暫態不平衡電流對變壓器差動保護的影響

李紅衛，彭 沖

(邯鄲供電公司，河北 邯鄲 056035)

電力變壓器是電力系統中重要的電氣設備，它的安全性和穩定性對整個電力系統具有重要意義。因此需要為變壓器裝設性能良好、工作可靠的繼電保護裝置，以盡快發現故障并將其清除[1]。長期以來，變壓器差動保護因其選擇性好、動作速度快等優點，已成為變壓器電量保護中的主保護。統計表明[2]，2004-2008年，國家電網公司220 kV及以上等級變壓器保護的平均正確動作率僅為91.17%，低于100 MW發電機和220 kV及以上等級線路保護的99.30%和93.29%，造成這種局面的重要原因之一是變壓器不平衡電流識別及其引起的保護誤動問題。暫態不平衡電流對變壓器差動保護的影響較復雜，如何區分暫態不平衡電流與變壓器內部故障是差動保護研究的重點和難點[3-5]。以下就暫態不平衡電流對變壓器差動保護的影響進行分析。

1 不平衡電流

變壓器差動保護中差流回路流過的不平衡電流主要包括[1]：由變壓器兩側電流相位不同而產生的不平衡電流；由計算變比與實際變比不同而產生的不平衡電流；由兩側電流互感器型號不同而產生的不平衡電流；由變壓器帶負荷調整分接頭而產生的不平衡電流；由變壓器勵磁涌流所產生的不平衡電流。上述不平衡電流中，前4項電流可以統稱為穩態不平衡電流[6]，第5項勵磁涌流與變壓器和應涌流可以概括為暫態不平衡電流。近年來有多起空投變壓器導致相鄰變壓器或發電機差動保護、后備保護誤動的現象出現，經分析與和應涌流有關，和應涌流因其危害性、復雜性和隱蔽性引起繼電保護界的關注[7]。

2 暫態不平衡電流對變壓器差動保護的影響

2.1 勵磁涌流對變壓器差動保護的影響

變壓器勵磁電流僅流經變壓器接通電源的那一側，因此構成了差動回路中的不平衡電流。變壓器發生內部故障時將產生高于額定電流幾倍至十幾倍的電流，基本的波形是一個含有衰減直流分量的交流正弦波[8]，波形較勵磁涌流對稱。勵磁涌流和故障電流作用于差動保護的功能相似，易引起差動保護裝置誤動，因此保護裝置廠家在設計差動保護策略時，必須考慮識別并躲過勵磁涌流的影響，保證保護動作的正確率。以下從識別原理和制動模式選取角度分析勵磁涌流的影響。

2.1.1 識別原理選取

勵磁涌流識別方法可以歸納為7大類，即諧波識別法、波形識別法、磁通特性識別法、等值電路法、變壓器回路方程算法、差有功法和智能理論識別法[9]，其中隸屬于諧波識別法的二次諧波電流制動原理和隸屬于波形識別法的波形對稱識別原理在實踐中得到廣泛應用。

a.二次諧波電流制動。計算差動電流中二次諧波電流與基波電流幅值之比，當比值超過設定的門檻值(二次諧波制動系數)時，可以判別為勵磁涌流，以此與故障電流進行區分。由于二次諧波特征量易于提取，因此該原理對采樣速率和測量的要求相對較低，保護算法易于通過微機實現，在現場得到普遍應用。但是，這種識別原理勢必會受到系統其它因素引起的諧波影響，隨著變壓器鐵心材料的改進，合閘變壓器剩磁較高且合閘角滿足一定條件時，三相勵磁涌流中二次諧波含量較小，差動保護有可能誤動；另一方面，在長輸電線(或電纜)分布電容諧振等的影響下，故障電流中的二次諧波分量增大，使得保護延時出口，造成保護裝置實質上拒動。

b.波形對稱識別。波形對稱原理包括積分型、微分型兩種，都是對電流信號進行數學分析來區分涌流，在現場常采用微分型識別原理。判據如下：

(1)

當滿足上述判據(1)時，該采樣點即為對稱點，連續比較半個周期，若對稱點超過一定比例，則認為波形對稱，認為該涌流為故障電流，差動保護動作。波形對稱原理不直接測量間斷角等參數，對保護裝置采樣率也無過高要求，因此易于微機保護實現，得到普遍應用。

