电力变压器差动保护研究现状与发展趋势

现状与展望

电力变压器差动保护研究现状与发展趋势

孙玉胜1，刘涛1，董宇1，申克2

(1 郑州轻工业学院 电气信息工程学院，河南 郑州 450002；2 中国化学工程第十一建设有限公司，河南 开封 475002)

摘 要：随着用电负荷和非线性电气元件的增加，传统的差动保护已经不能满足变压器保护的灵敏性和可靠性的需求。阐述了国内外变压器差动保护研究的发展历程，对其保护原理进行了分类总结，指出了现有保护原理存在的不足，并对变压器差动保护的研究方向进行了展望。

关键词：电力系统；变压器；差动保护；内外部故障；灵敏性；可靠性

中图分类号：TM41 文献标识码：A 文章编号：1007-3175(2016)12-0001-06

Research Status and Development Trend of Power

Transformer Differential Protection

SUN Yu-sheng󰀱, LIU Tao󰀱, DONG Yu󰀱, SHEN Ke2

（󰀱 College of Electrical and Information Engineering, Zhengzhou University of Light Industry, Zhengzhou 450002, China;

2 China Eleventh Chemical Construction Company Limited, Kaifeng 475002, China）

Abstract: With the increase of electrical load and nonlinear electrical component, the traditional differential protection hasn’t met the re-quirement of sensitivity and reliability of transformer protection in transformer protection. This paper expounded the development history of transformer differential protection at home and abroad, carried out classification summary for its protection principle, pointed out the existing deficiency of protection principle now available and carried out expectation for transformer differential protection.

Key words: electric power system; transformer; differential protection; internal and external fault; sensitivity; security

差动保护原理因具有良好识别内外部故障的能力，一直作为变压器的主保护而得到广泛应用。近些年来随着用电负荷和非线性电气元件的增加，差动保护存在误动或拒动的可能。针对差动保护的这一问题，国内外研究人员不断提出新的保护原理和判据，意图使变压器差动保护能够做到不拒动、不误动。本文旨在对目前变压器主要的差动保护原理进行阶段性的总结归纳，望对继电保护同行有所启发。

器正常运行或外部故障时两端电流大小相等、方向相反，差动保护不动作；内部故障时两端电流大小不等、方向相同，保护动作。保护判据为：

│Im+In│≥Iset (1)

式中：Im、In为两端电流矢量；Iset为动作阈值。电流差动保护可以有选择性地瞬时切除保护范围内各种故障，且原理简单，整定过程方便，计算量较小。但该保护仍存在一些问题，如变压器发生外部故障时，由于不平衡电流和非周期分量的存在，差动保护存在误动；动作电流需按照躲过外部短路时最大不平衡电流整定，不能同时兼顾保护的灵敏性和可靠性等。1.2 差动保护的改进

针对早期差动保护存在的问题，差动保护有所改进，引入了带有制动特性的差动保护。几种常见

1 变压器差动保护的发展历史

1.1 差动保护的提出

1904年，英国的C.H.Merz和B.Price首次提出电流差动保护，保护原理为：理想情况下，变压

基金项目：国家自然科学基金项目(51507157)

作者简介：孙玉胜(1964- )，男，教授，硕士，研究方向为电器微控制器设计、智能化仪器仪表及电气控制和测量； 刘涛(1990- )，男(回族)，硕士研究生，研究方向为变压器继电保护； 董宇(1990- )，女，硕士研究生，研究方向为变压器继电保护。

󰀱

电工电气 (20󰀱6 No.󰀱2)的带制动特性的差动保护判据如下。

1)以两侧电流矢量差为制动量：

│Im+In│-K│Im-In│≥Iset (2)

式中：K为制动系数。

2)以两侧电流幅值之和为制动量：

│Im+In│-K(│Im│+│In│)≥Iset (3)3)最大值制动：

│Im+In│＞K(│Im│，│In│)max (4) 4)固定门槛制动：

│Im+In│＞Iset (5)

