差動保護不平衡電流的產(chǎn)生機理及措施

甘輝霞

（三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北宜昌 443002）

差動保護不平衡電流的產(chǎn)生機理及措施

甘輝霞

（三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北宜昌 443002）

差動保護是變壓器的主保護，具有選擇性好、靈敏度高等一系列優(yōu)點。從差動保護的基本原理入手，深入分析了幾類差動保護不平衡電流的產(chǎn)生的原因，結(jié)合差動保護在實際案例中的應(yīng)用，探討避免不平衡電流的技術(shù)措施及對策，具有一定的理論和實用價值。

變壓器差動保護；不平衡電流；變壓器；電流互感器（TA）

0 引言

差動保護作為變壓器、電動機、母線及短線路等元件的主保護，具有選擇性好、靈敏度高等一系列優(yōu)點。這幾種差動保護原理是基本相同的，但變壓器差動保護還要考慮到變壓器接線組別、各側(cè)電壓等級；電流互感器（TA）變比、極性；勵磁涌流等因素的影響。所以同其他差動保護相比，變壓器差動保護實現(xiàn)起來要更復(fù)雜一些，本文就深入分析了這幾方面如何產(chǎn)生不平衡電流的原因，結(jié)合實際工程應(yīng)用，探討差動保護避免不平衡電流的技術(shù)措施。

1 差動保護的基本原理

差動保護要考慮的一個基本原則是要保證正常情況和區(qū)外故障時，用以比較的變壓器高、低壓側(cè)電流幅值是相等，相位相反或相同，從而在理論上保證差流（不平衡電流）為0[1]。

流過差動繼電器KD的電流（不平衡電流）為：

理想情況下，被保護對象（變壓器）正常運行或外部短路時，流入繼電器的電流為零，當(dāng)變壓器內(nèi)部發(fā)生短路時，和方向相同，流入繼電器的電流大于差動保護動作電流，保護動作。因此，差動保護可靠動作的關(guān)鍵在于流過差動線圈的不平衡電流。

2 不平衡電流產(chǎn)生的因素及影響

2.1 變壓器電壓等級、繞組接線方式對不平衡電流的影響

電力系統(tǒng)中帶負荷調(diào)整變壓器分接頭是調(diào)節(jié)系統(tǒng)電壓的重要手段。改變調(diào)壓檔位實際上就是改變變壓器的變比[2]。變壓器變比的歸算方法是按照額定或?qū)嶋H最有可能運行的電壓來計算的，這樣分接頭位置改變后，會導(dǎo)致不平衡電流的產(chǎn)生。

變壓器不同的接線組別，除Y/Y或△/△外，都會導(dǎo)致變壓器高低壓側(cè)電流相位不同。如Y/ D-11，D側(cè)電壓、電流相量超前Y側(cè)30°，造成主變TA二次側(cè)電流相量差并不為零，形成不平衡電流。對于接線組別帶來的影響，可通過外部TA接線方式來解決。當(dāng)主變?yōu)閅/△接線時，高壓側(cè)TA二次采用△接線，低壓側(cè)TA二次采用Y接線，由保護TA完成相角的歸算同時消除零序電流分量的影響。

電流由變壓器高壓側(cè)傳變到低壓側(cè)時，相位前移30°。低壓側(cè)TA接成Y/Y，角度沒有偏移。高壓側(cè)TA接成Y/△，TA二次側(cè)比一次側(cè)（也即變壓器高壓側(cè)）相位也前移了30°。這樣就保證了高低壓側(cè)TA的二次電流同相位。同時，高壓側(cè)TA接成Y/△后，電流幅值增大了3倍。向量圖見圖1。

圖1 變壓器差動向量圖

對于微機保護實現(xiàn)的方法和計算的精度有了很大提高。變壓器高、低壓側(cè)TA都是采取Y/Y接線，相角歸算由內(nèi)部程序完成，再通過電流矢量相減消除相角誤差。

2.2 TA對不平衡電流的影響

2.2.1 TA極性判別

為保證差動能夠正常動作，變壓器TA必須采用同名端接線。在實際工程中，由于差動TA極性不對而導(dǎo)致差動保護誤動的事情時有發(fā)生。因此工程中差動保護的接線，首先要注意TA的極性?，F(xiàn)場一般采用如下的方法進行判斷：（1）把TA一次看作負荷，根據(jù)電流從L1或L2流入或是流出來判斷電位；（2）把TA二次看作電源，根據(jù)L1、L2的電位判斷K1、K2的電位，電流由高電位端流出，低電位端流入。

測試人員在變壓器TA處，按照某個電流方向（一般按正方向來）用電池組一極固定，一極間斷點擊的方式給TA一次施加電流，同時觀察TA二次接入電流表指針偏轉(zhuǎn)的方向。反復(fù)幾次，即可判斷出TA的極性，如果一次施加的是正方向電流（電流從L1流進L2流出），電流表（電流表正極接K1，負極接K2）指針會先正偏，馬上返回，因為TA電感線圈儲能后反向放電的過程，指針會反偏。以上現(xiàn)象判斷TA的L1和K1為同名端。

