淺談變壓器勵磁涌流識別方法的原理及展望

涂惠香

（哈爾濱變壓器有限責任公司，黑龍江 哈爾濱 150070）

1 引言

變壓器是電力系統中極其重要的電氣設備，它擔負著電能的傳輸和電壓變換的重要作用。變壓器保護對于提高電力系統運行的穩定性、安全性具有重要的意義。尋求一個安全、可靠、靈敏的變壓器保護方案，一直是國內外電力系統學者們研究的熱點問題[1-3]。

變壓器空載合閘時，由于受到鐵芯磁路飽和的影響可能出現很大的沖擊電流即勵磁涌流。在情況嚴重時，勵磁涌流會超過額定電流的許多倍，如不采取適當的措施，則可能引起變壓器開關跳閘，變壓器不能順利地投入電網工作。

長期以來，差動保護一直被認為是電力變壓器最完善的主保護，但是由于變壓器自身的特點，使得變壓器差動保護還有著一些困難和欠缺的地方。變壓器具有兩個及多個電壓等級，構成差動保護的所用電流互感器的參數各不相同，變壓器每相原、副邊電流之差（正常運行時的勵磁涌流）將作為差動保護不平衡電流的一種來源。在變壓器空載突然合閘時，或者變壓器外部短路故障被切除后端電壓恢復時，暫態勵磁涌流的大小可與短路電流相比擬，在這么大的不平衡電流，要求差動保護不誤動，是個相當復雜困難的技術問題[1]。當前變壓器差動保護中最關鍵和最困難的問題仍然是如何防止勵磁涌流所導致的誤動作，使其在勵磁情況下能夠可靠地動作。這對差動保護有兩方面的要求，即防止外部短路時不平衡電流以及防止勵磁涌流所致的誤動作，研究涌流產生的機理和涌流特性對防止勵磁涌流引起差動保護誤動至關重要。

2 勵磁涌流識別方法的原理簡述及現狀

目前鑒別勵磁涌流的方法較為成熟的方法主要是基于間斷角原理和二次諧波制動原理。國內設計生產的變壓器差動保護裝置也主要是基于以上原理。此外，還有波形對稱原理，波形疊加原理、波形相關性分析法、波形擬合法這些利用波形特征來識別變壓器勵磁涌流的方法。最近，電壓制動原理、等值電路原理、磁特性原理等也有應用和研究。

隨著人們研究領域逐漸擴大，研究的層次逐漸加深，產生很多新興的學科。這些學科為科學研究提供了新的手段。將模糊判據、人工神經網絡方法運用到變壓器勵磁涌流的識別中也是研究的熱點之一。

2.1 間斷角原理

間斷角原理是基于勵磁涌流波形中有較大的間斷這個特征實現其鑒別的，以準確測量間斷角的大小為基礎的。

其優點是利用了勵磁涌流本身明顯的波形特點，能夠清楚的區分變壓器勵磁涌流和內部故障電流；一般采用分相涌流判別方法，在變壓器內部故障時能迅速跳閘；具備一定的過勵磁能力。但是，用微機保護實現間斷角原理有以下難點：

勵磁涌流在變壓器一次側有明顯的間斷角，由于受到CT飽和的影響進入差動繼電器的二次涌流已大大喪失這種特性，利用起來將增加裝置的復雜性。

測量間斷角需要很高的采樣率，這對計算機硬件又提出了更高的要求。

由于以上原因使得該原理在實際變壓器微機保護的應用中受到限制，效果并不是很理想，而且硬件復雜和成本較高，在實用化過程中要著進一步經濟技術分析和現場考驗。

2.2 二次諧波制動原理

在變壓器勵磁涌流中含有較大的偶次諧波分量，其中二次諧波分量最大：當電流信號中二次諧波的含量超過閾值，即判斷是勵磁涌流。該原理不僅在常規保護中有較多運行經驗，而且在微機保護中容易實現，故在國內外變壓器實際投入運行中得到廣泛的應用。但原理有以下缺陷：

