變壓器空投時(shí)勵(lì)磁涌流引起差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作的分析

張建軍

摘要：電力變壓器空載投入電網(wǎng)或外部故障切除后電壓恢復(fù)時(shí)，由于變壓器鐵芯磁通飽和及鐵芯材料的非線性特征，會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的勵(lì)磁涌流，變壓器勵(lì)磁涌流可達(dá)額定電流的2-8倍。勵(lì)磁涌流對(duì)變壓器本身不應(yīng)造成危害，但在某些情況下能造成電壓波動(dòng)，如不采取相應(yīng)措施，可能使變壓器過電流或差動(dòng)等繼電保護(hù)誤動(dòng)作。近年來，電力系統(tǒng)的大容量變壓器不斷投產(chǎn)，對(duì)變壓器保護(hù)的可靠性和快速性提出了更高的要求。本文就如何躲開變壓器勵(lì)磁涌流的影響，提高變壓器可靠運(yùn)行以及改善電力系統(tǒng)的供電質(zhì)量提出了有效的應(yīng)對(duì)措施。

關(guān)鍵詞：電網(wǎng)；變壓器；空投；勵(lì)磁涌流

0引言

當(dāng)變壓器高低壓側(cè)都有電源時(shí)，為避免變壓器充電時(shí)因勵(lì)磁涌流產(chǎn)生較大的電壓波動(dòng)，一般采用離負(fù)載較遠(yuǎn)的高壓側(cè)充電，然后低壓側(cè)并列的操作方法。變壓器充電時(shí)，由于一側(cè)有很大的勵(lì)磁電流，另一側(cè)無電流，故而使變壓器差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)作。三相變壓器充電時(shí)，每相電流電壓瞬時(shí)值不同，故勵(lì)磁電流亦不會(huì)相同。合閘瞬間電壓為零或最小的相，涌流最大。

1勵(lì)磁涌流特點(diǎn)

①偏向于時(shí)間軸一側(cè)，即涌流中含有很大的直流分量；②波形是間斷的，且間斷角很大，一般大于120°，含有豐富的高次諧波成分，其中以二次諧波分量為主；③由于波形間斷，使其在一個(gè)周期內(nèi)正半波與負(fù)半波不對(duì)稱：勵(lì)磁涌流具有衰減特性，初始可以達(dá)到變壓器額定電流的2～8倍，衰減得很快。一般經(jīng)過0.5-1s后，其值通常不超過0.25～0.5倍的額定電流，對(duì)于大容量變壓器，其全部衰減時(shí)間可能達(dá)到幾十秒。

2勵(lì)磁涌流抑制

目前對(duì)變壓器勵(lì)磁涌流的抑制方法主要有三種：第一是串聯(lián)電阻，第二是在變壓器低壓側(cè)并聯(lián)電容器，第三是控制三相開關(guān)的合閘時(shí)間。其中第一、第二種需要附屬設(shè)備，第三種由于現(xiàn)場(chǎng)條件的因素操作人員無法控制。

3勵(lì)磁涌流識(shí)別

為了防止變壓器差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)作，必須對(duì)變壓器勵(lì)磁涌流與內(nèi)部短路電流進(jìn)行鑒別，目前運(yùn)用的有二次諧波制動(dòng)、高次諧波制動(dòng)、間斷角、波形對(duì)稱原理等。而在實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)用中多為諧波制動(dòng)和波形對(duì)稱原理。由于開關(guān)合閘三相不同期，可能產(chǎn)生零序勵(lì)磁涌流。又由于勵(lì)磁電流的非線性，故三相的勵(lì)磁電流之和不能為零，而產(chǎn)生零序涌流。此外由于電流互感器的非線性，也會(huì)在二次回路中，產(chǎn)后零序電流，故在必要時(shí)應(yīng)校驗(yàn)有關(guān)零序保護(hù)是否會(huì)誤動(dòng)作。

