勵磁涌流導致220 kV主變壓器差動保護誤動作分析

王 佼，劉 釗，楊 彬，高 巖

(國網河北省電力公司保定供電分公司，河北 保定 071000)

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勵磁涌流導致220 kV主變壓器差動保護誤動作分析

王 佼，劉 釗，楊 彬，高 巖

(國網河北省電力公司保定供電分公司，河北 保定 071000)

介紹了一起由于空載合閘引起勵磁涌流導致某220 kV變壓器差動保護誤動的故障情況，從保護定值檢查、保護動作報文查檢、保護動作分析等方面分析故障產生的原因，提出應對措施，對防止差動保護誤動和提高沖擊合閘成功率提供了參考。

勵磁涌流；差動保護；二次諧波；誤動

差動保護是變壓器的主保護，其存在的主要問題是在空載合閘或外部故障切除后的電壓恢復過程中產生很大的勵磁涌流，能夠達到額定電流的6～8倍[1]，有可能導致差動保護誤動作[2]。在實際現場中，變壓器差動保護主要采用二次諧波原理和間斷角原理來識別勵磁涌流。但由于變壓器鐵芯多采用冷軋硅鋼片，鐵芯的飽和磁通倍數由1.4降低至1.2～1.3，使得涌流中二次諧波的含量有時低至10%以下[3]，這使得基于二次諧波原理的差動保護時有誤動，對電力系統的穩定運行和設備的安全造成很大的影響。

1 電網運行方式

某220 kV變電站220 kV母線并列運行，110 kV母線并列運行，220 kV開關243、244、202位于合位，110 kV開關143、149位于合位，其余開關均為分位。3號主變壓器為熱備用狀態，即將閉合開關213對3號主變壓器進行充電。

2 故障現象

2015年7月1日01:02:01，例行試驗工作結束后，運維人員閉合213開關對3號主變壓器進行充電，220 kV變電站3號主變壓器保護A、保護B縱差比例差動保護動作出口(V相，105 ms，1.95Ie)，跳開213、113、513開關(113、513起始位置為分位)，操作箱“跳A”“跳B”“跳C”指示燈均點亮。2015年7月1日03:24:00，利用213開關再次對3號主變壓器充電，213開關順利閉合。

3 故障檢查與分析

3.1 保護定值檢查

查看裝置定值得知，縱差比例差動啟動值0.5Ie；3號主變壓器保護A“涌流閉鎖方式控制字”為“0”，裝置利用諧波原理識別勵磁涌流；3號主變壓器保護B“涌流閉鎖方式控制字”為“1”，裝置利用波形判別原理識別勵磁涌流。

3.2 保護動作報文檢查

故障發生后，3號變壓器保護裝置差流情況為：保護A的最大二次差電流為1.952Ie；保護B的最大二次差電流1.945Ie。保護動作報文見表1。

表1 保護動作報文

時間/ms3號主變壓器保護A(RCS978GED)3號主變壓器保護B(RCS978GED)0保護啟動保護啟動105縱差比例差動;跳高壓側開關;跳中壓側開關;跳低壓側1分支縱差比例差動;跳高壓側開關;跳中壓側開關;跳低壓側1分支

3.3 保護動作分析

2015年7月1日01:02:01 3號主變壓器保護A和保護B裝置中記錄了波形，發現3號主變壓器保護裝置中縱差U相差流波形和縱差W相差流波形特點：三相電流波形均偏于時間軸一側；波形是間斷的，存在間斷角；二次諧波分量較高。

3.3.1 保護A動作分析

3號主變壓器保護A使用南瑞繼保公司的RCS-978型變壓器保護裝置。該保護裝置通過計算U、V、W三相差流中二次諧波和三次諧波的含量來區分內部故障和勵磁涌流，判別條件如下。

(1)

