变压器差动保护的特殊问题论述

桂林清华电机系大机组保护研究所主设备（发电机/变压器）故障分析与保护个人简介：1974年出生，本、硕就读于合肥工业大学，1999年考入清华大学攻读博士学位（师从王维俭和王祥珩教授），2004年博士毕业后留电机系工作至今，现为电机系副教授。

研究方向为大机组保护及故障分析，先后对三峡、拉西瓦、向家坝、溪洛渡、锦屏一级/二级、糯扎渡等36座水电站的170多台发电机进行了内部故障的分析和主保护的设计，并完成了三峡右岸（12×700MW）、托克托（8×600MW）等12个电厂60多台发变组保护定值的整定和审查工作。课程内容简介：1、发电机主保护的设计与整定（2/5)

纵联和横联差动保护的基本原理与整定大型水轮发电机主保护的定量化及优化设计（以三峡右岸HEC和向家坝ALSTOM发电机主保护设计为例）“加强主保护、简化后备保护”及相关注意事项2、发电机异常工况保护的基本原理与整定（2/5）定子接地保护低励失磁保护失步保护、定/转子绕组过负荷保护、转子表层负序过负荷保护、过电压和过励磁保护、误上电保护、断路器闪络保护、频率异常、逆功率保护等3、变压器差动保护的特殊问题（1/5）3变压器差动保护的特殊问题3.1变压器纵差保护与发电机纵差保护的不同之处3.2单相变压器励磁涌流的产生机理3.3变压器纵差保护的整定计算及注意事项3.4与励磁涌流无关的变压器主保护3.5主变后备过流保护、低压侧接地保护的整定计算及励磁变/高厂变保护的配置3.1变压器纵差保护的不同之处变压器纵差与发电机纵差保护一样，也都是采用比率制动方式达到外部短路不误动和内部短路灵敏动作的目的，但它在以下几方面存在显著不同：变压器各侧额定电压和额定电流各不相等，因此各侧TA的型号一定不同，而且各侧三相接线方式不尽相同，所以各侧相电流的相位也可能不一致，这将使外部短路时不平衡电流增大，所以变压器差动保护的最大制动系数比发电机大，灵敏度相对较低。变压器高压绕组常用调压分接头，有的还要求带负荷调节，使变压器纵差保护已调整平衡的二次电流又被破坏，不平衡电流增大，这将使变压器纵差保护的最小动作电流和制动系数都要相应增大。变压器纵差保护的不同之处（续前）对于定子绕组的匝间短路，发电机纵差保护完全没有作用。变压器各侧绕组的匝间短路，通过变压器铁心磁路的耦合，改变了各侧电流的大小和相位，使变压器纵差保护对匝间短路有作用（匝间短路可视为变压器的一个新绕组发生端口短路）。无论变压器绕组还是发电机定子绕组的开焊故障，它们的纵差保护均不能动作，变压器依靠瓦斯或压力保护。变压器纵差保护范围除了包括各侧绕组外，还包含变压器的铁心，即纵差保护区内不仅有电路还有磁路，这就违反了纵差保护的理论基础——基尔霍夫电流定律。

对于仅包含电路的纵差保护对象（如发电机、电动机、母线、电抗器等）本身没有故障时，不管外部发生什么扰动，恒有诸端子电流的相量和为零。因此发电机纵差保护在正常运行或区外短路时，差动回路不平衡电流理论上为零；当发电机内部故障时将有（流向短路点的全部短路电流），将作为纵差保护的动作量，使保护灵敏动作。变压器纵差保护的不同之处（续前）但是若被保护对象是变压器，它有n个绕组和一个公共铁心，即n条电路和一条公共磁路，则。（Ie为变压器励磁电流）变压器纵差保护的不同之处（续前）如前所述，励磁电流Ie就是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工作时，对于大型变压器，Ie<1%Itn（Itn为变压器额定电流），不会影响变压器纵差保护的工作性能；当外部系统短路时，电压严重下降，Ie更微不足道。