5)标积制动：

│Im+In│＞-K│Im│·│In│cosθ (6)式中：θ为两端电流夹角。6)比率制动：

Id≥Io

I(7)

d≥KIr

式中：Id为动作电流；Ir为制动电流；Io为初始电流。

带制动特性的差动保护的动作电流随外部不平衡电流变化而变化，制动系数K不是固定值而是变化量，具有自动调节能力，可以兼顾保护的灵敏性和可靠性。但保护中制动量与负荷电流有关，差动保护的灵敏度受到负荷电流的影响和制约。1.3 差动保护的发展

由于带制动特性的差动保护要受到负荷电流的影响，灵敏度较低。因此，差动保护有了进一步的发展，出现了采样值差动保护、故障分量差动保护和零序、负序差动保护等。1.3.1 采样值差动保护

采样值差动保护原理是针对单个采样点是否满足判据方程进行判断的。若连续的R个电流采样点中有S个满足判据，就认为发生内部故障，则保护动作；遇到一个甚至几个坏数据时，只要坏数据的个数小于S个，保护均不会误判。保护判据为：

id＞Iset

i(8)

d＞KiT

式中：id为采样值动作电流；iT为采样值制动电流。其中id=│i1+i2│，iT=│i1-i2│，i1和i2为变压器两端电流瞬时值。

采样值差动保护在采样的过程中其采样指标S和R应该满足R-S≥2，而变压器的S和R可取(8、10)或(13、16)。采样保护动作模糊区会受采样次2

电力变压器差动保护研究现状与发展趋势数和S、R的影响，并且当R-S为偶数或奇数时，模糊区表达式不同[1]。

针对采样过程中可能存在坏点的问题，可以适当增加重复采样次数。当采样进入动作模糊区时，使用常规相量差动电流保护与其配合，从而提高保护的可靠性[2-3]。

采样值差动保护与常规相量差动保护相比动作更快，最快能够在1/4个工频周期保护动作。但该保护存在动作模糊区；采样点存在坏点的可能，影响保护的可靠性；提高采样率克服坏点现象需要增加硬件的投资成本；保护的灵敏度仍受到负荷电流影响。

1.3.2 故障分量差动保护

故障分量差动保护是在微机保护技术出现后才真正大量应用的。故障分量只在变压器发生故障时存在，正常运行时其值为零。故障分量比率差动保护判据为：

│ΔIm+ΔIn│≥Iset

│ΔIm+ΔIn│≥K│ΔIm-ΔIn│(9)

式中：ΔIm、ΔIn分别为线路两侧的工频故障分量。突变量作为稳态故障分量，可使用全波采样的方法提取其电流。与比率制动差动保护相比，突变量差动保护在内部故障时灵敏度较高且不易受故障处过渡电阻和负荷电流的影响；外部故障时具有较高可靠性，不会因个别暂态信号干扰而误动作[4]。

故障分量差动保护不受负荷电流的影响，有较强抗过渡电阻能力，可提高保护灵敏度。但故障分量存在时间较短，只存在故障发生后几个周期，为进一步提高可靠性，需要与其它差动保护配合使用。1.3.3 零序、负序差动保护

零序或负序电流差动保护是一种基于暂态故障分量的保护原理，可以有效地反映不对称故障。当变压器的内部发生不对称短路时，会存在暂态分量即零序分量或负序分量。保护判据分别为：

│Im0+In0│≥M0│Im0-In0│ (10)│Im2+In2│≥M2│Im2-In2│ (11)

式中：Im0、In0分别为两侧电流的零序分量，

M0为零序保护制动系数。Im2、In2分别为两侧电流

的负序分量，M2为负序保护制动系数。

当相间差动保护灵敏度不高时零序差动保护才可以发挥其作用，且零序差动保护存在死区，其死区的范围难以明确限定。如果考虑使用零序差动保

电力变压器差动保护研究现状与发展趋势护，需将它与别的差动保护配合使用，以提高保护正确动作率[5]。

变压器负序差动保护能够反映内部匝间故障时具有较高的灵敏度，存在更小的死区且不受负荷电流的影响，但其抗电流互感器饱和能力较弱[6]。

零序或负序电流差动保护不受负荷电流的影响，在重负荷区内高阻接地时能够灵敏动作。但保护范围受限，只能用于不对称故障分析，并且死区范围难以严格定义。1.4 差动保护的智能化