式中：I2nd為各相差流中的二次諧波含量；I3rd為各相差流中的三次諧波含量；I1st為對應相差流中的基波含量；K2xb為二次諧波制動系數，可整定，推薦整定為0.1～0.2；K3xb為三次諧波制動系數，固定值，整定為0.2。

該220 kV變電站的故障錄波器為ZH-3型故障錄波分析裝置。調出3號主變壓器保護A動作時多通道諧波分析表格，如表2所示。

從表2可以看出，縱差比例差動保護動作時，V相二次諧波含量為14.98%，低于15%；而U、W兩相二次諧波所占比例分別為53.55%和21.48%，大于15%。南瑞繼保RCS978型主變壓器保護裝置內部算法表明：當只有單相二次諧波百分比低于定值，且差流(保護啟動至保護動作區間V相差流在1.7Ie以上)大于縱差比例差動啟動值0.5Ie時，從保護啟動開始算起100 ms保護動作。保護裝置A縱差比例差動實際動作時間為105 ms。

3.3.2 保護B動作分析

3號主變壓器保護B采用波形畸變原理來區分內部故障和勵磁涌流。內部故障時，變壓器差流近似為正弦波。而在變壓器涌流中，由于存在大量的高次諧波，導致波形間斷甚至發生畸變。保護裝置采用內部算法識別出波形畸變，就能正確區分內部故障和勵磁涌流。變壓器發生內部故障時，式(2)成立。

表2 故障錄波諧波分析

相別基波分量直流分量2次諧波3次諧波4次諧波5次諧波3號主變壓器高壓側合并單元A保護電流U相10.230A∠143.27°0.173A;75.43%0.121A;52.55%0.055A;24.06%0.029A;12.56%0.030A;12.97%3號主變壓器高壓側合并單元A保護電流U相20.230A∠143.32°0.173A;75.17%0.121A;52.31%0.055A;23.85%0.029A;12.46%0.030A;13.01%3號主變壓器高壓側合并單元A保護電流V相10.383A∠13.55°-0.427A;-111.49%0.057A;14.98%0.035A;9.17%0.017A;4.40%0.015A;3.97%3號主變壓器高壓側合并單元A保護電流V相20.382A∠13.59°-0.427A;-111.78%0.058A;15.13%0.035A;9.26%0.018A;4.58%0.015A;3.98%3號主變壓器高壓側合并單元A保護電流W相10.328A∠-110.41°0.334A;101.99%0.070A;21.48%0.024A;7.18%0.004A;1.26%0.004A;1.37%

(2)

式中：S為變壓器差流的全周積分值；S+為變壓器差流半周前瞬時值與變壓器差流瞬時值之和的全周積分值；kb是某一固定常量；St是門檻定值。當三相差流有一相不滿足式(2)，即被判為變壓器涌流，同時閉鎖該相差動保護。

由錄波分析可知，縱差V相電流二次諧波畸變、間斷、不對稱特征不明顯。V相差流波形對稱，接近正弦波，其動作判據與采用二次諧波制動原理相同，即從保護啟動開始算起展寬100 ms保護動作。故V相比率差動元件閉鎖失去作用導致比率差動動作出口。

3.4 分析結論

保護裝置廠家和現場檢修人員對動作錄波波形進行波形再現試驗，用同型號的主變壓器保護裝置和最新“六統一”的主變壓器保護裝置均做了試驗，試驗結果與本站保護裝置動作情況一致。

此次故障原因是變壓器勵磁特性發生變化，主變空載合閘產生了極為特殊的三相勵磁涌流(V相勵磁涌流二次諧波含量降低，接近正弦波)，引起涌流判別元件開放，導致保護裝置誤動作。