在变压器过励磁状态下，铁心严重饱和，励磁电流Ie剧增，对于最小动作电流为0.2～0.4Itn的变压器纵差保护，势必造成误动作。更为严重的是变压器空载合闸时的暂态过励磁电流，其值可为Itn的数倍到10倍以上，这样大的暂态励磁电流通常称为“励磁涌流”（inrushcurrent），它流入纵差的差动回路却要求纵差保护不误动，实属困难！变压器纵差保护的不同之处（续前）3.2单相变压器励磁涌流的产生机理

励磁涌流产生的根本原因是铁心的严重饱和，由可能出现的最大磁通和铁心磁化曲线来决定励磁涌流的最大值，是一个非线性问题。假定电压过零时（）合闸，此时铁心中的磁通由三部分构成：稳态磁通（应是衰减的）暂态磁通铁心剩磁影响三相变压压器励磁涌流流波形特征的的因素大致有有：电源电压大小小和合闸初相相角，系统等等值阻抗大小小和相角变压器三相绕绕组的接线方方式和中性点点接地方式，，三相铁心结结构型式（三三相三柱或五五柱，三相变变压器组）铁心矽钢片组组装工艺水平平（拼接残余余气隙大小）），铁心材质质（磁化特性性、磁滞特性性、局部磁滞滞回环），合合闸前铁心剩剩磁的大小和和方向涌流经TA的非线性传变变，即TA的饱和特性值得注意的是是：空载合闸励磁磁涌流峰值虽大（可可与短路电流流比拟），但但它含有二次谐波波成分，且在在一个周期内内存在间断角角，而短路电流流只有基波和和非周期分量量、且在一个个周期内没有有间断角，这这就引申而来来我国现在通通用的防止空载合闸闸时变压器差差动保护误动动的闭锁判据据——二次谐波制动动方式和间断断角原理制动动方式。3.3变压器纵差保保护的整定计计算及注意事事项纵差保护用TA的选型1、330kV及以上系统保保护、高压侧为330kV及以上的变压压器和300MW及以上的发电电机变压器组组差动保护用用电流互感器器宜采用TPY级电流互感器器，这是解决变变压器差动保保护误动作问问题的根本出出路。2、坚决反对““TPY+5P”的组合，因为为P级TA与TPY级TA的主要差别在在于：稳态误误差和暂态误误差、气隙以以及铁心截面面的大小。3、保护装置具有有判CT饱和的能力（“异步法””）：只是作作为冗余。变斜率比率制制动特性的整整定托克托电厂升升压变的基本本参数：2、低斜率S1：考虑外部短路路小电流时也也有非周期分分量电流和CT铁心剩磁，引引起不平衡电电流增大，为为防误动，设设置低斜率S1的制动作用，，由于不大(0.3)，其对内部短短路的保护灵灵敏度影响很很小。3、高斜率S2：鉴于500kV母线为3/2接线，变压器器外部短路电电流很大，此此时应有很强强的制动特性性，即当时时，斜率率增大到0.8，这样即使一一侧TA极度饱和(二次无输出)，另一侧TA不饱和，也不不会使纵差保保护误动。4、两种斜率不不同直线之间间的区域采用用三次样条函函数实现“平滑过渡””，有利于改善善差动保护的的动作性能。。1、广蓄A厂主变差动保护护的整定计算：：为了加速切除变压压器严重的内内部故障，常常增设差差动速断保护护（利用纵差差保护中的差差动电流，不不用二次和五五次谐波制动动，也不用比比率制动），，其动作电流流Iop的整定如下：：1）高压侧空载合合闸，出现励磁涌涌流，保护不不动作，。。2）外部最大三三相短路时不不误动，3）差动速断保护护定值的最终终确定应维持持主保护的比比率制动特性性。纵差速断保护护定值的整定定空载合闸和变变压器匝间短短路同时出现现的处理措施施1、“一相闭锁锁三相”：即即一相出现涌涌流特征，三三相纵差保护护全部闭锁，，目的是防止止励磁涌流造造成变压器纵纵差保护误动动。2、“按相涌流流闭锁”：防防止变压器空空投于匝间短短路时纵差保保护延时动动作，从从而对变压器器造成危害。。3、“3取2的出口方式””：三相电流流中有两相满满足涌流特征征，即闭锁三三相差动保护护。