谈谈大型变压器装设零序差动保护的必要性

再探大型变压器装设零序差动保护的必要性

余力达

（文登热电厂，山东 威海 264400）

摘要：本文再次探讨大型变压器装设零序差动保护的必要性。通过阅读大量统计资料可以发现，大型变压器的绕组故障，以匝间短路最多，相间短路最少。YN绕组单相接地短路时，因相间差动保护的两侧电流可能同相，因此灵敏度降低。在分析变压器故障时宜采用减极性法定义原、副边和一、二次电流的正方向，用标么制直接从相电流入手，这样就可以减少各电流相量间相位的分析，从而使问题简单明了。 谈到给（较）大型变压器装设保护，则差动保护为必选。而其中零序差动和分侧差动则是差动原理的正确应用。因为，其保护范围只包含电路而没有磁路的介入，从而与励磁涌流和过励磁无关，保护装置简单。但是，翻阅大量资料可以发现，零序差动保护正确动作率低[1] [2] [3]，易形成零序差动易误动的错觉。对此，若采取客观态度来分析造成误动的原因，就会发现：零序差动，原理是正确的，误动是人为因素造成的，若积极地改进而不是抛弃，它就会起到很好的保护作用。

另一方面，人们在对保护动作情况进行统计时，往往是：只有当零序差动保护动作时才把故障原因统计为接地短路，否则一律认为相间短路。结果就造成接地故障少或无接地故障的假象。但是，经分析研究可以推断：短路形成的飞弧到达变压器铁轭（而不是铁心柱）比到达另一相高压绕组要容易得多，发生接地故障的几率要高于相间短路故障之几率。YN绕组发生对铁心的单相接地短路，如果不装设高灵敏的零序差动保护，就可能殃及铁心，造成严重后果。所以装设零序差动保护很有必要。

为使变压器短路分析简单清晰，在开始讨论前，先作如下约定和简化：

A、不计变压器励磁电流，忽略负荷电流。

B、在本文短路分析中将尽可能直接从相电流入手，避免对称分量的移相计算。

C、在本文讨论中除特殊说明外各电流均为标么值，单相双绕组变压器两侧电流有I1=I2的关系。

D、对于Y，d接线变压器，若△侧相电流（标么值）为I△，则Y侧电流（标么值）IY=3 I△，或已

知IY,则有I△=IY/3 ,即对于标么制，有咂数有关系W△=3 WY。

E、电流正方向采用减极性法标注，即一侧电流相量由极性端流入，另一侧电流相量必由极性端流出。这时相量I1和I2为同相位。

F、分析计算中不考虑所有电阻、各相绕组间互感。变压器由3个单相变压器组成。

一、对Y，d11接线变压器的短路分析

1、∆侧b,c两相短路

如图1所示，∆侧b,c两相短路，已知Ib=Ic=Ik, ∆绕组中各有Ik/3, Ik/3, 2Ik/3，则Y侧IA=IK/3 ，IB=IK/3 ，

IC=2IK/3 ，这些电流的正方向如图1所示，它们都是同相位的，免去了复杂的相量复数运算，其大小也可直接写出。

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作者简介：余力达，男，文登热电厂，工程师，电话；[1**********]

