淺析變壓器勵磁涌流及其判據(jù)

劉國興，宋兵，鄂士平

（國網(wǎng)湖北省電力公司檢修公司，武漢430050）

淺析變壓器勵磁涌流及其判據(jù)

劉國興，宋兵，鄂士平

（國網(wǎng)湖北省電力公司檢修公司，武漢430050）

變壓器在特定情況下產(chǎn)生的勵磁涌流，時(shí)常會導(dǎo)致差動保護(hù)誤動作，給電力安全生產(chǎn)帶來了重大安全隱患。通過對勵磁涌流的特點(diǎn)以及對差動保護(hù)的影響，進(jìn)行詳細(xì)闡述，并結(jié)合某站現(xiàn)場實(shí)際情況，通過對保護(hù)判據(jù)的改進(jìn)，使保護(hù)裝置能夠較準(zhǔn)確地區(qū)分變壓器的勵磁涌流和內(nèi)部故障電流，提高了保護(hù)的可靠性。

勵磁涌流;差動保護(hù);二次諧波制動;波形分析制動；判據(jù)

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.08.046

1 引言

差動保護(hù)一直以來都是電力變壓器的主保護(hù)，差動保護(hù)的基本原理是基于基爾霍夫基本定律得來的，對于純電路設(shè)備，差動保護(hù)無懈可擊，但是，對于變壓器而言，其內(nèi)部靠磁路聯(lián)系，本質(zhì)上不再滿足基爾霍夫定律，變壓器勵磁電流成了差動保護(hù)不平衡電流的一種來源。在變壓器正常運(yùn)行時(shí)，勵磁回路的電流很小，不會影響變壓器的差動保護(hù)。但是變壓器在空載充電時(shí)，可能會產(chǎn)生很大的勵磁電流，一般能達(dá)到額定電流的幾十倍，而且持續(xù)時(shí)間長，使得差動保護(hù)誤以為發(fā)生了變壓器內(nèi)部短路故障而跳閘，出現(xiàn)誤動作。如何鑒別勵磁涌流和內(nèi)部故障電流，這成為了變壓器差動保護(hù)面對的主要問題，論文從變壓器差動保護(hù)判據(jù)入手，提出了減少保護(hù)誤動的措施。

2 勵磁涌流的特點(diǎn)

變壓器產(chǎn)生的勵磁涌流包含有大量的非周期性分量，一般會使涌流偏向時(shí)間軸，以及含有大量的高次諧波分量，涌流的大小與很多因素有關(guān)，比如系統(tǒng)電壓，鐵芯的剩磁等，一般來說，涌流衰減的時(shí)間隨著變壓器的容量增大而延長，其近似表達(dá)式為：

當(dāng)Φ＞Φs時(shí)，

當(dāng)Φ＜Φs時(shí),

式中，XL=ωt為合閘回路的基波電抗；Um為正弦交流電壓的最大值，B s、B m、B sy為鐵芯飽和磁通、鐵芯穩(wěn)態(tài)磁通和鐵芯剩磁對應(yīng)的磁場強(qiáng)度，T；合閘出相角，(°)；Φ為變壓器磁路中的磁通，Wb；Φs為鐵芯飽和磁通，Wb。

變壓器空投電壓恢復(fù)的過程中，由于磁通不能突變，磁通中出現(xiàn)了非周期性的暫態(tài)分量，與鐵芯剩磁一起使變壓器鐵芯飽和，同時(shí)由于電壓是突變的，因而在一個周波內(nèi)變壓器鐵芯周期性地進(jìn)入飽和區(qū)和退出飽和區(qū)。在一個周期內(nèi)，當(dāng)進(jìn)入飽和區(qū)，勵磁電流的瞬時(shí)值很大，對應(yīng)圖1b中的ωt=θ1～θ2，這就是勵磁涌流；而退出飽和區(qū)時(shí)，只有正常的勵磁電流，其瞬時(shí)值很小，對應(yīng)圖1b中的ωt=0～θ1和ωt=θ2～2π段，所以涌流在一個周期內(nèi)存在間斷，設(shè)θj為間斷角，則有：θj=θ1+（2π-θ2）。

圖1 勵磁涌流波形

從以上分析可以發(fā)現(xiàn)勵磁涌流有如下的特點(diǎn)：含有很大的非周期分量，偏于時(shí)間軸一側(cè)；含有大量的高次諧波，其中以二次諧波為主；波形之間出現(xiàn)了間斷，涌流峰值越大，間斷角越明顯。

