励磁涌流对变压器差动保护的影响

励磁涌流对变压器差动保护的影响
摘要：在变压器空载投入运行时，会产生很大的励磁涌流，如果不采取措施，将造成变压器差动保护误动作使变压器不能正常启动。

本文通过研究励磁涌流的特点，分析了几种常用的避越励磁涌流的差动保护，并对廊坊电网空投变压器时几次差动保护误动的分析来全面研究励磁涌流对变压器差动保护的影响。

关键词：励磁涌流；变压器；差动保护；二次谐波
前言
在现代微机型差动保护的应用中，为了提高差动保护对变压器绕组内部短路故障的反应能力，人们总是力求使变压器差动保护的动作值灵敏一些。

而当变压器空载投入运行时，会在启动侧绕组中产生很大励磁涌流，一般为变压器额定电流的5～7倍，远远大于变压器差动保护的动作电流值，如果不采取有效措施，空投变压器时即使没有短路故障差动保护也会误动作，造成变压器不能正常启动[1]。

因此，变压器差动保护首先要解决的是如何避越空投变压器时产生的励磁涌流，保证变压器空载投入时，在无故障的情况下差动保护可靠不动作。

本文从励磁涌流产生的原因及涌流的特征出发，介绍几种常用的避越励磁涌流的差动保护，通过浅述廊坊变电站由于励磁涌流引起的跳闸实例，分析了励磁涌流对变压器差动保护的影响。

1.变压器励磁涌流的特点
变压器励磁涌流有如下几个特征：
1.1包含有大量非周期分量，往往使涌流偏向时间轴的一侧。

如图1所示，在铁芯线圈的纯电感电路中，由于磁通不能突变，ψ（0+）=ψ（0-），在刚刚合闸瞬间，如果合闸相角α≠π/2，必然要产生一个与稳态磁链分量ψ′的初始值大小相等方向相反的暂态磁链分量ψ″，与这个暂态磁链分量ψ″相对应的即为励磁涌流的非周期分量，也就是衰减的直流分量。

这个非周期分量使涌流偏向时间轴的一侧。

图1 变压器铁芯中的磁化曲线图
1.2涌流中包含有大量的高次谐波分量，并以二次和三次谐波为主。

由于现代大型变压器都采用冷扎硅钢片铁芯，合闸前铁芯中带有剩磁，又由于合闸瞬间，一般合闸角α≠π/2，因此合闸时暂态磁通分量及剩磁使铁芯严重饱和，在这种情况下电感量L不再是常数，变压器的励磁电抗XLC也变为非常数量，虽然加给变压器的电压是正弦波，而励磁电流发生了严重畸变，为尖顶波，
涌流中包含有大量的高次谐波分量，尤其以二次谐波和三次谐波分量最多[2]。

1.3励磁涌流波形之间出现间断角
变压器空投前铁芯中有剩余磁通存在，如果变压器投入前铁芯中的剩余磁通与变压器投入时刻工作电压产生的磁通方向相同时，其总磁通量远远超过铁芯的饱和磁通量，使变压器合闸时其铁芯严重饱和，在最初几个波形中，励磁涌流波形出现间断角[3]。

而变压器内部故障时流入差动继电器的稳态差电流是正弦波，不会出现间断角。

这是变压器励磁涌流区别于短路电流一个明显特征。

1.4变压器三相涌流往往有一相不包含非周期分量，因而形成周期性衰减的励磁涌流。

对于Y/Δ-11接线组别的变压器，由于变压器两侧电流不是同相位，正常运行或区外短路故障时，变压器两侧流入差动保护的电流不是相差1800，在微机保护中需要做转角运算[4]。

通常是对变压器Y侧绕组流入差动保护的电流进行转角运算，其方法是：
ia′=ia-ib，ib′=ib-ic，ic′=ic-ia
按以上方法转角运算后的电流往往有一相不包含非周期分量，而是一个周期性衰减的电流。

如一台变压器A相合闸角为αa=0o，剩余磁通密度B0*a=0.9、B0*b=B0*c=-0.9，变压器铁芯饱和磁通密度为Bbh*=1.4，三相涌流波形如图2所示。

转角运算后的电流ib-ic为周期性电流，其峰值约为另两个转角后电流ia-ib 或ic-ia的一半。

图2 励磁涌流波形图
2.几种常用的避越励磁涌流的差动保护
通过对励磁涌流特征的分析不难看出，利用励磁涌流与短路电流不同的特征来区别短路电流和励磁涌流，从而实现空投变压器在无故障的情况下使差动保护可靠不动。

目前经常使用的变压器差动保护避越励磁涌流的方法有以下几种[5-6]。

2.1利用二次谐波制动原理避越励磁涌流。

上文中提到励磁涌流中二次谐波比例较大，并在初始阶段对基波的比例还有所增加。

利用二次谐波制动的原理作为避越励磁涌流造成保护装置误动的措施已得到广泛应用。

如表1所示，变压器内部故障时，可明显地看出短路电流中二次谐波含量与
励磁涌流中二次谐波含量所占比例，所以二次谐波电流是区分涌流和短路的主要特征。

该数据也可作为变压器差动保护采用二次谐波制动的依据。

表1 短路电流和励磁涌流二次谐波含量（%）
谐波次数非周期分量基波二次三次四次五次
短路38 100 9 4 7 4
励磁涌流57.7 100 63 26.8 5.1 4.1
这种差动保护的一个缺点是，当差动保护区内发生短路故障且短路水平高，短路电流非常大时，由于电流互感器严重饱和，短路电流二次波形将发生严重畸变，使进入保护装置的电流含有较大的二次谐波成分，从而使比率差动保护拒动，为此要增加差动速断元件，以保证区内故障且短路水平较高的情况下差动保护可靠动作。

