【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 I239。= I2/ n ，則當(dāng)正常運(yùn)行或變壓器外部故障時(shí)，有下TA式成立 () 2139。239。1TAII?忽略變壓器的損耗，正常運(yùn)行和區(qū)外故障時(shí)一次電流的關(guān)系為 I +n I =0,根據(jù)2T1式()，正常運(yùn)行和變壓器外部故障時(shí)，差動(dòng)電流為零，保護(hù)不會(huì)動(dòng)作；變壓器內(nèi)部(包括變壓器與電流互感器之間的引線)任何一點(diǎn)故障時(shí)，相當(dāng)于變壓器內(nèi)部多了一個(gè)故障支路，流入差動(dòng)繼電器的差動(dòng)電流等于故障點(diǎn)電流（變換到電流互感器二次側(cè)） ，只要故障電流大于差動(dòng)繼電器的動(dòng)作電流，差動(dòng)保護(hù)就能迅速動(dòng)作。因此，式（）變?yōu)樽儔浩骺v差動(dòng)保護(hù)中電流互感器變比選擇的依據(jù)。由此可見，變壓器差動(dòng)保護(hù)的保護(hù)范圍是變壓器各側(cè)電流互感器所包圍的區(qū)域，理想情況下，當(dāng)且僅當(dāng)該區(qū)域發(fā)生短路故障時(shí)，繼電保護(hù)才動(dòng)作，而正常運(yùn)行或區(qū)外故障時(shí)保護(hù)可靠不動(dòng)作。但實(shí)際上變壓器差動(dòng)保護(hù)由于其自身的特點(diǎn)，在實(shí)現(xiàn)時(shí)需要考慮差動(dòng)回路中存在不平衡電流的問題：(1)電流互感器不同型產(chǎn)生的不平衡電流。變壓器有兩個(gè)及更多電壓等級(jí),構(gòu)成差動(dòng)保護(hù)所用的電流互感器的額定參數(shù)各不相同，它們的飽和特性和勵(lì)磁電流（歸算到同一側(cè)）也都是不同的。因此，在變壓器的差動(dòng)保護(hù)中將引起較大的穩(wěn)態(tài)不平衡電流。在外部短路時(shí)，這種不平衡電流可能會(huì)很大。(2)由于電流互感器選用的是定型產(chǎn)品，而定型產(chǎn)品的變比都是標(biāo)準(zhǔn)化的，7這就會(huì)出現(xiàn)電流互感器的計(jì)算變比與實(shí)際變比不完全相符的問題，以至在差動(dòng)回路中產(chǎn)生不平衡電流。(3)電力系統(tǒng)中常用帶負(fù)荷調(diào)整變壓器分接頭的方法來調(diào)整系統(tǒng)的電壓。調(diào)整分接頭實(shí)際上就是改變變壓器的變比，其結(jié)果必將破壞電流互感器二次電流的平衡關(guān)系，產(chǎn)生了新的不平衡電流。(4)變壓器兩側(cè)三相的接線方式不盡相同，所以其兩側(cè)的電流相位也可能不一致，從而產(chǎn)生不平衡電流。(5)變壓器的勵(lì)磁電流（勵(lì)磁涌流）產(chǎn)生的不平衡電流。因此，變壓器差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作判據(jù)為 ()max1bpjniI??式中： I jbpmax為差動(dòng)保護(hù)的最大不平衡電流。上述變壓器差動(dòng)保護(hù)中不平衡電流的第一項(xiàng)可通過合適的差動(dòng)保護(hù)整定值來躲開；對(duì)微機(jī)保護(hù)來說，第二、三、四項(xiàng)不平衡電流可通過合適的軟件設(shè)置來消除其影響。而最后一項(xiàng)，即勵(lì)磁電流是不能通過物理手段或整定值消去的。這是因?yàn)樽儔浩鞑顒?dòng)保護(hù)的范圍不僅包含變壓器各側(cè)的繞組，還包含變壓器的鐵芯，即變壓器差動(dòng)保護(hù)內(nèi)不僅有電路還有磁路，這就違反了差動(dòng)保護(hù)的理論依據(jù)—基爾霍夫電流定律。假設(shè)被保護(hù)的變壓器有 n 個(gè)繞組和一個(gè)公共鐵芯，即有 n條電路和一條公共磁路，則有： Ii=Ie,其中 Ii為流入變壓器各端子的1ni??電流相量，I e為變壓器的勵(lì)磁電流。