串聯變壓器和應涌流引起差動保護動作的原因及對策

劉建戈

（江蘇省金湖縣供電公司，江蘇 金湖 211600）

變壓器在投運過程中產生勵磁涌流會造成差動保護動作，科研工作者對勵磁涌流進入了深入研究并采取有效措施，防止涌流引起差動保護誤動。但現場運行中，多次出現空投變壓器導致相鄰運行變壓器跳閘的現象，即和應涌流造成變壓器差動保護誤動作。本文通過某鋼廠和應涌流造成串聯變壓器差動保護誤動作的情況，從變壓器的空載合閘勵磁涌流引起相鄰變壓器的和應涌流分析串聯變壓器和應涌流的特點，和應涌流對電流互感器的影響，通過修改定值和提高電流互感器暫態性能等方法，有效防止了和應涌流對串聯變壓器差動保護的影響。

1 串聯變壓器差動保護動作情況

某鋼廠變電站為 1臺 35kV變壓器下接 2臺10kV變壓器，如圖1所示，其中35kV變壓器容量為16MVA，10kV變壓器分別為6.3MVA和10MVA。當35kV變壓器運行時，在僅空投其中1臺10kV變壓器時，多次發生1#變壓器差動保護動作跳開35kV變壓器。對3臺變壓器進行試驗和二次回路檢查，均無異常。

圖1 某鋼廠變電站接線圖

變壓器差動保護跳閘為比率差動動作，差動電流為6.2A（二次值），裝置型號為GST360。保護定值配置如表1。對保護裝置GST進行校驗，保護邏輯動作正確，且動作值及返回系數符合要求。

表1 變壓器差動保護定值（二次值）

排除變壓器、二次回路和保護裝置的原因，差動保護動作應該與下一級變壓器合閘的勵磁涌流有關。因為變壓器跳閘發生在下一級變壓器空載合閘時，變壓器空載合閘時會產生合閘勵磁涌流，同時會使相鄰的并聯或串聯的變壓器產生和應涌流。

2 勵磁涌流與和應涌流

2.1 勵磁涌流

變壓器在空載合閘時往往會產生含有大量非周期分量的非正弦電流，即為勵磁涌流。當空載變壓器穩態運行時，勵磁電流很小，僅為額定電流的0.35%～10%。當變壓器空載合閘時，由于其磁鏈不能突變,從而產生非周期磁鏈,鐵心剩磁的影響以及合閘初相角的隨機性會使鐵心磁通趨于飽和，感抗下降，從而產生幅值很大的勵磁涌流。特別是當變壓器在電壓過零點合閘時，由于鐵心中磁通最大，鐵心嚴重飽和，勵磁涌流最大峰值可達到變壓器額定電流的 6～8 倍[2]。

變壓器空載合閘勵磁涌流中含有的直流分量和高次諧波分量，隨時間衰減，其衰減時間取決于回路電阻和電抗，一般大容量變壓器約為 5～10s，小容量變壓器約為0.2s左右。勵磁涌流容易引起繼電保護裝置的誤動作,造成電網電壓和頻率的波動等。通過繼電保護工作者對保護裝置識別勵磁涌流識別方法的深入研究，目前變壓器保護裝置基本避免了對差動保護的影響。

2.2 和應涌流的產生

電網中相鄰的并聯或串聯的變壓器之間，在運行的變壓器由于其他變壓器的空載合閘可能產生涌流，稱為勵磁和應涌流。以圖2所示的變壓器聯接示意，簡要說明和應涌流的產生。

圖2 變壓器并聯和串聯接線示意圖

以變壓器并聯情況來分析，在 T1合閘前，T2正常空載運行，T2的勵磁電流很小，可近似認為為零。當T1空載合閘時，為維持合閘時刻磁鏈不能突變，變壓器勵磁電感降低即出現數值很大的偏向時間軸一側的勵磁涌流i1。同時，由于系統側電阻的存在。勵磁涌流的非周期分量在T2電源端電壓出現非周期分量，產生反向偏磁使得T2鐵心中的合成磁鏈偏向時間軸另外一側[1]。在T1空載合閘的初期，T2還未來得及飽和，T2的勵磁電流仍為很小的正常勵磁電流。一段時間后，反向偏磁的不斷疊加，使得T2反向飽和，即產生和應涌流i2。

變壓器串聯時與并聯情況相同，T1與T2的合閘磁鏈由于系統側電阻的存在而相互影響的。無論2臺變壓器串聯還是并聯結構，都在可能產生和應涌流。在電壓等級低的小系統中，系統阻抗相對較大更容易發生和應涌流。

