淺談高速供電系統中勵磁涌流對線路保護誤動作的成因分析及處理

■吳 健

(福建省高速公路永安監控分中心，永安 366000）

淺談高速供電系統中勵磁涌流對線路保護誤動作的成因分析及處理

■吳 健

(福建省高速公路永安監控分中心，永安 366000）

微機型繼電保護設備作為高速公路10kV供電系統保護裝置，給供電線路及用電設備安全運行帶來了安全保障。但受勵磁涌流的影響，在停電后恢復運行時，保護裝置可能會發出誤動作信號導致高壓斷路器跳閘，造成供電系統內二次非故障停電。而維護人員往往會忽略該因素的存在，出現巡線和系統全面檢查后又找不到故障點的情況，從而無法及時恢復供電。這不僅對高速公路行車安全帶來安全隱患，也給故障的處理帶來難度。本文就高速供電系統中，勵磁涌流導致線路保護誤動作的原因進行簡要分析，并提供相應的應對措施。

勵磁涌流 繼電保護 誤動作 成因分析

1 引言

高速公路的用電負荷為沿線分散性負荷，大量的電氣設備通過電氣線路緊密地聯結在一起。這種覆蓋的地區廣，運行環境極其復雜，受影響的因素多的供電設施一旦發生故障，若查找方式不對，會給處理帶來很大的難度。對高速公路交流電輸配系統中來說，變壓器是重要電氣設備。在變壓器空載投入和外部故障切除后電壓恢復的情況下，則可能出現很大的勵磁電流即勵磁涌流。勵磁涌流產生時，由于沖擊電流存在的時間很短，對變壓器的一次設備本身并無太大危害和影響。若繼保整定值未充分考慮涌流因素，則有可能出現高壓斷路器誤動作跳閘，使電力系統穩定性遭到破壞。然而在電力跳閘故障處理中，勵磁涌流的因素又常常被忽略，從而導致故障查找處理時間過長，對高速機電設施安全、穩定運行造成不良影響。正確識別變壓器勵磁涌流和供電系統內部故障成為了供電運行保障的關鍵。以下結合高速公路供電運營實際，就涌流可能成因、出現線路保護誤動作的判斷及解決方法進行分析。

2 勵磁涌流概述

2.1 產生原理

在交流電路中，磁通Φ總是落后電壓90°相位角。用u來表示額定電壓，Φ來表示額定磁通。為分析簡便，若u=Um×sin(ωt），根據 u=dφ/dt則 Φ=-Um/ω×cos(ωt）+C，兩者關系如圖1所示。假設在合閘瞬間，電壓正好達到最大值時，則磁通的瞬間值正好為零，在這種電壓為峰值的情況下投入變壓器，不會產生勵磁涌流。但當合閘瞬間電壓為零值時，它在鐵芯中所建立的磁通為最大值(-Φm）。由于鐵芯中的磁通不能突變，理想情況下若合閘前鐵芯中沒有磁通，則這一瞬間仍要保持磁通為零。因此，在鐵芯中就出現一個幅值為Φm的非周期磁通分量。這時，鐵芯里的總磁通Φ應看成兩個磁通相加而成。由于磁通是雙標量，鐵芯中合閘瞬間磁通為2Φm，如果合閘時鐵芯還有剩磁Φ0，磁通Φ還會更大，實際運行中可達到2.7倍的Φm。根據鐵芯磁化特性，在電壓瞬時值為零時合閘會產生最嚴重的磁飽，出現勵磁電流會劇增現象，這就是勵磁涌流的由來。

圖1 交流電路中電壓與磁通關系示意圖

通過上面分析得知，勵磁涌流是由于鐵芯的磁飽和產生的。其數值會達到正常空載運行勵磁電流的50～80倍，通常于接通電源1/4周期后開始產生，持續時間較長，從數十個電源周期直至數十秒不等。以一般變壓器正常空載勵磁電流為額定電流的10%計算，在最不利情況下合閘，瞬時值可達額定電流的5～8倍，如果再考慮合閘瞬間的剩磁影響，勵磁電流會更大。考慮到回路電阻R的存在，該電流將隨時間常數T=L/R逐步衰減，最終恢復到正常空載電流水平。涌流變化曲線見圖2。一般小容量變壓器衰減快，約幾個周波后即達穩定狀態，大容量變壓器衰減慢，可以延續幾秒甚至20s，這樣就很好的揭示了繼保誤動作信號產生的原因了。以上分析了單相變壓器最不利合閘情況，而高速機電日常使用的都是三相變壓器，由于三相電壓彼此相差120度，因此合閘時總會有一相的合閘狀態處于或接近上面分析的最不利狀態，也就是說總有一相出現最大的勵磁涌流。

