实验内容 实验二 变压器差动保护实验
（一）实验目的
1．熟悉变压器纵差保护的组成原理及整定值的调整方法。
2．了解 Y∕Δ接线的变压器，其电流互感器二次接线方式对减少不平衡电流的影响。
3．了解差动保护制动特性的特点。
（二）变压器纵联差动保护的基本原理 1．变压器保护的配置
变压器是十分重要和贵重的电力设备，电力部门中使用相当普遍。变压器如发生故障将给供电的可靠性带来严重的后果， 因此在变压器上应装设灵敏、快速、可靠和选择性好的保护装置。
变压器上装设的保护一般有两类：一种为主保护，如瓦斯保护，差动保护；另一种称后备保护，如过电流保护、低电压起动的过流保护等。
本试验台的主保护采用二次谐波制动原理的比率制动差动保护。
2．变压器纵联差动保护基本原理
如图7-1所示为双绕组纵联差动保护的单相原理说明图，元件两侧的电流互感器的接线应使在正常和外部故障时流入继电器的电流为两侧电流之差，其值接近于零，继电器不动作；内部故障时流入继电器的电流为两侧电流之和，其值为短路电流，继电器动作。但是，由于变压器高压侧和低压侧的额定电流不同，为了保证正常和外部故障时，变
压器两侧的两个电流相等，从而使流入继电器的电流为零。即：
式中：KTAY、KTA△——分别为变压器 Y 侧和△侧电流互感器变比； KT——变压器变比。
显然要使正常和外部故障时流入继电器的电流为零，就必须适当选择两侧互感器的变比，使其比值等于变压器变比。但是，实际上正常或外部故障时流入继电器的电流不会为零，即有不平衡电流出现。原因是： （1）各侧电流互感器的磁化特性不可能一致。
（2）为满足（7-1）式要求，计算出的电流互感器的变比，与选用的标准化变比不可能相同；
（3）当采用带负荷调压的变压器时，由于运行的需要为维持电压水平，常常变化变比 KT，从而使（7-1）式不能得到满足。
（4）由图 7-1可见，变压器一侧采用△接线，一侧采用Y
接线，因而两侧电
流的相位会出现 30°的角度差，就会产生很大的不平衡电流（见图7-2）。 （5）由于电力系统发生短路时，短路电流中含有非周期分量，这些分量很难感应到二次侧，从而造成两侧电流的误差；
（6）分析表明，当变压器空载投入和外部故障切除后，电压恢复时，有可能出现很大的变压器激励电流，通称为激励涌流。由于涌流只流过变压器的一侧，其值又可达到额定电流6~8倍，常导致差动保护的误动。
为了要实现变压器的纵联差动保护，就要努力使（7-1）式得到满足，尽量减少不平衡电流，上述六种因素中有些因素因为其数值很小，有些因素因为是客观存在不能人为改变的， 故常常在整定计算时将它们考虑在可靠系数中。 本试验台上学生可以自己动手接线，将两侧电流互感器副方的电流接入微机保护，若接线正确，则流入微机保护的差电流近似为零，否则差电流较大，如图7-2所示。Y侧与△侧的一次电流有 30°的误差，因此可以将 Y 侧电流互感器二次电流接成△，△侧的二次电流接成 Y 进行校正。
变压器差动保护中，虽然采用了种种办法来减少不平衡电流的影响，但是不平衡电流仍然比较大，而且其值随着一次穿越变压器的短路电流的增大而增大，这种关系可近似用图 7－3 的直线 1 来描述。若变压器差动保护的动作电流按躲开外部故障的最大短路电流来整定， 如图7－3的直线2，可见保护的动作电流较大，这时对于短路电流较小的内部故障，灵敏度往往不能满足要求。
如果能利用变压器的穿越电流来产生制动作用，使得穿越电流大时，
产生的
制动作用大，穿越电流小时，产生的制动作用小，并且使保护的动作电流也随制动作用的大小而改变，即制动作用大时，动作电流大些，制动电流小时， 动作电流也小， 那么在任何外部短路电流的情况下，差动保护的动作电流都能大于相应的不平衡电流，从而既提高灵敏度，又不致误动作，差动保护的制动特性曲线如图7-3的曲线 3所示，曲线3上方阴影部分的区域为差动保护的动作区。
曲线 3中 A点对应为差动保护的最小动作电流 Ipu.0，一般取（0.25～0.5）IN。Ipu.0小时保护较灵敏。B 点对应的制动电流，一般取（0.8-1.2）IN。当 B 点取值小时，保护不易动作。曲线 3 的斜率 tgα，视不平衡电流的大小程度确定，一般取tgα=0.25～0.5 之间。当斜率小时，差动保护动作较灵敏。
【变压器低压出口三相短路电流为容量的150倍除以变压器短路阻抗百分数（精确时为144倍）】