3 勵磁涌流對變壓器差動保護(hù)的影響

如前所述，縱差動保護(hù)的理論基礎(chǔ)是基爾霍夫定律，因此縱差動保護(hù)在原理上只能反應(yīng)被保護(hù)對象的內(nèi)部短路電流，對于僅包含電路的總差動保護(hù)對象，本身沒有發(fā)生故障時(shí)，不管外部發(fā)生多么嚴(yán)重的故障，恒有：

當(dāng)被保護(hù)對象發(fā)生內(nèi)部故障，則有

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式中，Id為流出短路點(diǎn)的短路電流；Ij為保護(hù)的差流。

圖2 變壓器差動保護(hù)原理接線圖

從圖2可以看出，變壓器勵磁支路沒有接電流互感器，即我們在利用KCL電流定律的時(shí)候忽略了勵磁支路的勵磁電流，當(dāng)變壓器正常運(yùn)行時(shí)，勵磁支路的電流很小，只占變壓器額定工作電流的5%左右，不會影響變壓器差動保護(hù)的工作性能。

但是當(dāng)變壓器空載合閘或外部故障切除恢復(fù)供電時(shí)，則將出現(xiàn)很大的勵磁電流，其值可以與短路電流相比擬，而且持續(xù)時(shí)間很長，這樣大的暫態(tài)電流流入差動保護(hù)的回路中，如果不采取一定的措施，必將造成差動保護(hù)的誤動作。因此，必須在產(chǎn)生勵磁涌流時(shí)閉鎖差動出口來保證差動保護(hù)可靠性[1]。

4 現(xiàn)場情況分析

4.1 某站主變壓器調(diào)壓補(bǔ)償變保護(hù)配置

主變壓器調(diào)壓補(bǔ)償變第一套保護(hù)為南自公司生產(chǎn)的SGT756差動保護(hù)裝置，第二套保護(hù)為南瑞公司生產(chǎn)的RCS-978C差動保護(hù)裝置。第一套保護(hù)SGT756的主保護(hù)是調(diào)壓變差動保護(hù)和補(bǔ)償變差動保護(hù)，第二套保護(hù)RCS-978C的主保護(hù)是穩(wěn)態(tài)比例差動保護(hù)和工頻變化量比例差動保護(hù)。

該差動保護(hù)對勵磁涌流的判據(jù)有2種，一是二次諧波制動，二是波形分析制動，主要原理如下說明。

4.1.1 二次諧波制動

利用差流中的二次諧波含量來識別勵磁涌流。

式中，I2、I3為差流二次、三次諧波；Id為差流基波；K2、K3為二次、三次諧波制動系數(shù)整定值。二次諧波制動系數(shù)一般取0.15；三次諧波制動系數(shù)一般取0.2。滿足以上條件時(shí)，判斷為勵磁涌流引起的差流，閉鎖差動保護(hù)。當(dāng)三相中某一相被判別為勵磁涌流，只閉鎖該相比率差動元件[2]。

4.1.2 波形分析制動

發(fā)生故障時(shí)，差流基本上是工頻正弦波，波形對稱。而產(chǎn)生勵磁涌流時(shí)，有大量的諧波分量存在，波形發(fā)生畸變，間斷，不對稱。具體方法為將微分后的差流波形的前半周和后半周進(jìn)行對稱性比較。對于故障電流式恒對稱性始終滿足，對于勵磁涌流有1/4周波以上的點(diǎn)對稱性不滿足，這樣可以區(qū)分內(nèi)部故障電流和勵磁涌流。

4.2 保護(hù)裝置動作情況分析

某站對主變壓器進(jìn)行空充時(shí)，發(fā)生主變充電斷路器跳閘的異常情況，現(xiàn)場對一次設(shè)備進(jìn)行了全面檢查和試驗(yàn)后，未發(fā)現(xiàn)有任何問題；現(xiàn)場檢查主變2套保護(hù)差動保護(hù)均動作正確。現(xiàn)在結(jié)合故障錄波和勵磁涌流判據(jù)分別對1#調(diào)壓補(bǔ)償保護(hù)1（SGT756）和1#調(diào)壓補(bǔ)償保護(hù)2（RCS978C3）進(jìn)行分析。

