電力江湖行
變壓器縱差保護及其他差動保護
Part 1：
變壓器的故障及保護配置
變壓器故障可分為
內部故障
與
外部故障
。
變壓器內部故障指變壓器油箱內發生的故障，具體包括各繞組的相間短路、繞組的匝間短路、繞組與鐵芯間的短路故障、單相繞組或引出線透過外殼發生的單相接地故障、繞組斷線故障等。變壓器外部故障指變壓器油箱外部絕緣套管及其引出線上發生的各種故障，具體包括絕緣套管閃絡或破碎而造成的單相接地短路、引出線之間相間短路等。
此外，變壓器有若干種不正常工作狀態，主要包括油麵降低、油溫或壓力過高、變壓器中性點電壓升高、過負荷、過電流、過勵磁等。
為監測不同的故障或不正常工作狀態，我們設定了不同保護，這其中又分為
主保護
與
後備保護
，主保護具有
速動特性
。
以上瓦斯保護屬非電量保護的一種，非電量保護還包括本體與有載調壓裝置的油溫保護、壓力釋放保護、風冷保護、過載閉鎖帶負荷調壓保護。
Part 2：
縱差保護
縱差保護是變壓器主保護之一，保護瞬時動作，跳開各側開關。其保護區域是構成差動保護各側電流互感器之間的部分，包括了變壓器本體、電流互感器與變壓器之間的引出線。2017年某220kV變電站2號主變35kV側避雷器發生AB相閃絡，避雷器底架被放電擊穿；因為35kV避雷器位於主變低壓側流變與主變之間，故處於縱差保護範圍內，兩套主變保護均正確動作，隔離了故障。
01
縱差保護的基本邏輯
現有變壓器縱差保護均採用微機保護裝置，各相電流分別進入保護裝置，由軟體演算法實現縱差保護。我們以一相為例，說明縱差保護的基本原理。
保護裝置“感受”到的差流為兩個線圈二次電流向量和。如圖1所示，當系統正常執行或外部短路時，兩個線圈二次電流大小相同極性相反，差流為0，此時保護不動作。如圖2所示，當保護範圍內發生接地故障時，二次電流大小相等極性相同，差流為二次電流大小之和，當達到差動啟動值時保護動作。
圖1 變壓器正常執行/外部短路差流示意圖
圖2 變壓器區內短路差流示意圖
縱差保護在以上流變二次線圈接入方式的基礎上增加對不同側電流向量進行
相位調整、零序電流消除、幅值轉換
，形成差動電流計算方法，再引入比率制動特性曲線，構成保護的基本邏輯。
以YN-d11接線為例，接線圖與電流相量圖如圖3所示。可見，因高低側同相相量有30°角度差，故正常執行時兩電流向量和不為0，需先相位轉換，轉換後同一相高低側兩相量同相位。
圖3 YN-d11接線示意圖及電流相量圖
相位轉換有兩種方法，一種以Y側為基準，使d側電流相位與Y側電流相位一致，簡稱為“角轉星”，最常見的角轉星保護有
南瑞繼保RCS-978等
，其轉換公式為：
另一種以d側為基準，使Y側電流相位與d側一致，簡稱“星轉角”，現有絕大多數保護裝置採用星轉角方式，其轉換公式為：
零序電流消除的目的是防止縱差保護誤動。對於YN-d接線，當高壓側區外發生接地故障時，高壓Y側有零序電流流過，而低壓d側無零序電流，兩側零序電流不能平衡，故縱差保護會誤動。“星轉角”轉換方式下，Y側移相後兩電流之差已濾去零流，故無需採取措施。
“角轉星”轉換方式下，對Y側電流向量進行零序電流補償
，補償公式為：
由於變壓器變比、各側流變變比的不同，正常執行或外部故障時變壓器各側差動電流二次幅值不能相同。此時需要進行幅值轉換，把一側電流值作為基準，根據兩側電壓和流變變比計算另一側平衡係數，將另一側電流乘以該平衡係數，從而使裝置內部計算得到的差流為0。
為進一步提高內部故障時的動作靈敏度、可靠躲過外部故障的不平衡電流，縱差保護採用具有比率制動特性曲線的差動元件。比率制動曲線縱軸為差流，橫軸為制動電流，曲線上方是動作區，下方是制動區。現有特性曲線主要分
兩段折線式
與
三段折線式
兩類。
兩段折線式比率制動曲線如圖4左圖所示，曲線可以是透過原點的ABC型，也可以是不透過原點的ABD型。大部分裝置為ABC型。
圖4 兩段折線式比率制動曲線
三段折線式比率制動曲線如圖4右圖所示，這其中又可細分為2類，一類AB段為水平線，另一類AB段為斜線。AB段為水平線的裝置有國電南自PST-1200U、ABB的RET-316、許繼WBH-801和SEL-387，AB段為斜線的裝置有四方CSC-326、深瑞PRS-778和南瑞RCS-978。
02
縱差保護如何校驗
縱差保護保護校驗按照比率制動特性曲線進行，曲線上方保護動作，曲線下方保護不動作：
