一起220kV變電站主變勵磁涌流引起的保護動作分析

摘要：針對一起220 kV變電站主變壓器在送電空充時發生勵磁涌流引起的保護動作過程展開分析，確定為變壓器采用二次諧波制動原理的主一保護和采用波形識別原理的主二保護勵磁涌流判別結果不同，導致保護動作不同，可為發生同類故障時運維同行快速分析原因提供參考。

關鍵詞：主變壓器;勵磁涌流;二次諧波;波形識別

0 引言

變壓器勵磁涌流是由于鐵芯的磁飽和產生的，當變電站的主變壓器空載充電時，由于主變高、低壓繞組的電壓突然增加，在合閘后的1/4周期內勵磁涌流迅速增大，持續數個周波后開始減弱，其最大值可達幾倍至十幾倍的額定電流[1]。目前，在實際的220 kV變電站中，主變保護廠家應用比較多的勵磁涌流識別技術主要有以下兩種：

（1）二次諧波制動法：即利用傅里葉變換，將波形分解成基波和諧波，由于其中二次諧波的含量較高，可將差流中的基波分量與二次諧波分量進行對比，以區分勵磁涌流和故障電流。若二次諧波占比較大，則可以判定為勵磁涌流[2]。這種方法的缺點是，由于各主變制造工藝和材料的不同，二次諧波含量差別大，因此二次諧波制動比很難選取。

（2）波形對稱法：通過比較差流中一個半個周期內前后兩個半波之間是否對稱來判別勵磁涌流[3]。雖然勵磁涌流波形具有一定的規律，但實際判斷時，可能出現的波形涌流特征不是非常明顯，這時就會發生誤判。

由于勵磁涌流在變壓器實際啟動充電過程中很容易引起保護裝置誤動作，而220 kV及以上電壓等級的主變對供電可靠性要求很高，因此，分析不同的勵磁涌流保護原理在實際應用中導致的動作結果具有十分重要的意義。

1 原理與設計

1.1? ? 差動保護原理

為了便于分析，本節以YD11接線的主變為例進行闡述。由于變壓器高、低壓側繞組接法不一樣，通常高壓側為Y接法，低壓側為△接法，因此，需要由軟件調整主變高、低壓側電流的相位來達到效果。主流采用的方法是用△→Y變換來調整兩側差流的平衡，這樣調整以后，可以更加方便地對涌流和故障進行區分[4]。對于Y0/△-11的接線，各側電流做如下變換：

1.2? ? 勵磁涌流判別

1.2.1? ? 二次諧波制動

保護裝置采用三相差動電流中二次諧波、三次諧波的含量來識別勵磁涌流，判別方程如下：

若三相中某一相的差動電流二、三次諧波大于整定值時，該差流即認為是勵磁涌流，那么這一相的比率差動元件將被可靠閉鎖。

1.2.2? ? 波形識別原理

這種方法是通過三相差流的波形發生畸變的程度來判別勵磁涌流。在發生故障時，主變兩側流過的差流是未發生畸變的正弦波;而當空充主變發生勵磁涌流時，差流中含有非常多的諧波分量，這時波形不是對稱的正弦波，而是發生了畸變，是間斷、不對稱的。利用正弦波的對稱原理，即可識別出勵磁涌流。故障時，有如下表達式成立：

當某一相不滿足以上表達式時，這一相的差動電流就被判別為勵磁涌流，那么這一相的比率差動元件將被可靠閉鎖。

2 某站變壓器差動保護動作過程分析

某220 kV變電站#1主變壓器的本體型號為SFPSZ9-H-120000/220，生產廠家為ABB公司，容量為120 MVA。#1主變壓器差動保護按照規程采用雙重化配置，分別為A、B兩套保護裝置。其中A套保護裝置使用的勵磁涌流判據為二次諧波制動原理，B套保護裝置使用的勵磁涌流判據為波形識別原理。