随着微机技术的成熟与普及应用，差动保护与微机技术结合使用成为了一种趋势，差动保护步入了智能化阶段。为了更好地提高保护的可靠性和灵敏性，继电保护工作者提出了模糊理论、人工神经网络、自适应技术和小波变换等一系列智能保护判据。1.4.1 基于模糊判据的差动保护

针对发生匝间短路且穿越性电流较大时突变量标积制动保护的不确定性，通过调节突变量和标积制动两种保护的模糊系数来改善保护的动作特性。其原理为当相位差偏离180°或趋于180°时，通过动态调节模糊系数可分别使保护制动作用减弱或加强[7]。保护判据为：

P1·J1·Δ│IΣ│+P2·J2·│I1│·│I2│cosθ＞0 (12)

式中：P1和P2为模糊系数；J1为突变量系数；J2

为标积系数；θ为I1和I2的相位差；Δ│IΣ│为电流差的突变量。

基于模糊判据的差动保护通过引入模糊系数，可以动态地改善判据的动作性能和制动性能。但与传统差动保护相比其理论较复杂，引入模糊系数后判据整定计算可能会很繁琐。

1.4.2 基于人工神经网络的差动保护

将神经网络与比率制动等保护通过逻辑和运算并联使用。在变压器内部故障时，不需要对比率差动的制动量反复调节，从而简化整定过程；在变压器外部故障时，因神经网络对电流互感器饱和的要求较低，无需考虑保护的抗饱和能力[8]。

根据人工神经网络的训练方法来寻找比率制动曲线的最佳斜率，从而获得由误差产生的不平衡电流特性曲线的最佳逼近，得到非线性的制动性能，从而减小保护误差[9]。

基于人工神经网络的差动保护优势是允许使用大量的输入量对变压器的状态进行完整的描述，判

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据的具体表达式由训练算法自动生成。但是使用神经网络方法需要用大量的样本进行训练，样本采集过程通常比较复杂；选取合适的神经网络算法来提高保护的灵敏性和可靠性也是一大问题。1.4.3 基于自适应技术的差动保护

带有控制因子的自适应差动保护的保护原理是通过实时检测故障电流的幅值和相位，调节控制因子的大小和正负，从而实现自动调整制动量的目的[10]。保护判据为：

Id≥[R1+S2·Q(B)]·Ir+Iset (13)式中：Q(B)是控制因子；R1为差动保护的制动系数；S2为比例常数。

基于相关系数的自适应比率制动差动保护通过计算变压器两侧电流相关系数的大小，可实现自动调整比率制动保护中制动系数的目的[11]。

基于自适应技术的差动保护根据系统运行状态可以自动调节动作量与制动量前的比例系数，最大限度逼近不平衡电流特性曲线，从而很好地兼顾保护的灵敏性和可靠性。但现在大部分研究主要停留在理论层面，且保护对硬件装置要求高，投资成本大。1.4.4 基于小波变换的差动保护

对故障电流进行db小波变换时发现，变压器内部故障时，两侧电流突变点模极大值的极性相同；发生外部故障时，突变点模极大值的极性相反。根据模极大值的极性相同与否，进而区分变压器内外部故障[12-13]。

基于小波变换差动保护不受电流互感器饱和、故障类型和过渡电阻的影响，可以检测匝间故障。但该保护对处理数据的实时性和硬件采样率要求较高；进行高尺度分解将引起数据窗和计算量的增大。

2 变压器差动保护研究现状

进入21世纪差动保护发展的新时期，关于差动保护的研究主要分为两大方向：(1)差动保护的进一步改进；(2)新类型的差动保护。2.1 差动保护的进一步改进2.1.1 故障分量差动保护的改进

故障变化量相关差动保护原理是根据故障时的相关度大小，从而区分故障类型。优点是故障变化量存在时间长，五、六个周期后仍能发挥作用，从而提高了保护作用时长。缺点是其保护性能随着时间推移