RCS-978C變壓器保護(hù)裝置采用的是二次諧波分相閉鎖原理，二次諧波閉鎖定制整定為12%。A相和B相差動電流的二次諧波含量都大于閉鎖定制，而C相差動電流的二次諧波含量低于閉鎖定值，因而差動保護(hù)C相滿足動作條件，保護(hù)發(fā)跳閘信號。

該站主變壓器采用了中壓末端，即中性點(diǎn)調(diào)壓的調(diào)壓方式，但自耦變壓器的高、中壓為公用中性點(diǎn)，采用中性點(diǎn)調(diào)壓時(shí)，各分接位置的匝電勢和鐵心磁通密度將發(fā)生變化，也就是變磁通調(diào)壓[2]。

當(dāng)異常情況出現(xiàn)后，對差動保護(hù)范圍內(nèi)的一次、二次設(shè)備進(jìn)行檢查，均未發(fā)現(xiàn)異常和故障痕跡，可以確定事故不是由變壓器內(nèi)部故障引起的。根據(jù)上述分析可知，此次事故的原因是：由于分接頭調(diào)整帶來的磁通變化，使變壓器的實(shí)際飽和磁通倍數(shù)降低，使得涌流的二次諧波含量降低，造成1#調(diào)壓補(bǔ)償變差動保護(hù)動作。

5 靜模試驗(yàn)與改進(jìn)

為了防止特高壓變壓器空投過程中差動保護(hù)誤動作，可以對1#調(diào)壓補(bǔ)償變保護(hù)1（SGT756）、1#調(diào)壓補(bǔ)償變保護(hù)2（RCS978C3）保護(hù)軟件分別進(jìn)行相應(yīng)的升級，具體如下：

對1#調(diào)壓補(bǔ)償變保護(hù)2（RCS978C3），為了防止特高壓變壓器空投過程中調(diào)壓變差電流二次諧波含量較低可能導(dǎo)致的調(diào)壓變差動保護(hù)誤動作，保護(hù)軟件進(jìn)行如下修改：裝置檢測到變壓器空投的情況下，自適應(yīng)的投入200ms的循環(huán)閉鎖方式，200ms過后自動切換回分相閉鎖方式。即：裝置突然通入電流，當(dāng)任兩相差流的二次諧波大于閉鎖定值時(shí)，則閉鎖200ms，200ms后按分相方式處理。升級后版本靜模測試結(jié)果如表1所示。

表1 靜模測試結(jié)果

從表1可以看出：1#調(diào)壓補(bǔ)償變保護(hù)2的勵磁涌流判據(jù)由分相閉鎖方式修改為兩相循環(huán)閉鎖和分相閉鎖前后結(jié)合的方式，能夠較準(zhǔn)確地區(qū)分變壓器的勵磁涌流和內(nèi)部故障電流，提高了保護(hù)的可靠性。

6 結(jié)語

論文詳細(xì)介紹了變壓器勵磁涌流的特點(diǎn)，針對主變器空充跳閘的異常情況，結(jié)合勵磁涌流判據(jù)對其進(jìn)行了分析，并初步解釋了事故的原因，屬于1#調(diào)壓補(bǔ)償變差動保護(hù)誤動作。從分析中也可以看出，兩套保護(hù)分別采用波形分析制動和二次諧波制動對勵磁涌流進(jìn)行識別取得了較好的效果，但也存在不足。最后針對該變電站設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行情況，提出了防止變壓器差動保護(hù)誤動作的改進(jìn)措施。

【1】劉桂霞.變壓器勵磁涌流判據(jù)分析[J].電氣應(yīng)用.2008,27(22):48-51.

【2】張有才.自耦變壓器勵磁涌流新判據(jù)[J].變壓器.2013,50(12):44-47.

Analysis on Inrush Current of the Transformer and Its Criterion

LIU Guo-xing,SONG Bing,E Shi-ping
(State Grid Hubei Electric Power Maintenance Company,Wuhan430050,China)

The inrush current of the transformer under specific circumstances can lead to the wrong action of the differential protection,which brings a great security flaws to the electric power safety production.Characteristics of inrush current and its influence on differential protection,are described in detail.Based on a station site actual situation,the protective devices can distinguish the inrush current of the transformer from internal fault current more accurately through the improvement of protection criterion.The reliability of protection improves.

inrush current；differential protection；second harmonic escapement；waveform analysis brake；criterion

TM 41

A

1007-9467（2016）08-0085-02

2016-06-30

劉國興（1981～），男，湖北宜昌人，工程師，從事電網(wǎng)運(yùn)維檢修管理研究。