Part 1：變壓器的故障及保護(hù)配置

變壓器故障可分為內(nèi)部故障與外部故障。

變壓器內(nèi)部故障指變壓器油箱內(nèi)發(fā)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、單相繞組或引出線通過(guò)外殼發(fā)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(fā)生的各種故障，具體包括絕緣套管閃絡(luò)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(tài)，主要包括油面降低、油溫或壓力過(guò)高、變壓器中性點(diǎn)電壓升高、過(guò)負(fù)荷、過(guò)電流、過(guò)勵(lì)磁等。

為監(jiān)測(cè)不同的故障或不正常工作狀態(tài)，我們?cè)O(shè)置了不同保護(hù)，這其中又分為主保護(hù)與后備保護(hù)，主保護(hù)具有速動(dòng)特性。

以上瓦斯保護(hù)屬非電量保護(hù)的一種，非電量保護(hù)還包括本體與有載調(diào)壓裝置的油溫保護(hù)、壓力釋放保護(hù)、風(fēng)冷保護(hù)、過(guò)載閉鎖帶負(fù)荷調(diào)壓保護(hù)。

縱差保護(hù)是變壓器主保護(hù)之一，保護(hù)瞬時(shí)動(dòng)作，跳開各側(cè)開關(guān)。其保護(hù)區(qū)域是構(gòu)成差動(dòng)保護(hù)各側(cè)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(hào)主變35kV側(cè)避雷器發(fā)生AB相閃絡(luò)，避雷器底架被放電擊穿；因?yàn)?5kV避雷器位于主變低壓側(cè)流變與主變之間，故處于縱差保護(hù)范圍內(nèi)，兩套主變保護(hù)均正確動(dòng)作，隔離了故障。

現(xiàn)有變壓器縱差保護(hù)均采用微機(jī)保護(hù)裝置，各相電流分別進(jìn)入保護(hù)裝置，由軟件算法實(shí)現(xiàn)縱差保護(hù)。我們以一相為例，說(shuō)明縱差保護(hù)的基本原理。

保護(hù)裝置“感受”到的差流為兩個(gè)線圈二次電流矢量和。如圖1所示，當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行或外部短路時(shí)，兩個(gè)線圈二次電流大小相同極性相反，差流為0，此時(shí)保護(hù)不動(dòng)作。如圖2所示，當(dāng)保護(hù)范圍內(nèi)發(fā)生接地故障時(shí)，二次電流大小相等極性相同，差流為二次電流大小之和，當(dāng)達(dá)到差動(dòng)啟動(dòng)值時(shí)保護(hù)動(dòng)作。

縱差保護(hù)在以上流變二次線圈接入方式的基礎(chǔ)上增加對(duì)不同側(cè)電流矢量進(jìn)行相位調(diào)整、零序電流消除、幅值轉(zhuǎn)換，形成差動(dòng)電流計(jì)算方法，再引入比率制動(dòng)特性曲線，構(gòu)成保護(hù)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(jiàn)，因高低側(cè)同相相量有30°角度差，故正常運(yùn)行時(shí)兩電流矢量和不為0，需先相位轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后同一相高低側(cè)兩相量同相位。

相位轉(zhuǎn)換有兩種方法，一種以Y側(cè)為基準(zhǔn)，使d側(cè)電流相位與Y側(cè)電流相位一致，簡(jiǎn)稱為“角轉(zhuǎn)星”，最常見(jiàn)的角轉(zhuǎn)星保護(hù)有南瑞繼保RCS-978等，其轉(zhuǎn)換公式為：

另一種以d側(cè)為基準(zhǔn)，使Y側(cè)電流相位與d側(cè)一致，簡(jiǎn)稱“星轉(zhuǎn)角”，現(xiàn)有絕大多數(shù)保護(hù)裝置采用星轉(zhuǎn)角方式，其轉(zhuǎn)換公式為：

零序電流消除的目的是防止縱差保護(hù)誤動(dòng)。對(duì)于YN-d接線，當(dāng)高壓側(cè)區(qū)外發(fā)生接地故障時(shí)，高壓Y側(cè)有零序電流流過(guò)，而低壓d側(cè)無(wú)零序電流，兩側(cè)零序電流不能平衡，故縱差保護(hù)會(huì)誤動(dòng)。“星轉(zhuǎn)角”轉(zhuǎn)換方式下，Y側(cè)移相后兩電流之差已濾去零流，故無(wú)需采取措施。“角轉(zhuǎn)星”轉(zhuǎn)換方式下，對(duì)Y側(cè)電流向量進(jìn)行零序電流補(bǔ)償，補(bǔ)償公式為：

