（长江勘测规划设计研究有限责任公司，武汉430010）
[摘要] 由于在速动性、灵敏性和准确性方面的优异性能，电流纵差保护作为变压器主保护的首选，已经被广泛应用。然而高压小容量变压器额定工作电流偏小、短路电流偏大，会造成电流纵差保护应用障碍。根据是否允许变压器高压侧电流互感器在短路时饱和，将电流纵差保护在高压小容量变压器上的应用方式分为两类，并着重分析了电流互感器在不饱和方式下，实际应用中造成纵差保护平衡系数报警和差动启动电流越限的原因，给出了相应的解决建议。
关键词 电流纵差保护 高压小容量变压器 平衡系数 差动启动电流 高压厂用变
0 引言
电流纵差保护作为高压变压器最常见的电气量主保护，已广泛应用于生产实践。根据国家标准规定，电压在10kV以上、容量在10MVA及以上的变压器应配置电流纵差保护作为主保护，但是高压变压器容量偏小往往造成电流纵差保护应用困难。本文将从工程应用角度出发，探讨造成这些困难的原因及解决办法。
1 高压小容量变压器的运用及其保护配置依据
根据变压器制造成本差异，各电压等级变压器均有相应的经济容量，就高压小容量变压器本身而言，它肯定是不经济的。当用电容量偏小时，合理方法应该是降低变压器的电压等级。然而，大型工程外部条件复杂，为了使工程整体更经济合理，需要综合考虑其它因素，如远期用电负荷、输变电线路通道稀缺性等。从工程整体角度考虑，高压小容量变压器的运用是合理的。工程中，高压小容量变压器常用于以下两种情况。
（1）大型水电站的高压厂用变，如某水电站18kV高压厂用变容量为3×1600kVA。
（2）施工电源变电站的主变或小型工业项目变电站的主变，如某梯级水电站的施工变电站220kV主变容量为63MVA，110kV主变容量为16MVA，某钢铁集团公司一个车间变电站110kV主变容量仅为7000kVA。
根据国家关于变压器差动保护设置的相关标准[1]，电压在10kV以上、容量在10MVA及以上的变压器需采用纵差保护；对于电压为10kV的重要变压器，当电流速断保护灵敏度不符合要求时也可采用纵差保护。因此，对于上述高压变压器，虽然容量小，但也应该配置纵差保护。
2 电流纵差保护原理
电流纵差保护的核心原理是基尔霍夫电流定律。当内部短路故障时，保护区域内存在故障电流回路，所以变压器各分支的电流矢量和不为零，理论上等于故障电流，如图1中故障1；当正常运行或外部短路故障时，保护区域内没有故障电流回路，所以理论上变压器各分支的电流矢量和为零，如图1中故障2。
图1电流纵差保护基本原理图
原理上，微机保护装置已经比较圆满地解决了纵差保护应用中常见的励磁涌流、区外故障闭锁、电流互感器二次回路断线、幅值补偿和相位补偿等问题，因此使用微机差动保护后，仅需关注不平衡电流问题；而在工程应用中，还应注意平衡系数和差动门槛问题。
3 纵差保护在小容量高压变压器上的应用
根据高压侧电流互感器的选配原则不同，目前纵差保护应用于小容量变压器主要有两种方式：第一种，允许高压侧电流互感器在区内短路故障时饱和；第二种，避免高压侧电流互感器在区内短路故障时饱和。需要指出的是，不管那种方式，均需避免区外故障时低压侧电流互感器饱和，否则保护将误动[2]。
3.1第一种应用方式
第一种应用方式的典型是大型水电站的高压厂用变纵差保护，如三峡水电站、构皮滩水电站的高压厂用变均配置了纵差保护，其主要用途是弥补主变差动保护的保护死区。这种保护配置方式的理由是，在主变差动保护定值整定过程中，为确保主变差动保护在区外故障时不误动，其启动门槛值需大于主变的最大不平衡电流，并保有一定裕度，所以其定值最终往往会大于高压厂用变内部或低压侧短路时的短路电流，因此发生此类短路时，主变保护将拒动，故障需通过高压厂用变纵差保护出口跳闸来快速切除。
在主变差动保护的配合下，高压厂用变纵差保护可在区内高压侧短路时拒动，因此选择高压厂用变两侧电流互感器时，仅需考虑主变差动保护启动门槛对应的短路电流和高压厂用变低压侧的短路电流，而不需考虑高压厂用变高压侧短路的大电流和暂态过程。正因如此，往往选择常规的P级电流互感器即可满足要求，变比也不会偏大。另外，若采用新型标积制动型差动保护[3]，还可以进一步降低对电流互感器的要求。
这种应用方式的优点是，用于变压器纵差保护的电流互感器选型方便，不需使用昂贵且体积较大的TP级互感器，节约成本、安装方便。然而，该应用方式仅适用于大型发电厂的高压厂用变，其它高压小容量变压器更适合使用第二种方式。
3.2第二种应用方式
对于配置了纵差保护的变电站主变，一般都没有其它主保护能够替代纵差保护去准确灵敏地切除区内故障，所以必须保证主变高压侧电流互感器在各种短路情况下不饱和。
高压小容量变压器额定容量小、高压侧短路电流大，往往造成其额定电流远小于保护用电流互感器的额定一次电流。这种情况虽然不影响纵差保护的工作原理，但实际上易造成微机保护装置整定困难，具体表现为平衡系数报警和差动启动电流越限。
3.2.1平衡系数报警
平衡系数的作用是将保护装置实测的变压器各侧电流值归算到统一的计算基准下，以便进行差流计算，其计算方法因基准侧而异[4]。在差动保护计算原理中，平衡系数是没有数值限制的，但在实际工程应用中，一般都有数值限制。如某主流110kV变压器保护装置的平衡系数不能超过2.3，某主流220kV及以上电压等级变压器保护装置的各侧平衡系数相差不能超过16倍，否则均会发出平衡系数出错报警。
高压系统的短路电流往往较大，为了保证保护用电流互感器不饱和，电流互感器的一次额定电流会比较大。然而，无论是哪种计算方法，影响平衡系数的主要因素都是电流互感器的额定一次电流，所以在满足其它参数要求的情况下，最根本的解决方法只能是通过提高电流互感器的准确限制倍数来降低额定一次电流，从而减小平衡系数。
平衡系数越限报警时，一般需向保护设备厂家提供系统参数，以便厂家修改保护装置内部的固化程序。然而，虽然厂家可通过修改程序来放松限制，但是受保护装置软件设计与硬件配合影响，平衡系数仍存在上限，如某主流110kV变压器保护装置默认的平衡系数不能超过2.3，修改固化程序后，平衡系数仍不能超过32。
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