10 kV配電線路保護誤動原因分析

付振強，周振宇，王 舒，孫 明

(國網鞍山供電公司,遼寧 鞍山 114001)

10 kV配電線路保護誤動原因分析

付振強，周振宇，王 舒，孫 明

(國網鞍山供電公司,遼寧 鞍山 114001)

在對10 kV配電線路恢復送電過程中，經常發生由配電變壓器勵磁涌流引起的配電線路電流保護誤動事故，結合勵磁涌流的產生原理和特點，分析了10 kV配電線路存在的問題，提出防止勵磁涌流引起線路保護誤動的改進方案，為10 kV配電線路正常運行提供保障。

10 kV配電線路；勵磁涌流；保護誤動；定值

隨著我國經濟的快速發展，電力系統的建設規模不斷擴大，對10 kV供電系統提出的要求越來越高、越來越嚴格，然而出現的各種故障也呈上升趨勢，對社會經濟發展和人們生活質量產生了一定的影響[1]。對于10 kV配電線路來說，在線路恢復送電合線路開關時，因勵磁涌流引起的無時限電流保護誤動作較普遍。

電力系統繼電保護及自動裝置主要是依據電力系統中電流、電壓的變化作出相應動作，在設計前期，為盡可能提高邏輯運算結果的準確性，并沒有過多地考慮涌流問題。但在電力系統運行過程中，發現勵磁涌流對其穩定運行產生了很大的影響，特別是在10 kV線路開關合閘過程，出現多起線路保護誤動作事故。如果不采取措施解決變壓器勵磁涌流問題，將導致繼電保護裝置誤動作，直接影響繼電保護裝置運行的穩定性，進而影響電能的輸送，甚至威脅整個電力系統的安全穩定運行。

1 勵磁涌流產生原理及特點

變壓器的勵磁電流IL僅流經變壓器的某一側，因此，通過電流互感器反映到差動回路中不能被平衡，在外部故障時，由于電壓降低，勵磁電流減小，其影響較小。但當變壓器空載投入或變壓器外部故障切除后電壓恢復時，由于變壓器鐵芯中的磁通不能突變，進而出現一個非周期分量磁通，使變壓器鐵芯飽和，產生數值很大的勵磁電流，稱為勵磁涌流。此時急劇增大的勵磁涌流將成為差流，幅值很大，不采取措施將造成差動保護誤動。

1.1 勵磁涌流產生原理

變壓器作為電能、磁能的轉換裝置，當變壓器二次繞組開路時，一次繞組需要通過相應的勵磁電流來建立主磁通，因此，勵磁涌流是變壓器特有的電磁現象。勵磁電流和磁場的關系可以由變壓器鐵芯的磁化曲線特性來決定。變壓器在空載穩定運行狀態下，由于建立了穩定的主磁通，不會使鐵芯中的磁通密度達到飽和狀態，勵磁電流值很小，一般達到變壓器額定電流的2%～10%。但是一旦因某些原因使磁通密度增大到飽和狀態，勵磁電流就會劇增，鐵芯越達到飽和狀態，磁場需要的勵磁電流也就越大。

以單相變壓器為例，說明其空投時勵磁涌流產生的原理。

若考慮與電源回路電阻、變壓器繞組電阻和漏電感有關的時間常數T的影響，則磁通Φ為

(1)

由式(1)可以看出，在空投時沖擊變壓器的瞬間，鐵芯中的磁通由三部分組成：第一部分為磁通的強迫分量；第二部分為磁通的自由分量，隨時間而衰減，第三部分為合閘前鐵芯的剩磁通[2]。

如果在開關最不利的情況下合閘，即電壓瞬時值為零時空投變壓器，磁通會達到幅值，合閘角α=0°，在忽略變壓器及合閘回路的電阻時，時間常數T為無窮大，磁通中的自由分量不衰減，假如剩磁Φs的方向與合閘之后Φmcosα=Φm的方向相同，則變壓器鐵芯的綜合磁通如圖1的曲線Φ。

圖1 空載合閘時磁通變化波形

由圖1可以看出，鐵芯中的最大磁通可達2Φm+Φs，如果合閘角α=0°，變壓器鐵芯的剩磁通Φs=0.9Φm，鐵芯中的最大磁通達2.9Φm，接近正常運行時穩態磁通幅值的3倍，使變壓器鐵芯嚴重飽和，勵磁電流迅速增加，產生勵磁涌流。此時勵磁電流將達到正常空載運行時電流的50～80倍，根據一般變壓器正常空載勵磁電流為額定電流的10%進行計算，得出在最不利狀況下合閘時，空載合閘勵磁涌流瞬時值將達到額定電流的5～8倍，若再考慮合閘瞬間剩磁的影響，勵磁電流將達到更高值。

