一起主變新投運時發生的差動保護誤動分析

劉培杰

（廣東電網有限責任公司河源供電局，廣東 河源517000）

0 引言

變壓器差動保護是通過計算變壓器各側電流之和，達到整定值后動作切除故障，反映的是變壓器各側CT至變壓器范圍的內部故障。一般來說，變壓器空載運行時電流為0，但在變壓器充電瞬間會產生高于額定電流6～8倍的勵磁涌流，一般勵磁涌流只在變壓器的一側產生，其余側均無電流，各側電流的不平衡產生差動電流。本文結合某變110kV變電站主變充電過程中發生的差動保護誤動分析，探討如何合理選取110kV主變差動保護二次諧波制動系數。

1 勵磁涌流的產生及特點

在正常穩態下：變壓器鐵芯形成的磁通Φ滯后于電壓u90°。假設系統電壓為u＝Umsin（ωt＋α），鐵芯中的穩態磁通為Φ（t），合閘前鐵芯中剩磁為Φr，由u＝dΦ（t）／dt得：

假設短期內不考慮暫態磁通與剩磁的衰減，鐵芯里的總磁通Φ應看成3個磁通相加而成：非周期分量磁通－Φmcos（ωt＋α）、暫態磁通Φmcosα、剩磁Φr。

如圖1所示，假設在電壓最大值時（α＝π／2）合閘，由式（1）可得Φ（t）＝－）＋Φ ＝Φsinωt＋Φ，即在合閘瞬間rmr就建立穩態磁通，在這種情況下，變壓器不會產生勵磁涌流。

假設在電壓為0時（α＝0）合閘，此時鐵芯中所建立的磁通為最大值Φm。由于磁路中的磁通不能突變，合閘瞬間仍要保持磁通為原狀。因此，在鐵芯中就出現一個非周期分量的磁通Φfz，其幅值大小與鐵芯建立磁通相等、方向相反。由式（1）可得，Φ（t）＝－Φmcosωt＋Φm＋Φr，鐵芯中磁通開始為Φr，半個周期后（ωt＝π時），2個磁通相加達最大值，即2Φm＋Φr。因此，在電壓瞬時值為0時合閘情況最嚴重。

2 二次諧波制動原理

勵磁涌流含有數值較大的高次諧波分量，為防止充電勵磁涌流造成主變差動保護誤動，比率差動保護一般采取三相差動電流中的二次諧波作為勵磁涌流閉鎖的判據。其動作方程如下：

式中，Id2為A、B、C三相差動電流中的二次諧波；Id為對應的三相差動電流；Kxb為二次諧波制動系數。

一般二次諧波系數整定范圍為0.15～0.2，其取值應從變壓器特性、保護防誤動／防拒動等方面綜合考慮。目前國內二次諧波閉鎖判據主要有3種形式：（1）按相閉鎖。當某相差動電流中的二次諧波占基波的百分比大于二次諧波制動系數時，則閉鎖該相差動保護。（2）三相或門閉鎖。當三相電流中任意一相差動電流的二次諧波占基波的百分比大于二次諧波制動系數時，則閉鎖三相差動保護。（3）綜合制動方式。即取各相中最大二次諧波電流與最大基波電流的比值，來閉鎖各相差動保護。

3 110kV主變充電過程中差動保護誤動分析

某110kV變電站#2主變為擴建工程，主變啟動充電前，110kV分段1012開關、10kV分段512開關均斷開，#2主變兩側開關在熱備用狀態，#2主變差動保護為南京電研NSA3171A，主變二次諧波采取的是按相閉鎖，相關定值整定如表1所示。

表1 主變差動定值

主變前4次充電時均無異常情況，勵磁涌流較小。當主變第5次充電時，差動保護動作，跳開兩側開關。

從錄波圖（圖2、3）分析：#2主變充電后，各相差流中基波及二次諧波分量均增大。18ms后，B、C相二次諧波電流開始減小，B相減少更為明顯。

圖2 各相差流中的基波電流

由二次諧波比（圖4）可以看出，25ms后，A、C相二次諧波分量均大于整定值15%，B相差動電流中二次諧波分量低于15%，并持續60ms，導致比率差動保護開放，此時差動電流達到動作值，主變保護跳閘。

圖3 各相差流中的二次諧波電流

圖4 三相電流二次諧波比

結合前幾次空充實驗，最小二次諧波比幅度在0.12～0.14之間，綜合考慮后，在整定規程允許范圍內，將二次諧波制動系數調整為0.12，再次啟動主變，并進行5次沖擊實驗，差動保護沒有再誤動作。

4 防止勵磁涌流造成差動保護誤動的措施

（1）合理采用二次諧波制動模式。由于變壓器二次諧波含量的大小與繞組的材質、硅鋼片的工藝、合閘角、變壓器剩磁等有關，如變壓器繞組材質，銅芯變壓器電阻值比鋁芯小，基波分量較大，二次諧波占基波分量相對較??；如硅鋼片工藝，空載磁密越低，二次諧波的含量越小。往往這類型變壓器若采用按相閉鎖，空投時就容易產生誤動，選取三相或閉鎖、最大比最大閉鎖則可提高保護可靠性。（2）合理選取二次諧波制動系數。除考慮上面提到的因素外，應進行多次空充合閘實驗，根據測試數據分析每次合閘各相的二次諧波含量，作為定值整定參考依據，并在整定規程允許范圍內，以躲過或接近二次諧波含量最低相數值整定。（3）通過優化測控裝置同期合閘功能等技術手段，控制變壓器充電時合閘角在π／2（系統電壓最大），使各相最大合閘磁通更為均勻，既能減小合閘時涌流，還能有效調整二次諧波制動系數。（4）改進二次諧波制動方案。如在現有制動方式的基礎上，采用幅值相位判別綜合的自適應方式，在二次諧波與基波表現為勵磁涌流特性時，將二次諧波制動最初門檻值降低，再通過動態逐步提高，經歷一段時間后，恢復原整定定值，可靠地閉鎖差動。

5 結語

二次諧波制動原理廣泛應用于主變差動保護中，對于按相閉鎖式的二次諧波制動模式，由于空投時并不是每相電流中的二次諧波與基波的比值都很大，雖然增加了主變空投于故障時的靈敏性，但同時也降低了正常空投時保護的可靠性。因此，實際運行中，應根據變壓器材質、硅鋼片工藝等合理選擇二次諧波制動模式及制動系數，必要時可以采取增加、優化二次諧波判據的方式降低勵磁涌流造成差動保護誤動的幾率。

［1］李韶.110kV主變差動保護二次諧波制動系數整定方法探討［J］.廣西電力，2010，33（3）：41～43

［2］劉小寶，吳崇昊，宋艷，等.基于二次諧波的自適應制動涌流方案［J］.電力系統保護與控制，2010，38（18）：131～134

［3］王立大，段周朝.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