变压器差动保护不平衡电流产生的原因及解决办法

        变压器差动保护不平衡电流的产生，是指在实际运行中，流入差动继电器（或保护装置差动计算单元）的差电流不为零的现象。理想情况下，变压器正常运行或外部故障时，各侧电流互感器（CT）的二次电流经相位和变比补偿后，其矢量和应为零。不平衡电流的存在是导致差动保护误动的主要原因之一。以下是其产生原因及相应的解决办法：

一、不平衡电流产生的原因

1、变压器励磁涌流：

        原因： 变压器空载合闸或外部故障切除电压恢复时，由于铁芯饱和，会产生数值很大（可达额定电流的6-8倍）、含有大量非周期分量（直流分量）和高次谐波（主要是二次谐波）的暂态励磁电流。此电流仅存在于变压器电源侧绕组，无法流经负荷侧绕组，因此全部流入差动回路，形成很大的不平衡电流。

        特点： 数值大、衰减快、波形偏于时间轴一侧（含直流分量）、谐波含量高（二次谐波为主）。

2.变压器正常运行时的励磁电流：

        原因： 即使变压器空载运行时，也需要一定的励磁电流来建立主磁通。此电流同样只存在于电源侧，在差动回路中形成微小的不平衡电流（通常很小，可忽略）。

        特点： 数值小（约额定电流的1%~5%）。

3、电流互感器（CT）的误差：

        原因：稳态误差： CT本身存在固有的比差（变比误差）和角差（相位误差）。不同型号、不同变比、不同负载下的CT，其误差特性不同。尤其在变压器各侧电压等级不同时，采用的CT型号、变比、特性差异更大，导致二次电流不能完全匹配。

        暂态误差（饱和）： 当外部发生短路故障或变压器内部故障但故障电流很大时，故障电流中可能含有大量非周期分量。非周期分量容易使CT铁芯严重饱和，导致其二次电流波形严重畸变、幅值减小且相位偏移。由于变压器各侧CT饱和程度不一致（短路电流大小、非周期分量衰减时间常数、CT特性、二次负载不同），会产生非常大的暂态不平衡电流。

        特点： 稳态误差导致小幅度持续不平衡；暂态饱和误差导致大幅度、波形畸变的不平衡电流。

4、变压器调压分接头的改变：

        原因： 为了维持系统电压，变压器运行中需要改变分接头位置进行调压。这相当于改变了变压器的实际变比。而差动保护中CT变比的选择和补偿通常是根据额定分接头位置计算的。当分接头改变时，实际变比与计算补偿值不符，导致二次电流不能完全平衡，产生不平衡电流。

        特点： 不平衡电流随分接头位置偏离额定位置的程度而增大，是稳态不平衡电流。

5、电流互感器变比标准化选择：

        原因： 实际选用的CT标准变比可能无法精确匹配变压器计算所需的理想变比，导致变比补偿后仍存在残余不平衡电流。

        特点： 固定的稳态不平衡电流。

6、各侧电流互感器型号、特性不一致：

        原因： 变压器高、中、低压侧电压等级不同，所采用的CT型号、精度等级、饱和特性、剩磁等可能不同，导致在相同一次电流条件下，二次电流的幅值和相位误差不同。

        特点： 稳态和暂态下都可能产生不平衡电流。

7、差动回路接线错误或接触不良：

        原因： CT二次回路极性接反、相位补偿接线错误、端子松动、接触电阻过大等。

        特点： 可能产生固定或随机的不平衡电流。

8、变压器内部轻微故障或绕组变形：

        原因： 非常轻微的匝间短路、铁芯多点接地或绕组变形可能导致磁路不平衡或电流分布改变，产生持续的小幅不平衡电流。虽然这是内部故障的征兆，但可能不足以达到差动启动值，表现为“不平衡电流”。

        特点： 持续存在的小幅不平衡电流。

二、减小和克服不平衡电流的解决办法

        针对上述原因，差动保护采取了多种措施来抑制不平衡电流的影响，提高保护的灵敏度和可靠性：

1、针对励磁涌流：

        二次谐波制动： 利用涌流中含有大量二次谐波（通常>15%-20%）而内部故障电流主要为基波的特点，当差电流中的二次谐波含量超过整定值时，闭锁差动保护出口。这是最常用、最有效的涌流制动方法。

