差動(dòng)保護(hù)原理詳解

1　差動(dòng)保護(hù)原理前言
差動(dòng)保護(hù)原理簡(jiǎn)單、使用電氣量單純、保護(hù)范圍明確、動(dòng)作不需延時(shí)，一直用于變壓器做主保護(hù)， 其運(yùn)行情況直接關(guān)系到變壓器的安危。怎樣才知道差動(dòng)保護(hù)的運(yùn)行情況呢？怎樣才知道差動(dòng)保護(hù)的整定、接線正確呢？唯有用負(fù)荷電流檢驗(yàn)。但檢驗(yàn)時(shí)要測(cè)哪些量？測(cè)得的數(shù)據(jù)又怎樣分析、判斷呢？下面就針對(duì)這些問(wèn)題做些討論。
2　變壓器差動(dòng)保護(hù)的簡(jiǎn)要原理
差動(dòng)保護(hù)是利用基爾霍夫電流定理工作的，當(dāng)變壓器正常工作或區(qū)外故障時(shí)，將其看作理想變壓器，則流入變壓器的電流和流出電流（折算后的電流）相等，差動(dòng)繼電器不動(dòng)作。當(dāng)變壓器內(nèi)部故障時(shí)，兩側(cè)（或三側(cè)）向故障點(diǎn)提供短路電流，差動(dòng)保護(hù)感受到的二次電流和的正比于故障點(diǎn)電流，差動(dòng)繼電器動(dòng)作。
3　變壓器差動(dòng)保護(hù)帶負(fù)荷測(cè)試的重要性
變壓器差動(dòng)保護(hù)原理簡(jiǎn)單，但實(shí)現(xiàn)方式復(fù)雜，加上各種差動(dòng)保護(hù)在實(shí)現(xiàn)方式細(xì)節(jié)上的各不相同，更增加了其在具體使用中的復(fù)雜性，使人為出錯(cuò)機(jī)率增大，正確動(dòng)作率降低。比如許繼公司的微機(jī)變壓器差動(dòng)保護(hù)計(jì)算Y-△接線變壓器Y型側(cè)額定二次電流時(shí)不乘以，而南瑞公司的保護(hù)要乘以。這些細(xì)小的差別，設(shè)計(jì)、安裝、整定人員很容易疏忽、混淆，從而造成保護(hù)誤動(dòng)、拒動(dòng)。為了防范于未然，就必需在變壓器差動(dòng)保護(hù)投運(yùn)時(shí)進(jìn)行帶負(fù)荷測(cè)試。
4　變壓器差動(dòng)保護(hù)帶負(fù)荷測(cè)試內(nèi)容
要排除設(shè)計(jì)、安裝、整定過(guò)程中的疏漏（如線接錯(cuò)、極性弄反、平衡系數(shù)算錯(cuò)等等），就要收集充足、完備的測(cè)試數(shù)據(jù)。
1．差流（或差壓）。變壓器差動(dòng)保護(hù)是靠各側(cè)CT二次電流和——差流——工作的，所以，差流（或差壓）是差動(dòng)保護(hù)帶負(fù)荷測(cè)試的重要內(nèi)容。電流平衡補(bǔ)償?shù)牟顒?dòng)繼電器（如LCD-4、LFP-972、CST-31A型差動(dòng)繼電器），用鉗形相位表或通過(guò)微機(jī)保護(hù)液晶顯示屏依次測(cè)出Ａ相、Ｂ相、Ｃ相差流，并記錄；磁平衡補(bǔ)償?shù)牟顒?dòng)繼電器（如BCH-1、BCH-2、DCD-5型差動(dòng)繼電器），用0.5級(jí)交流電壓表依次測(cè)出Ａ相、Ｂ相、Ｃ相差壓，并記錄。
2．各側(cè)電流的幅值和相位。只憑借差流判斷差動(dòng)保護(hù)正確性是不充分的，因?yàn)橐恍┙泳€或變比的小錯(cuò)誤，往往不會(huì)產(chǎn)生明顯的差流，且差流隨負(fù)荷電流變化，負(fù)荷小，差流跟著變小，所以，除測(cè)試差流外，還要用鉗形相位表在保護(hù)屏端子排依次測(cè)出變壓器各側(cè)Ａ相、Ｂ相、Ｃ相電流的幅值和相位（相位以一相PT二次電壓做參考），并記錄。此處不推薦通過(guò)微機(jī)保護(hù)液晶顯示屏測(cè)量電流幅值和相位。