2.2间断角鉴别方法的差动保护
采用测量差动电流的间断角与导数波宽判别励磁涌流的方法，涌流的判据取决于涌流导数的可能最大波宽和最小间断角。

一般间断角θd整定为65o，波宽θW整定为140o，励磁涌流的判别公式为：
当θd>65o或θW140o 时，判为差动保护区内部短路故障，开放比率差动保护。

2.3波形对称原理的差动保护
现代的数字式继电保护采用一种波形对称的方法，将变压器空载合闸时产生的励磁涌流和短路电流区分开来[7]。

其方法为，首先将流入继电器的差动电流进行微分，将微分后的差流的前半波和后半波作对称比较，设差流导数前半波某一点的数值为i′，后半波对应点的数值′i+180o，如果数值满足式1称为对称，否则不对称。

|（i′+ ′i+180o）/（i′- ′i+180o）|≤K （1）
连续比较半个周波，对于故障电流式1恒成立，对于励磁涌流有1/4周波以上的点不满足公式1，这样可区分故障电流和励磁涌流以实现空投变压器时对励磁涌流的制动作用。

3.对廊坊电网空投变压器时几次差动保护误动的分析。

2001年5月22日康仙变电站2号主变停电检修，21时45分恢复送电，在2202开关合闸空投2号主变瞬间，差动保护动作，跳开2202开关。

经运行值班人员检查2号主变差动保护区内未发现短路故障。

继电保护人员打印了2号主变
空载投入时的故障录波报告，通过对故障录波报告的分析，我们认为变压器空投时差动保护对励磁涌流未能实现制动作用导致差动保护误动。

2号主变为RDA1集成电路型差动保护装置，间断角制动原理，分相制动，即主变空载投运时一相制动元件动作，三相差动保护都被制动。

差动保护定值如下：
220kV侧比例差动ICD=1.84A；220kV侧差动速断ISD=27.6A；
间断角θd=65o±3o；波宽θW=140o±3o；其判据为：
当θd>65o或θW≤140o 时，判为涌流情况，闭锁比率差动保护；
当θd<65o且θW≥140o 时，判为差动保护区内部短路故障，开放比率差动保护。

我们对康仙站2号主变差动保护进行了复查试验，试验数据如表2所示：
表2 试验数据
相别ICD （A） ISD （A）θdθW
A 1.84 28 66.3o 133o
B 1.86 28 68.2o 139o
C 1.86 28 62.37o 133.6o
所试验的数据B相间断角偏大，A、C相波宽偏小，对于空载投入主变时产生的励磁涌流不利于制动。

2003年6月10日20时56分，牛驼变电站1号主变空载投运时，变压器差动保护动作跳闸，经检查变压器差动保护区内无故障，动作原因为差动保护对励磁涌流失去制动作用，而B相励磁涌流又达到比率差动保护的动作值，使保护误动。

牛驼1号主变为CST-141B型差动保护，二次谐波制动原理，分相判别，任何一相满足闭锁条件对三相差动保护实现闭锁，制动比整定为20%。

另外为了保证二次谐波数据的可靠性，程序中设置了一个门槛值ICD，当某相的差动电流小于ICD时，此相不参与二次谐波闭锁的计算，经过对现场故障报告数据进行谐波分析，发现A、C两相二次谐波比大于定值20%，但其差电流小于ICD =1.28A，所以A、C两相未参与谐波闭锁计算；B相的励磁涌流大于差动门槛值ICD ，但B相涌流中二次谐波比为0.18左右，小于定值，所以B相动作出口。

综上所述，由新型电工硅钢片制成的现代大型变压器，趋向于有较大的励磁涌流，但是二次谐波分量却不一定按比例增加，有时甚至出现某一相无明显二次谐波的情况，这就给分别对各相参数进行鉴别的分相式差动继电器带来困难。

针对以上现象，建议适当降低牛驼变压器差动保护的差动门槛值ICD，当变压器空载投运时，尽可能地使三相涌流都参与二次谐波闭锁的计算，从而提高差动保护避越励磁涌流的能力。

4.结论
通过以上分析不难看出，变压器的启动电流的变化是一个非常复杂的过渡过程，它跟诸多方面的因素有关，从而使励磁涌流中各谐波成分的含量变得复杂。

在实际运行中，应该对差动保护避越励磁涌流的制动比进行合理整定，以使变压器空载投入运行时没有短路故障的情况下，保证变压器差动保护可靠躲过励磁涌流。

参考文献：
[1]郝治国，张保会.变压器励磁涌流鉴别技术的现状和发展[J].变压器，2005，42（7）：23-27
[2]林湘宁，刘沛. 变压器外部故障切除后差动保护误动的机理分析[J].电力系统自动化，2003，27（19）：57-60.
[3]王维俭. 发电机变压器继电保护应用[M]. 北京：中国电力出版社，2004.
[4]吕志娟，刘万顺，龚延萍.利用电流波形特征识别变压器励磁涌流和故障[J].电力系统自动化，2006，30（19）：53-56.
[5]郑涛，刘万顺，吴春华等.基于瞬时功率的变压器励磁涌流和内部故障电流识别新方法[J]. 电力系统自动化，2003，27（23）：51-55.
[6]苏华东.变压器差动保护在防范励磁涌流中应用[J]科技创新导报，2011，26
[7]何越，熊元新，姜山等.变压器空载合闸励磁涌流的仿真分析研究[J]电力学报，2010，25（1）：33-36.。