由于回路電阻R的存在，合閘時勵磁電流將隨時間常數T逐漸衰減，最后恢復到正常的電流水平，如圖2所示。一般小容量變壓器衰減速度比較快，大約在幾個周波后就將達到穩定狀態，而大容量的變壓器衰減速度相對比較慢，可以延續幾秒甚至更長。

對于三相變壓器而言，由于三相電壓彼此相差120°，合閘時總有一相處于或接近于電壓瞬時值為

圖2 空載合閘時勵磁電流變化曲線

零時空投單相變壓器時產生的不利狀態，因此，總有一相電壓產生最大的勵磁涌流。

1.2 勵磁涌流特點

a.峰值大，當變壓器空載投入時，可達到額定電流的5～8倍，而相對于容量較小的配電變壓器，倍數則更大。

b.包含很大的非周期分量，使勵磁涌流波形偏于時間軸一側。

委托經辦具體運行機制設計體現出：(1)政府確保市場有效的競爭和建立商保公司的準入機制和退出機制，鼓勵更多的商保公司參與進入這個市場。(2)政府建立有效的信息管理披露制度。一方面商保公司賬目公開；另一方面建立商保公司經辦基本醫保服務績效評估指標體系和評估方法。(3)商保公司在合作中主要負責賠案審核和支付服務等，獲取相應的經辦費用。見圖3

c.包含大量高次諧波分量，主要以二次諧波為主。

d.是衰減的，衰減時間與變壓器繞組時間常數T及合閘回路有關，勵磁涌流由峰值衰減到0.25～0.5倍額定電流，經歷時間為0.5～0.75 s，隨后衰減變慢。

e.與單臺大容量變壓器不同，10 kV配電線路的勵磁涌流是線路上掛接的幾十臺小容量配電變壓器所產生的勵磁涌流的疊加[3]。

1.3 勵磁涌流影響因素

當電壓過零時刻投入變壓器時，將產生最嚴重的磁飽和現象，此時變壓器勵磁涌流最大值可達變壓器額定電流的5～8倍，其中包含大量的非周期分量和高次諧波分量，并以一定時間系數衰減[4-5]。研究得出，勵磁涌流的大小和衰減時間跟變壓器鐵芯磁通大小、鐵芯材料和性質、變壓器設計的工作磁密，變壓器結構和容量大小等有關。大容量變壓器產生勵磁涌流倍數小，但勵磁涌流時間常數大，存在時間長，有時要經過數秒甚至幾分鐘才能衰減到正常值。小容量變壓器空投時勵磁涌流與其額定電流之比越大，即勵磁涌流倍數越大。

2 10 kV線路保護存在的問題

在電網運行過程中，發生過多次10 kV配電線路在停電或跳閘后恢復送電時，過流保護動作跳閘，自動重合閘不成功，手動試送過流保護又動作跳閘，經過全線路檢查未發現任何問題，找不到故障點[6]。研究發現，隨著電網電力負荷的快速增長，10 kV線路掛接的小容量配電變壓器數量劇增，合10 kV線路開關瞬間，各配電變壓器產生的勵磁涌流相互疊加，再加上電動機自啟動電流等原因，造成線路保護動作跳閘而無法送電。

為躲過勵磁涌流，整定計算時，在與主變后備保護定值匹配的前提下，可適當調大電流速斷保護定值。研究表明，勵磁涌流的大小將隨時間增加而衰減，開始涌流很大，一段時間后涌流衰減為零，一般經過 7～10 個工頻周波后，涌流即可衰減到可忽略的范圍。當涌流衰減到零時，線路中的電流值接近線路的負荷電流，流過保護裝置的電流為線路負荷電流。為防止勵磁涌流引起保護誤動作，可通過提高Ⅰ段電流速斷保護裝置定值、延長動作時間來躲勵磁涌流，通常在Ⅰ段瞬時電流速斷保護回路加入0.15～0.2 s延時。

該方法的最大優點是不用大范圍改造保護裝置，只做簡單修改定值，可有效避免電流速斷保護誤動。但存在如下問題：Ⅰ段電流速斷保護裝置定值加大，影響靈敏度；延長動作時間，縮短保護范圍，增加故障切除時間，在線路出口故障時將對變壓器及10 kV線路設備產生巨大危害。

對10 kV配電線路檢修作業結束后恢復送電時，保護跳閘及線路發生故障重合不良時，采取的措施是拉開10 kV線路分歧開關，線路送電后，分別送各分歧開關，通過合理分段和分配負荷，控制一次合閘送電容量，分級送電，使Ⅰ段瞬時電流速斷保護躲過勵磁涌流的沖擊。但在實際操作過程中，拉分歧開關分別送電，需要大量作業人員相互配合，浪費人力且不安全。