󰀳

电工电气 (20󰀱6 No.󰀱2)逐渐降低，需要另外附加其它保护与之配合[14]。

基于故障分量的相位相关电流差动保护主要根据故障分量相位差区分内外部故障，其保护判据为：

Id=│ΔIm│+K│ΔIn│cosφ＞Iset (14)

式中：φ为两侧故障电流的夹角。

基于故障分量的相位相关电流差动保护的优点是随着制动系数增加，可提高内部故障时灵敏性和外部故障时可靠性，不受负荷电流和故障处过渡电阻的影响。但当ΔIm和ΔIn的幅值降低到无法准确计算两者之间夹角时，判据失去使用价值；区外故障伴随电流互感器饱和时保护可能会误动[15]。

基于相关分析的故障电流差动保护原理是根据内外部故障时两侧故障电流的幅值与相位夹角的差异，从而区分故障类型。保护判据为：

E(t)= 12

│ΔIm│·│ΔIn│cosθ≥Es(15)

式中：E(t)为与两侧故障电流积分值有关的动作量；Es为整定值。

基于相关分析的故障电流差动保护原理的优点是能够全面考虑故障电流的幅值和相位信息，其性能优于常规相量差动保护。缺点是相关判据的判别结果受故障分量电流的初始角影响较大，动作门槛的整定存在一定的困难[16-17]。

以上三种基于故障分量的保护原理共同的不足是故障分量存在时间短。此外，采样值和瞬时值差动要受到采样速度限制；故障分量浮动比率差动值的选取范围虽然比传统的比率制动的大些，但仍要考虑选取适当K值[18-20]。2.1.2 智能差动保护的改进

基于模糊逻辑原理的改进型差动保护，其隶属度函数可由变压器一次侧和二次侧的电压、频率和电流获得。根据模糊分析隶属度函数的大、中、小值来识别变压器的运行状况并决定是否向断路器发出跳闸信号[21]。

基于神经网络结构的改进型差动保护，使用PSO算法训练多层前馈神经网络。与传统BPN算法相比，该训练算法的精度和速度均有所提高[22]。

基于自适应原理的改进型差动保护，根据变压器动作情况和工作条件自动调节比例微分参数特征(如初始电流、约束系数和当前曲线拐点的斜率特征)，从而改善变压器保护的灵敏性和安全性[23]。

基于小波变换的改进型差动保护，使用db4小4

电力变压器差动保护研究现状与发展趋势波分解故障电流信号中的低频分量并使用低频分量系数识别内外部故障电流；或者使用极大重叠离散小波变换检测和识别故障电流暂态信号，从而区分变压器故障类型[24-25]。2.2 新类型的差动保护2.2.1 基于时差关系的差动保护

基于时差关系的差动保护通过采用多分辨率形态学梯度的方法确定相电压变化和差动电流出现的时间差。当检测的时间差不超过阈值3ms时，判定为内部故障；否则判定为外部故障。该原理保护动作快，一般在半个周波内出口保护动作，且能够正确识别转换型故障[26]。

基于时差的差动保护原理需要提取故障电流波形特征和比较内外部故障电流波形的差异，目前尚未有大量工程数据验证提出的原理是否适用于变压器保护的实际环境中。

2.2.2 基于非周期分量的差动保护

基于非周期分量的原理是当内部故障时非周期分量表现为故障电流，两侧非周期分量的电流方向相同，此时保护动作；当外部故障时表现为穿越性电流，两侧非周期分量的电流方向相反，此时保护闭锁。通过检测非周期分量电流方向可以准确区分变压器内外部故障[27]。保护判据为：(1)外部故障，│I1ac+I2ac│＜│I1ac-I2ac│；(2)内部故障，│I1ac+I2ac│＞│I1ac-I2ac│。其中，I1ac、I2ac分别是变压器一、二次侧非周期分量。

该保护不受故障类型、位置和过渡电阻的影响，但存在提取非周期分量的算法较为复杂，非周期分量值较小时容易出现保护拒动等问题。 2.2.3 基于波形分析的差动保护

为了避免变压器外部故障伴随电流互感器饱和时差动保护误动作的发生，采用数学形态学提取差动电流波形特征，只需要检测故障发生的瞬间时刻，而不再需要差动电流出现的瞬时时刻。采用数学形态学分析波形的差动保护不仅能正确区分内外部故障，还能识别转换性故障[28]。