2.1? ? 保護動作過程

2020-11-02T22：48，220 kV某站空充#1主變，#1主變保護B差動保護動作出口跳主變變高開關。

保護錄波圖顯示，#1主變變高開關2201合閘空充時，#1主變勵磁涌流導致#1主變保護B“比率差動”動作，跳三側開關，最大縱差電流為1.35 A（1.73Ie），故障相別為B相，動作時間為102 ms。差動保護動作跳2201開關。

現場檢查一次設備：#1主變本體無異常，油溫、油位均正常，無瓦斯氣體，兩側跳線及變低母線橋無異常;#1主變變高2201開關、#1主變變中1101開關及#1主變501開關無異常。

現場檢查二次設備：#1主變差動保護“運行”綠燈常亮，表示裝置運行正常;保護動作紅燈常亮，表示#1主變保護動作;無裝置故障。

綜上所述，某站#1主變一次設備正常，二次設備正常。

2.2? ? 故障原因分析

#1主變在恢復送電過程中，空充主變時產生勵磁涌流，勵磁涌流最大值A相660 A（1.1 A）、B相828 A（1.38 A）、C相714 A（1.19 A）;#1主變保護B測得B相差流1.35 A（1.73Ie），大于差動整定定值0.5Ie;主變保護B差動保護動作，快速切除變高2201開關。

由主變動作電流故障錄波圖（圖1）可以看出，本次B相勵磁涌流沒有出現明顯的波形畸變、間斷，諧波分量小，涌流特征不明顯。

主變保護A采用二次諧波復合邏輯制動原理。在差流涌流特征不明顯的情況下檢查原始電流的涌流特征，勵磁涌流閉鎖元件正確閉鎖，差動保護不動作。

而另外一套主變保護B采用波形識別分相制動原理。主變保護B各相差流波形識別特征值與識別門檻（虛線）分別如圖2所示，啟動后5 ms，B相差流的波形識別特征值最低接近0.1 A，小于識別門檻0.8 A。由于保護自適應地采用浮動的勵磁涌流門檻，空投初期比例差動保護未動作。

隨時間推移，裝置內部的增強閉鎖判據逐漸開放，B相差流的波形識別特征值仍然小于識別門檻，勵磁涌流閉鎖元件開放，最終導致B相比例差動元件動作跳閘。

2.3? ? 本次主變保護動作結果

由于主變空投過程中，B相差流的波形畸變度一直低于門檻值，縱差保護動作跳閘。鑒于本次勵磁涌流出現的特征及特點，判斷為主變保護A套保護正確不動作，主變保護B套保護正確動作。#1主變保護B差動保護采用波形畸變識別勵磁涌流，而B相波形畸變不明顯導致制動失敗，保護跳閘。

3 結語

本文分析了變壓器差動保護基本原理以及常見的兩種勵磁涌流判據基本原理。通過一起典型的變壓器勵磁涌流誤動事件說明了雙重化配置的兩套主變保護在發生勵磁涌流時，由于各自投入的勵磁涌流判據動作原理不同，在實際運行時，特殊情況下會出現兩套主變保護動作結果不一致的情況。本文的分析對實際運維檢修過程中遇到該種情況有著重要的指導作用。

[參考文獻]

[1] 張保會，尹項根.電力系統繼電保護[M].2版.北京：中國電力出版社，2010.

[2] 孔碩穎.變壓器勵磁涌流分析與抑制方法研究[D].南京：東南大學，2018.

[3] 顧春陽，王愛元，李健，等.一種有效抑制變壓器空載合閘勵磁涌流的方法[J].變壓器，2015，52（11）：33-36.

[4] 唐菊生.基于二次諧波制動的變壓器差動保護的研究[D].淮南：安徽理工大學，2018.

收稿日期：2021-05-10

作者簡介：劉仲欽（1989—），男，廣東廣州人，碩士研究生，工程師，研究方向：電力系統繼電保護。