变压器励磁涌流对差动保护的影响及解决方法

变压器励磁涌流对差动保护的影响及解决方法

周颖1蒋洁2

1.江苏省江都水利工程管理处电力试验中心江苏江都225200；2.扬州第二发电有限责任公司发电部江苏扬州225000

摘要：当变压器空载投入或外部故障切除后，由于电压的恢复，出现很大的励磁电流，其值可达6-8倍的额定电流，这种暂态过程中出现的励磁电流称为励磁涌流。由于励磁涌流和负序电压的存在，如果定值整定不得当，就会导致差动保护，复压过流保护等误动作，影响设备的正常运行。本文针对励磁涌流产生的原因和特点进行了理论分析，结合稳态下的励磁涌流、电压最大时合闸及电压为零时合闸的励磁涌流波形图，找出了变压器差动保护动作的原因，并制定了变压器投运时的防范措施，保证了电气设备和人员的安全。

关键词：变压器；差动保护；励磁涌流

0引言

随着电力工业的飞速发展，超高压、大容量和远距离输电越来越普遍，大型电力变压器在电力系统中的地位越来越突出，对电力变压器的保护提出了更高的要求。变压器差动保护是按循环电流原理构成的，是用来反应变压器绕组、引出线及套管上的各种短路故障的主保护，它能否正确动作对整个电力系统的安全稳定运行具有非常重要的实际意义。对于励磁涌流产生的影响，差动保护装置中虽然也有相应的闭锁，但实际应用中效果并不理想。主要问题是差动保护在对励磁涌流进行判断的时候，不能准确区分励磁涌流和内部故障电流，造成保护装置误动作，因此，需要分析励磁涌流产生的原因、励磁涌流对变压器差动保护的影响，从而采取制动措施抑制变压器的励磁涌流，解决对差动保护的影响。

1励磁涌流产生的原因及其特点分析

1.1励磁涌流产生机理

为了使问题简化，下面就以单相变压器为例来分析当变压器空载合闸时，产生励磁涌流的原因。

生产和生活中所使用的交流电均为标准正弦波。当变压器空载合闸瞬间，其铁芯中的磁通量与电源电压的关系应该为

WdΦ/dt=Umsin（ωt+α）（1）

式中：W为绕组匝数；Φ为铁芯中的磁通；Um为电源电压幅值；α为合闸角。由式（1）可得

dΦ=（Um/W）sin（ωt+α）dt。（2）

对式（2）进行积分，可得

Φ=-（Um/W）ωcos（ωt+α）+C，（3）

在式（3）中，C为积分常数，由初始条件确定。

当t=0时，则C=（Um/Wω）cosα+Φs，（4）

在式（4）中，Φs为合闸前铁芯剩余磁通。将式（4）代入到式（3）中，同时考虑到电源回路及变压器绕组的有效电阻及损耗，可以得到

Φ=-（Um/Wω）cos（ωt+α）+[（Um/Wω）cosα+Φs]e-T，（5）

在式（5）中，T为时间常数，T的大小取决于合闸回路的损耗及XL。

令Φm=Um/Wω。

在式（5）中：（Um/Wω）cos（ωt+α）为磁通的强迫分量；[（Um/Wω）cosα+Φs]e-T为磁通的衰减分量。

当不考虑自由分量的衰减并且假设合闸角α=0，Φs=0.9Φm时，依据式（5），可以得到在合闸瞬间变压器铁芯中的综合磁通变化曲线，如下图所示。

空投变压器时变压器铁芯中的磁通变化波形

在上图中：曲线①表示的是电源电压波形；曲线②表示（Um/Wω）cos（ωt+α），即磁通强迫分量波形；曲线③表示磁通Φ的波形。

通过上述分析可以知道，当以下条件同时成立时就会导致励磁涌流的增大：

（1）初始合闸角为0°。

（2）Φs=0.9Φm。

（3）Φmax=2.9Φm。

1.2变压器励磁涌流的特点

（1）励磁涌流只出现在变压器空载合闸的一侧。

（2）励磁涌流含有大量的直流分量、基波分量和高次谐波分量，主要是二次和三次谐波，因此励磁涌流的变化曲线为尖顶波。

（3）包含有大量的非周期分量，其波形偏向时间轴的一侧。

（4）波形之间出现间断，一个周期中有很大的间断角。

（5）励磁涌流会随时间衰减。

２励磁涌流对变压器差动保护的影响

导致变压器差动保护出现不平衡电流的原因是多方面的，其中变压器空载合闸状态以及外部故障切除后恢复正常供电时所产生的励磁涌流是导致变压器差动保护出现不平衡电流的最主要因素。变压器所产生的励磁电流大小往往能够达到变压器额定电流大小的数十倍，励磁电流由变压器的电源侧流过，负荷侧由于并无开路电流，励磁涌流将流入差动回路，如果差动保护无法成功躲过励磁涌流，就会引起变压器的差动保护误动作。

