励磁涌流

:励磁涌流对HTR-PM主变压器差动保护影响分析摘要：本文重点介绍HTR-PM 220kV主变压器差动保护原理，通过对220kV 倒送电期间主变压器五次空载冲击合闸励磁涌流波形进行深入分析，介绍励磁涌流基本特征，以及励磁涌流对变压器差动保护的影响，并给出我厂变压器所配置差动保护励磁涌流闭锁原理。

关键词：变压器差动保护、变压器空载合闸励磁涌流、励磁涌流闭锁原理

1、前言

主变压器是核电厂与电力系统之间联系的重要设备，机组正常并网运行时，核电机组所发电能通过主变压器变换升压后输送给电力系统（地网和省网），但在核电厂建设和调试期间，需要通过主变压器向核电厂反供电（倒送电）以作为安装调试阶段第二路电源。主变压器发生故障，不仅影响核电机组的安全稳定运行，给核电厂带来重大经济损失，而且影响电力系统的稳定，可能造成大面积停电。因此，必须配置性能良好，功能完善的保护装置。

根据《继电保护及自动装置设计技术规程》（DL400-91）的规定，大型电力变压器应装设反映变压器绕组和引出线多相短路、大电流接地系统侧绕组和引出线的单相接地短路及绕组匝间短路的纵联差动保护作为电量主保护。

但是，变压器在正常运行时由于励磁电流、带负荷调压、两侧差动TA的变比误差等导致存在很大的不平衡电流；由于超高压、大容量变压器接线方式，例如HTR-PM 220kV主变为YnD11接线方式，变压器两侧电流相位相差30，导致出现不平衡电流；空载变压器合闸时可能产生励磁涌流，多次测量表明：空投变压器时的励磁涌流通常为额定电流的2-6倍，最大可达8倍以上，由于励磁涌流只由充电侧流入变压器而不流经其他侧，对变压器纵差保护而言是很大的一项不平衡电流。

2、变压器差动保护原理

变压器纵差保护的构成原理是基于克希荷夫第一定律，即

∑I=0 （2-1）

式中∑I=0为主变压器高低压侧电流的向量和，主变高低压侧CT为减极性配置，见图1。

式（2-1）代表的物理意义是：变压器正常运行或外部故障时，若忽略励磁电流不计算，则流入变压器的电流等于流出变压器的电流，此时，纵联差动保护应不动作；当变压器内部故障时，若忽略负荷电流，则只有流进变压器的电流而没有流出变压器的电流，此时纵差保护动作，将变压器从系统切除。

图1 变压器纵差保护原理接线图

图1中，TA1、TA2为变压器两侧的差动电流互感器；K A、K B、K C为A、C三相的三个分相差动继电器，变压器接线组别为YNd11，CT为减极性配置，跟我厂主变一致。

众所周知，变压器是通过电磁感应原理工作的，因此，变压器工作首先需要励磁电流来建立磁场，对大型变压器，正常情况下励磁电流只有不到1%的额定电流，不会影响变压器纵差保护的工作性能；当外部短路时，电压严重下降，励磁电流更微不足道。然而，当变压器空载合闸时，励磁电流可能非常大，一般将其称为励磁涌流，它将进入差动回路，其值可与内部短路电流相比拟，这势必造成保护装置的误动作。

3.变压器空载合闸时励磁涌流分析

本节以单相变压器为例，可以用u来表示额定电压，来Ф表示额定磁通。则有

u= dФ

dt

（3-1）设变压器空载合闸的时刻为t=0，而变压器一次侧上的电压为u=U m sin(wt+α)。解式(3-1)的微分方程，得

Ф=−Ф

m cos(wt+α)+Ф

(3-2)