2.3 和應涌流的特點

串聯或者并聯變壓器產生和應涌流的原因相同，因此和應涌流具有以下幾個共同特點[3]。

1）和應涌流產生后，在幾個周期內迅速達到最大值。

2）和應涌流的衰減比普通涌流要緩慢得多。3）合閘變壓器和運行變壓器的涌流交替出現，方向相反，且不會重疊。

4）和應涌流的波形特征與普通涌流接近。5）運行變壓器和應涌流的間斷角大于180°。6）兩臺變壓器的和電流接近于奇對稱波形，非周期分量接近于零，偶次諧波含量小。

串聯變壓器中，T2產生和應涌流時還流過 T1的合閘勵磁涌流，還具有以下特點：

1）T2中的偏磁累積速度更漫，串聯和應涌流出現并達到最大值的時間更晚，且所達到的最大值較小。

2）初始涌流將使 T2與 T1相聯側的電流互感器更容易首先飽和。T2和應涌流與初始涌流交替出現，將使差動電流趨于對稱，其中的二次諧波含量將降低顯著。

3 串聯變壓器和應涌流對差動保護的影響

變壓器差動保護防止合閘勵磁涌流誤動作主要有二次諧波制動、間斷角制動及波形對稱三種方法，和應涌流的特點 4）、5）提到與合閘勵磁涌流接近以及間斷角大于 180°，因此采用間斷角制動變壓器差動保護不會產生誤動作。

特點 6）中偶次諧波含量小，串聯變壓器的差動涌流二次諧波降低明顯，當低于整定值時差動保護開放容量發生誤動作。和應涌流的衰減比普通涌流要緩慢得多，將加劇電流互感器的飽和。對于變壓器串聯形式下，初始涌流將使運行變壓器與空載合閘變壓器相聯側的電流互感器更容易首先飽和[4-5]。和應涌流引起變壓器差動保護誤動，一般是空載合閘后幾十個周期才動作的，和電流互感器受到非周期分量的作用后，需要經一定的時間才能飽和的特點相吻合。因此和應涌流中長時間不衰減的非周期分量，引起電流互感器局部暫態飽和也會導致變壓器差動保護誤動作。

4 串聯變壓器和應涌流的解決辦法

從上述分析得出，串聯變壓器和應涌流的二次諧波含量小和衰減時間長容量導致電流互感器飽和，是引起差動保護誤動作的主要原因。分析某鋼廠變電站1#變差動保護錄波圖形，高低側的涌流波形符合和應涌流特征，如圖3所示。從誤動作的錄波圖形可以看出，1#變兩側電流互感器飽和，而低壓側電流互感器飽和度更深，如圖4所示。因此，從差動保護裝置定值、裝置邏輯和電流互感器入手解決和應涌流誤動作問題。

1）調整差動保護定值

由于主要是比率差動動作，因此將比率動作值提高，首先將差動起動電流改為3A，比率系數改為0.65，但收效甚微，誤動的概率仍然較高。考慮到區內故障能拒動區外故障不能誤動，恢復原定值。其次，將二次諧波制運值，分別改為15%和10%。15%時誤動概率約下降了 30%；而10%時誤動概率約下降了80%。鋼廠內的電爐會產生一定的偶次諧波，為區內故障不能拒動，二次諧波制運值取15%。

圖3 1#變高低側的涌流波形

2）完善保護裝置電流互感器飽和判據

分析GST360型保護裝置動作邏輯并咨詢廠家，沒有電流互感器飽和判據。而目前主流保護廠家為防止在變壓器區外故障等狀態下電流互感器飽和所引起的穩態比率差動保護誤動作，在裝置動作邏輯中增加了電流互感器飽和判據。利用二次電流中的二次和三次諧波含量來判別電流互感器是否飽和[6]，表達式如下：

式中，IL2為電流中的二次諧波，IL3為電流中的三次諧波，IL1為電流中的基波，IL2xb和IL3xb分別為二次諧波、三次諧波比例常數。當與某相差動電流有關的電流滿足以上表達式即認為此相差流為電流互感器飽和引起，閉鎖比率差動保護。

3）提高電流互感器抗飽和性能

1#變兩側電流互感器的差動繞組準確度為10P10，將其更換為準確度為5P20的電流互感器，提高其抗飽和性能。更換后，運行一年多未發生過因和應涌流而造成變壓器跳閘情況。

5 結論

本文根據一例鋼廠變壓器差動保護誤動作的情況，通過分析變壓器空載合閘時的勵磁涌流和對相鄰變壓器產生的和應涌流，描述了串聯和應涌流的特點及對變壓器差動保護的影響。和應涌流造成變壓器差動保護誤動作的原因，一方面是和應涌流二次諧波含量低使差動保護開放，另一方面是和應涌流造成電流互感器飽和致二次諧波下降。對于可能產生和應涌流的電氣接線方式，應選擇精確度比較高的電流互感器和具有電流互感器判據的保護裝置，可避免和應涌流造成保護裝置誤動作。

[1] 孫向飛,束洪春,于繼來.變壓器并聯與串聯和應涌流對差動保護影響的比較研究[J].電力自動化設備,2009, 29(3): 36-41.

[2] 王維儉.電氣主設備繼電保護原理及應用[M].北京:中國電力出版社, 1998.

[3] 張雪松,何奔騰,張建松.變壓器和應涌流的物理機理及其對差動保護的影響[J].電力系統自動化, 2005,29(6): 15-19.

[4] 袁宇波,李德佳,陸于平,許揚,李澄.變壓器和應涌流的物理機理及其對差動保護的影響[J].電力系統自動化, 2005, 29(6): 9-14.

[5] 孫向飛,束洪春,于繼來.電流互感器暫態飽和對和應涌流傳變的影響[J].電力自動化設備, 2009, 29(1):83-88.

[6] 南瑞繼保電氣有限公司版. RCS—978變壓器成套保護裝置技術和使用說明書[M]. ZL_YJBH1102. 0509.