4差動(dòng)保護(hù)原理

①二次諧波原理差動(dòng)保護(hù)：一種比較成熟的涌流閉鎖原理，在傳統(tǒng)保護(hù)及微機(jī)保護(hù)中都有廣泛的應(yīng)用。采用或門閉鎖邏輯，任一相二次諧波含量大于15%即閉鎖三相差動(dòng)，所以空投時(shí)的可靠性較高。不足之處是當(dāng)空投于故障時(shí)，由于涌流的影響保護(hù)可能會(huì)延遲動(dòng)作。如當(dāng)空投于引線金屬性單相接地故障時(shí)，非故障相差流的二次諧波含量可能會(huì)較大，從而使保護(hù)延時(shí)出口。但是，也有很多原因影響二次諧波含量，如：剩磁的大小、等值阻抗、合閘初相角、鐵芯材料、鐵芯結(jié)構(gòu)等。若二次諧波含量Ida2/Idal≥K（K為諧波制動(dòng)系數(shù)，一般取0.15-2），閉鎖差動(dòng)保護(hù)。

②波形對(duì)稱原理差動(dòng)保護(hù)：故障時(shí)，差流基本上是工頻正弦波，而勵(lì)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(duì)稱。采用分相閉鎖邏輯，本相涌流判據(jù)只閉鎖本相差動(dòng)。相對(duì)于或門閉鎖方式，保護(hù)在空投于故障時(shí)能瞬時(shí)動(dòng)作。因?yàn)榭紤]了差流中所有的偶次諧波含量，所以在絕大多數(shù)正常空投時(shí)，都可以有效地分相閉鎖差動(dòng)保護(hù)，并同時(shí)保證空投于故障時(shí)保護(hù)的快速性。

③正常空投時(shí)保護(hù)的可靠性與空投于故障時(shí)保護(hù)的快速性之間始終是矛盾的。采用或門閉鎖邏輯，正常空投時(shí)保護(hù)比較可靠；采用分相閉鎖邏輯，可保障空投于故障時(shí)保護(hù)的快速性。反過來講：采用或門閉鎖邏輯，空投于故障時(shí)保護(hù)可能會(huì)延遲動(dòng)作：采用分相閉鎖邏輯，正常空投時(shí)保護(hù)有可能會(huì)誤動(dòng)。目前來說這是比較難以取舍的問題，只是由于發(fā)生機(jī)率的原因，現(xiàn)場(chǎng)更多地體現(xiàn)為分相閉鎖邏輯的裝置空投誤動(dòng)的問題。

5勵(lì)磁涌流引起差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作的分析

湖北黃石220kV四棵變#1主變空投時(shí)，波形對(duì)稱原理差動(dòng)保護(hù)裝置CST143動(dòng)作，二次諧波原理差動(dòng)保護(hù)裝置CST141沒有動(dòng)作。現(xiàn)根據(jù)裝置動(dòng)作數(shù)據(jù)分析如下：

5.1高壓側(cè)電流波形：

5.3差動(dòng)電流數(shù)據(jù)（北京四方根據(jù)棵#1主變空投錄波數(shù)據(jù)上機(jī)分析）

具體數(shù)據(jù)見表1。

5.4數(shù)據(jù)分析

①差流基波：空投的三相差動(dòng)電流幅值都大于動(dòng)作門檻定值：

②二次諧波含量：A、B兩相的二次諧波含量在10%左右，小于15%的閉鎖門檻定值：C相的二次諧波含量40%左右，大于15%的閉鎖門檻定值，因?yàn)槎沃C波原理差動(dòng)保護(hù)為或門閉鎖、一相滿足閉鎖條件即閉鎖三相差動(dòng)，所以閉鎖了差動(dòng)保護(hù)。

③差流波形對(duì)稱度：A、B兩相的波形對(duì)稱度剛好大于動(dòng)作門檻定值，因?yàn)椴ㄐ螌?duì)稱原理差動(dòng)保護(hù)為分相閉鎖、本相涌流判據(jù)只閉鎖本相差動(dòng)，所以A、B兩相差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作出口：C相的波形對(duì)稱度小于動(dòng)作門檻定值，所以閉鎖C相差動(dòng)保護(hù)。

