基于勵磁電感參數識別的快速變壓器保護

武選安 黃海龍

摘要：變壓器在電力系統中起著關鍵的作用，所以在其運行中要設置各種保護，縱差動保護就是眾多保護中的一種。縱差動保護在對其進行保護時要躲過不平衡電流，才不致誤判斷，誤動作。

關鍵詞：變壓器；差動保護；勵磁涌流；短路電流；小波變換；速飽和變流器

中圖分類號：F325 文獻標識碼：A 文章編號：2095-3178（2018）20-0497-01

當前，隨著電網輸電電壓的不斷提高，輸電距離和輸電容量的不斷增大，大容量變壓器的應用日益廣泛，對變壓器保護的可靠性和速動性提出了更高的要求。解決變壓器差動保護問題的核心是如何正確識別變壓器勵磁涌流和內部故障電流。變壓器在空載合閘時會產生很大的勵磁涌流，如不加以識別會導致變壓器差動保護誤動作，造成不必要的停電事故和經濟損失。

1 勵磁涌流的產生和特點

1.1 勵磁涌流的產生

變壓器是根據電磁感應原理制成的一種設備，在電磁轉換過程中需要建立一定的磁場。磁場建立的過程中在繞組上會產生一定的勵磁電流。勵磁電流和磁場的大小取決于變壓器鐵芯的磁化特性。鐵芯越飽和，在鐵芯上的磁場也越大，所需的勵磁電流也越大。勵磁涌流是在變壓器空載合閘和切除外部故障電壓恢復時在繞組中產生的暫態電流。

1.1.1 穩態時變壓器勵磁電流

在穩態工作在穩態工作情況下，交流回路中的磁通？椎滯后于外加電壓900，建立了穩定的磁場，此時勵磁電流很小，一般不超過額定電流的2%～10%。

1.1.2 在“u為最大值合閘時變壓器的勵磁電流”

如果在合閘瞬間電壓正好達到最大值，則磁通的瞬間值恰好為零，即在鐵芯里開始就建立了穩態磁通，和穩態時情況一樣.在這種情況下，不會產生勵磁涌流，但是對于三相變壓器，其他兩相電壓值此時定不在最大值處，因此會產生不同程度的勵磁涌流。

1.2 勵磁涌流的特點

a.勵磁涌流數值很大，可達額定電流的6～8倍并隨著時間逐漸衰減，衰減常數與鐵芯的飽和程度有關。飽和程度越深，電抗越小、衰減越快， 因此，在開始瞬間衰減很快，以后逐漸減慢。

b.勵磁涌流中含有大量的高次諧波，并以二次諧波為主。

c.勵磁涌流含有很大成分的非周期分量，往往使涌流偏于時間軸一側。

d.勵磁涌流的波形出現間斷。

2 勵磁涌流產生的影響

變壓器的勵磁涌流幅值可達變壓器額定電流的6～10倍，且產生大量的高次諧波分量，所以勵磁涌流的不良影響及危害主要表現為以下方面：

2.1 峰值較大且含有大量高次諧波造成很大的振動，危及相關部件的機械性能，而且會造成很大的噪聲；

2.2 勵磁涌流較大的時，可能引起上級繼電保護裝置的誤動作，而瞬間分斷大電流還可能導致系統過電壓，損害電氣設備，擴大危害范圍；

2.3 變壓器合閘的勵磁涌流，包含大量高次諧波會反饋至電網，可能造成電網電壓和頻率的波動，嚴重污染電能質量。鐵芯的振動主要是因鐵芯反復勵磁引起的，勵磁涌流中含有的大量高次諧波，特別是是二次諧波，容易引起共振，加激鐵芯的振動，空負載投入變壓器時總會聽到一聲激響，這一現象正是勵磁涌流引起鐵芯激烈振動造成的。鐵芯夾的越緊，振動異響越大，所以廠家設計的鐵芯夾力不會很大，而勵磁涌流造成激烈振動就容易危機鐵芯機械性能，雖然不至于破壞變壓器結構，但這種現象的長期積累，會導致變壓器機構缺陷，為其他故障導致變壓器破壞提供了條件。