【最大的短路电流倍数是短路阻抗的倒数。如果是4%的阻抗，那么他的最大的短路电流倍数是100/4=25倍。如果高压侧的额定电流是100A，那么最大的短路电流是：100*25=2500A。】 本试验台微机变压器差动保护制动特性的 A、B 点，在实验时可以通过整定进行改变，调节 A点或B可检查制动特性曲线对保护的影响。
在空载变压器或外部故障切除后恢复供电的情况下，可能出现的激磁涌流，因为它只流过变压器的一侧，常常导致差动保护误动作，给差动保护的实现带来困难。分析表明，在电源电压 U=0 时，投入空载变压器，就有可能出现最大激磁涌流，在电源电压 U=Umax 时投入空载变压器，则激磁涌流可能很小。 本试验台上学生可以通过合闸空载变压器观察激磁涌流的情况。 分析表明，空载投入变压器时，出现的激磁涌流具有三大特点： （1）涌流中有很大的非周期分量；
（2）涌流波形经削去负波之后出现间断；
（3）涌流中具有大量的高次谐波分量，其中以二次谐波为主。所以变压器差动保护中，常常利用二次谐波作为制动量以躲开激磁涌流的影响（实用上也可以用其他方法，例如利用判别间断角原理等）。
本试验台的微机差动保护为躲开激流涌流的影响， 是利用二次谐波作为制动量。（I1-6I2）>0 判为内部故障；（I1-6I2）
微机变压器差动保护的典型硬件结构图与图5-1一样。
微机变压器差动保护采用图7-3所示的制动特性，这部分的软件基本框图如图 7-4所示。
（三）实验内容
变压器差动保护实验的一次系统图如图7-5所示。
实验变压器高压侧为 Y 形接法，线电压为 220V，低压侧为Δ形接法，线电压为 127V。高、低压侧变比为 3：1；线路正常运行方式下低压侧每相负荷电阻为 61Ω。
1）变压器内部故障实验
（1）根据图7-6完成实验接线，为了测量变压器副边电压的大小，将交流电压表并接到PT测量插孔。
（2）将调压器电压调节调至0V。
（3）将系统阻抗切换开关SAV3 置于“正常”位置，将故障转换开关 SAV1 置于“线路”位置。
（4）合上三相电源开关，合上微机装置电源开关，根据附录二中介绍方法将有关整定值的大小设置为理论计算值，将保护功能投入。
（5）合上直流电源开关；合上模拟断路器1KM、2KM。
（6）调节调压器，使变压器副边电压从 0V慢慢上升到 50V，模拟系统无故障运行。
从微机装置上记录变压器两侧 CT二次侧测量电流幅值的大小。然后将故障转换开关 SAV1 置于“区内”位置。此时从硬件电路上将变压器副方CT 一次回路短接了，因此这时变压器副方 CT二次侧测量电流幅值基本为 0A。
（7）将短路电阻滑动头调至50％处。 （8）合上短路模拟开关SA、SB。
（9）合上短路操作开关 3KM，模拟系统发生两相短路故障，此时负荷灯全熄，模拟断路器 1KM、2KM 断开，将有关实验数据记录在表7-3中。
（10）断开短路操作开关 3KM，合上 1KM、2KM 恢复无故障运行。
（11）改变步骤（4）中短路电阻的大小，如取值分别为8Ω或10Ω，或步骤（8）中短路模拟开关的组合，重复步骤（9）和（10），将实验结果记录于下表中。
（12）实验完成后，使调压器输出电压为0V，断开所有电源开关。
（四）思考题
1．差动继电器中为什么要引入二次谐波制动？ 答：保护装置在变压器空载投入和外部故障切除电压恢复时，利用二次谐波分量进行制动；内部故障时，利用基波进行保护；外部故障时，利用比例制动回路躲过不平衡电流。
2.请说明差动继电器的穿越制动曲线的作用。
答：利用变压器的穿越电流来产生制动作用，使得穿越电流大时，产生的制动作用大，穿越电流小时，产生的制动作用小，并且使保护的动作电流也随制动作用的大小而改变，即制动作用大时，动作电流大些，制动电流小时，动作电流也小， 那么在任何外部短路电流的情况下，差动保护的动作电流都能大于相应的不平衡电流，从而既提高灵敏度，又不致误动作，差动保护的制动特性曲线如图7-3的曲线 3所示，曲线3上方阴影部分的区域为差动保护的动作区。
3．变压器差动保护中产生不平衡电流的因素有哪些？ 答：不平衡电流产生的原因： （１）励磁涌流的影响 （２）绕组连接方式不同的影响 （３）实际变比与计算变比不同的影响
（４）改变调压档位引起的不平衡电流及克服措施 （５）型号不同产生的不平衡电流