如果認(rèn)為其它不平衡電流已經(jīng)有效的消除或躲開，那么 Ie就成了變壓器差動(dòng)回路中的不平衡電流，即流入變壓器的各端子電流相量之和等于變壓器的勵(lì)磁電流。當(dāng)變壓器及所在的系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，勵(lì)磁電流很小，一般不超過變壓器額定電流的 3%~5%，外部故障時(shí)，由于電壓降低，勵(lì)磁電流也相應(yīng)減小，其影響就更小。因此，正常勵(lì)磁電流引起的不平衡電流影響不大，可以忽略不計(jì)。但是當(dāng)變壓器空載投入和外部故障切除后電壓恢復(fù)時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)很大的暫態(tài)勵(lì)磁電流，其值可達(dá)額定電流的 6~8 倍，而且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。因此，勵(lì)磁涌流將在差動(dòng)回路中引起很大的不平衡電流，可能導(dǎo)致變壓器差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)跳閘或延遲動(dòng)作。2．3 變壓器差動(dòng)保護(hù)發(fā)展現(xiàn)狀差動(dòng)保護(hù)是變壓器內(nèi)部故障的主保護(hù)，差動(dòng)保護(hù)原理的提出是建立在嚴(yán)格的基爾霍夫電流定律（KCL）基礎(chǔ)上的，差動(dòng)保護(hù)在線路和發(fā)電機(jī)上應(yīng)用的比8較成功，因?yàn)樗鼈儑?yán)格滿足 KCL 定律，但是作為變壓器內(nèi)部故障的主保護(hù)，差動(dòng)保護(hù)面臨著新的問題。從電路上看變壓器一次繞組和二次繞組并非是一個(gè)節(jié)點(diǎn)，變壓器差動(dòng)保護(hù)原理是建立在變壓器穩(wěn)態(tài)磁路平衡基礎(chǔ)上的，是差動(dòng)保護(hù)原理的一種拓展，在暫態(tài)過程中這種平衡關(guān)系將被打破，只有等到暫態(tài)過程結(jié)束后，這種原先的平衡關(guān)系才能重新建立。因此需要檢測(cè)這種暫態(tài)過程，避免變壓器差動(dòng)保護(hù)在此暫態(tài)過程中的誤動(dòng)。無論是傳統(tǒng)的模擬式保護(hù)，還是目前普遍應(yīng)用的數(shù)字式保護(hù)，變壓器差動(dòng)保護(hù)在實(shí)施中主要需要解決兩個(gè)問題：一是鑒別勵(lì)磁涌流和故障電流；二是區(qū)分外部故障和內(nèi)部故障。長(zhǎng)期的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，變壓器差動(dòng)保護(hù)在一定程度上能夠較好地區(qū)分內(nèi)部故障和外部故障，但在勵(lì)磁涌流和故障電流的鑒別上還存在一定的不足。因此當(dāng)前變壓器差動(dòng)保護(hù)的主要矛盾仍然集中在勵(lì)磁涌流和故障電流的鑒別上。近十多年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者一直致力于變壓器繼電保護(hù)的研究，提出了許多判別勵(lì)磁涌流的新原理和新方法。2．3．1 變壓器差動(dòng)保護(hù)幾種判別原理簡(jiǎn)述1. 二次諧波制動(dòng)原理二次諧波制動(dòng)原理，國(guó)外在七十年代就提出了，并于八十年代開始投入實(shí)際應(yīng)用中。試驗(yàn)表明，勵(lì)磁涌流中含有的諧波分量中，二次諧波分量最高。對(duì)單相變壓器而言，諧波分量可以達(dá)到 20%以上，而三相變壓器，也必然有一項(xiàng)或者兩相可以達(dá)到 20%。因此該判別方法由此將差動(dòng)電流中的二次諧波分量 Id2和基波分量 Id1的比值 K 作為鑒別故障電流和勵(lì)磁涌流的依據(jù)。表達(dá)式為：Id2/Id1K式中：I dI d2分別是差流中的基波和二次諧波幅值；K—二次諧波制動(dòng)系數(shù)，常取值為 ~。 二次諧波制動(dòng)法簡(jiǎn)單，軟硬件設(shè)計(jì)也較容易。