圖2 勵磁涌流變化曲線

2.2 類型及特點

高速公路10kV供電系統中常見的勵磁涌流類型分為變壓器勵磁涌流和10kV配網勵磁涌流兩種。變壓器涌流主要發生在收費所站供電的干式變壓器中，而配網涌流則多出現在隧道內高壓側為手拉手結構的多臺地埋式變壓器配網中。

表1 兩種類型涌流特點比較

2.3 帶來的問題和影響

(1）由于該沖擊電流存在的時間很短，勵磁涌流本身對變壓器并無危害。但當電網波動時，對變壓器多次連續合閘充電也是不好的。大電流的多次沖擊，會引起繞組間的機械力作用，長期作用可能逐漸使其固定物松動。

(2）高速隧道其環境復雜且惡劣，大量的、各種類型的電氣設備通過電氣線路緊密地聯結在一起運行，一旦發生電氣故障，其問題的查找是相當困難的。對于隧道這種多臺變壓器共一個斷路器的供電方式，就有可能出現差動保護誤動作造成跳閘停電故障。而勵磁涌流這種非常隱蔽，又容易忽略的因素，在故障判斷中常常不被考慮，結果造成故障點無法確定，導致隧道長時間停電，既給高速公路行車安全帶來隱患和也給高速服務形象造成不良影響。

3 勵磁涌流識別方法簡述

3.1 間斷角原理

以準確測量間斷角的大小為基礎，基于勵磁涌流波形中有較大的間斷這個特征實現其鑒別。其優點是利用了勵磁涌流本身明顯的波形特點，能夠清楚的區分變壓器勵磁涌流和內部故障電流。

3.2 二次諧波制動原理

在變壓器涌流中含有較大的偶次諧波分量，其中二次諧波分量最大。當電流信號中二次諧波的含量超過閥值，即判斷是勵磁涌流。但對存在靜止無功補償裝置的系統中出現故障時，運用該法可能造成誤判。

3.3 人工神經網絡法

人工神經網絡(ANN），可以應用于變壓器內部故障和涌流的判別，其主要是利用ANN的模式識別能力進行電流的波形識別。其基本原理是將單相變壓器的內部短路電流仿真模型和涌流仿真模型得到的頻域和時域數據作為學習樣本，對其所設計的神經網絡模型進行訓練，然后將訓練好的神經網絡模塊重新接到勵磁涌流和短路電流的仿真模型中進行仿真分析得出結論，以此來對涌流進行識別。

3.4 虛擬三次諧波制動原理

該原理主要是將勵磁涌流波形中的以尖脈沖為中心的半個周波來作為擬合波形的前半周期，同時利用 “平移”、“變號”原則來對波形的后半周期進行擬合，此外，利用傅里葉變換來對擬合的波形進行計算以此得到基波和三次諧波，利用該原理可以對對稱性和非對稱性涌流進行快速而準確的識別。

3.5 小波變換法

此法目前主要集中于高次諧波檢測和奇異點檢測，實際上是間斷角原理的一種延伸。高頻檢測所反映的是差流狀態突變而產生的高次諧波，高頻細節出現的位置對應于變壓器飽和的時刻或故障發生時的時間。若差流的高頻細節突變周期出現，則可判別為勵磁涌流；若出現一次后就很快衰減為零，則為內部故障。

除了以上常見方法外，還有基于波形非正弦度分形估計的勵磁涌流識別方法，利用勵磁涌流波形非正弦度增大的特點，鑒別勵磁涌流和故障電流，以及利用磁通軌跡特征來對變壓器勵磁涌流的識別方法。

4 高速供電系統中常見涌流誤動作分析與處理

在高速供電系統中常見保護裝置動作的原因有：雷擊、高電位侵入、事故過電壓、操作過電壓、供電線路失壓、單相接地故障、勵磁涌流、二次回路接觸不良、外來干擾(高頻、輻射、靜電放電）等。以上因素最后三種是引發保護誤動作的重要原因，其中勵磁涌流引發的誤動多發且較易被忽略，2013～2017永安分中心轄區內供電保護裝置動作情況統計見表2。

