變壓器差動保護涌流分析

陳 浙，呂天光

（1.濟南供電公司，山東 濟南 250021；2.山東大學電氣工程學院，山東 濟南 250002）

0 引言

隨著現代電網輸電電壓不斷提高，輸電距離和輸電容量不斷增大，大容量變壓器應用日益廣泛，對變壓器保護的可靠性和速動性提出了更高的要求。目前220 kV及以上的變壓器差動保護普遍采用二次諧波及波形對稱原理作為勵磁涌流識別判據。二次諧波原理應用最長，但其整定值一直存在較大爭議，理論上也很難計算出三相變壓器在空載合閘時各相涌流的大小及諧波比例，國內廣泛采用10%～15%的經驗定值[1]。無論是常規保護，還是微機保護，勵磁涌流判別一直是變壓器差動保護中的關鍵問題。

1 勵磁涌流產生的原因和特點

變壓器勵磁涌流的產生根源，是變壓器一側的電壓突然增大（△U），電壓突變量所引起的磁通與剩磁通相疊加造成變壓器鐵芯飽和所引起的。變壓器空載合閘時，合閘側電壓突然升高，外部故障切除后，切除故障側電壓突然升高，這兩種情況下均可能出現很大的勵磁涌流[2]。具體過程為：在穩態工作情況下，變壓器鐵芯中的磁通應滯后于外加電壓90°，如果空載合閘時，正好在電壓瞬時值U=0時接通電路，則鐵芯中應該具有磁通-φm。但是由于鐵芯中的磁通不能突變，因此將出現一個非周期分量的磁通，其幅值為+φm。這樣在經過半個周期后，鐵芯中的磁通就達到2φm。如果鐵芯中還有剩余磁通 φs，則總磁通將為 2φm+φs。此時變壓器的鐵芯嚴重飽和，勵磁電流將劇烈增大，最大可達額定電流的6～8倍。這種勵磁電流就稱為變壓器的勵磁涌流。

圖1 變壓器典型的勵磁涌流一次波形（CT未飽和）

勵磁涌流的大小和衰減時間與外加電壓的相位、鐵芯中剩磁的大小和方向、電源容量的大小、回路的阻抗以及變壓器容量的大小和鐵心的性質等都有關系。例如，正好在電壓瞬時值為最大時合閘，就不會出現勵磁涌流，而只有正常時的勵磁電流。對三相變壓器而言，無論在任何瞬間合閘，至少有兩相要出現程度不同的勵磁涌流。

圖2 變壓器典型的單向短路故障電流

勵磁涌流中，含有大量高次諧波和非周期分量，除基波和非周期分量外，高次諧波電流以二次諧波為最大。二次諧波電流是變壓器勵磁涌流最明顯的特征，因為在其他工況下很少有偶次諧波發生。圖1為變壓器典型的勵磁涌流一次波形，圖2為變壓器典型的單相短路故障電流，比較可知，勵磁涌流的一次波形具有明顯的間斷角，這也是涌流的一個顯著特點[3]。

2 變壓器差動保護防止勵磁涌流誤動的措施

勵磁涌流幅值大，可以與短路電流相比擬，變壓器差動保護如果不采取一些措施來躲過勵磁涌流的話，就有可能誤動。防止涌流誤動，最主要的的是如何識別涌流，利用涌流中的一些特性來構成差動保護的閉鎖條件，所以找到準確、可靠的閉鎖判據是最關鍵的問題。

目前國外常采用利用涌流中的二次諧波來構成差動保護的閉鎖或制動條件，國內的變壓器保護也以二次諧波制動為主，除此之外，還有利用識別涌流中的間斷角來閉鎖差動保護。近年來又有一些新的措施，例如通過識別涌流波形的對稱性來實現閉鎖差動保護、基于變壓器磁通特性或基于智能理論如人工神經網絡來識別涌流并閉鎖差動保護等。本文簡要介紹我國常采用的二次諧波制動原理和間斷角原理。