4 應對措施

目前，投運的微機變壓器保護大都采用基于波形特征的方法來鑒別勵磁涌流，如二次諧波制動原理和間斷角原理，但其都具有一定的局限性。采用現代最新的智能信息處理技術、信息融合技術與差動保護原理相結合，可以更準確、更快速的識別變壓器勵磁涌流。目前，國內外根據勵磁涌流與內部短路電流的差別，找到了很多的方法，提出了諸多基于小波理論、分形理論、模糊理論的變壓器勵磁涌流識別新方法，推進了變壓器勵磁涌流識別方法的研究，使其進入一個新的水平。

現場實際中可以采取以下應對措施，解決變壓器空載合閘時差動保護誤動問題。

a. 采用同步合閘技術，選擇適當相位角進行合閘，以減小勵磁涌流。控制三相的合閘時刻，使鐵芯中的磁通在空載合閘時不發生突變，避免鐵芯磁通飽和，從而有效的抑制勵磁涌流。合閘時刻與鐵芯中的剩磁有關，由于剩磁有著多種分布形式，相應的也有不同的合閘策略。合閘控制策略最佳時，勵磁涌流的幅值可以削減98%。

b. 適當降低諧波閉鎖涌流定值。對于現代大型變壓器，剩磁較大并且飽和點低，空載合閘時勵磁涌流二次諧波含量可能低至10%以下。因此，可以將二次諧波閉鎖定值由經驗值15%適當降低，從而提高差動保護空載合閘后的動作成功率。

c. 現場采用的是分相制動原理，他是三相與門制動，防拒動性能較好，但如果空投時出現某一相二次諧波含量較低或對稱性涌流就會誤動。所以，建議可以考慮采用諧波比最大相制動原理，防止誤動性能較好。

d. 變壓器繞組直阻測試時造成鐵芯剩磁，也是導致空載合閘時勵磁涌流增大的一個重要原因。建議對變壓器高壓試驗項目進行調整并對繞組直阻測試方法進行優化，同時在進行繞組直阻測試后進行退磁。

e. 勵磁涌流的產生是由多方面的因素造成的，提高辨別勵磁涌流識別的準確性難度較大，建議采用勵磁涌流抑制器從根本上抑制勵磁涌流的產生。勵磁涌流抑制器通過精確控制外加電壓的相位角，能夠實現偏磁與剩磁互消，從而有效地抑制勵磁涌流的產生。

5 結束語

變壓器在空載合閘投入電網時會產生幅值相當大的勵磁涌流，以上介紹了一起空載合閘引起勵磁涌流導致變壓器差動保護誤動作故障情況，分析了誤動原因并給出了應對措施。隨著信息處理技術的發展，變壓器勵磁涌流識別方法將會進一步改進、完善，變壓器差動保護誤動也將能夠更好地得到解決。

[1] 宋 曉，李 平，徐公林，等．基于遞歸定量特征的變壓器勵磁涌流識別[J]．中南大學學報(自然科學版)，2013，44(5)：1932-1937．

[2] 張炳達，黃 杰．基于差分雙正交小波熵的變壓器勵磁涌流識別算法[J]．電力系統保護與控制，2014，42(18)：9-13.

[3] 陳 艷．變壓器差動保護誤動的仿真與識別勵磁涌流新方法的研究[D]．成都：西南交通大學，2005.

本文責任編輯：丁 力

Misoperation of 220 kV Transformer Differential Protection Caused by Excitation Surge Current

Wang Jiao,Liu Zhao,Yang Bin,Gao Yan

(State Grid Hebei Electric Power Corporation Baoding Power Supply Branch，Baoding 071000，China)

A misoperation of a 220kV transformer differential protection caused by excitation surge current induced by no-load switching-in is introduced.Causes of this misoperation are identified.In addition,preventive methods and operational suggestions to avoid the malfunction under inrush conditions are proposed which have theoretical values for improving the reliability of differential protection of transformers.

excitation surge current;differential protection;second harmonic;malfunction

2016-11-18

王 佼(1987-)，男，工程師，主要從事繼電保護及高壓電氣試驗工作。

TM723

B

1001-9898(2017)03-0037-03