由于波形對稱原理基于對波形的判別，故保護裝置對波形情況很敏感，而無論是勵磁涌流還是故障電流均包含大量諧波成分，因此單純基于波形的判別在實際應用過程中容易受到諸多造成波形不對稱因素的干擾。

2.1.2 制動模式選取

通常微機保護可采用3種制動模式：“或”門制動(一相制動多相)、分相制動或“3選2”原則。由于變壓器空投時每相的勵磁涌流具有隨機性，因此采用何種制動模式值得探討。

三相電力變壓器由于剩磁的離散性，三相合閘角的不同以及Y-Δ變換的原因使得變壓器產生涌流時，會有某一相的二次諧波含量較小，因此采用二次諧波制動原理時，對于采用傳統相位校正及15%～17%二次諧波制動系數的差動保護，如果設計為分相制動保護可能誤動，建議采用“或”門制動方式；而對于正常方式下極少有空投運行的變壓器，則建議采用分相制動[3]。

采用波形對稱原理設計保護，理論上能夠避免“或”門制動在空投于內部故障時保護可能延時動作的問題，易于實現分相制動。但是在實際系統中，必須考慮故障情況的多樣性和故障波形的復雜性，根據需要調整制動模式。

2.2 和應涌流對變壓器差動保護的影響

和應涌流具有與單臺變壓器勵磁涌流相似的涌流特征，但是其非周期分量衰減速度非常緩慢，容易引起電流互感器暫態飽和，從而形成差流，導致保護誤動。此外，與勵磁涌流不同，和應涌流二次諧波含量最大值并不隨著涌流最大值而出現，而是伴隨著涌流的衰減而增大，因此某些情況下采用二次諧波制動原理的差動保護有發生誤動的可能。

3 減小暫態不平衡電流影響的措施

3.1 減小勵磁涌流影響的措施

現行的二次諧波制動方案容易受到系統其它因素引起諧波的影響，建議采用“自適應”的制動方案，根據勵磁涌流非周期分量衰減情況自動地調節二次諧波系數。該方法能在故障時自適應地降低故障相二次諧波含量，不閉鎖差動保護；在勵磁涌流時自適應地抬高二次諧波含量，可靠地閉鎖差動保護，從而改善差動保護的靈敏度和可靠性。對于采用波形對稱原理的差動保護，宜選取“3選2”制動模式，該文的實例分析印證了“3選2”邏輯能夠有效提高保護裝置的可靠性。

3.2 減小和應涌流影響的措施

可以遵循2種思路來削弱和應涌流對差動保護的影響：進行變壓器合閘操作時，采用避免產生和應涌流的措施；在假定和應涌流不可避免的前提下，改進差動保護設計，盡量降低因和應涌流造成的誤動概率。鄰近變壓器空載合閘前，將運行變壓器的中性點設為不接地，并為之裝設間隙保護，可以防止鄰近變壓器空投造成的絕緣破壞，也能防范鄰近變壓器空投產生和應涌流。

和應涌流容易造成電流互感器飽和，建議在變壓器保護中增加非周期分量緩慢衰減引起電流互感器局部暫態飽和的判據。相關文獻研究認為，和應涌流二次諧波含量較高，采用二次諧波制動原理理論上有效果，只是在和應涌流和電流互感器暫態飽和綜合作用下可能發生誤動，因此一方面根據現場情況可以適當提高差動保護啟動值，將拐點提前；另一方面，尋求和應涌流識別的新方法，根據和應涌流的特點采取合適的判據，文獻[10]通過判斷差動電流基波幅值變化過程，利用和應涌流先逐漸增大再緩慢衰減的波形特征，在電流互感器暫態飽和之前對涌流加以識別，能夠取得一定的制動效果。

4 實例分析

以某變電站220 kV變壓器空充動作數據為例進行分析[11]，該變壓器為Y/Y/d11接線，配有2套差動保護，其中保護I采用二次諧波制動原理，對應制動系數取0.15，制動模式為“或”門制動；保護II采用波形對稱原理，波形對稱系數為0.33，電流波形的對稱角度為90°，采用分相制動模式(本相閉鎖本相)。當變壓器檢修完畢后，在高壓側進行空載合閘操作時，保護II動作出口，保護I未動作。