3.4与励磁涌流无无关的变压器主保护护分侧差动保护护将变压器的各各侧绕组分别别作为被保护护对象，在各绕组的的两端装设TA（变比相同并并按星形接线线），以实现现差动保护；；如同发电机机纵差保护一一样，无需考考虑绕组的励励磁电流、过过励磁、调压压等的影响；；对相间和单单相短路灵敏敏度高，但不不反应匝间短短路。零序差动保护护零序差动保护护就是为保护护变压器单相相接地故障而而设置的；因为对于220～500kV的变压器，单单相接地短路路是其主要故故障型式之一一，特别是三三相变压器组组，变压器油油箱内部相间间短路不可能能发生；而在在传统的变压压器纵差保护护三相互感器器二次接线方方式下，纵差差保保护护根根本本不不反反应应零零序序电电流流，使使其其对对内内部部单单相相短短路路的的灵灵敏敏度度较较低低甚甚至至拒拒动动。。3.5主变变后后备备过过流流保保护护、、低低压压侧侧接接地地保保护护的的整整定定计计算算及及励励磁磁变变/高厂厂变变保保护护的的配配置置主变变后后备备过过流流保保护护主变变复复压压过过流流保保护护（对对应应的的二二次次值值为为60V，取取18kV侧PT线电电压压））（对对应应的的二二次次值值为为4.62V，相相电电压压））当18kV相间间短短路路时时，，500kV侧残残压压为为：：所以以残残压压很很高高，，低低压压元元件件若若取取500kV侧电电压压，，其其灵灵敏敏度度很很低低，，为为此此必必须须取取18kV侧PT电压压，，相相间间短短路路时时有有很很高高灵灵敏敏度度。。主变变方方向向过过流流保保护护主变变复复压压过过流流保保护护应应与与系系统统保保护护和和高高厂厂变变保保护护配配合合，，延延时时动动作作于于发发变变组组全全停停；；而而主主变变方方向向过过流流保保护护在在GCB断开开时时投投入入使使用用，，作作为为主主变变倒倒送送电电时时的的相相间间故故障障后后备备保保护护，，延延时时只只需需躲躲过过系系统统振振荡荡，，不不必必与与厂厂用用系系统统配配合合。。主变变低低压压侧侧接接地地保保护护该保保护护用用于于发发电电机机机机端端断断路路器器开开断断，，主主变变单单独独与与500kV系统统相相联联。。当当500kV系统统接接地地故故障障时时，，计计算算零零序序传传递递电电压压时时发发电电机机定定子子绕绕组组每每相相对对地地电电容容不不起起作作用用：：传递递电电压压计计算算用用近近似似简简化化电电路路此时时基基波波零零序序电电压压保保护护““应应该该””动动作作，，难难以以通通过过定定值值来来躲躲过过，，只只能能依依靠靠延延时时配配合合，，故故选选取取，，延延时时3.0s动作作于于跳跳闸闸（长长延延时时，，应应大大于于500kV高压压系系统统和和6.3kV厂用用系系统统接接地地故故障障的的最最大大切切除除时时间间））。。励磁磁变变/高厂厂变变保保护护的的配配置置鉴于于以以下下原原因因，，不不采采用用差差动动保保护护，，而而采采用用最最简简单单的的电电流流速速断断＋＋过过流流保保护护：：《继电电保保护护和和安安全全自自动动装装置置技技术术规规程程》（GB/T14285-2006）————电压压在在10kV以上上、、容容量量在在10MVA及以以上上的的变变压压器器，，采采用用纵纵差差保保护护，，而而广广州州蓄蓄能能水水电电厂厂A厂励励磁磁变变的的容容量量只只有有2.01MVA（高高厂厂变变的的容容量量也也只只有有4.2MVA）。。励磁磁变变电电流流中中谐谐波波成成分分大大，，谐谐波波制制动动式式差差动动保保护护特特性性恶恶化化；；差动动保保护护要要求求两两侧侧CT暂态态特特性性一一致致，，但但通通常常只只用用5P型，，且且两两侧侧CT参数数不不同同；；励磁磁变变/高厂厂变变容容量量小小，，阻阻抗抗大大，，采采用用电电流流速速断断＋＋过过流流保保护护的的灵灵敏敏度度和和可可靠靠性性都都很很高高。。