另外，因?yàn)榻?jīng)過 CT 傳變以后的二次涌流中，偶次諧波的比例會(huì)有所增大，所以用這種方法有利于保證差動(dòng)保護(hù)在勵(lì)磁涌流中不誤動(dòng)。由于以上的原因，二次諧波制動(dòng)是目前為止在變壓器微機(jī)保護(hù)中應(yīng)用最廣泛的勵(lì)磁涌流判別方法。Siemens、ABB 和 GE 公司都研制生產(chǎn)了采用該判據(jù)的變壓器保護(hù)裝置。 但是隨著電力系統(tǒng)電壓等級(jí)的提高以及單臺(tái)變壓器容量的增大，采用二次諧波制動(dòng)原理的變壓器保護(hù)在實(shí)際運(yùn)行中，卻不得不面臨以下的問題：9(1)在微機(jī)保護(hù)中廣泛使用基于傅氏級(jí)數(shù)的諧波分析方法，從嚴(yán)格意義上講，該方法只適用于穩(wěn)態(tài)交流分量的分析，而勵(lì)磁涌流是暫態(tài)電流，其中含有較大的衰減直流分量，將衰減的直流分量在時(shí)間軸上截?cái)嗖⑦M(jìn)行周期延拓，會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生離散的幅度譜，混疊到周期信號(hào)的頻譜中，影響二次諧波分量的大小，甚至導(dǎo)致誤判。(2)二次諧波制動(dòng)比常取為 15%—17%，但是，隨著電網(wǎng)電壓等級(jí)的提高和規(guī)模的擴(kuò)大以及變壓器單臺(tái)容量的增大，大型變壓器內(nèi)部嚴(yán)重故障時(shí)，由于諧波使短路電流中諧波含量增加，基于二次諧波制動(dòng)原理的差動(dòng)保護(hù)延時(shí)動(dòng)作，特別是對(duì)變壓器端部接長(zhǎng)線的情況更是如此；另外，15%—17%的制動(dòng)比是按照一般飽和磁通為 倍額定磁通幅值時(shí)合閘涌流的大小來考慮的。但現(xiàn)代變壓器的飽和磁通倍數(shù)經(jīng)常在 到 甚至更低，在此情況下涌流的最小二次諧波含量有可能低至 10%以下，從而導(dǎo)致變壓器差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)。二次諧波制動(dòng)比應(yīng)該如何選擇才更科學(xué)？(3)對(duì)于二次諧波制動(dòng)原理，通常采用一相制動(dòng)三相的方案，即三相差流中有一相差流的二次諧波含量超過定值就閉鎖整個(gè)差動(dòng)保護(hù)，可以保證保護(hù)在勵(lì)磁涌流情況的不誤動(dòng)和內(nèi)部故障情況下的正確動(dòng)作。然而對(duì)于帶有潛在內(nèi)部故障的三相變壓器，如繞組發(fā)生匝間短路，當(dāng)變壓器空載合閘時(shí)，一相為故障電流，另兩相為勵(lì)磁涌流，其結(jié)果是差動(dòng)保護(hù)被二次諧波制動(dòng)而不能快速動(dòng)作，由于大型變壓器勵(lì)磁涌流衰減較慢，導(dǎo)致差動(dòng)保護(hù)被長(zhǎng)時(shí)間閉鎖。即使采用綜合相制動(dòng)方案，也會(huì)存在一定的延時(shí)。2. 間斷角閉鎖原理 間斷角閉鎖原理的變壓器差動(dòng)保護(hù)率先由我國(guó)于 60 年代提出并制成樣機(jī) [14]，其模擬式保護(hù)裝置已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。間斷角閉鎖原理是利用勵(lì)磁涌流波形具有較大的間斷而短路電流波形連續(xù)變化不間斷的特征作為鑒別判據(jù)。該方法簡(jiǎn)單直接，但它是以精確測(cè)量間斷角為基礎(chǔ)，如遇到 TA 暫態(tài)飽和傳變會(huì)使涌流二次側(cè)間斷角發(fā)生畸變，有時(shí)會(huì)消失，必須采取某些措施來恢復(fù)間斷角，但這卻增加了保護(hù)硬件的復(fù)雜性；同時(shí)間斷角原理還要受到采樣率、采樣精度的影響及硬件的限制，因此該原理在實(shí)際數(shù)字差動(dòng)保護(hù)中的應(yīng)用效果并不十分的理想。 