6結(jié)論

由于CT二次側(cè)的飽和及其他因素的作用，三相差流中仍可能會(huì)出現(xiàn)某一相或某兩相很對(duì)稱的波形，此時(shí)就很難與故障對(duì)稱波形進(jìn)行有效區(qū)分，就如本次故障的波形。當(dāng)然，很多時(shí)候這種對(duì)稱波形的產(chǎn)生，是由于變壓器本體在制造時(shí)有毛刺，在空投時(shí)產(chǎn)生放電所致；經(jīng)過放電，毛刺燒掉后，再空投變壓器就沒問題了，這時(shí)保護(hù)屬于正確動(dòng)作。

7應(yīng)對(duì)措施

多年來人們對(duì)勵(lì)磁涌流采取的對(duì)策是“躲”，但由于勵(lì)磁涌流形態(tài)及特征的多樣性，通過數(shù)學(xué)或物理方法對(duì)其特征識(shí)別的準(zhǔn)確性難以提高，以致在這一領(lǐng)域里勵(lì)磁涌流已成為歷史性難題，并引發(fā)變壓器的差動(dòng)保護(hù)裝置誤動(dòng)，使變壓器的投運(yùn)失敗。針對(duì)此種情況，提出應(yīng)對(duì)措施如下：

①變壓器在空投時(shí)，引起差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)的機(jī)率雖然很低，但也有發(fā)生，黃石電網(wǎng)25臺(tái)220kV主變?cè)诳胀稌r(shí)僅出現(xiàn)過兩次差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)，武漢、黃崗、宜昌供電公司也出現(xiàn)過一次差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)的情況，再空投變壓器時(shí)，全部成功。為了不影響變壓器的正常投運(yùn)，出現(xiàn)勵(lì)磁涌流引起差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)情況，通知專業(yè)人員到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行分析時(shí)間的過程影響，運(yùn)行操作人員必須學(xué)會(huì)調(diào)取故障錄波圖，并進(jìn)行波形分析，準(zhǔn)確判斷是勵(lì)磁涌流還是故障電流。圖3、圖4為典型的故障和勵(lì)磁涌流波形圖。

②如果空投失敗，經(jīng)確認(rèn)變壓器無任何檢修工作和送電障礙物情況下，且檢查一、二次設(shè)備均無故障，并判斷是勵(lì)磁涌流引起，向公司領(lǐng)導(dǎo)和調(diào)度部門匯報(bào)許可后，可試送一次，若試送失敗，必須通知相關(guān)專業(yè)人員和部門負(fù)責(zé)人員到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行詳細(xì)分析。

③運(yùn)行操作部門，應(yīng)將每次空投變壓器時(shí)的勵(lì)磁涌流錄波圖形和變壓器故障時(shí)的故障錄波圖形按站、設(shè)備單元以電子文檔形式集中、累計(jì)保存，以便日后出現(xiàn)變壓器空投差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)時(shí)進(jìn)行對(duì)照分析。

④出現(xiàn)空投失敗后，將錄波數(shù)據(jù)立即發(fā)送至公司生產(chǎn)副總、總工程師、主管部門科室、專業(yè)人員以便幫助盡快分析結(jié)果，采取應(yīng)對(duì)措施。嚴(yán)禁憑借運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，且在無任何判別和分析依據(jù)情況下進(jìn)行第二次空投變壓器。

⑤若可能，建議生產(chǎn)廠家對(duì)保護(hù)裝置的錄波功能進(jìn)行版本升級(jí)，在錄波數(shù)據(jù)中體現(xiàn)出本裝置所采用的勵(lì)磁涌流閉鎖原理數(shù)據(jù)，如：諧波的含量和波形對(duì)稱度數(shù)據(jù)等，便于現(xiàn)場(chǎng)人員能直觀分析。endprint