繼電保護裝置差動保護整定值的設置不可能考慮極限的勵磁涌流，因為變壓器、高壓開關柜或者電力電纜發生故障時的電流也在保護動作考慮范圍之內，變壓器空載投入產生的勵磁涌流，若這時也存在故障電流，繼電保護裝置無法分辨，從而導致繼電保護裝置誤動作。而且，新設備在啟用初期，設備靈敏度較高，必然實現任何故障的出現均會很快分斷斷路器，所以整定值一般較小而且動作時間很短，針對大電流速斷保護動作無延時為。最常見的情況就是，現場空投變壓器時繼電保護動作跳閘，再次重合閘繼電保護不跳閘，甚至在出險反復幾次跳閘后，不得不通過改變繼電保護的整定值來避開勵磁涌流，這種降低保護靈敏度的做法無疑使新投入使用的設備及系統承擔更大的運行風險。若勵磁涌流足夠大，流過的上級或并機的變壓器，足以使繼電保護裝置越級跳閘，擴大停電范圍。

變壓器空載投入運行瞬間產生的勵磁涌流，必然經過上級或并列運行變壓器，并存在很高的直流分量，容易使上級或并列運行變壓器于空載投入的變壓器直接連接側的電流互感器鐵芯飽，出現較大傳變誤差。流經運行變壓器的直流分量衰減很大，流經其他側電流互感器受到的影響也小，運行變壓器的差動保護很容易產生較大差流而誤動，造成繼電保護裝置動作，導致運行變壓器退出運行，造成電網電壓和頻率的波動，甚至危及電力系統的穩定性。勵磁涌流中含有的大量高次諧波更是對電力系統電能質量的一種污染。

3 防護勵磁涌流的措施

勵磁涌流在實際運行中產生諸多不利影響，必須采取一定的措施加以抑制，現實中常用的三相電力變壓器，準對起勵磁涌流的特點和機制，結合運行管理部門的實際情況，制定有效的抑制措施，以減少其影響，保證電力系統正常運行。在此主要討論以下幾種抑制方法。

3.1 廠家在制造變壓器時，除了滿足技術經濟指標之外，應在變壓器內部結構適當采取降低勵磁涌流的措施。例如，適當降低鐵芯磁通密度的工作點或加大鐵芯面積，盡量使用剩磁較小的鐵芯材料，設定鐵芯夾緊力時充分考慮勵磁涌流沖擊，增加變壓器絕緣強度等等。

3.2 在系統配置設計時考慮以下方面：配置特性較好且匹配的避雷器保護變壓器的主絕緣，防止雷擊過電壓；選擇技術先進，制造工藝優良斷路器，防止斷路器在斷開勵磁涌流時電弧重燃；配置有較好勵磁涌流閉鎖性能的變壓器差動保護等；采用勵磁特性較好的電流互感器。

3.3對于勵磁涌流沖擊導致上級開關誤動作的情況，研究變壓器勵磁涌流的特性，計算得知的勵磁涌流電流約為變壓器額定電流的6～10倍，對上級變電站的繼電保護裝置，在綜合考慮電網保護上下級保護協調性的基礎上，盡量增大速斷保護跳閘的動作電流整定值，假如條件允許的情況下，設置在單臺變壓器額定電流8倍或以上，以避開單臺變壓器投入時勵磁涌流引起的繼電保護誤動作。

3.4 在合閘回路中串聯合適的電阻來增大變壓器繞組阻值，降低變壓器空載投入時穩態磁通和勵磁涌流的暫態持續時間。在變壓器中增加濾波器，對變壓器投入時產生的大量高次諧波進行抑制，減少諧波干擾，防止繼電保護裝置誤動作，減少對電網質量的污染。

4 結論

在分析變壓器勵磁涌流產生原因及特點基礎上，得出由于變壓器勵磁涌流幅值大導致保護誤動，提出了控制三相斷路器合閘時間削弱勵磁涌流、二次諧波制動方式和間斷角原理制動方式、波形對稱原理和采用速飽和變流器的差動繼電器等來防治勵磁涌流的影響，使變壓器空載合閘成功。

參考文獻

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