        间断角原理/波形对称原理： 利用涌流波形存在间断角（不连续）或严重偏离时间轴不对称的特性，而内部故障电流波形基本连续对称的特点来识别涌流并闭锁保护。

        速饱和变流器（旧式继电器）： 利用涌流中非周期分量使变流器铁芯快速饱和，从而抑制差动继电器的传变作用。现代微机保护已较少直接采用。

        模糊逻辑、波形识别等智能算法（现代保护）： 综合运用多种特征（谐波、波形、幅值变化率等）更精确地识别涌流。

2、针对CT误差和饱和：

       选择高性能CT：

        高精度等级： 选择满足规程要求（如P级、PR级）及以上精度等级（如0.5级、0.2级）的CT。

        抗饱和能力： 对于系统短路容量大、非周期分量衰减时间常数长的场合，选用抗饱和能力强的CT，如TPY级（暂态保护型）、TPZ级（剩磁限制型）CT。这些CT铁芯带有气隙，剩磁小，不易饱和，能更好地传变暂态电流。

        增大变比裕度： 适当提高CT的变比（一次额定电流选择大于变压器额定电流），降低CT在故障电流下的磁通密度，减少饱和风险。

        减小CT二次负载： 优化二次回路设计，使用截面足够大的电缆，减少连接端子数量，以降低CT二次回路总阻抗（负载），使CT实际负担在其准确限值范围内。

        同型原则： 变压器各侧尽可能选用型号、特性（变比、容量、准确级、励磁特性）相同或相近的CT，减小特性差异带来的不平衡。

        设置制动特性： 差动保护的动作判据通常采用带制动特性的比率制动特性。动作电流（Id）不仅与差电流（Icd）有关，还与制动电流（Ir，通常取各侧电流的最大值或和电流）有关。当外部故障引起的不平衡电流增大时（此时Ir很大），动作门槛（Id>）自动抬高，防止误动；内部故障时，Icd很大而Ir相对较小，保护能灵敏动作。合理整定制动系数（斜率）能有效躲过外部故障下的最大不平衡电流（包括CT饱和引起的）。

        暂态校正算法（现代保护）： 微机保护可通过算法识别和补偿CT饱和引起的波形畸变。

3、针对调压分接头改变：

        设置平衡绕组（旧式继电器）： 通过切换平衡绕组的抽头来手动补偿分接头变化的影响。操作繁琐，现代保护已不用。

        动态调整补偿系数（现代微机保护）： 保护装置根据实时采集的分接头位置信号（通过有载调压分接开关位置触点或通讯获取），自动调整电流补偿的变比系数，消除因调压产生的不平衡电流。

        适当提高最小动作电流（Id>）和制动系数： 如果无法获取分接头位置，则在整定时需考虑分接头变化范围，适当提高定值以覆盖可能的最大不平衡电流，但这会牺牲一点内部轻微故障的灵敏度。

4、针对CT变比标准化和特性差异：

        精确计算与软件补偿： 在保护装置内部通过软件精确计算各侧CT变比不匹配所需的补偿系数（幅值补偿、相位补偿），将各侧二次电流折算到同一基准下（通常是高压侧或某一指定电压等级）。现代微机保护能实现非常精确的补偿。

        同型原则（如前所述）。

5、针对接线错误或接触不良：

        严格施工与验收： 严格按照图纸施工，确保CT极性、相位补偿（Y/Δ转换）接线正确无误。

        全面测试： 投运前和定期检验时，必须进行带负荷电流测试（六角图测试/向量检查），验证各侧电流的幅值、相位关系正确，差流在允许范围内（通常要求<5%额定电流）。

        保证连接可靠： 确保端子排、连接片压接紧固，接触电阻小。

6、针对内部轻微故障/绕组变形：

        设置灵敏的启动值和告警： 差动保护通常设有差流越限告警功能。当持续存在超过正常不平衡水平（但低于动作值）的差流时，发出告警信号，提示运行人员检查变压器状态（如进行油色谱分析、绕组变形测试等）。

        结合其他保护与监测： 依赖瓦斯保护（对铁芯、匝间故障灵敏）、油色谱在线监测、绕组变形在线监测等辅助手段进行综合判断。

总结

        变压器差动保护不平衡电流是不可避免的，其来源多样，包括励磁涌流、CT误差与饱和、调压分接头变化、设备差异、接线问题等。现代差动保护综合运用了二次谐波制动（或类似涌流识别原理）、比率制动特性、高性能CT的选择与应用、精确的软件补偿技术、动态分接头补偿以及严格的施工调试和检验规程等多种措施，有效地抑制了不平衡电流的影响，极大地提高了差动保护的可靠性和动作准确性，使其成为变压器最重要、最灵敏的主保护。在实际工程应用中，正确选型、整定、安装、调试和定期检验是保证差动保护性能的关键。