差動保護原理詳解

1　差動保護原理前言
差動保護原理簡單、使用電氣量單純、保護范圍明確、動作不需延時，一直用于變壓器做主保護， 其運行情況直接關系到變壓器的安危。怎樣才知道差動保護的運行情況呢？怎樣才知道差動保護的整定、接線正確呢？唯有用負荷電流檢驗。但檢驗時要測哪些量？測得的數據又怎樣分析、判斷呢？下面就針對這些問題做些討論。
2　變壓器差動保護的簡要原理
差動保護是利用基爾霍夫電流定理工作的，當變壓器正常工作或區外故障時，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，差動繼電器不動作。當變壓器內部故障時，兩側（或三側）向故障點提供短路電流，差動保護感受到的二次電流和的正比于故障點電流，差動繼電器動作。
3　變壓器差動保護帶負荷測試的重要性
變壓器差動保護原理簡單，但實現方式復雜，加上各種差動保護在實現方式細節上的各不相同，更增加了其在具體使用中的復雜性，使人為出錯機率增大，正確動作率降低。比如許繼公司的微機變壓器差動保護計算Y-△接線變壓器Y型側額定二次電流時不乘以，而南瑞公司的保護要乘以。這些細小的差別，設計、安裝、整定人員很容易疏忽、混淆，從而造成保護誤動、拒動。為了防范于未然，就必需在變壓器差動保護投運時進行帶負荷測試。
4　變壓器差動保護帶負荷測試內容
要排除設計、安裝、整定過程中的疏漏（如線接錯、極性弄反、平衡系數算錯等等），就要收集充足、完備的測試數據。
1．差流（或差壓）。變壓器差動保護是靠各側CT二次電流和——差流——工作的，所以，差流（或差壓）是差動保護帶負荷測試的重要內容。電流平衡補償的差動繼電器（如LCD-4、LFP-972、CST-31A型差動繼電器），用鉗形相位表或通過微機保護液晶顯示屏依次測出Ａ相、Ｂ相、Ｃ相差流，并記錄；磁平衡補償的差動繼電器（如BCH-1、BCH-2、DCD-5型差動繼電器），用0.5級交流電壓表依次測出Ａ相、Ｂ相、Ｃ相差壓，并記錄。
2．各側電流的幅值和相位。只憑借差流判斷差動保護正確性是不充分的，因為一些接線或變比的小錯誤，往往不會產生明顯的差流，且差流隨負荷電流變化，負荷小，差流跟著變小，所以，除測試差流外，還要用鉗形相位表在保護屏端子排依次測出變壓器各側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。此處不推薦通過微機保護液晶顯示屏測量電流幅值和相位。
3．變壓器潮流。通過控制屏上的電流、有功、無功功率表，或者監控顯示器上的電流、有功、無功功率數據，或者調度端的電流、有功、無功功率遙測數據，記錄變壓器各側電流大小，有功、無功功率大小和流向，為CT變比、極性分析奠定基礎。
負荷電流要多大呢？當然越大越好，負荷電流越大，各種錯誤在差流中的體現就越明顯，就越容易判斷。然而，實際運行的變壓器，負荷電流受網絡限制，不會很大，但至少應滿足所用測試儀器精度要求，以及差流和負荷電流的可比性。若二次負荷電流只有0.2A而差流有65mA時，判斷差動保護的正確性就相當困難。
5　變壓器差動保護帶負荷測試數據分析
數據收集完后，便是對數據的分析、判斷。數據分析是帶負荷測試最關鍵的一步，如果馬虎，或對變壓器差動保護原理和實現方式把握不夠，就會讓一個個錯誤溜走，得出錯誤的結論。那么對于測得的數據我們應從哪些方面著手呢？
5.1　看電流相序
正確接線下，各側電流都是正序：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應，比如端子箱內定義為A相電流回路的電纜芯接在了C相CT上，這種情況在一次設備倒換相別時最容易發生。
ｂ．從端子箱到保護屏的電纜芯接反，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　看電流的對稱性
每側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．變壓器負荷三相不對稱，一相電流偏大或一相電流偏小。
ｂ．變壓器負荷三相對稱，但波動較大，造成測量一相電流幅值時負荷大，而測另一相時負荷小。
ｃ．某一相CT變比接錯，比如該相CT二次繞組抽頭接錯。
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絕緣損傷，對電纜屏蔽層形成漏電流，造成流入保護屏的電流減小。
若某兩相相位偏差大于10%，則有可能：
ａ．變壓器負荷功率因數波動較大，造成測量一相電流相位時功率因數大，而測另一相時功率因數小。
ｂ．某一相電流存在寄生回路，造成該相電流相位偏移。
5.3　看各側電流幅值，核實CT變比
用變壓器各側一次電流除以二次電流，得到實際CT變比，該變比應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行串聯或并聯。