1）選點。縱差保護校驗選取3-5個點，第一個點選在圖4縱軸上，驗證最小動作電流Iop。min；第二、三個點選在拐點上，驗證拐點電流Ires；此外，在每段斜線上選取一個點，驗證斜率。
2）計算數值。計算變壓器各側啟動值電流、平衡係數，通平衡；再根據裝置的比率制動曲線計算每個校驗點各側電流大小與相位角。
3）驗證曲線。應用固定變數法，固定校驗點中一個電流，改變另一個電流大小，從而將校驗點上下移動至動作區與制動區，驗證保護裝置是否正確動作。
03
縱差保護的附屬元件
為了使縱差保護更加可靠，保護邏輯還涉及啟動、速斷、閉鎖等元件：
1） 啟動元件：啟動變數有三相差動電流最大值、電流突變數等，當啟動變數大於任一啟動值時保護裝置開放差動保護。
2）差動速斷元件：在較高短路電流水平時，由於電流互感器飽和，
二次諧波產生極大的制動力矩使差動元件拒動
。為避免保護拒動，裝置內設差動速動元件，當短路電流達到
4~10
倍
額定電流時，速斷元件快速動作出口。此外，為防止大短路電流時因各側電流互感器的暫態特性不一致導致保護不正確動作，包括變壓器等主裝置差動保護各側電流互感器的相關特性宜一致（十八項反措15。1。10）。某變電站2號主變高壓側接入2/3接線第二串中，該串另接入一條聯絡線；2017年該串中開關B相發生單相接地故障，主變本體兩套差動保護速斷元件動作切除主變各側開關；聯絡線兩側分相電流差動保護動作切除對應邊開關B相，之後單相重合閘成功。
3）勵磁湧流閉鎖元件：在
空投變壓器
和
變壓器區外短路切除
時會產生巨大的勵磁湧流，為防止勵磁湧流造成的差流使裝置誤動，縱差保護設定了湧流閉鎖元件，利用
波形畸變
（差流波形間斷或不對稱）、
諧波分量鑑別
（二次或三次諧波的含量）、
模糊識別
鑑別勵磁湧流。但，實際空投變壓器時，特別是第一次空投時，因
本體消磁不充分
，空投差流的諧波含量或低於諧波分量閉鎖門檻，差動保護仍會誤動。為了從根本消除剩磁對變壓空充的影響，我們可以採取消磁措施，再進行一次空充，也可臨時降低二次諧波閉鎖門檻值保證主變正常投運。
4）CT斷線元件：CT二次一相斷線時，差流就是斷線相負荷電流，保護可能誤動。此時，可採用零序電流、相電流變化情況、相電壓異常突降等來判斷CT斷線。
5）CT飽和閉鎖元件：區外故障時CT飽和會造成差動保護誤動，所以保護裝置配置CT飽和閉鎖檢測元件。因CT飽和時，差流時在CT飽和一段時間後產生，所以裝置利用制動電流與差動電流的時序一致性判別CT是否飽和。此外，為了儘可能減小CT飽和對變壓器縱差保護的影響，變壓器差動保護各支路電流互感器應優先選用準確限值係數（ALF）和額定拐點電壓較高的電流互感器（十八項反措15。1。12）。
Part 3：其他差動保護介紹
1.
分側差動保護
分側差動保護是將變壓器Y側繞組作為被保護物件，由各側繞組的首末端CT按相構成的差動保護。以圖5自耦變A相為例，由TA1A、TA2a‘和TA3A構成該保護。根據基爾霍夫電流定律，兩端電流沒有電磁耦合關係，所以
保護無需湧流閉鎖元件、差動速動元件和過勵磁閉鎖元件
。此外，分側差動保護動作電流的定值較低，比縱差保護靈敏度高。但此保護的缺點是
不能保護匝間短路
。
圖5 自耦變接線示意圖
2.
分相差動保護
分相差動保護是將變壓器的各相繞組分別作為被保護物件，由每相繞組的各側CT構成的差動保護，如圖5中TA1B、TA2b’和TA4b構成B相差動保護（以B相為例）。該保護能反映
變壓器某一相除低壓側引線以外的全部故障，但需湧流閉鎖元件
。
3.
低壓側小區差動保護
由於分相差動保護對
低壓側引線部分
無保護範圍，因此引入小區差動作為分相差動的補充。低壓側小區差動保護是由低壓側三角形兩相繞組內部CT和反映兩相繞組差電流的CT構成的差動保護，如圖5中TA4b、TA4c和TA5c構成（以C相為例），無需湧流閉鎖元件，但
不反應匝間故障
。
4.
零序差動保護
零序差動保護，由
變壓器中性點側零序電流互感器
和
變壓器星形側電流互感器
的零序迴路
構成。圖6、圖7分別為區外和區內發生接地故障時的電流回路。同樣，該保護各二次電流沒有電磁耦合關係，所以保護裝置無需勵磁湧流閉鎖元件或過勵磁閉鎖元件；同時對變壓器繞組接地故障反應較靈敏。然而零序差動保護
只能反映高中壓側內部接地故障，且不能保護匝間短路
。
圖6 區外接地故障零序差動保護電流示意圖
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編輯：江湖君