在变压器差动保护采用二次或更高次谐波制动的条件下，当发生由于超高压远距离输电线路或者超高压电缆对地电容以及大容量无功补偿电容引起的内部短路时，如果电流互感器饱和而引起短路电流波形畸变，短路电流中就会产生接近二次或四次的谐波电流。此时，变压器的涌流元件会将短路电流误判为励磁涌流，这种错误判断会引起变压器差动保护拒动或者保护动作延迟，导致变压器严重损坏。另外，如果已经发生内部故障的变压器空载投入时，差动保护会对励磁涌流制动，这也会引起差动保护的延迟动作。

3解决方法

正常运行中的变压器的励磁涌流只流过变压器的高压侧，数值很小，可以用定值躲过。但变压器在空载合闸时或外部故障被切除后，电压恢复时的励磁涌流的数值非常大，不可能用定值躲过。为了防止励磁涌流的影响，对差动保护进行改进，将励磁涌流与内部故障电流区分开来。在出现励磁涌流时将差动保护闭锁，采取制动的办法。根据励磁涌流波形的特点，采用波形识别法进行制动。常用的方法有：二次谐波制动法、间断角原理制动法、波形对称原理法。新型微机变压器差动保护采用磁通原理制动法。

3.1二次谐波制动法

通过检测三相差动电流中二次谐波含量的大小，利用差动电流中的二次谐波与基波模值比（二次谐波制动比），来判断是否存在励磁涌流，从而达到及时闭锁差动保护、防止保护误动的目的。二次谐波的制动系数一般取0.15-0.2。如：南京南瑞继电保护电气有限公司生产的RCS-9671C型、RCS-978型、CSC-326型变压器差动保护。

3.2间断角原理制动法

对于变压器的励磁涌流，无论是偏向时间轴一侧的非对称性涌流，还是对称性涌流，都会呈现明显的间断特征。利用励磁涌流波形有较大间断角的特征，通过检测差流间断角的大小实现鉴别涌流的目的。通常要求间断角为60-65度。如：南京南瑞继电保护电气有限公司生产的RCS-9673C型变压器差动保护。

3.3波形对称原理制动法

利用差电流的前半波与后半波进行对称比较，

根据比较的结果去判断是否发生了励磁涌流。如：南京南瑞继电保护电气有限公司生产的RCS-9673C型、RCS-978型变压器差动保护。

对于高压电网中的大型电力变压器，力求简化后备保护，实现双重主保护。即配置两套差动保护，并采用不同的原理来实现。如：一套是二次谐波制动原理的，另一套是波形对称原理的。某电网220kV及以上主变压器差动保护按双套配置。一套为二次谐波比率制动原理的差动保护，一套为波形对称原理的差动保护。变压器差动保护中，CT断线采用闭锁差动保护并告警；110kV主变压器差动保护采用两套二次谐波比率制动原理的差动保护。变压器差动保护中，CT断线采用闭锁差动保护并告警。

4结论

由于励磁涌流的存在，差动保护在变压器中的应用，总是存在着不可避免的局限性。有些厂家的差动保护装置，在采用二次谐波制动法的同时，还采用五次谐波制动法，其原理与二次谐波制动法相同。另外，还有很多新的判别方法，如利用尖顶波特征法、磁通特性识别法、励磁阻抗变化法等。总之，多种方法的结合将会越来越多的投入应用，在解决励磁涌流对差动保护影响方面起到作用。

参考文献

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[2]岳志刚.杨国旺.曲艳华，励磁涌流对差动保护的影响及其对策[J]，高压电器，2010，41（1）：48-50.

[3]王维俭，电气主设备继电保护原理与应用[M]，北京，中国电力出版社，2014.

作者简介：周颖，女，1982年04月生，汉族，现供职于江苏省江都水利工程管理处电力试验中心，工程师，从事自动化，继电保护，电气仪表及压力仪表等方面的工作。

蒋洁，男，1981年04月生，汉族，现供职于扬州第二发电有限责任公司发电部，助理工程师，从事发电厂集控运行、500kv系统运行、继电保护等方面的工作。