电流流速速断断保保护护按励励磁磁变变/高厂厂变变低低压压侧侧最最大大三三相相短短路路不不误误动动整整定定：：过流流保保护护（1）励励磁磁变变过过流流保保护护定定值值应应按按发发电电机机强强励励时时（（强强励励倍倍数数及及时时间间为为2.0倍/10s）过流流保护护不误误动整整定，，延时时不必必与强强励时时间（（10s）配合合，取取0.5s（需考考虑与与下一一级快快熔元元件的的配合合关系系）。。（2）高厂厂变过过流保保护的的定值值按高高厂变变低压压侧最最小区区内两两相短短路（（由系系统倒倒送厂厂用电电）时时有灵灵敏度度整定定，延延时与与下级级保护护（6kV进线开开关过过流保保护最最大延延时））相配配合。。谢谢大大家！！联系方方式：：桂林：：北京京市清清华大大学电电机系系（100084））电话：机：：136-51238096传统的的变压压器纵纵差保保护三相互互感器器的二次接接线方方式：差动保保护比率制制动特特性（（单斜斜率））的整整定：0.5当、、相相量量方向向如左左图所所示，，则必必有、、（（或））同相。变压器器正常运运行和和区外外短路路时的的等效效电路路：变压器器过激激磁导导致差差动保保护误误动作作的事事例：西北某某电厂厂有一一次变变压器器在后后半夜夜运行行中，，由于于超高高压长长线充充电电电流大大、电电压过过高，，电厂厂值班班人员员调节节励磁磁时操操作错错误，，减励励磁反反为增增励磁磁，造造成一一次严严重过过励磁磁故障障，励励磁电电流急急剧增增大，，导致致变压压器差差动保保护误误动作作。变压器器空载载合闸闸时的的等效效电路路：由于铁铁心严严重保保护，，呈急剧剧变化化（3.0～0.003，标么么值））。合闸瞬瞬间，，t=0：上式表表示合合闸瞬瞬间变变压器器铁心心磁通通没有有突变变，保保持合合闸前前的剩剩磁，，物理理概念念正确确！稳态磁磁通的的幅值值：发电机机同期操操作和和高压压马达达自起起动过程中中，纵纵差保保护曾曾多次次误动动，原原因是是两侧侧二次次暂态态电流流不同同，引引起不不平衡衡电流流过大大。一台220kV升压变变压器器空载合合闸，其纵纵差保保护未未误动动，与与之并并联运运行的的发变变组中中发电电机纵纵差保保护发发生误误动。。发电机机纵差差保护护误动动作原原因的的分析析：一台6kV/5600kW异步电动机机自起起动过过程实实测二二次电电流：电动机机自起起动过过程中中，定定子绕绕组每每相两两侧一一次电电流不不管多多大总总是完完全相相同的的，两两侧CT也是同同型的的，为为什么么两侧侧二次次电流流不那那么相相同而而产生生了暂暂态不不平衡衡电流流？问问题只只能是是由两两侧互互感器器的暂暂态传传变特特性不不一致致所造造成的的。穿越性性和应应涌流流：保护装装置具具有判判CT饱和的的能力力（“异异步法法”））：广蓄A厂#1发变组组保护护整定定用等等值电电路图图：主变差差动保保护区区内最最小短短路电电流；；主变差差动保保护区区外最最大短短路电电流。。AREVA与南瑞瑞继保保比率制制动特特性的的简单单对比比：视变压压器容容量和和系统统电抗抗大小小，K推荐值值如下下：6.3MVA及以下下：7～12；6.3～31.5MVA：4.5～7.0；40～120MVA：3.0～6.0；120MVA及以上上：2.0～5.0；容量越越大，，系统统电抗抗越大大，K取值越越小。。