实验内容 实验二 变压器差动保护实验
（一）实验目的
1．熟悉变压器纵差保护的组成原理及整定值的调整方法。
2．了解 Y∕Δ接线的变压器，其电流互感器二次接线方式对减少不平衡电流的影响。
3．了解差动保护制动特性的特点。
（二）变压器纵联差动保护的基本原理 1．变压器保护的配置
变压器是十分重要和贵重的电力设备，电力部门中使用相当普遍。变压器如发生故障将给供电的可靠性带来严重的后果， 因此在变压器上应装设灵敏、快速、可靠和选择性好的保护装置。
变压器上装设的保护一般有两类：一种为主保护，如瓦斯保护，差动保护；另一种称后备保护，如过电流保护、低电压起动的过流保护等。
本试验台的主保护采用二次谐波制动原理的比率制动差动保护。
2．变压器纵联差动保护基本原理
如图7-1所示为双绕组纵联差动保护的单相原理说明图，元件两侧的电流互感器的接线应使在正常和外部故障时流入继电器的电流为两侧电流之差，其值接近于零，继电器不动作；内部故障时流入继电器的电流为两侧电流之和，其值为短路电流，继电器动作。但是，由于变压器高压侧和低压侧的额定电流不同，为了保证正常和外部故障时，变
压器两侧的两个电流相等，从而使流入继电器的电流为零。即：
式中：KTAY、KTA△——分别为变压器 Y 侧和△侧电流互感器变比； KT——变压器变比。
显然要使正常和外部故障时流入继电器的电流为零，就必须适当选择两侧互感器的变比，使其比值等于变压器变比。但是，实际上正常或外部故障时流入继电器的电流不会为零，即有不平衡电流出现。原因是： （1）各侧电流互感器的磁化特性不可能一致。
（2）为满足（7-1）式要求，计算出的电流互感器的变比，与选用的标准化变比不可能相同；
（3）当采用带负荷调压的变压器时，由于运行的需要为维持电压水平，常常变化变比 KT，从而使（7-1）式不能得到满足。
（4）由图 7-1可见，变压器一侧采用△接线，一侧采用Y
接线，因而两侧电
流的相位会出现 30°的角度差，就会产生很大的不平衡电流（见图7-2）。 （5）由于电力系统发生短路时，短路电流中含有非周期分量，这些分量很难感应到二次侧，从而造成两侧电流的误差；
（6）分析表明，当变压器空载投入和外部故障切除后，电压恢复时，有可能出现很大的变压器激励电流，通称为激励涌流。由于涌流只流过变压器的一侧，其值又可达到额定电流6~8倍，常导致差动保护的误动。
为了要实现变压器的纵联差动保护，就要努力使（7-1）式得到满足，尽量减少不平衡电流，上述六种因素中有些因素因为其数值很小，有些因素因为是客观存在不能人为改变的， 故常常在整定计算时将它们考虑在可靠系数中。 本试验台上学生可以自己动手接线，将两侧电流互感器副方的电流接入微机保护，若接线正确，则流入微机保护的差电流近似为零，否则差电流较大，如图7-2所示。Y侧与△侧的一次电流有 30°的误差，因此可以将 Y 侧电流互感器二次电流接成△，△侧的二次电流接成 Y 进行校正。
变压器差动保护中，虽然采用了种种办法来减少不平衡电流的影响，但是不平衡电流仍然比较大，而且其值随着一次穿越变压器的短路电流的增大而增大，这种关系可近似用图 7－3 的直线 1 来描述。若变压器差动保护的动作电流按躲开外部故障的最大短路电流来整定， 如图7－3的直线2，可见保护的动作电流较大，这时对于短路电流较小的内部故障，灵敏度往往不能满足要求。
如果能利用变压器的穿越电流来产生制动作用，使得穿越电流大时，
产生的
制动作用大，穿越电流小时，产生的制动作用小，并且使保护的动作电流也随制动作用的大小而改变，即制动作用大时，动作电流大些，制动电流小时， 动作电流也小， 那么在任何外部短路电流的情况下，差动保护的动作电流都能大于相应的不平衡电流，从而既提高灵敏度，又不致误动作，差动保护的制动特性曲线如图7-3的曲线 3所示，曲线3上方阴影部分的区域为差动保护的动作区。
曲线 3中 A点对应为差动保护的最小动作电流 Ipu.0，一般取（0.25～0.5）IN。Ipu.0小时保护较灵敏。B 点对应的制动电流，一般取（0.8-1.2）IN。当 B 点取值小时，保护不易动作。曲线 3 的斜率 tgα，视不平衡电流的大小程度确定，一般取tgα=0.25～0.5 之间。当斜率小时，差动保护动作较灵敏。
【变压器低压出口三相短路电流为容量的150倍除以变压器短路阻抗百分数（精确时为144倍）】