通过在互相关算法中引入自相关系数，从而提高保护在短时间内检测故障的安全性和速动性。该算法能够正确识别变压器内外部故障和内部匝间故障，且能够在故障发生0.4ms后检测到故障[29]。

基于波形分析的差动保护优点是避免考虑外部短路时不平衡电流对差动保护的影响；在发生外部故

电力变压器差动保护研究现状与发展趋势障且伴随有电流互感器严重饱和时能保证保护不误动；数据窗较短有利于提高保护速度。但在特殊情况下如出现励磁涌流或电流互感器断线，可能会对提取电流的精度产生不利影响，从而得到错误结果。2.2.4 其他新类型的差动保护

故障分量比相保护根据变压器内部故障时两侧电流故障分量同方向，两个故障分量的符号函数sgn为正值；而外部故障时两侧电流故障分量反方向，符号函数sgn为负值，进行故障类型的识别[30]。全波形积分式电流差动保护利用1/4工频周期的动作电流波形和制动电流波形的积分值作为保护判据，可提高保护速度[31]。相位相关的电流差动保护，当变压器内外部故障时，增大制动系数K可以分别增大保护的动作量和制动量，即K值越大保护越灵敏可靠[32]。基于time-time(T-T)变换的差动保护，当变压器发生内外部故障时，根据T-T变换对差动电流信号分析和计算T-T矩阵，决定是否出口保护动作信号[33]。基于双曲S变换的差动保护原理，计算差动电流S变换矩阵的绝对偏差作为区分故障类型的指标[34]。

3 变压器差动保护发展趋势与展望

1)自适应技术、神经网络等带智能性质的保护原理与传统差动保护相比，大多已将保护的灵敏性和可靠性考虑在内，能够自动调节动作特性参数，保护动作时间短，一般在20ms内能够可靠地区分出变压器内外部故障，依然是未来变压器差动保护研究的一个方向。

2)交叉学科的出现，给差动保护带来了进一步完善、发展和创新的机遇。将变压器差动保护与DSP技术相结合，随着未来硬件成本的降低和计算性能增加，可以大幅提高差动保护装置的快速和实时处理故障数据的能力，实现较复杂的运行工况的判断与识别。将每个变压器的差动保护装置通过计算机网络进行连接，共享电力系统运行和故障信息的数据，从而获得更多的系统运行和故障信息，真正实现差动保护对变压器各种运行工况的自适应。

3)随着短路电流的增大，传统电流互感器饱和也越来越严重。现在已有相关研究利用电流互感器饱和识别原理来闭锁差动保护，但解决的还不够完美。随着未来电子式互感器的技术发展及成本降

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低，电子式互感器的应用会越来越广泛。由于电子式互感器不会带来磁通饱和，可减小传变误差，将电子式互感器应用到差动保护原理中，相信将成为未来差动保护识别故障，避免区外故障误动的一个发展趋势。

4)根据内外故障电流的不同实现故障判别的建议：(1)根据内外故障电流波形出现峰值时刻的不同，选取合适的分段函数近似拟合内外故障电流波形，观察拟合曲线变化的加速度、凸凹性或者其他特征。(2)内部故障时差流的峰值小，外部故障时差流的峰值大，根据差流波形峰值的大小与设置阈值进行比较，区分内外故障。(3)根据内外故障的波形不同，选取一个函数分别与它们进行相关度测试，根据相关度的正负或大小来判断。

4 结语

随着用电负荷的快速增长，电力系统规模的持续扩大，输电电压等级的不断升高，对于变压器的继电保护要求更为严格。传统的差动保护已经不能满足变压器保护的灵敏性和可靠性的需求，有必要进一步研究新型的差动保护原理。本文对变压器差动保护进行了综述，在总结国内外现有技术和研究现状的基础上，对保护原理进行了分类研究并指出了现有保护原理存在的不足，最后探讨了变压器差动保护进一步的研究方向。

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收稿日期2016-09-02