由于變壓器變比、各側(cè)流變變比的不同，正常運(yùn)行或外部故障時(shí)變壓器各側(cè)差動(dòng)電流二次幅值不能相同。此時(shí)需要進(jìn)行幅值轉(zhuǎn)換，把一側(cè)電流值作為基準(zhǔn)，根據(jù)兩側(cè)電壓和流變變比計(jì)算另一側(cè)平衡系數(shù)，將另一側(cè)電流乘以該平衡系數(shù)，從而使裝置內(nèi)部計(jì)算得到的差流為0。

為進(jìn)一步提高內(nèi)部故障時(shí)的動(dòng)作靈敏度、可靠躲過(guò)外部故障的不平衡電流，縱差保護(hù)采用具有比率制動(dòng)特性曲線的差動(dòng)元件。比率制動(dòng)曲線縱軸為差流，橫軸為制動(dòng)電流，曲線上方是動(dòng)作區(qū)，下方是制動(dòng)區(qū)。現(xiàn)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(dòng)曲線如圖4左圖所示，曲線可以是通過(guò)原點(diǎn)的ABC型，也可以是不通過(guò)原點(diǎn)的ABD型。大部分裝置為ABC型。

三段折線式比率制動(dòng)曲線如圖4右圖所示，這其中又可細(xì)分為2類，一類AB段為水平線，另一類AB段為斜線。AB段為水平線的設(shè)備有國(guó)電南自PST-1200U、ABB的RET-316、許繼WBH-801和SEL-387，AB段為斜線的設(shè)備有四方CSC-326、深瑞PRS-778和南瑞RCS-978。

縱差保護(hù)保護(hù)校驗(yàn)按照比率制動(dòng)特性曲線進(jìn)行，曲線上方保護(hù)動(dòng)作，曲線下方保護(hù)不動(dòng)作：

1）選點(diǎn)。縱差保護(hù)校驗(yàn)選取3-5個(gè)點(diǎn)，第一個(gè)點(diǎn)選在圖4縱軸上，驗(yàn)證最小動(dòng)作電流Iop.min；第二、三個(gè)點(diǎn)選在拐點(diǎn)上，驗(yàn)證拐點(diǎn)電流Ires；此外，在每段斜線上選取一個(gè)點(diǎn)，驗(yàn)證斜率。

2）計(jì)算數(shù)值。計(jì)算變壓器各側(cè)啟動(dòng)值電流、平衡系數(shù)，通平衡；再根據(jù)裝置的比率制動(dòng)曲線計(jì)算每個(gè)校驗(yàn)點(diǎn)各側(cè)電流大小與相位角。

3）驗(yàn)證曲線。應(yīng)用固定變量法，固定校驗(yàn)點(diǎn)中一個(gè)電流，改變另一個(gè)電流大小，從而將校驗(yàn)點(diǎn)上下移動(dòng)至動(dòng)作區(qū)與制動(dòng)區(qū)，驗(yàn)證保護(hù)裝置是否正確動(dòng)作。

為了使縱差保護(hù)更加可靠，保護(hù)邏輯還涉及啟動(dòng)、速斷、閉鎖等元件：

1） 啟動(dòng)元件：?jiǎn)?dòng)變量有三相差動(dòng)電流最大值、電流突變量等，當(dāng)啟動(dòng)變量大于任一啟動(dòng)值時(shí)保護(hù)裝置開放差動(dòng)保護(hù)。

2）差動(dòng)速斷元件：在較高短路電流水平時(shí)，由于電流互感器飽和，二次諧波產(chǎn)生極大的制動(dòng)力矩使差動(dòng)元件拒動(dòng)。為避免保護(hù)拒動(dòng)，裝置內(nèi)設(shè)差動(dòng)速動(dòng)元件，當(dāng)短路電流達(dá)到4~10倍額定電流時(shí)，速斷元件快速動(dòng)作出口。此外，為防止大短路電流時(shí)因各側(cè)電流互感器的暫態(tài)特性不一致導(dǎo)致保護(hù)不正確動(dòng)作，包括變壓器等主設(shè)備差動(dòng)保護(hù)各側(cè)電流互感器的相關(guān)特性宜一致（十八項(xiàng)反措15.1.10）。某變電站2號(hào)主變高壓側(cè)接入2/3接線第二串中，該串另接入一條聯(lián)絡(luò)線；2017年該串中開關(guān)B相發(fā)生單相接地故障，主變本體兩套差動(dòng)保護(hù)速斷元件動(dòng)作切除主變各側(cè)開關(guān)；聯(lián)絡(luò)線兩側(cè)分相電流差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作切除對(duì)應(yīng)邊開關(guān)B相，之后單相重合閘成功。