由于采用“或”門制動，因此會出現故障變壓器空投時，非故障相閉鎖故障相的現象，導致變壓器保護延時動作。

由于變壓器合閘的時間，變壓器剩磁等不確定因素對勵磁涌流的影響，很難選擇合適的制動比K。

在正常工況下，大容量的變壓器內部短路電流的二次諧波含量約為7%，而在有串補電容的高壓系統及高壓電纜變壓器的短路電流中,二次諧波含量可能高達15%～20%，這對二次諧波制動原理提出了新的挑戰。

2.3 波形對稱原理

波形對稱原理是根據電流波形進行分析來識別勵磁涌流和內部短路電流，即首先將流入繼電器的差流進行微分，對微分后差流的前半波與后半波作對稱比較，根據比較的結果去判斷是否發生了勵磁涌流。

由于勵磁涌流的波形中含有間斷角，使得勵磁涌流在一個周波波形的前半周與后半周存在不對稱性；而大量研究表明，變壓器內部故障時的電流一個周波波形的前半周與后半周是幾乎對稱的。

在此基礎上，又提出波形相關性分析法、波形擬合法等，其基本原理是大致相同的，實際上都是間斷角原理的推廣。但它比間斷角原理容易實現，克服了間斷角原理對微機保護硬件要求高的缺點。

2.4 電壓制動原理

電壓制動原理提出利用變壓器的端口電壓作為識別變壓器勵磁涌流和內部短路電流的輔助判據。當變壓器發生短路時，伴隨有電壓的降低；當變壓器出現勵磁涌流時，電壓不會降低，有時還會升高。

分析和實驗表明，電壓制動原理的應用與系統阻抗的大小關系密切相關。同時，當變壓器低壓側裝有無功補償裝置時，發生短路時的端口電壓不會瞬時降低，此時會影響輔助判據的準確性和保護的速動性。

2.5 等值電路原理

等值電路原理是一種基于變壓器導納型等值電路的勵磁涌流判別方法。該方法是通過檢測對地導納的參數變化，鑒別變壓器的內部故障。鐵芯線圈的漏抗和空芯線圈的漏抗接近，故此時變壓器等值導納參數的互導納與變壓器的鐵芯飽和程度無關。鐵芯未飽和時，變壓器各側對地導納幾乎為零；當鐵芯飽和時，變壓器各側對地導納明顯增大；當鐵芯嚴重飽和時，變壓器各側對地導納幾乎與空芯變壓器的對地導納一致，且是一個不為零的常量。

該方法在求取對地導納時需要先獲取變壓器漏感參數，這一點在實際運用中存在一定的困難。

3 發展和展望

前述的方法都是對變壓器的模型進行研究，但事實上，由于變壓器參數不易確定，系統運行方式的隨機性，以及變壓器本身的嚴重非線性，建立一個精確的數學模型是很困難的。近代，隨著人們研究的領域逐漸擴大，研究的層次逐漸加深，產生了很多新興的學科。

變壓器空載合閘的勵磁涌流的問題本身很復雜，國內外學者的理論研究和數值仿真，無不在或多或少的假設和簡化條件下進行，難免在某些情況下失真。正是這種情況下，模糊的處理方法就特別顯出它的科學性和有效性。

模糊數學借助于隸屬度的概念，達到對人腦一定程度的模擬，具有處理模糊現象的能力。

將這一原理應用在變壓器主保護中，為識別勵磁涌流和內部短路電流，選定四個特征量，即二次諧波含量、鐵芯磁通大小、電流波形的對稱度以及電壓的高低。

人工神經網絡是人工智能較為突出的一種。人工神經網絡的特點在于其并行計算能力和高度的非線性。

這些新的方法尚處于探索階段，離實用還有一定的距離。由于變壓器運行條件的復雜性和故障類型的多樣性，要完美地解決這些存在的問題，需要探索一些新的理論和方法。

[1]王維儉.電氣主設備繼電保護原理與應用[M].中國電力出版社，1998.

[2]王維儉，侯炳蘊.大型機組繼電保護理論基礎[M].中國電力出版社，1988.

[3]王祖光.間斷角原理的變壓器差動保護[J].電力系統自動化，1979.3（1）.