發(fā)電機起動運行后可以通過保護裝置采樣值來判斷TA的極性，這似乎大大方便了調(diào)試人員在現(xiàn)場的工作，但值得注意的是，空載或小負荷運行電流很小，采樣值來判斷TA極性會有很大的誤差，電流達到0.3 A以上時可以準(zhǔn)確判斷，但是如果TA極性接反，差動保護就會動作，所以一般現(xiàn)場必須按照圖2的方法檢查所有TA的極性及其回路。

2.2.2 TA的計算變比與實際變比不一致

變壓器高、低壓側(cè)電流不相等，為保證差流為零，TA的變比應(yīng)按照下式選擇：

IIN、IIIN分別代表變壓器一次側(cè)、二次側(cè)的額定電流。

圖2 現(xiàn)場TA極性測量圖

國家規(guī)定TA采用標(biāo)準(zhǔn)變比，實際采用的TA變比可能與該計算值不等，從而造成二次側(cè)電流相減結(jié)果不等于零。同時在實際的工程中，TA即使型號匹配，也可能因為誤差造成不平衡電流，影響保護的可靠性。這種不平衡電流一般是利用中間變流器的平衡線圈進行磁補償[3]，如圖3所示。

圖3 平衡線圈接線圖

通常在中間變流器的鐵心上繞有主線圈即差動線圈Wcd，接入差動電流，另外還繞一個平衡線圈Wph和一個二次線圈W2，接入二次電流較小的一側(cè)。適當(dāng)選擇平衡線圈的匝數(shù)，使平衡線圈產(chǎn)生的磁勢能完全抵消差動線圈產(chǎn)生的磁勢，則在二次線圈W2里就不會感應(yīng)電勢，因而差動繼電器中也沒有電流流過。采用這種方法時，按公式計算出的平衡線圈的匝數(shù)一般不是整數(shù)，但實際上平衡線圈只能按整數(shù)進行選擇，因此還會有殘余的不平衡電流存在，這在進行縱差保護定值整定計算時應(yīng)該予以考慮。

2.2.3 TA的型號及飽和特性

雖然現(xiàn)場對差動保護用TA的選型一般都是要求變壓器各側(cè)是同型號，但因為變比和容量都有差別，致使TA的特性也不盡相同。因此當(dāng)區(qū)外故障穿越性電流增大，可能導(dǎo)致TA飽和，TA飽和特性不一致，造成不平衡電流增大[4]。為了消除不平衡電流通常采用帶速飽和變流器的差動繼電器，能有效克服暫態(tài)過程中非周期分量的影響。根據(jù)速飽和變流器的磁化曲線可以看出，周期分量很容易通過速飽和變流器變換到二次側(cè)，而非周期分量不容易通過速飽和變流器變換到二次側(cè)。因此，當(dāng)一次線圈中通過暫態(tài)不平衡電流時，它在二次側(cè)感應(yīng)的電勢很小，此時流入差動繼電器的電流很小，差動繼電器不會動作。

2.3 勵磁涌流的影響

變壓器空載投入和外部故障切除后電壓恢復(fù)時，出現(xiàn)的勵磁涌流其數(shù)值可達變壓器額定電流的6～8倍。勵磁涌流會形成差動回路的不平衡電流，并將使差動保護誤動作。勵磁涌流中含有大量的非周期分量和高次諧波分量[2]，其中以二次諧波分量為主，波形中還會出現(xiàn)間斷角。為了防止勵磁涌流對差動保護的影響，根據(jù)保護設(shè)計方案的不同大致有如下解決方法：（1）諧波制動原理；（2）波形判別原理；（3）間斷角閉鎖原理。

2.3.1 諧波制動原理

采用三相差動電流中二次諧波與基波的比值作為勵磁涌流閉鎖判據(jù)，即：I2＞K2b·I1。

其中I2為每相差動電流中的二次諧波，I1為對應(yīng)相的差流基波，K2b為二次諧波制動系數(shù)整定值。當(dāng)I2與I1的比值大于K2b時，可靠制動差動保護；當(dāng)?shù)扔诨蛐∮贙2b時，差動保護動作。

2.3.2 波形判別原理

采用三相差動電流中的波形判別作為勵磁涌流識別判據(jù)，內(nèi)部故障時有如下表達式成立：

其中S為差動電流的全周積分值，S+為差動電流的瞬時值與差動電流半周前的瞬時值的全周積分值，Kb為某一固定常數(shù)，St為門檻值，Id為差電流的全周積分值，α為某一比例常數(shù)。