經仔細檢查，變壓器并未發生內部故障，結合錄波數據分析，確定保護II為空充誤動。圖1所示為變壓器三相差動電流二次諧波含量。

圖1 變壓器三相差動電流二次諧波含量

由圖1可知，W相電流波形間斷角小，波形比較對稱，其二次諧波分量為10%左右，低于保護I設置的制動系數0.15，但由于保護I采用“或”門制動，U、V兩相差流二次諧波含量超過0.15，因此保護I可靠閉鎖，沒有發生誤動。

采用上文判據(1)，計算得到的差動電流對稱點百分比如圖2所示。

圖2 變壓器各相差動電流對稱點百分比

由圖2可知，空投后W相的波形對稱百分比約為50%，從第46 ms時刻開始，W相波形對稱百分比超過門檻值50%(對應于保護II設置的對稱角度90°)，由于保護II采用分相制動模式，直接導致保護II動作出口。

長期的運行實踐表明，在空投變壓器時，總有一相電流的涌流特征明顯，波形不對稱；考慮到變壓器空載合閘多在高壓側Y接線側進行，實際參與涌流判別的是計算相iu-iv，iv-iw和iw-iu，因此iu、iv和iw只要有一相勵磁涌流特征明顯，相電流做差后就會有兩相具備較為明顯的勵磁涌流特性，圖2中二次諧波含量情況也符合上述規律。當發生單相或相間故障時，其中一相或至少有兩相具備故障電流特性，相電流做差后，會有兩相具有故障電流特征。通過錄波分析，并結合上述判斷，將保護II采取的分相制動模式改為“3選2”邏輯，實踐表明，調整制動模式后，保護II再無誤動現象。

5 結束語

比較了勵磁涌流在實際運行中廣為應用的二次諧波制動和波形對稱方法，指出其不足之處，從識別原理和制動模式兩方面提出了切實可行的改進措施。探討了和應涌流對變壓器差動保護的影響，提出一方面可以采取措施避免變壓器合閘操作引起和應涌流，另一方面要尋求新的識別方法，根據和應涌流的特點選取合適的判據，適當提前電流拐點，提高和應涌流識別能力，以改進差動保護裝置的性能。

[1] 賀家李，宋從矩，李永麗，等.電力系統繼電保護原理(增訂版)[M].北京：中國電力出版社，2004.

[2] 沈曉凡，舒治淮，劉 宇，等.2008年國家電網公司繼電保護裝置運行情況[J].電網技術，2010，34(3)：173-177.

[3] 王立大，段周期.變壓器勵磁涌流引起保護誤動分析[J].電力系統保護與控制，2010，38(10)：138-140，144.

[4] 劉小寶，俞 波，宋 艷，等.電力變壓器勵磁涌流的仿真研究[J].浙江電力，2010(4)：1-5.

[5] 畢大強，孫 葉，李德佳，等.和應涌流導致差動保護誤動原因分析[J].電力系統自動化，2007，31(22)：36-40.

[6] 宋 濤.變壓器差動保護的不平衡電流產生原因和應對措施[J].電器工業，2010(7)：48-51.

[7] 余高旺，畢大強，王志廣，等.變壓器和應涌流現象及實例分析[J].電力系統自動化，2005，29(6)：20-23.

[8] 田宏梁，王 博.淺談變壓器差動保護的勵磁涌流制動原理[J].寧夏電力，2007(2)：19-20，23.

[9] 張方軍.變壓器勵磁涌流與故障電流判別方法分析[J].廣東電力，2006，19(6)：5-9.

[10] 邵德軍，尹項根，張 哲，等.基于基波幅值增量的變壓器和應涌流識別方法[J].中國電機工程學報，2010，30(10)：77-83.

[11] 裘愉濤，姚 斌，屠黎明，等.一起變壓器差動保護誤動事故的分析和對策[J].繼電器，2008，36(8)：20-22.

本文責任編輯：王麗斌