式中，−Ф

m cos（wt+α）为稳态磁通分量，其中Ф

m

=U m w

⁄；Ф

为自

由分量，由于磁通不可以突变可以求得Ф

0=Ф

m

cosα+Ф

r

，Ф

是随时间衰减的

非周期分量，其中Ф

r

为变压器铁芯剩磁。

图2 变压器近似磁化曲线

考虑到成本和工艺，现代大型变压器饱和磁通一般做成Ф

S

=1.15−1.4。由

图2可见，正常工作时变压器磁通Ф

（1）小于饱和磁通Ф

s

，所以正常工作时，

变压器磁通接近饱和但并未饱和，但在变压器空载合闸瞬间的暂态过程中，由

于Ф

0的存在，就会导致变压器磁通Ф大于饱和磁通Ф

s

，导致变压器铁芯饱和。

在不考虑剩余磁通的情况下，合闸后经过半个周期(wt=π)后，磁通达到最大值

2Ф

m cosα。在α=00合闸，则Ф

m

的最大值为2Ф

m

，远大于变压器饱和磁通，造

成变压器严重饱和，励磁电流急剧增大，即形成励磁涌流[1]。

总之，变压器在合闸瞬间，铁芯中的磁通除有稳态磁通之外，尚有剩磁及与合闸角有关的磁通。后两者为自由磁通。由于自由分量磁通的存在，导致铁芯严重饱和，产生励磁涌流[2]。

在石岛核电220kV倒送电期间，根据程序，需要对对主变进行了五次空载合闸冲击，在五次空载合闸冲击过程中，发变组故障录波装置记录励磁涌流波形，波形如下(选取第三次空载冲击合闸励磁涌流)：

图3 主变第三次空载冲击合闸励磁涌流

图4 主变第三次空载合闸励磁涌流模拟量分析图5主变第三次空载冲击合闸励磁涌流谐波分析

根据以上分析及图3、图4和图5所示可以看出励磁涌流有以下几个特点：（1）由于三相电压之间有1200的相位差，因而三相励磁电流不会相

同。任何情况下空载合闸，至少在两相中出现程度不同的励磁涌流。

（2）波形偏于时间轴一侧，即涌流中存在很大的直流分量，见图

5。

（3）三相变压器励磁涌流中含有很大的高次谐波分量，从图5中可

以看出，涌流中含有较大的二次谐波分量，其大小与铁芯饱和磁通和剩

余磁通大小直接相关。

（4）三相变压器励磁涌流中，往往有一相为周期性电流，即几乎没

有直流分量。

（5）三相变压器励磁涌流波形是有间断角，无论单侧性或周期性涌

流波形都有间断角，且间断角很大，一般大于1200。

（6）励磁涌流是衰减的（自由磁通分量是随时间衰减的），励磁涌流

衰减时间常数与变压器跟电源间阻抗的大小、变压器容量和铁芯材料有

关。一般情况下，变压器的容量越大，或越靠近电源，其衰减时间越

长；铁芯越饱和、电抗值越小，衰减越快。

（7）励磁涌流的幅值很大。磁通越大，铁芯越饱和，励磁涌流就越

大，一般励磁涌流可达额定值得2-6倍。

4.变压器励磁涌流闭锁原理

鉴于变压器空载合闸时会产生很大的励磁涌流，且励磁涌流只流过变压器高压侧一侧，可能导致变压器纵差保护误动，因此各大高校和继电保护厂家，根据励磁涌流特征，研究各种励磁涌流鉴别方法，从而形成了各种励磁涌流闭锁原理，防止在变压器空载合闸时由于励磁涌流导致变压器差动保护误动作而使合闸失败。目前常用的励磁涌流闭锁原理包括:二次谐波制动原理、间断角闭锁原理、波形对称原理、磁通特性识别原理、基于参数辨识原理、功率差动识别原理、谐波电压制动原理等。

我厂高温堆主变压器纵差保护配用南京南瑞继保电气有限公司的PCS-985BT型电厂变压器保护装置，该装置励磁涌流闭锁原理为二次谐波制动原理或波形判别原理，可以通过控制字选择投入其中一种，一般变压器保护装置A、B 柜分别各投入其中一种原理。