作为辅辅助保保护的的差动动速断断应维持持主保保护的的比率率制动动特性性：变压器器空投投于匝匝间故故障时时的处处理措措施：作为匝匝间短短路的的故障障相电电流，，它具具有内内部短短路电电流的的特征征，纵纵差保保护理理应动动作，，但另另两个个健全全相的的电流流却是是空载载合闸闸励磁磁涌流流性质质；若采用用“一一相闭闭锁三三相””的措措施，，则健健全相相的励励磁涌涌流特特征将将使纵纵差保保护三三相全全被制制动，，一直直到涌涌流衰衰减至至不满满足纵纵差保保护闭闭锁条条件，，故障障相纵纵差保保护才才能动动作；；众所周周知，，大型型变压压器励励磁涌涌流的的衰减减是很很慢的的，上上述措措施对对变压压器空空投于于匝间间故障障时（（虽有有发生生但为为数不不多））是不不利的的；而而“按按相涌涌流闭闭锁””对防防止涌涌流误误动又又不是是十分分可靠靠，故故“3取2的出口口方式式”是是工程程上的的一种种折衷衷处理理措施施。拉西瓦瓦水电电站750kV升压变变压器器主保保护用用CT的配置置：主变低低压侧侧为不不接地地系统统，在在机组组停运运时，，主变变低压压侧接接地故故障依依靠低低压侧侧零序序过压压保护护切除除，但但当PT一次保保险熔熔断、、一次次回路路连接接部位位接触触不良良、二二次回回路短短路（（一组组PT二次同同时并并联5个负荷荷）等等故障障出现现时，，多次次造成成该保保护误误动，，因此此调度度保护护处建建议将将零序序过压压保护护跳500kV开关改改为发发报警警信号号至监监控系系统，，并称称许多多常规规水电电厂都都是这这样做做的。。而广蓄蓄、天天荒坪坪都采采用了了零序序过压压跳闸闸出口口功能能。主变低低压侧侧接地地保护护出口口方式式的讨讨论：：主变低低压侧侧接地地保护护出口口方式式的讨讨论（续前前）：：现场实实例反反馈——2011年7月13日，某大大型发电电机GCB上端靠近近主变低低压侧发发生单相相（C相）接地地故障，，发电机机定子接接地保护护动作（（延时3.5s），跳GCB并灭磁停停机，但但系统继继续提供供短路电电流，继继而经6s后发展为为B、C两相金属属性接地地短路，，该电站站主变低低压侧接接地保护护投报警警。9、静夜夜四无无邻，，荒居居旧业业贫。。。12月月-2212月月-22Wednesday,December21,202210、雨中中黄叶叶树，，灯下下白头头人。。。21:35:0621:35:0621:3512/21/20229:35:06PM11、以以我我独独沈沈久久，，愧愧君君相相见见频频。。。。12月月-2221:35:0621:35Dec-2221-Dec-2212、故人人江海海别，，几度度隔山山川。。。21:35:0621:35:0621:35Wednesday,December21,202213、乍见翻翻疑梦，，相悲各各问年。。。12月-2212月-2221:35:0621:35:06December21,202214、他乡生生白发，，旧国见见青山。。。21十十二月20229:35:06下午午21:35:0612月-2215、比不了得就就不比，得不不到的就不要要。。。十二月229:35下下午12月-2221:35December21,202216、行动出成果果，工作出财财富。。2022/12/2121:35:0621:35:0621December202217、做前，能够够环视四周；；做时，你只只能或者最好好沿着以脚为为起点的射线线向前。。9:35:06下午9:35下下午21:35:0612月-229、没有失败，，只有暂时停停止成功！。。12月-2212月-22Wednesday,December21,202210、很多事情努努力了未必有有结果，但是是不努力却什什么改变也没没有。。21:35:0621:35:0621:3512/21/20229:35:06PM11、成功就是是日复一日日那一点点点小小努力力的积累。。。12月-2221:35:0621:35Dec-2221-Dec-2212、世间成事事，不求其其绝对圆满满，留一份份不足，可可得无限完完美。。21:35:0621:35:0621:35Wednesday,December21,20