3．變壓器潮流。通過(guò)控制屏上的電流、有功、無(wú)功功率表，或者監(jiān)控顯示器上的電流、有功、無(wú)功功率數(shù)據(jù)，或者調(diào)度端的電流、有功、無(wú)功功率遙測(cè)數(shù)據(jù)，記錄變壓器各側(cè)電流大小，有功、無(wú)功功率大小和流向，為CT變比、極性分析奠定基礎(chǔ)。
負(fù)荷電流要多大呢？當(dāng)然越大越好，負(fù)荷電流越大，各種錯(cuò)誤在差流中的體現(xiàn)就越明顯，就越容易判斷。然而，實(shí)際運(yùn)行的變壓器，負(fù)荷電流受網(wǎng)絡(luò)限制，不會(huì)很大，但至少應(yīng)滿(mǎn)足所用測(cè)試儀器精度要求，以及差流和負(fù)荷電流的可比性。若二次負(fù)荷電流只有0.2A而差流有65mA時(shí)，判斷差動(dòng)保護(hù)的正確性就相當(dāng)困難。
5　變壓器差動(dòng)保護(hù)帶負(fù)荷測(cè)試數(shù)據(jù)分析
數(shù)據(jù)收集完后，便是對(duì)數(shù)據(jù)的分析、判斷。數(shù)據(jù)分析是帶負(fù)荷測(cè)試最關(guān)鍵的一步，如果馬虎，或?qū)ψ儔浩鞑顒?dòng)保護(hù)原理和實(shí)現(xiàn)方式把握不夠，就會(huì)讓一個(gè)個(gè)錯(cuò)誤溜走，得出錯(cuò)誤的結(jié)論。那么對(duì)于測(cè)得的數(shù)據(jù)我們應(yīng)從哪些方面著手呢？
5.1　看電流相序
正確接線下，各側(cè)電流都是正序：Ａ相超前Ｂ相，B相超前C相，C相超前A相。若與此不符，則有可能：
ａ．在端子箱的二次電流回路相別和一次電流相別不對(duì)應(yīng)，比如端子箱內(nèi)定義為A相電流回路的電纜芯接在了C相CT上，這種情況在一次設(shè)備倒換相別時(shí)最容易發(fā)生。
ｂ．從端子箱到保護(hù)屏的電纜芯接反，比如一根電纜芯在端子箱接A相電流回路，在保護(hù)屏上卻接B相電流輸入端子，這種情況一般由安裝人員的馬虎造成。
5.2　看電流的對(duì)稱(chēng)性
每側(cè)Ａ相、Ｂ相、Ｃ相電流幅值基本相等，相位互差120°，即Ａ相電流超前Ｂ相120°，B相電流超前C相120°，C相電流超前A相120°。若一相幅值偏差大于10%，則有可能：
ａ．變壓器負(fù)荷三相不對(duì)稱(chēng)，一相電流偏大或一相電流偏小。
ｂ．變壓器負(fù)荷三相對(duì)稱(chēng)，但波動(dòng)較大，造成測(cè)量一相電流幅值時(shí)負(fù)荷大，而測(cè)另一相時(shí)負(fù)荷小。
ｃ．某一相CT變比接錯(cuò)，比如該相CT二次繞組抽頭接錯(cuò)。
ｄ．某一相電流存在寄生回路，比如某一根電纜芯在剝電纜皮時(shí)絕緣損傷，對(duì)電纜屏蔽層形成漏電流，造成流入保護(hù)屏的電流減小。
若某兩相相位偏差大于10%，則有可能：
ａ．變壓器負(fù)荷功率因數(shù)波動(dòng)較大，造成測(cè)量一相電流相位時(shí)功率因數(shù)大，而測(cè)另一相時(shí)功率因數(shù)小。
ｂ．某一相電流存在寄生回路，造成該相電流相位偏移。
5.3　看各側(cè)電流幅值，核實(shí)CT變比
用變壓器各側(cè)一次電流除以二次電流，得到實(shí)際CT變比，該變比應(yīng)和整定變比基本一致。如果偏差大于10%，則有可能：
ａ．CT的一次線未按整定變比進(jìn)行串聯(lián)或并聯(lián)。
ｂ．CT的二次線未按整定變比接在相應(yīng)的抽頭上。
5.4　看兩（或三）側(cè)同名相電流相位，檢查差動(dòng)保護(hù)電流回路極性組合的正確性
