磁通路径的截面应减少一半，计算时所用的基准电

39、抗也应减少一半。所以高压绕组的漏抗为。低压绕组完好如初，匝数和高度都没有变化，但一部分面对高压绕组，其余则否。前一部分产生的漏磁通的路径的截面应减少一半，后一部分则否。因此低压绕组的漏抗（归算到高压侧的值）应为。于是可得。3）低压绕组与短路绕组之间的漏抗XLK（归算到高压侧的值）。短路绕组都面对低压绕组，所以计算的基准电抗要减少一半。其归算到高压侧的值为。低压绕组的一部分对短路绕组，其余部分则否。它归算到高压侧的值为，所以低压绕组与短路绕组之间的漏抗（归算到高压侧的值）为：求出XHK、XHL、XLK后就可求出图4中等值回路中的XH、XL、XK。图5示出对于不同值计算得到的漏抗（相对于X）之值。

40、图5 变压器匝间短路等值参数与短路百分比的关系由图5可见在<0.2时都有(XH+XK)/X>1。在这些匝间短路时的短路电流都将小于在低压侧引线上短路时的电流。差动保护绝对不能用后者校验保护的灵敏度。从表1还可以看出越小XHK=XH+XK越大。3.2 故障电流与故障差电流的关系由于计算依据的主要参数故障变压器的漏抗和负荷阻抗都是近似，所以没有必要作严格的计算。由图3可见系统供电到P1点后分为两个支路。一是经低压侧漏抗向负载Z1LD供电，另一是经短路绕组漏抗向零序、负序网供电。这两个支路的阻抗角相差很大，并联计算很烦。粗略分析认为它们分别独自存在，即分别计算负荷状态和空载时的故障状态。

41、前一种状态下得到穿越性的负荷电流，后一种状态下0、1、2三个序网串联，串联的总阻抗约为3(ZH+ZK)。差动保护测量的是两相电流之差，不反应I0，不论变压器中性点是否接地都有I1=I2，不考虑I0有IA=2I1，IB=IC=-I1。由此得IAB=ICA=3I1，IBC=0。由于正常时两相电流差是相电流的倍。按标么值计算IAB*=ICA*= 3I1*。对于不同X值，变压器轻微匝间短路时保护测得的差动电流的标么值示于图6。进一步地，将短路匝数百分比为00.025时差电流的关系示于图7。图6 不同X值下差电流的标么值与短路匝数百分比的关系图7 不同X值下差电流的标么值与短路匝数百分比的关系（缩放）根

42、据以上估算在校验变压器对轻微匝间短路的灵敏度时可取穿越性电流为In，差电流为0.5In，并认为两者相位相同。图8 短路匝数为1%时故障前与故障后的三相电流4 轻微匝间故障保护策略4.1 方案一：具有比率制动的保护策略长期以来在我国广泛应用由速饱和变流器供电的机械型差动继电器。其有两大缺点：最小启动电流必需大于1.5In才能保证避开励磁涌流，因而对轻微匝间短路不灵敏；当短路电流中有直流分量时动作速度变慢,越是加强速饱和变流器的作用带来的延时越长。若故障靠它切除变压器烧损得十分严重。若有很好的涌流闭锁元件，差动继电器就可以灵敏地、快速地动作，把变压器故障烧损的程度限制到最小。4.1.1 继电器工作

43、原理4.1.2 比率差动保护整定方法比率差动继电器的动作特性Id=f(Ires)一般是折线,如图9所示。折线由与Ires轴平行的直线和斜率为m的直线两部分组成。水平线与Id轴的交点A的纵坐标I0为继电器的最小动作电流。拐点D的横座标一般取Ires=In如图中虚线所示，其出发点是认为在穿越性电流Ires小于负荷电流In时差动保护的误差很小，不需要制动作用,继电器就是简单的差动电流继电器。制动电流Ires的取法很多，但共同之处是都认为在外部短路时Ires等于或正比于（一般为2倍）穿越性电流。实际不同取法并无重大差异。对于双绕组变压器,应用最广范的是取Id=|I1+I2|和Ires=|(I1-I2)

44、/2|。I1和I2是变压器两侧的电流，以流入变压器为正方向。图9 折线型比率差动继电器的动作特性在内部短路时只要没有穿越性电流流过就不会有制动作用，Id/Ires的最小值是容易确定的。尤其是数字式继电器只要Id和Ires是由同一数据采集系统采集到的，那么比率制动判据就一定能满足。这样做的好处是可以免去计算外部短路时不平衡电流的麻烦,从而得到通用特性。现在根据轻微匝间短路的要求选择图9中的动作特性。首先由于轻微匝间短路的最小故障电流可能为0.5In,因此选择I0=0.3In是适合的。再考虑在轻微匝间短路时可能送出满负荷电流,即I1=1.5In，I2=In，则有Ires=1.25In，所以应使轻微

45、匝间短路时的工作点P(1.25In,0.5In)落在动作区。如果选用图9的特性拐点D，最好在Ires=1.25In的地方，这样在轻微匝间短路时没有制动作用，得到最大的灵敏度。图9中直线DE的斜率m=1。现在拐点D的横坐标Ires=1.25In,DE的直线方程为。分析外部短路时允许的误差只要将和代入,可得。于是可求得在不同I1值下允许的I2的最小值，进而求出最大的允许误差，示于图10图10 通用比率制动特性在外部短路时允许的误差比率差动继电器采用这样的特性和整定值可以适用于任何系统中的任何变压器,所以称为通用特性。4.1.3 实例计算：YS-1000/66/0.4三相变压器规格参数数值额定频率50Hz相 数三相接线方式YN,d11额定容量1000kVA额定电压66/0.4kV额定电流8.74/1443.3A阻抗电压50Hz7图11 YS-1000/66/0.4三相变压器短路匝数与短路电流值比比率继电器的继电特性按4.1.2中的通用特性整定：继电器的最小动作电流0.3In=2.6243A，拐点的穿越电流为