变压器保护误动原因分析

变压器空载冲击试验时保护动作原因分析
温州电厂三期的电气倒送电的过程中，在对高压启备变进行空载冲击合闸试验时，先后发生了3次启备变保护动作事件，在对一次设备和二次保护的原理进行说明的情况下，充分利用现场录波和记录数据对这三次保护动作事件进行详细的分析，得出保护动作的原因。

概况
由于变压器的非线性，在变压器冲击合闸时可能会产生数值相当大的励磁涌流，这些涌流可能会导致变压器保护的误动作，因此国标中要求在新装变压器刚投产时，要对变压器进行5次空载合闸冲击试验，以检查变压器的涌流特性和保护躲避励磁涌流的能力。

决定励磁涌流大小主要的因素有：变压器的容量、电源容量的大小、变压器的铁心结构及磁化特性、变压器的剩磁水平、对变压器的合闸方式等。

温州三期电厂的两台高压厂用备用变压器生产厂家是西安西电变压器有限责任公司，型号为SZ9-25000/220，容量为25MV A，额定变压比为230kV/6.3 kV。

变压器保护装置采用的是国内某厂家的数字保护装置，该保护装置在初次整定时二次谐波制动原理采用的是默认的分相制动原理。

在温州电厂三期电气倒送电过程中，按规程先通过220kV断路器1DL对两台备用变压器03A和03B分别进行两次冲击合闸试验（系统图见图1），然后两台启备变再并列冲击三次。

在单冲均顺利的情况下，并列冲击时却先后发生了三次变压器保护误动事件，其中两次是差动保护动作，一次是变压器复压过流动作，由于连续三次的保护跳闸涉及到变压器的保护原理、变压器空载合闸时的暂态励磁涌流以及负序电压等，本文将从这几个方面比较深入的分析这几次保护跳闸的原因。

母线03母线03
断路器
2备用进线开关(03段)
3备用进线开关(03段)
图1 变压器冲击合闸试验系统图
2、变压器保护原理简介
变压器保护除了非电量保护外通常还主要包括:差动保护、零序过流、复压过流等保护。

2.1 变压器差动保护
差动保护具有灵敏度高、选择性好的特点，一般作为发电机、变压器等大中型电力设备的主保护。

图2 变压器差动保护接入原理
2.1.1 比率制动式差动元件
....................................()...............d q z g d z z g q z g d s
I I I I I K I I I I I I I ><⎧⎪>-+>⎨⎪>⎩
式中: 12
d I I I =- ——动作电流（即差流） {}
12`max z I I I = ——制动电流
图3 变压器差动保护动作特性
2.1.2 涌流判别元件
励磁涌流的判别原理主要有：二次谐波判别、间断角判别、波形对称判别等，该保护装置就是利用二次谐波分量的大小来判别励磁涌流和短路电流的。

同时该保护装置还提供两种谐波制动方式：“分相”制动式及三相“或门”制动式，所谓分相制动式，是指某一相差流中的二次谐波电流，只对本相的差动元件有制动作用，而对其他相无作用。

而三相“或门”制动方式，是指在三相差流中，只要某一相差流中的二次谐波电流对基波电流之比大于整定值，便将三相差动元件闭锁。

2.2 变压器复压过流保护
变压器复压过流保护的保护判据如下:
2211set set set
U U orU U I I ><⎧⎨>⎩ 复压过流由于存在电压判据(负序过电压或正序低电压)，因此动作电流可以整定的比较小，一般整定为额定电流左右，这样复压过流保护比一般的过流保护具有较高的灵敏度，在变压器的后备保护中得到广泛的应用。

2.3 温州电厂三期备变保护的整定(差动及复压过流部分)
温州电厂三期备变差动保护整定参数包括启动电流、拐点电流、比例制动系数、差动速断、二次谐波系数以及制动方式等，高压侧复压过流保护的电压取自低压侧TV ，具体整定见表1：变压器保护主要定值
3、 变压器空载冲击合闸时的励磁涌流
在分析变压器冲击瞬变过程的初始一般应用下式：
101sin()t d t w dt
ωαΦ+= 0α——合闸时电压的初相角
t Φ——和原线圈交链的总磁通，包括主磁通和漏磁通
解该一次微分方程并考虑初始条件可得：
00[cos()cos ]t m t ωααΦ=-Φ+- 其中111
m U w ωΦ=≈为稳态磁通的
幅值。

图4 变压器空载合闸时录波的励磁涌流波形
1） 当电压的初相角02πα=时合闸，00[cos()cos ]sin t m m t t ωααωΦ=-Φ+-=Φ，
表明一合闸就建立了稳态磁通，没有瞬变过程，即建立该磁场的合闸电流也没有瞬变过程就达到了稳态空载电流。

2） 当00α=时合闸，00[cos()cos ]cos t m m m t t ωααωΦ=-Φ+-=Φ-Φ，变压器
除了稳态磁通外，还有暂态分量存在，在合闸后的半个周期时磁通达到最大值：
m a x 2
t m
Φ=Φ，由于瞬变过程中磁通可以达到稳态分量最大值的2倍，加上铁心具有磁饱和特性，故冲击合闸电流增加的倍数远远超过磁通增加的倍数，运行经验表明，在最不利的情况下，冲击合闸的最大励磁涌流可以达到额定电流的8倍以上。