間斷角閉鎖原理的變壓器差動(dòng)保護(hù)采用如下判據(jù)：當(dāng)差流的間斷角大于10650時(shí)，判別為勵(lì)磁涌流，此時(shí)立即閉鎖比率差動(dòng)繼電器，以防止其在變壓器空載合閘和外部故障切除電壓恢復(fù)過程中誤動(dòng)；當(dāng)間斷角小于 650且波寬大于1400時(shí)，判別為可能不是勵(lì)磁涌流，并短時(shí)開放出口比率差動(dòng)繼電器。 間斷角閉鎖原理的變壓器差動(dòng)保護(hù)與二次諧波制動(dòng)原理的差動(dòng)保護(hù)相比，有如下顯著特點(diǎn)：（1）一般采用按相閉鎖的方式，某一相符合間斷角涌流閉鎖條件則閉鎖該相比率差動(dòng)元件，在變壓器各種內(nèi)部故障時(shí)能迅速動(dòng)作于跳閘；（2）具備較高的抗變壓器過勵(lì)磁能力，只有在過勵(lì)磁倍數(shù)達(dá)到 倍以上時(shí)，比率差動(dòng)保護(hù)才有可能誤動(dòng)，所以一般不需要附設(shè)變壓器過勵(lì)磁時(shí)差動(dòng)保護(hù)的閉鎖判據(jù)。而二次諧波制動(dòng)的比率差動(dòng)保護(hù)必須附設(shè)其他過勵(lì)磁閉鎖判據(jù)（如五次諧波制動(dòng)判據(jù)） 。用數(shù)字技術(shù)來實(shí)現(xiàn)間斷角閉鎖原理時(shí)有兩個(gè)難點(diǎn)：一個(gè)是準(zhǔn)確測(cè)量間斷角的問題；另一個(gè)是 TA 傳變引起的間斷角波形變形的問題。間斷角閉鎖原理對(duì)采樣率的要求較高，一般為了準(zhǔn)確測(cè)量間斷角，采樣率至少為 72點(diǎn)/周，如此高的采樣率對(duì)硬件提出了更高的要求。涌流間斷角處電流非常小，幾乎接近于零，而 A/D 轉(zhuǎn)換芯片正好在零點(diǎn)附近的轉(zhuǎn)換誤差最大，需要高分辨率的 A/D 轉(zhuǎn)換芯片。另外更為嚴(yán)重的是，涌流一般偏向于時(shí)間軸的一側(cè)，經(jīng) TA飽和傳變后，由于反向電流的作用會(huì)使間斷角消失，雖然可以采取一定的恢復(fù)措施，但由于變壓器鐵芯磁特性的非線性，要準(zhǔn)確恢復(fù)間斷角是很困難的。3. 小波變換方法 20 世紀(jì) 80 年代后期發(fā)展起來的小波變換在時(shí)、頻兩域都具有表征信號(hào)局部特征的能力，被譽(yù)為分析信號(hào)的數(shù)學(xué)顯微鏡，非常適合于非平穩(wěn)信號(hào)的分析，克服了傅里葉變換只能適應(yīng)穩(wěn)態(tài)或準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)信號(hào)分析、時(shí)域完全無局部性的缺點(diǎn)，可以準(zhǔn)確地提取信號(hào)的特征。所以，小波變換的出現(xiàn)立刻引起了科技界時(shí)、頻分析方法的新革命，當(dāng)然也為勵(lì)磁涌流和內(nèi)部故障電流的判別帶來了福音。自從小波變換的妙用被繼電保護(hù)工作者認(rèn)識(shí)以來，就前仆后繼地涌現(xiàn)出一大批從事勵(lì)磁涌流判別的科研人員，都試圖通過小波變換徹底解決 100 年前留給我們的技術(shù)難題—變壓器勵(lì)磁涌流與內(nèi)部故障的判別。 目前，小波變換在此方面的應(yīng)用研究如火如荼，但一直以來主要集中于高次諧波檢測(cè)和奇異點(diǎn)檢測(cè)，此外并未發(fā)現(xiàn)大的突破。實(shí)際上，兩者都是間斷角原理的一種推廣，高頻檢測(cè)反映的是差流狀態(tài)突變產(chǎn)生的高次諧波，高頻細(xì)節(jié)出現(xiàn)的位置對(duì)應(yīng)于變壓器飽和、退飽和時(shí)刻或故障發(fā)生時(shí)刻。若差流的高頻細(xì)11節(jié)突變周期出現(xiàn)，則為勵(lì)磁涌流；若出現(xiàn)一次后便很快衰減為 0，則為內(nèi)部故障。奇異點(diǎn)檢測(cè)利用了小波變換模極大值原理，檢測(cè)的是差流狀態(tài)突變而產(chǎn)生的第 2 類間斷點(diǎn)，奇異點(diǎn)與涌流間斷角相對(duì)應(yīng)。 但是，對(duì)微機(jī)保護(hù)來講，獲得高頻分量勢(shì)必需要提高采樣頻率，從而增加了技術(shù)難度和成本，而且可能會(huì)受到系統(tǒng)諧波的影響，能否經(jīng)受住環(huán)境高頻噪聲的考驗(yàn)，有待進(jìn)一步研究。