【最大的短路电流倍数是短路阻抗的倒数。如果是4%的阻抗，那么他的最大的短路电流倍数是100/4=25倍。如果高压侧的额定电流是100A，那么最大的短路电流是：100*25=2500A。】 本试验台微机变压器差动保护制动特性的 A、B 点，在实验时可以通过整定进行改变，调节 A点或B可检查制动特性曲线对保护的影响。
在空载变压器或外部故障切除后恢复供电的情况下，可能出现的激磁涌流，因为它只流过变压器的一侧，常常导致差动保护误动作，给差动保护的实现带来困难。分析表明，在电源电压 U=0 时，投入空载变压器，就有可能出现最大激磁涌流，在电源电压 U=Umax 时投入空载变压器，则激磁涌流可能很小。 本试验台上学生可以通过合闸空载变压器观察激磁涌流的情况。 分析表明，空载投入变压器时，出现的激磁涌流具有三大特点： （1）涌流中有很大的非周期分量；
（2）涌流波形经削去负波之后出现间断；
（3）涌流中具有大量的高次谐波分量，其中以二次谐波为主。所以变压器差动保护中，常常利用二次谐波作为制动量以躲开激磁涌流的影响（实用上也可以用其他方法，例如利用判别间断角原理等）。
本试验台的微机差动保护为躲开激流涌流的影响， 是利用二次谐波作为制动量。（I1-6I2）>0 判为内部故障；（I1-6I2）
微机变压器差动保护的典型硬件结构图与图5-1一样。
微机变压器差动保护采用图7-3所示的制动特性，这部分的软件基本框图如图 7-4所示。
（三）实验内容
变压器差动保护实验的一次系统图如图7-5所示。
实验变压器高压侧为 Y 形接法，线电压为 220V，低压侧为Δ形接法，线电压为 127V。高、低压侧变比为 3：1；线路正常运行方式下低压侧每相负荷电阻为 61Ω。
1）变压器内部故障实验
（1）根据图7-6完成实验接线，为了测量变压器副边电压的大小，将交流电压表并接到PT测量插孔。
（2）将调压器电压调节调至0V。
（3）将系统阻抗切换开关SAV3 置于“正常”位置，将故障转换开关 SAV1 置于“线路”位置。
（4）合上三相电源开关，合上微机装置电源开关，根据附录二中介绍方法将有关整定值的大小设置为理论计算值，将保护功能投入。
（5）合上直流电源开关；合上模拟断路器1KM、2KM。
（6）调节调压器，使变压器副边电压从 0V慢慢上升到 50V，模拟系统无故障运行。
从微机装置上记录变压器两侧 CT二次侧测量电流幅值的大小。然后将故障转换开关 SAV1 置于“区内”位置。此时从硬件电路上将变压器副方CT 一次回路短接了，因此这时变压器副方 CT二次侧测量电流幅值基本为 0A。
（7）将短路电阻滑动头调至50％处。 （8）合上短路模拟开关SA、SB。
（9）合上短路操作开关 3KM，模拟系统发生两相短路故障，此时负荷灯全熄，模拟断路器 1KM、2KM 断开，将有关实验数据记录在表7-3中。
（10）断开短路操作开关 3KM，合上 1KM、2KM 恢复无故障运行。
（11）改变步骤（4）中短路电阻的大小，如取值分别为8Ω或10Ω，或步骤（8）中短路模拟开关的组合，重复步骤（9）和（10），将实验结果记录于下表中。
（12）实验完成后，使调压器输出电压为0V，断开所有电源开关。
（四）思考题
1．差动继电器中为什么要引入二次谐波制动？ 答：保护装置在变压器空载投入和外部故障切除电压恢复时，利用二次谐波分量进行制动；内部故障时，利用基波进行保护；外部故障时，利用比例制动回路躲过不平衡电流。
2.请说明差动继电器的穿越制动曲线的作用。
答：利用变压器的穿越电流来产生制动作用，使得穿越电流大时，产生的制动作用大，穿越电流小时，产生的制动作用小，并且使保护的动作电流也随制动作用的大小而改变，即制动作用大时，动作电流大些，制动电流小时，动作电流也小， 那么在任何外部短路电流的情况下，差动保护的动作电流都能大于相应的不平衡电流，从而既提高灵敏度，又不致误动作，差动保护的制动特性曲线如图7-3的曲线 3所示，曲线3上方阴影部分的区域为差动保护的动作区。
3．变压器差动保护中产生不平衡电流的因素有哪些？ 答：不平衡电流产生的原因： （１）励磁涌流的影响 （２）绕组连接方式不同的影响 （３）实际变比与计算变比不同的影响
（４）改变调压档位引起的不平衡电流及克服措施 （５）型号不同产生的不平衡电流