這里要將兩種接線分別對(duì)待，一種是將變壓器Y型側(cè)CT二次繞組接成△，另一種是變壓器各側(cè)ＣＴ二次繞組都接成Ｙ型。對(duì)于前一種接線，其兩側(cè)二次電流相位應(yīng)相差180°（三圈變壓器，可分別運(yùn)行兩側(cè)，來(lái)檢查差動(dòng)保護(hù)電流回路極性組合的正確性），而對(duì)于后一種接線，其兩側(cè)二次電流相位相差角度與變壓器接線方式有關(guān)。比如一臺(tái)變壓器為Y-Y-△-11接線，當(dāng)其高、低壓側(cè)運(yùn)行時(shí)，其高壓側(cè)二次電流應(yīng)超前低壓側(cè)（11—6）×30°，而當(dāng)其高、中壓側(cè)運(yùn)行時(shí)，其高壓側(cè)二次電流和中壓側(cè)電流仍相差180°。若兩側(cè)同名相電流相位差不滿(mǎn)足上述要求（偏差大于10°），則有可能：
ａ．將CT二次繞組組合成△時(shí)，極性弄錯(cuò)或相別弄錯(cuò)，比如Y-Y-△-11變壓器在組合Y型側(cè)CT二次繞組時(shí)，組合后的A相電流應(yīng)在A相CT極性端和 B相CT非極性端（或A相CT非極性端和B相CT極性端）的連接點(diǎn)上引出，而不能在A相CT極性端和C相CT非極性端（或A相CT非極性端和C相CT極性端）的連接點(diǎn)上引出。
ｂ．一側(cè)CT二次繞組極性接反。在安裝CT時(shí)，由于某種原因其一次極性未能按圖紙擺放時(shí)，二次極性要做相應(yīng)顛倒，如果二次極性未顛倒，就會(huì)發(fā)生這種情況。
5.5　看差流（或差壓）大小，檢查整定值的正確性
對(duì)勵(lì)磁電流和改變分接頭引起的差流，變壓器差動(dòng)保護(hù)一般不進(jìn)行補(bǔ)償，而采用帶動(dòng)作門(mén)檻和制動(dòng)特性來(lái)克服，所以，測(cè)得的差流（或差壓）不會(huì)等于零。那用什么標(biāo)準(zhǔn)來(lái)衡量差流（或差壓）合格呢？ 對(duì)于差流，我們不妨用變壓器勵(lì)磁電流產(chǎn)生的差流值為標(biāo)準(zhǔn)。比如一臺(tái)變壓器的勵(lì)磁電流（空載電流）為1.2%, 基本側(cè)額定二次電流為5A，則由勵(lì)磁電流產(chǎn)生的差流等于1.2%×5=0.06A，0.06A便是我們衡量差流合格的標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于差壓，我們引用《新編保護(hù)繼電器校驗(yàn)》中的規(guī)定：差壓不能大于150mv。如果變壓器差流不大于勵(lì)磁電流產(chǎn)生的差流值（或者差壓不大于150mv），則該臺(tái)變壓器整定值正確；否則，有可能是：
ａ．變壓器實(shí)際分接頭位置和計(jì)算分接頭位置不一致。對(duì)此，我們有以下證實(shí)方法：根據(jù)實(shí)際分接頭位置對(duì)應(yīng)的額定電壓或運(yùn)行變壓器各側(cè)母線電壓，重新計(jì)算變壓器各側(cè)額定二次電流，再由額定二次電流計(jì)算各側(cè)平衡系數(shù)或平衡線圈匝數(shù)，再將計(jì)算出的各側(cè)平衡系數(shù)或平衡線圈匝數(shù)擺放在差動(dòng)保護(hù)上，再次測(cè)量差流（或差壓），如果差流（或差壓）滿(mǎn)足要求，則說(shuō)明差流（或差壓）偏大是由變壓器實(shí)際分接頭位置和計(jì)算分接頭位置不一致引起，變壓器整定值仍正確，如果差流（或差壓）不滿(mǎn)足要求，則整定值還存在其它問(wèn)題。