間斷角原理就是利用短路電流波形連續變化，而勵磁涌流波形具有明顯的間斷角特征作為鑒別涌流的判據。該方法雖然簡單直接，但是以精確測量間斷角為基礎的，而間斷角的測量必須考慮CT傳變對勵磁涌流的影響，尤其是CT飽和后對二次電流波形的影響。圖3為CT飽和后二次側勵磁涌流的波形，可見CT飽和后，經過CT傳變的二次側涌流間斷角會發生畸變，甚至消失。所以必須采取措施來恢復間斷角，這增加了保護硬件的復雜性，同時還受到采樣率、采樣精度的影響及硬件的限制，因此這種原理在變壓器差動保護中的應用效果曾認為不十分理想。但是隨著人們在這方面的研究的深入細致和進行了大量的試驗工作，有一些新的恢復間斷角的算法被提出來，如積分法、分段函數法恢復間斷角等，改進后應用效果還比較理想。

圖3 CT飽和后的二次側勵磁涌流

現代大型變壓器鐵芯多采用冷軋硅鋼片，Bs/Be比較小，而剩磁可能較大，使進入差動繼電器的某一相涌流的二次諧波成分將非常小，但是另外兩相或一相將超過20%。因此，國內外常采用二次諧波構成差動保護的閉鎖條件來防止涌流誤動。二次諧波制動目前也有幾種方案，最常用的是三相“或”的閉鎖方式，只要判斷出一相差流中的二次諧波的含量滿足涌流制動的條件，即閉鎖三相，使保護不能出口。這種原理的保護在現場應用的效果還是比較理想，基本能夠有效的區別變壓器真正故障和空載合閘或外部故障切除后電壓恢復時的涌流。

涌流中的三次諧波成分也比較大，僅次于二次諧波，但是三次諧波不能作為涌流的特征量來組成差動保護的制動或閉鎖部分，因為在其他工況下三次諧波電流經常出現，特別是內部短路電流很大時也有很顯著的三次諧波成分。涌流中含量很大的直流分量也不能作為涌流的特征量來組成差動保護的制動或閉鎖部分，因為直流分量也并非涌流獨有的特征，變壓器內部短路的暫態過程中也有大量的直流分量。如果以直流分量來構成差動保護的閉鎖條件的話，變壓器內部短路時勢必會延緩保護的動作速度，并且三相涌流中往往有一相為周期性電流，即它不含有直流分量，這時還必須增大差動保護的動作電流來躲過這種周期性涌流，這又使保護的靈敏度降低。所以三次諧波和直流分量都不能作為防止涌流誤動的措施。

3 一種改進的二次諧波制動原理

常用的二次諧波制動方案，在變壓器空投于故障時，由于一相或兩相差流中存在勵磁涌流，會閉鎖差動保護的動作出口，只有等涌流衰減到一定程度后才重新開放差動保護，而涌流的衰減往往比較慢，這樣勢必延緩了保護的動作時間，對變壓器這種大型的電力設備的安全運行是不利的[4]。當空載合閘時相電流中存在對稱涌流時，也有可能由于差流中判不出諧波而使差動保護誤動，這在現場也是不允許的。

基于上述的二次諧波制動原理可能引起保護誤動和拒動的考慮，提出這樣一種改進的制動方案，當一相差流大于起動門檻后，先判差流中二次諧波是否滿足制動條件，若不滿足的話，再判與該相差流有關的兩個相電流中的二次諧波是否滿足制動條件。由于微機差動保護的各側CT均可按Y形接入，降壓變壓器高壓側合閘時可以在差動電流和相電流中都可以檢測到諧波分量，采用這種制動方案后，即使在出現對稱涌流時也能閉鎖保護。

變壓器內部故障時，單相故障電流經Y/△變換后，將反映在兩相差流中。根據這個特點二次諧波制動方案可以改進為在變壓器無故障時采用“或”閉鎖方式，而在空投于故障變壓器時，根據涌流和故障電流在三相差流中的反映，自動轉換為分相制動方式。采用這樣的制動方案，既可保證空投或電壓恢復時涌流制動的可靠，又保證了空投于故障變壓器時的靈敏動作。

4 結語

變壓器差動保護中，解決涌流制動問題是一個關鍵。為滿足電力系統不斷發展的需要，近十多年國內外學者對變壓器保護的原理從各方面進行了深入的研究和試驗，提出了許多不同的方案。其中大多數進行的動模試驗和仿真試驗證明具有較高的靈敏度和可靠性，但離微機保護的實現還有一段距離。而原來已用于實際的一些方法隨著電力系統的發展也面臨著新的考驗。因此，為適應未來電力系統的發展要求，盡快研制出新原理的微機變壓器保護已成為一個非常現實和迫切的要求。