當(dāng)發(fā)生勵磁涌流時以上波形判別關(guān)系式不成立，差動保護不會誤動。

2.3.3 間斷角閉鎖原理

間斷角閉鎖原理的變壓器差動保護采用的判據(jù)：

若間斷角θd＞65°，則認為是勵磁涌流，而非變壓器內(nèi)部故障，此時立即閉鎖比率差動繼電器，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；若波寬θw≥140°，并且間斷角θd≤65°，則短時開放比率差動繼電器，一旦θd＞65°，則立即閉鎖比率差動繼電器。

3 結(jié)論

本文從變壓器差動保護的基本原理入手，著重分析了變壓器電壓等級、繞組接線方式，電流互感器同名端、飽和特性，以及勵磁涌流等三個方面產(chǎn)生不平衡電流的原因，就如何避免不平衡電流產(chǎn)生探討了相應(yīng)的措施，在實際工程具有一定的實用價值。

［1］王維儉.電力系統(tǒng)繼電保護原理［M］.北京：清華大學(xué)出版社，1991.

［2］魏勇剛.主變差動保護不平衡電流產(chǎn)生及應(yīng)對措施［J］.四川電力技術(shù)，2005（5）：28-29.

［3］廖婉婷.變壓器縱差保護原理及不平衡電流分析［J］.廣西電業(yè)，2007（7）：72-73.

［4］王永青.TA飽和對繼電保護影響的分析及對策［J］.山東電力技術(shù)，2006（3）：48-50.

(編輯：向 飛)

圖3 砂輪對刀件

2.1.2 砂輪對刀件的設(shè)計

為確保砂輪中心通過零件內(nèi)孔中心，保證鍵槽對內(nèi)孔的對稱度，設(shè)計制造砂輪對刀件，參見圖3。

2.1.3 拼裝夾具的設(shè)計

為適應(yīng)零件在機床的安裝和定位，設(shè)計制造角向定位銷和定位件，利用標(biāo)準(zhǔn)模塊拼裝一夾具，使零件安裝在工作臺上穩(wěn)定可靠。

2.2 長內(nèi)鍵槽磨削加工操作過程

（1）將拼裝夾具固定于磨床工作臺，按照零件最大直徑及砂輪磨軸的高度可調(diào)整量調(diào)整好拼裝夾具在工作臺的高度位置，同時盡量將其置于機床主軸中心。另應(yīng)調(diào)整好拼裝夾具定位中心線與工作臺移動方向一致（Z軸）。

（2）將零件按圖1裝夾要求置于拼裝夾具。固定零件前找正零件A、B基準(zhǔn)跳動不大于0.01，利用角向定位銷的60°度錐面確定零件角向位置。

（3）采用直徑?55 mm，厚10 mm的片砂輪裝于磨輪支架上，并將砂輪厚度修整至8 mm（有效工作區(qū)），砂輪直徑修整至?52 mm。

（4）將砂輪對刀件置于零件N孔，手動旋轉(zhuǎn)砂輪對刀件使其對刀槽處于垂直狀態(tài)，同時前后移動砂輪主軸使已修整好的砂輪剛好置于砂輪對刀件的對刀槽內(nèi)，從而確保砂輪中心通過零件N孔中心。

（5）磨削過程中應(yīng)用壓縮空氣吹冷零件加工部位及吹走磨塵，以防磨塵堵塞砂輪影響砂輪磨削力及導(dǎo)致零件燒傷等。

3 結(jié)論

通過對普通花鍵磨床磨削裝置進行改造和配置專用夾具，實現(xiàn)了長內(nèi)鍵槽的磨削加工，從而擴充了其加工能力，最大限度發(fā)揮其潛能。同時加工出合格產(chǎn)品，滿足了用戶要求，達到了預(yù)期目的。但要持續(xù)穩(wěn)定保證產(chǎn)品質(zhì)量，實現(xiàn)大批量生產(chǎn)，還可以進一步做以下方面的改進：

（1）設(shè)計制造一專用散熱冷卻裝置，便于用壓縮空氣吹氣冷卻，同時保證用壓縮空氣吹氣冷卻時磨塵不到處飛揚等；

（2）設(shè)計制造一修砂輪設(shè)備及砂輪刀，便于修砂輪寬度、直徑及圓角。

參考文獻：

［1］薄宵.機械加工工藝手冊：第2卷［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1992.

第一作者簡介：陳湘輝，男，1967年生，湖南湘鄉(xiāng)人，大學(xué)本科，高級工程師。研究領(lǐng)域：航空發(fā)動機及傳動齒輪制造技術(shù)。已發(fā)表論文1篇。

(編輯：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

甘輝霞，女，1974年生，湖北公安人，大學(xué)本科，高級工程師。研究領(lǐng)域：電力系統(tǒng)繼電保護。已發(fā)表論文7篇。

2014－08－14