3 改進方案

3.1 改進方案1

在10 kV線路保護增加二次諧波制動閉鎖保護功能，可在不改變原有定值的基礎上，區別故障電流和勵磁涌流。勵磁涌流含有大量的二次諧波，變壓器的差動保護就是利用這個特性，設定二次諧波制動來防止勵磁涌流引起保護誤動作。若在10 kV線路保護中，增加二次諧波制動閉鎖保護功能，當配電線路故障時，無二次諧波產生，不閉鎖保護，但當配電線路中產生勵磁涌流時，迅速閉鎖線路保護功能，可避免由于變壓器勵磁涌流引起的保護誤動作。

3.2 改進方案2

隨著電網建設的不斷擴大，10 kV配電系統所帶負載不斷增加，故障時短路電流也隨之變大，當線路出口處發生短路時，短路電流很大，使變壓器二次側受到大電流沖擊，因此，需要設置特殊段定值來閉鎖重合閘。當線路出口故障時，短路電流可達到TA一次額定電流的幾十倍，此時要閉鎖重合閘，防止重合閘動作再次合于故障，使變壓器受大電流沖擊而燒損。

3.3 改進方案3

在變電站線路出口附近發生故障，斷路器失靈時，要由變壓器后備保護來切出故障，變壓器后備保護整定時間為2.2 s。由于線路出口附近發生故障短路電流很大，故障切出時間長(2.2 s)，將導致變壓器及一次設備燒毀等事故，因此，需在10 kV線路保護加裝出口故障斷路器失靈判別功能，并與變壓器后備保護相結合構成線路出口故障失靈保護。線路出口故障斷路器失靈的特點是出口跳閘后，短路電流大，且不消失，根據該特點，在線路保護中加裝用于判斷出口故障的特殊段定值和保護動作出口構成與的關系，當二者同時自動縮短變壓器后備保護動作時間時,直接跳主變壓器，可有效防止線路出口故障時，斷路器失靈切出故障時間長所產生的危害。

4 結束語

10 kV供電系統是電力系統的重要組成部分，其能否安全穩定運行，關系到電能的正常輸送及整個電力系統的穩定可靠。如何解決10 kV線路中出現的各種故障，減少事故的發生，確保電網安全運行，已成為繼電保護專業人員工作的重中之重。

勵磁涌流的產生對配電變壓器安全運行的危害不大，但對10 kV配電線路電流保護影響卻很大，若不采取相應的措施將頻繁引起電流保護誤動。根據10 kV配電系統的特點和實際運行需要，結合勵磁涌流的產生原理和特點，提出防止勵磁涌流引起線路保護誤動的改進方案，為10 kV配電系統正常運行提供保障。

[1] 張天文.10 kV配電故障查找及處理分析[J].東北電力技術,2015,36(7)：17-20.

[2] 張智剛.國家電網公司繼電保護培訓教材[M].北京：中國電力出版社，2015.

[3] 凌小霽.10 kV低壓配電系統勵磁涌流問題分析及解決方案[J].大眾科技，2014，16(7)：107-109.

[4] 王慶華.饋線繼電保護誤動作分析及防止對策[J].廣西水利水電，2014，6(3)：54-55.

[5] 高文勝.某變電站勵磁變差動保護誤動原因[J].東北電力技術，2009，30(4)：24-27.

[6] 鄭許林.配電變壓器勵磁涌流對線路保護定值整定的影響[J].科技傳播，2010，12(10)：175.

[7] 劉士祥,薛 建,左寶峰,等.10 kV配網線路保護不正確動作探討[J].技術交流與應用，2008，36(11)：79-82.

Cause Analysis on Protection Malfunction of 10 kV Distribution Line

FU Zhenqiang, ZHOU Zhenyu, WANG Shu, SUN Ming

(State Grid Anshan Power Supply Company，Anshan，Liaoning 114001，China)

In the process of restoring the power supply to 10 kV distribution circuit, the fault accident caused by inrush current of distribution transformer is often occurred. This paper combines the inrush current generation principle and characteristics, in-depth analysis of the problems existed in the 10 kV line.Three improvement programs to prevent malfunction of circuit protection caused by magnetizing inrush current are put forward which provide the guarantee for normal operation of 10 kV power supply system.

10 kV distribution line；magnetizing inrush current；protection malfunction；fixed value

TM773

A

1004-7913(2017)01-0039-04

2016-09-20)

付振強(1962)，高級技師，從事電力系統繼電保護研究工作。