图1 Y，d11变压器∆侧b,c两相短路

2、Y侧B，C两相短路

图2中，已知IB=IC=IK，则∆绕组中三上电流为0，IK/，IK/，根据基尔霍夫电流定律，得

Ia=Ik/3 ,Ib=2IK/3 ,IC=IK/3 ，其正方向如图

2所示，图中所有电流均同相位。

图2 Y，d11变压器Y侧B，C两相短路

3、YN侧A相接地短路

图3所示为变压器YN侧

A相接地短路。

图3 YN，d11变压器A相单相接地

忽略负荷电流，有IA=IK，IB=IC=0。

∆绕组中有I∆a=Ik/3 ，I∆b=I∆c=0。∆绕组中必有环流I∆0=Ik/33 (零序电流)，同时也有正、负序电流：

I∆al=I∆a2=Ik/33

I∆b=I∆0+I∆bl+I∆b2=0

I∆c=I∆0+I∆cl+I∆c2=0

根据基尔霍夫电流定律，从图3可得，Ia=Ic=Ik/3 ,Ib=0,所以不会降低差动保护灵感度。

上述三相电流中Ia+Ib+（-Ic）=3I0=0

可见∆联接中的零序电流I∆0没有流到a，b，c线中，从而保证了差动保护灵敏度。

二、 对Y，y12接线变压器的短路分析

一般Y，y接线均为

12点钟方式，其中性点为直接接地或不接地，见图4.

图4 Y，y变压器两相短路

一侧三相电流为IA,IB,IC，另一侧为Ia，Ib，Ic，绕组极性端为A,B,C和a，b，c，非极性端为X,Y,Z,和x,y,z,(图中未标出)。

1、 讨论一下b，c两相短路之情况

Ib，Ic相量正方向如图4所示，有Ib=Ic=Ik（Ib,Ic为同一相量，无相位差）。同样有IB=IC=IK，注意到Ib，Ic由非极性端流入，则IB,IC由极性端流入，它们的相位均相同。

忽略负荷电流，IA=Ia=0。

2、单相接地

变压器两侧互感器二次为∆接线（见图

5）

图5 YN，yN变压器单相接地

由图5可知IA=0，IB=0，IC=IK,I0=IK/3。

由于互感器二次∆接线，送到差动保护的电流中少了零序电流I0，此时C相差动保护得到的电流Irc为Irc=Ic-IA=（Ico+Ic1+Ic2）-（IAO+IA1+IA2）=(IC1+IC2)-(IA1+IA2)=(1/3+1/3)IK-(-1/3IK)=IK

可见故障相差动保护反应的是IK的全部，并不因∆接线滤去I0而降低灵敏度。可见滤去零序电流并不影响差差动保护灵敏度。

三、YN，d11接线变压器YN侧两相接地短路[4]

变压器Y8侧两相接地短路如图

6所示。

图6 YN，d11变压器YN侧两相接地短路

同样，用复合序网法先求出短路处Y8侧三相电流IA=0，IB=IKB,IC=IKC的大小和相位，相应的正、负、零序电流IA1,IA2,IA0也同时得到。

按照YN,d11接线方式，由IA1,IA2,IA0推导出∆侧三相电流为Ia=IKB/3 , IB=(IKC-IKB)/3 ,IC=-IKC/3 .

可见：经∆接线后，IA,IB,IC中没有零序电流，因为Ia+Ib+Ic=3Ia0=0。

在此要注意∆侧Ia，Ib，Ic不能从YN侧IA,IB,IC直接写出，原因如下：

A、 变压器为YN，d11接线，没有YN，y12简单明了，两侧电流相量之间有复杂的相位关系，必须由对称分量导出；

B、 两相短路接地的两相故障处电流IKB和IKC,他们本身的相位关系不是0°或180°。

四、YN，d11变压器YN绕组单相接地

如图7所示，短路点将WY分成WK和WY-WK两部分，各流过IK和IA（正方向如图7所示）。

忽略负荷电流，有IB=IC=0,已知IA和IK,求解∆侧三相电流Ia，Ib，I

c。

图7 YN，d11变压器YN绕组单相接地

设IA(A),IK(A)为有名值安培数，若有IA(A)×(WY-WK)＞IK(A)WK，即故障相绕组总磁动势由极性端A

人，则∆绕组a相磁动势I∆a(A)W∆必由极性端a出，所以I∆a由右向左，其值I∆a=[IA(WY-WK)-IKWK]÷WY3 ,

即I∆a=[IA(WY-WK)-IKWK]/WY,则有Ia=Ic=I∆a，Ib=0.有意义的是，在有名值磁动势IA(A)(WY-WK)-IX(A)WK

＞0时与差动保护有关的两侧电流IA和Ia是同相位的，使差动保护A相差与两侧电流相位无关（但与两侧电流大小有关），这会降低差动保护灵敏度，此时虽为内部短路却有两侧电流的外部短路相位特征。