ｂ．變壓器Ｙ型側(cè)額定二次電流算錯(cuò)。由于微機(jī)變壓器差動(dòng)保護(hù)在“計(jì)算Y型側(cè)額定二次電流乘不乘”問(wèn)題上沒(méi)有統(tǒng)一，所以，整定人員容易將Ｙ型側(cè)額定二次電流算錯(cuò)，從而，造成平衡系數(shù)整定錯(cuò)。
ｃ．平衡系數(shù)算錯(cuò)。計(jì)算平衡系數(shù)時(shí)，通常是先將基本側(cè)平衡系數(shù)整定為1，再用基本側(cè)額定二次電流除以另側(cè)電流得到另側(cè)平衡系數(shù)，如果誤用另側(cè)額定二次電流除以基本側(cè)電流，平衡系數(shù)就會(huì)算錯(cuò)。
ｄ．5.1—5.4中列舉的各種因素，都會(huì)最終造成差流（或差壓）不滿(mǎn)足要求，但我們只要按照5.1—5.4依次檢查，就會(huì)將這些因素一個(gè)個(gè)排除，此處就不再贅述。
6　差動(dòng)保護(hù)原理結(jié)束語(yǔ)
帶負(fù)荷測(cè)試對(duì)變壓器差動(dòng)保護(hù)的安全運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用，對(duì)其我們要有足夠的重視。帶負(fù)荷測(cè)試前，要深入了解變壓器差動(dòng)保護(hù)原理、實(shí)現(xiàn)方式和定值意義，熟悉現(xiàn)場(chǎng)接線；帶負(fù)荷測(cè)試中，要按照帶負(fù)荷測(cè)試內(nèi)容，認(rèn)真、仔細(xì)、全面收集數(shù)據(jù)；帶負(fù)荷測(cè)試后，要對(duì)照上述5條分析方法，逐一檢查、逐一判斷。只差動(dòng)保護(hù)是變壓器的主保護(hù)，是按循環(huán)電流原理裝設(shè)的。
主要用來(lái)保護(hù)雙繞組或三繞組變壓器繞組內(nèi)部及其引出線上發(fā)生的各種相間短路故障，同時(shí)也可以用來(lái)保護(hù)變壓器單相匝間短路故障。
在繞組變壓器的兩側(cè)均裝設(shè)電流互感器，其二次側(cè)按循環(huán)電流法接線，即如果兩側(cè)電流互感器的同級(jí)性端都朝向母線側(cè)，則將同級(jí)性端子相連，并在兩接線之間并聯(lián)接入電流繼電器。在繼電器線圈中流過(guò)的電流是兩側(cè)電流互感器的二次電流只差，也就是說(shuō)差動(dòng)繼電器是接在差動(dòng)回路的。
從理論上講，正常運(yùn)行及外部故障時(shí)，差動(dòng)回路電流為零。實(shí)際上由于兩側(cè)電流互感器的特性不可能完全一致等原因，在正常運(yùn)行和外部短路時(shí)，差動(dòng)回路中仍有不平衡點(diǎn)流Iumb流過(guò)，此時(shí)流過(guò)繼電器的電流IK為 Ik=I1-I2=Iumb
要求不平衡點(diǎn)流應(yīng)盡量的小，以確保繼電器不會(huì)誤動(dòng)。
當(dāng)變壓器內(nèi)部發(fā)生相間短路故障時(shí)，在差動(dòng)回路中由于I2改變了方向或等于零（無(wú)電源側(cè)），這是流過(guò)繼電器的電流為I1與I2之和，即
Ik=I1+I2=Iumb
能使繼電器可靠動(dòng)作。
變壓器差動(dòng)保護(hù)的范圍是構(gòu)成變壓器差動(dòng)保護(hù)的電流互感器之間的電氣設(shè)備、以及連接這些設(shè)備的導(dǎo)線。由于差動(dòng)保護(hù)對(duì)保護(hù)區(qū)外故障不會(huì)動(dòng)作，因此差動(dòng)保護(hù)不需要與保護(hù)區(qū)外相鄰元件保護(hù)在動(dòng)作值和動(dòng)作時(shí)限上相互配合，所以在區(qū)內(nèi)故障時(shí)，可以瞬時(shí)動(dòng)作。