3）勵(lì)磁涌流閉鎖元件：在空投變壓器和變壓器區(qū)外短路切除時(shí)會(huì)產(chǎn)生巨大的勵(lì)磁涌流，為防止勵(lì)磁涌流造成的差流使裝置誤動(dòng)，縱差保護(hù)設(shè)置了涌流閉鎖元件，利用波形畸變（差流波形間斷或不對(duì)稱）、諧波分量鑒別（二次或三次諧波的含量）、模糊識(shí)別鑒別勵(lì)磁涌流。但，實(shí)際空投變壓器時(shí)，特別是第一次空投時(shí)，因本體消磁不充分，空投差流的諧波含量或低于諧波分量閉鎖門檻，差動(dòng)保護(hù)仍會(huì)誤動(dòng)。為了從根本消除剩磁對(duì)變壓空充的影響，我們可以采取消磁措施，再進(jìn)行一次空充，也可臨時(shí)降低二次諧波閉鎖門檻值保證主變正常投運(yùn)。

4）CT斷線元件：CT二次一相斷線時(shí)，差流就是斷線相負(fù)荷電流，保護(hù)可能誤動(dòng)。此時(shí)，可采用零序電流、相電流變化情況、相電壓異常突降等來(lái)判斷CT斷線。

5）CT飽和閉鎖元件：區(qū)外故障時(shí)CT飽和會(huì)造成差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)，所以保護(hù)裝置配置CT飽和閉鎖檢測(cè)元件。因CT飽和時(shí)，差流時(shí)在CT飽和一段時(shí)間后產(chǎn)生，所以裝置利用制動(dòng)電流與差動(dòng)電流的時(shí)序一致性判別CT是否飽和。此外，為了盡可能減小CT飽和對(duì)變壓器縱差保護(hù)的影響，變壓器差動(dòng)保護(hù)各支路電流互感器應(yīng)優(yōu)先選用準(zhǔn)確限值系數(shù)（ALF）和額定拐點(diǎn)電壓較高的電流互感器（十八項(xiàng)反措15.1.12）。

Part 3：其他差動(dòng)保護(hù)介紹

分側(cè)差動(dòng)保護(hù)是將變壓器Y側(cè)繞組作為被保護(hù)對(duì)象，由各側(cè)繞組的首末端CT按相構(gòu)成的差動(dòng)保護(hù)。以圖5自耦變A相為例，由TA1A、TA2a'和TA3A構(gòu)成該保護(hù)。根據(jù)基爾霍夫電流定律，兩端電流沒(méi)有電磁耦合關(guān)系，所以保護(hù)無(wú)需涌流閉鎖元件、差動(dòng)速動(dòng)元件和過(guò)勵(lì)磁閉鎖元件。此外，分側(cè)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作電流的定值較低，比縱差保護(hù)靈敏度高。但此保護(hù)的缺點(diǎn)是不能保護(hù)匝間短路。

分相差動(dòng)保護(hù)是將變壓器的各相繞組分別作為被保護(hù)對(duì)象，由每相繞組的各側(cè)CT構(gòu)成的差動(dòng)保護(hù)，如圖5中TA1B、TA2b'和TA4b構(gòu)成B相差動(dòng)保護(hù)(以B相為例)。該保護(hù)能反映變壓器某一相除低壓側(cè)引線以外的全部故障，但需涌流閉鎖元件。

由于分相差動(dòng)保護(hù)對(duì)低壓側(cè)引線部分無(wú)保護(hù)范圍，因此引入小區(qū)差動(dòng)作為分相差動(dòng)的補(bǔ)充。低壓側(cè)小區(qū)差動(dòng)保護(hù)是由低壓側(cè)三角形兩相繞組內(nèi)部CT和反映兩相繞組差電流的CT構(gòu)成的差動(dòng)保護(hù)，如圖5中TA4b、TA4c和TA5c構(gòu)成（以C相為例），無(wú)需涌流閉鎖元件，但不反應(yīng)匝間故障。

零序差動(dòng)保護(hù)，由變壓器中性點(diǎn)側(cè)零序電流互感器和變壓器星形側(cè)電流互感器的零序回路構(gòu)成。圖6、圖7分別為區(qū)外和區(qū)內(nèi)發(fā)生接地故障時(shí)的電流回路。同樣，該保護(hù)各二次電流沒(méi)有電磁耦合關(guān)系，所以保護(hù)裝置無(wú)需勵(lì)磁涌流閉鎖元件或過(guò)勵(lì)磁閉鎖元件；同時(shí)對(duì)變壓器繞組接地故障反應(yīng)較靈敏。然而零序差動(dòng)保護(hù)只能反映高中壓側(cè)內(nèi)部接地故障，且不能保護(hù)匝間短路。