ｂ．CT的二次線未按整定變比接在相應的抽頭上。
5.4　看兩（或三）側同名相電流相位，檢查差動保護電流回路極性組合的正確性
這里要將兩種接線分別對待，一種是將變壓器Y型側CT二次繞組接成△，另一種是變壓器各側ＣＴ二次繞組都接成Ｙ型。對于前一種接線，其兩側二次電流相位應相差180°（三圈變壓器，可分別運行兩側，來檢查差動保護電流回路極性組合的正確性），而對于后一種接線，其兩側二次電流相位相差角度與變壓器接線方式有關。比如一臺變壓器為Y-Y-△-11接線，當其高、低壓側運行時，其高壓側二次電流應超前低壓側（11—6）×30°，而當其高、中壓側運行時，其高壓側二次電流和中壓側電流仍相差180°。若兩側同名相電流相位差不滿足上述要求（偏差大于10°），則有可能：
ａ．將CT二次繞組組合成△時，極性弄錯或相別弄錯，比如Y-Y-△-11變壓器在組合Y型側CT二次繞組時，組合后的A相電流應在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）的連接點上引出。
ｂ．一側CT二次繞組極性接反。在安裝CT時，由于某種原因其一次極性未能按圖紙擺放時，二次極性要做相應顛倒，如果二次極性未顛倒，就會發生這種情況。
5.5　看差流（或差壓）大小，檢查整定值的正確性
對勵磁電流和改變分接頭引起的差流，變壓器差動保護一般不進行補償，而采用帶動作門檻和制動特性來克服，所以，測得的差流（或差壓）不會等于零。那用什么標準來衡量差流（或差壓）合格呢？ 對于差流，我們不妨用變壓器勵磁電流產生的差流值為標準。比如一臺變壓器的勵磁電流（空載電流）為1.2%, 基本側額定二次電流為5A，則由勵磁電流產生的差流等于1.2%×5=0.06A，0.06A便是我們衡量差流合格的標準。對于差壓，我們引用《新編保護繼電器校驗》中的規定：差壓不能大于150mv。如果變壓器差流不大于勵磁電流產生的差流值（或者差壓不大于150mv），則該臺變壓器整定值正確；否則，有可能是：
ａ．變壓器實際分接頭位置和計算分接頭位置不一致。對此，我們有以下證實方法：根據實際分接頭位置對應的額定電壓或運行變壓器各側母線電壓，重新計算變壓器各側額定二次電流，再由額定二次電流計算各側平衡系數或平衡線圈匝數，再將計算出的各側平衡系數或平衡線圈匝數擺放在差動保護上，再次測量差流（或差壓），如果差流（或差壓）滿足要求，則說明差流（或差壓）偏大是由變壓器實際分接頭位置和計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）不滿足要求，則整定值還存在其它問題。
ｂ．變壓器Ｙ型側額定二次電流算錯。由于微機變壓器差動保護在“計算Y型側額定二次電流乘不乘”問題上沒有統一，所以，整定人員容易將Ｙ型側額定二次電流算錯，從而，造成平衡系數整定錯。
ｃ．平衡系數算錯。計算平衡系數時，通常是先將基本側平衡系數整定為1，再用基本側額定二次電流除以另側電流得到另側平衡系數，如果誤用另側額定二次電流除以基本側電流，平衡系數就會算錯。
ｄ．5.1—5.4中列舉的各種因素，都會最終造成差流（或差壓）不滿足要求，但我們只要按照5.1—5.4依次檢查，就會將這些因素一個個排除，此處就不再贅述。
6　差動保護原理結束語
帶負荷測試對變壓器差動保護的安全運行起著至關重要的作用，對其我們要有足夠的重視。帶負荷測試前，要深入了解變壓器差動保護原理、實現方式和定值意義，熟悉現場接線；帶負荷測試中，要按照帶負荷測試內容，認真、仔細、全面收集數據；帶負荷測試后，要對照上述5條分析方法，逐一檢查、逐一判斷。只差動保護是變壓器的主保護，是按循環電流原理裝設的。
主要用來保護雙繞組或三繞組變壓器繞組內部及其引出線上發生的各種相間短路故障，同時也可以用來保護變壓器單相匝間短路故障。
在繞組變壓器的兩側均裝設電流互感器，其二次側按循環電流法接線，即如果兩側電流互感器的同級性端都朝向母線側，則將同級性端子相連，并在兩接線之間并聯接入電流繼電器。在繼電器線圈中流過的電流是兩側電流互感器的二次電流只差，也就是說差動繼電器是接在差動回路的。
從理論上講，正常運行及外部故障時，差動回路電流為零。實際上由于兩側電流互感器的特性不可能完全一致等原因，在正常運行和外部短路時，差動回路中仍有不平衡點流Iumb流過，此時流過繼電器的電流IK為 Ik=I1-I2=Iumb
要求不平衡點流應盡量的小，以確保繼電器不會誤動。
當變壓器內部發生相間短路故障時，在差動回路中由于I2改變了方向或等于零（無電源側），這是流過繼電器的電流為I1與I2之和，即
Ik=I1+I2=Iumb
能使繼電器可靠動作。
變壓器差動保護的范圍是構成變壓器差動保護的電流互感器之間的電氣設備、以及連接這些設備的導線。由于差動保護對保護區外故障不會動作，因此差動保護不需要與保護區外相鄰元件保護在動作值和動作時限上相互配合，所以在區內故障時，可以瞬時動作。