變壓器勵磁涌流引起的線路保護誤動作分析

賀欣 張應田 王偉 胡振彬

摘 要：勵磁涌流和內部故障的可靠鑒別是實現變壓器差動保護的關鍵問題，直接制約著變壓器差動保護正確動作率。基于此，本文介紹了一起因變壓器勵磁涌流引起的220kV輸電線路保護誤動作，并結合錄播圖分析了故障原因，提出了合理化建議。

關鍵詞：變壓器;勵磁涌流;線路保護;誤動作

中圖分類號：TM772 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）14-0074-02

Analysis of Line Protection Caused by Transformer Inrush Current

HE Xin1 ZHANG Yingtian1 WANG Wei2 HU Zhenbin3

（1.Tianjin Electric Power Technology Development Co.， Ltd.，Tianjin 300384;2.State Grid Tianjin Electric Power Company Electric Power Research Institute，Tianjin 300384;3.State Grid Shandong Electric Power Company Licheng District Power Supply Company of Jinan City，Jinan shandong 250100）

Abstract： Reliable identification of magnetizing inrush current and internal fault is the key problem to realize transformer differential protection， which directly restricts the correct action rate of transformer differential protection. Therefore， this paper introduced an incorrect operation of 220kV transmission line protection caused by transformer inrush current， analyzed the causes of the faults combined with the recorded and broadcast maps， and put forward reasonable suggestions.

Keywords： transformer;inrush current;line protection;misaction

大型電力變壓器空載合閘時，由于鐵心的非線性飽和特性，可能產生很大的勵磁涌流。勵磁涌流的幅值主要受合閘角度和鐵心剩磁水平影響，一般會達到變壓器額定電流的6～8倍，有時會造成繼電保護誤動作和變壓器跳閘，嚴重情況下會導致線圈變形[1]，也可能影響供電質量，并對負荷設備或供電安全造成不利影響[2，3]。因此，本文分析了變壓器勵磁涌流引起的輸電線路保護誤動作故障，并提出了一些合理化建議。

1 故障經過

某220kV用戶2#變壓器空載送電過程中，電源側220kV變電站出線2218開關光纖差動保護動作，2218開關三相跳閘，重合閘動作且重合良好。電氣連接圖如圖1所示。

1.1 保護動作情況

220kV變電站側：220kV出線2218開關配置雙套線路光纖差動保護，分別為國電南自PSL603和南瑞繼保RCS931;南瑞繼保RCS931的電流差動保護動作，107ms出口動作;國電南自PSL603保護未動作。

220kV用戶側：220kV線路2211開關配置雙套線路光纖差動保護，分別為國電南自PSL603和南瑞繼保RCS931;南瑞繼保RCS931的電流差動保護動作，保護動作燈亮。

1.2 故障錄播圖

變電站側和用戶側故障錄波器所記錄的電壓錄波圖顯示220kV電壓正常，記錄的電流錄播圖分別如圖2和圖3所示。由電流錄波圖可以看出，線路電流波形有間斷角、偏向時間軸一側且含有大量二次諧波，符合勵磁涌流特性，判斷線路電流為用戶變壓器空載合閘產生的勵磁涌流。

用戶側電流波形記錄勵磁涌流特性正常，經過8個周波消失（2218開關跳閘）。其中，A相一次電流最大值1 806A（瞬時值），C相一次電流最大值2 140A（瞬時值）。但是，變電站側A、C相勵磁涌流波形經過2個周波后，急劇衰減，幅值降低。線路兩側電流不一致導致差流產生，二次值為2.18A（定值為2A），導致保護動作。從錄播圖可以初步判斷為A、C相勵磁涌流經過2個周波后CT飽和導致波形衰減。

2 故障分析

產生上述飽和電流波形的原因可能是CT本身飽和或保護二次小CT飽和。考慮到變電站側雙套保護及故障錄波器均記錄到相同的電流波形，而故障錄波器與RCS931共用一組CT二次繞組，PSL603單獨一組CT二次繞組。此外，變電站側與用戶側電流大小相同，兩側保護裝置采用同一批次的二次小CT，但只有變電站側出現飽和波形，可以初步判斷是CT本體A、C相發生飽和。

由于變壓器合閘勵磁涌流中存在較大的非周期分量（直流分量），這部分非周期分量會導致電流互感器鐵心飽和，影響電流互感器的傳變特性，進而對輸電線路保護系統產生影響[4]。當CT鐵心不飽和時，CT的勵磁阻抗數值很大且基本不變，勵磁電流很小;當CT一次電流增大后，尤其是一次電流含有較大直流分量，鐵心開始飽和，勵磁阻抗迅速下降，勵磁電流增加。當流入CT的一次電流大到一定程度后，CT鐵心進入飽和狀態，感應到CT二次側的電流變小，而CT勵磁電流增大，實際上是由于勵磁阻抗減少時勵磁回路分流作用加大引起。當CT嚴重飽和時，勵磁阻抗急劇減少至接近零，一次電流全部變成勵磁電流，二次電流幾乎接近于零。因此，當變壓器勵磁涌流較大時，會導致電流互感器鐵心深度飽和，使電流互感器二次電流迅速下降，完全改變了電流互感器的傳變特性。

變電站側RCS931保護動作跳閘，PSL603保護未動作。經分析，RCS931差動保護無電壓判據功能，僅判斷電流大小，CT飽和后導致差流產生，保護動作。PSL603差動保護具備電壓判據功能，電壓正常時閉鎖，保護未動作。

經以上綜合分析，用戶側變壓器合閘送電，變電站側2218開關A、C相CT發生飽和，導致兩側產生差流，RCS931差動保護動作跳閘。

3 合理化建議

①研究含有直流分量的工頻交流電壓源激勵方式，提出勵磁電流上下半波對稱度實時測量方法和半波直流電流自動調節控制技術，實現變壓器剩磁快速完全消除。

②分析變壓器剩磁程度與鐵心磁化曲線的關聯關系，研究基于小信號斜率映射的變壓器剩磁檢測與評估方法，提出伏安曲線擬合、波形對稱度、諧波含量比對等多維度剩磁含量評價標準。

③建立基于鐵心磁滯曲線自動擬合的變壓器剩磁-分閘角模型，定量分析不同聯結組別下的分閘角度與剩磁關系，確定變壓器空載合閘試驗過程中的最優分閘角度。

④針對天津電網變壓器空載合閘實際情況，提出“以空載合閘前剩磁消除和精準評估為基礎，空載合閘過程中采用選相分合閘技術”的勵磁涌流抑制策略，分析涌流抑制措施可能出現的負面影響和應對手段，盡可能消除對電網安全穩定運行的影響。

⑤搭建10kV變壓器空載合閘實驗平臺，驗證涌流抑制策略的有效性并為相關理論研究提供試驗論證支撐;選取天津電網220kV變電站開展試點應用，形成變壓器空載合閘勵磁涌流抑制措施實施規范。

參考文獻：

[1] STEURER M，FROHLICH K. The Impact of Inrush Currents on the Mechanical Stress of High Voltage Power Transformer Coils[J].IEEE Transaction Power Delivery，2002（1）：155-160.

[2]朱毅.電壓暫降對敏感用電設備的影響及其抑制方法[J].電氣技術，2007（7）：76-81.

[3]鄭彬，班連庚，周佩朋，等.合閘750kV空載變壓器引起系統電壓暫降現場實測與計算分析[J].電網技術，2012（9）：203-208.