表2 2013～2017年保護裝置動作情況統計表

下面結合高速公路機電日常維護遇到的涌流誤動情況，就常見的兩個勵磁涌流誤動作類型進行原因分析并給出解決方案。

4.1 所站干變高檔運行導致的涌流引發保護誤動

雖然高速公路供電線路多為10kV單回路專用線路，但部分電源接入點位于偏遠地區，外架空供電線路只能就近T接10kV公用線路。由于公用回路上用戶情況復雜，加之供電部門的變電站多使用當地小水電站作為電源，會出現電網電壓受用戶與季度因素影響波動的情況。就農網而已，10kV電網多發生電壓值偏低 (9.8～10.3kV）的情況。為保護高速機電設備運行安全，多采用將所站干式變壓器調檔開關調至高檔位運行的方法進行處理。而有載分接開關是通過增加或者減少繞組的匝數來改變變壓器的變比。也就是說變壓器在低檔位和高檔位，繞組的匝數不同，在1檔位時匝數最多。然而勵磁涌流的大小與鐵芯中磁通的大小有關，磁通越大，鐵芯越飽和，產生的沖擊電流也越大。根據磁通公式Φ=U1/(4.44×f×N1）得出U1不變時，N1減小，Φ增大。因高速收費站負載端多裝有失壓脫扣保護裝置，故障停電后，用電負載與變壓器斷開連接。當處在高檔位運行的變壓器，在合閘角為0時空投，就會瞬間出現鐵芯磁通嚴重飽和，產生最大的勵磁涌流。該瞬態沖擊電流就會造成保護誤動作，引起斷路器跳閘。此類型誤動作情況見圖3。

根據以上情況解決高檔運行導致的保護誤動作，單純依靠調整饋線柜繼保整定值有可能出現越級跳閘現象，從而使得停電范圍擴大導致公用電網大面積停電的嚴重后果。所以應視具體情況，將檔位盡量調至中、低檔位。若條件允許，可增加涌流抑制器進行有效地抑制。

4.2 隧道配電網整定值未考慮和應涌流引發保護誤動

對于采用地埋式變壓器供電的高速公路長隧道，由于使用的變壓器數量多且高壓側都掛在同一高壓電纜上，在電網波動或外供電送電合閘瞬間，各變壓器(風機變空載投入）所產生的勵磁涌流在線路上相互迭加、來回反射，產生了一個復雜的電磁暫態過程，加上系統阻抗較小，會出現較大的勵磁涌流，時間常數也較大。此時，如果共用的斷路器保護整定值未充分考慮和應涌流影響，就會出現保護裝置誤動作造成跳閘故障。誤動作示情況見圖4。

圖3 變壓器高檔位引發誤動作示意圖

圖4 整定值設定問題導致誤動作示意圖

該誤動有兩種常見解方法：1）對饋線柜內配電變壓器的保護裝置進行改造。該方法會大大增加保護裝置的復雜性，因此應用性很差。2）根據涌流衰減特點，可在速斷保護中適當加入一段時間延時 (一般增加0.1～0.15s），就可以防止勵磁涌流引起的保護裝置誤動作。這種方法最大優點是不用改造配電變壓器的保護裝置，雖然會增加故障時間，但對于10kV系統穩定運行影響較小的地方還是適用的。然而，在采用二段式電流保護的10kV線路中，若限時速斷保護定值過小，保護裝置仍有誤動的可能。此時，應根據實際情況重新整定速斷保護定值，在滿足靈敏度的條件下使整定值能躲過勵磁涌流。

5 結束語

近年來隨著我國高速公路里程的快速發展,整個高速機電系統的規模變得越來越大,日常運營中對電力的需求也越來越大。而變壓器的勵磁涌流是造成高速10kV供電系統差動保護誤動作的不可忽視的重要原因之一。機電維護人員在日常電力維護中，既要做到快速識別判斷勵磁涌流現象，還要具備使用科學的方法對其進行防范及處理的能力，只有這樣才能消除此類安全生產隱患，保護電力設施安全，確保高速機電設備可靠、穩定的運行。

[1]李光琦.電力系統暫態分析[M].北京：人民交通出版社,2007.1.

[2]江蘇省電力公司編.電力系統繼電保護原理與應用技術[M].中國電力出版社，2006.4.

[3]錢振華.電氣設備倒閘操作技術問答[M].中國電力出版社,2005.8.

[4]譚江平.基于磁通軌跡特征的變壓器勵磁涌流識別新方法[J].電力自動化議備,2008.12.

[5]謝靜波.10kV供電系統中勵磁涌流的產生及控制[J].百度文庫，2010.9.

[6]平原.勵磁涌流對主變及線路保護的影響及處理[D].電氣工程研究與應用，2010.3.