五、YN，y12接线变压器YN侧两相接地短路

对于两相接地短路，IKB和IKC之间的相位差不再是0°或180°两相接地短路的分析计算，必须采用复合序网法。先计算IKB，IKC和3IAO的大小和相位，即IA=0，IB=IKB，IC=IKC，IB与IC不同相位且有零序电流3IAO（见图8）

再根据YN，y接线变压器两侧电流相等的基尔霍夫电流定律，由图8直接得到另一侧三相电流为Ia，Ib，Ic，因该侧中性点不接地，故有Ib=LKB-IAO，IC=IKC-IAO，Ib与Ic也不同相位。

因此，两侧三相电流的大小和相位完全确定。

图8 YN，y12变压器YN侧两相接地短路

六、对于单相接地短路，零序差动保护灵敏度高于相间差动保护

如图9所示，变压器差动保护的YN绕组侧TA二次必须∆接线，则有Ia=IA-IB，Ib=IB-IC，IC=IC-I

A。

图9 变压器YN侧电流互感器二次接线

当A相单相接地短路时，IA=IK(1),IB=IC=0，钴丨Ia丨=丨IK(1) 丨=丨IC丨，丨IB丨=0。

当三相短路时IA=IKA（3），IB=IKB(3),故丨Ia丨=3 丨IK(3) 丨=丨Ib丨=丨Ic丨。

因此，变压器差动保护的相对灵敏度，单相短路比三相短路降低57.7%。考虑到IK(1)＜IK(3)，单相短路的灵敏度更是低些。

零序差动保护各侧TA（电流互感器）完全同型，而变压器差动保护各侧TA一定不同型，这就使零序差动保护在正常工况和外部短路时不平衡电流较小，动作整定值较小，从而灵敏度较高。

七、结论：

综合以上分析，我们可以得出以下结论：

A、变压器绕组故障以匝间短路为主，其次是单相接地，最少是相间短路。故障统计资料中相间接地短路，最少是相间短路。故障统计资料中相间接地短路主要应理解为由接地短路不灵敏，故障发展为相间短路，最终相间差动保护作用。

B、分析变压器故障和差动保护的动作行为，宜采用减极性法标注和标么制计算方法，直接从相电流入手，避免用对称分量法（对称分量保护除外）、这样可大大节省相位分析中的△，Y互换的繁琐计算。但是YN，d11变压器YN侧两相接地短路的分析还必须采用对称分量作复数计算。

C、所有纵差保护的理论基础是基尔霍夫电流定律，变压器短路分析也宜从基尔霍夫电流定律出发但是变压器宗纵差保护只在负荷和短路工况下近似满足基尔霍夫电流定律，如果出现不可忽略励磁电流的工况（空载合闸、切除外部短路、过励磁），两侧电流之间就不再有I1*=I2*的关系。这时应在计及励磁电流的条件下作有关分析。

D、对于YN绕组的接地短路，零序差动保护的灵敏度比相间差动保护更高。对于匝间和相间短路则由相间差动保护反应。所以，在此建议所有220kv及以上大容量超高压变压器应创造条件同时配置相同差动和零序差动保护

参考文献：

[1] 王玉玲，舒治维，周玉兰，等，1997年全国电力系统继电保护与安全自动装置运行情况[J]，电网技术，1998,22(10)：53-57

[2] 周玉兰，许勇，沈晓凡，等，1998年全国电力系统继电保护与安全自动装置运行情况[J]，电网技术，1999,23(11)：62-66

[3] 周玉兰，王俊永，王玉玲，等，1999年全国电力系统继电保护与安全自动装置运行情况[J]，电网技术，2000,24(7)：66-70

[4] 刘叔华，变压器和互感器的电路计算与相量变换[M].北京：水利电力出版社,1998.