图4就是现场录波的变压器空载冲击合闸试验的励磁涌流波形。

4、冲击时的负序电压
由于变压器复压过流保护的电压是取自低压侧6.3kV系统的进线TV的电压，即变压器二次侧电压（后来设计已更改），因此在变压器空载冲击合闸时由于三相磁通密度的不一致，再加上变压器三相剩磁的影响，使得变压器三相的励磁涌流饱和程度不一样，因而造成变压器的二次侧的空载电压在冲击后的一段时间内出现不平衡电压，即在变压器空载合闸的暂态过程中出现了负序电压。

负序电压存在时间的长久取决于变压器暂态过程持续的时间。

由图5中U A 的录波波形中可以明显看出在变压器冲击合闸过程中电压的暂态过程。

通过专用软件分析可以知道，当变压器冲击时，U A 波形的最大值是130V，衰减0.5s后其波形的最大值是142V，而1.5s后的最大值是150V，因此说明衰减0.5s后，由于波形的不对称，负序电压仍然大于8V。

图5 变压器空载冲击时的励磁涌流衰减和电压波形
5、温州电厂三期倒送电跳闸原因分析
在温州电厂三期倒送电的过程中，前后发生了三次备用变压器保护跳闸事故，通过以上的原理介绍，以下对三次跳闸的原因做具体的分析：
5.1 8月17日,变压器在进行第五次冲击合闸的过程中差动保护动作跳闸,现场保护装置记
录的数据见表2。

表2 8月17日跳闸后保护装置记录数据及计算谐波比（谐波比整定为0.15）
从表2的记录数据可以看出：B相的谐波比(二次谐波与基波的比值)最小，虽然稍大于0.15的谐波制动的整定值，但考虑到装置的误差和采样的误差，也有可能造成差动保护动作。

由于该差动保护二次谐波制动采用的是单相制动原理，即只要三相中有一相没有满足二次谐波制动的条件，保护装置就会出口跳闸。

又因为这是在第五次冲击合闸时才发生了这种情况，而且变压器和保护装置经重新试验后完全正常，当时专家组的分析结果认为最后一次合闸可能在电压过零点附近励磁涌流最大时发生的，为了使得差动保护能躲过这种最特殊情况，专家组决定将二次谐波制动的定值从0.15降低为0.13，其他定值不变。

5.28月18日在修改定值后决定对启备变再进行一次冲击试验，但在冲击合闸的过程中再
次出现差动保护动作，从保护装置的录波和记录（表3）看出：三相的二次谐波都能满足制动的条件，不应该出现差动保护装置动作的情况，是保护装置有问题还是保护装置算法有缺陷，通过对保护装置的再次试验表明差动保护装置正常，经过与南自厂家联系，要求厂家给出一个满意的答复，厂家对录波的波形进行分析得出C相的二次谐波与基波的比只有0.1左右，远远不能满足0.13的制动要求，分析结果表明是C相的差动动作跳闸是正确的。

为什么按现场记录的数据算出来的谐波比为0.161，而南自厂分析的结果仅为0.1呢?
为了验证厂家的分析结果，我们决定对保护装置再进行一次试验，保护测试仪输出的电流为：基波电流为10A，二次谐波电流为2A，慢慢减少二次谐波电流到1.3A左右时，保护装置动作跳闸，然后查看保护装置的录波数据发现与我们装置加入的数据不一样，
看来以上简单相除得到的谐波比是错误的，
谐波比的计算与变压器的接线方式和保护算法还有关系，对这次保护装置的重新试验不但可以很好地解释厂家0.1谐波比的分析结果，而且也说明了第一次跳闸也是完全正确的！
2和表3中计算出的谐波比，这
样在冲击试验时，分相制动原理很难防止差动保护误动，必须将分相制动更改为三相制动才能有效地避免差动保护的误动。

表3 8月18日跳闸后保护装置记录数据（谐波比整定为0.13）
5.38月19日，由于连续的两次跳闸事故，虽然已经找到了问题的根源，但由于该型号保
护装置在浙江是首次使用，因此专家组对该型号的保护装置的性能还是有所怀疑，为了防止由于一次设备故障时差动保护可能拒动，决定将变压器的后备保护复压过流延时定值由1.3s临时改为0.3s（省中调的建议值为0.3s-0.5s）。

为了考验差动保护装置躲避励磁涌流的能力，决定对变压器再进行3次冲击合闸，前两次冲击正常，但在第三次冲击合闸过程中出现了复压过流保护动作，从保护装置的录波和记录看出，负序电压大于整定的8V，电流也远远大于整定值，所以复压过流动作是正确的。

主要原因是负序电压和励磁涌流在0.3s内还未衰减到整定值以内，这主要同变压器本身的设计特性与制造工艺有关，并不能说明该变压器存在故障点。

最后经专家组讨论决定将复合电压过流保护的时间延时改为0.5s再进行一次冲击试验，结果冲击试验正常通过。

5、经验与结论
从温州三期的倒送电过程中我们总结出以下经验：
1）、变压器二次谐波分相制动方式具有灵敏度高但容易误动的特点；而三相“或”门制动方式刚好相反，灵敏度有所欠缺，但可靠性高。

2）、在对容量相对较小的变压器进行冲击合闸试验时，由于其二次谐波分量比较小，且三相不平衡，建议二次谐波制动的逻辑最好选为“或”门三相制动方式，这样虽然保护的灵敏度相对降低一些但可以防止保护误动，特别对于启备变，在机组运行中可能会进行正常切换，如果误动的话可能会造成整个机组的跳闸，更严重的是可能会对系统的稳定产生影响。

3）、保护定值的整定在遵循以往经验数据的基础上要结合现场具体的的一次设备来进行整定，这样二次保护设备才能安全可靠的保证一次设备的正常运行！。