另外，如何正確檢測(cè)模值也是一個(gè)難題。4. 波形對(duì)稱原理波形對(duì)稱原理是對(duì)變壓器的電流波形進(jìn)行分析的一種方法。即，首先將流入繼電器的差流進(jìn)行微分，將微分后差流的前半波與后半波作對(duì)稱比較，根據(jù)比較的結(jié)果去判斷是否發(fā)生了勵(lì)磁涌流。這種方法實(shí)際上是間斷角原理的推廣。它的提出正是基于對(duì)勵(lì)磁涌流導(dǎo)數(shù)的波寬及間斷角的分析，但是它比間斷角原理容易實(shí)現(xiàn)，克服了間斷角原理對(duì)微機(jī)硬件要求太高的缺點(diǎn)。該方法的作者對(duì)其進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)和動(dòng)模實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了其有效性，至于能否得到實(shí)際應(yīng)用，尚需時(shí)間檢驗(yàn)。5. 等值電路法這類方法將變壓器整體看成一個(gè)阻抗，通過測(cè)量端電壓和端電流計(jì)算變壓器的等效阻抗或者等效導(dǎo)納，通過阻抗或者導(dǎo)納的變化來鑒別勵(lì)磁涌流。變壓器用在勵(lì)磁涌流時(shí)，變壓器的勵(lì)磁阻抗急劇變化，而在正常運(yùn)行或者故障時(shí)勵(lì)磁阻抗基本不變這一特征來區(qū)分變壓器勵(lì)磁涌流和短路電流，算法不需要變壓器參數(shù)和系統(tǒng)參數(shù)。在正常情況下，變壓器的勵(lì)磁電流很小，對(duì)于現(xiàn)代大型變壓器，通常要小于 1%變壓器額定電流，因此，當(dāng)變壓器運(yùn)行在磁化曲線的線性段時(shí)，勵(lì)磁阻抗很大，一般以變壓器額定電壓和電流為基準(zhǔn)的勵(lì)磁阻抗 Zm100。當(dāng)變壓器空投或區(qū)外故障切除，電壓恢復(fù)正常的過程中，由于磁通不能突變，磁通中出現(xiàn)了非周期性的暫態(tài)分量，與鐵芯剩磁一起使變壓器鐵芯飽和，同時(shí)由于電壓是交變的，因而在一個(gè)周波內(nèi)變壓器鐵芯周期性地進(jìn)入飽和區(qū)和退出飽和區(qū)，當(dāng)進(jìn)入飽和區(qū)時(shí)，勵(lì)磁電流的瞬時(shí)值很大，可能達(dá)到變壓器額定電流的 5~10 倍甚至更大，而退出飽和區(qū)時(shí)，只有正常的勵(lì)磁電流，其瞬時(shí)值很小，在涌流的間斷角區(qū)內(nèi)，Z m則變的相當(dāng)大，因此在勵(lì)磁涌流時(shí)期，Z m的最大值與最小值可能相12差幾百倍甚至上千倍。通過檢測(cè)這種劇烈變化就可以進(jìn)行勵(lì)磁涌流的鑒別。參考文獻(xiàn)中提出了一種基于變壓器導(dǎo)納型等值電路中檢測(cè)對(duì)地導(dǎo)納參數(shù)變化來鑒別變壓器內(nèi)外部故障的方法。原文作者在解析分析和實(shí)驗(yàn)觀測(cè)的基礎(chǔ)上得到如下結(jié)論：（1）鐵芯線圈的漏抗近似相等，此時(shí)在變壓器導(dǎo)納型等值電路中，各節(jié)點(diǎn)的互導(dǎo)納幾乎與變壓器的鐵芯飽和無關(guān)；（2）鐵芯未飽和時(shí)，各節(jié)點(diǎn)的對(duì)地導(dǎo)納幾乎為零。當(dāng)鐵芯飽和時(shí)，對(duì)地導(dǎo)納又與空心變壓器的對(duì)地導(dǎo)納幾乎一致，且是一不等于零的常數(shù)。與上述兩個(gè)結(jié)論對(duì)應(yīng)的有：（1）內(nèi)部匝間短路時(shí)，故障繞組的對(duì)地導(dǎo)納是該繞組短路匝數(shù)的一個(gè)非線性函數(shù)，且隨內(nèi)部故障匝數(shù)的增大而變大。非故障繞組的導(dǎo)納與故障匝數(shù)無關(guān)，仍為一接近于零的常數(shù)。 （2）涌流時(shí)高壓側(cè)繞組的對(duì)地導(dǎo)納和低壓側(cè)的對(duì)地導(dǎo)納都大于零，而中壓側(cè)對(duì)地導(dǎo)納接近于零或略小于零（3）各繞組的互導(dǎo)納與鐵芯的