500kV变电站主变励磁涌流的特点和防范措施

500kV变电站主变励磁涌流的特点和防范措施

摘要：500kV变电站主变压器在空载合闸过程中产生很大的励磁涌流，极易造成主变大差动保护的误动作。本文从励磁涌流的特点二次谐波含量大、波形突变以及倒闸操作等方面入手，研究防止主变大差动保护误动的措施。

关键词：变压器，励磁涌流，特点，防范措施

当变压器空载合闸或外部故障切除后电压恢复过程中，由于变压器铁芯中的磁通量的突变，使铁芯饱和，这时将出现数值很大的励磁电流，此情况称为励磁涌流。近年来，我国远距离输电系统越来越多地建成，超高压、大容量电力变压器不断投产，对变压器保护的可靠性和快速性提出了更高的要求。但是，国内变压器保护的发展却远远落后，其保护正确动作率长期偏低。如何躲开变压器励磁涌流的影响，对提高变压器保护动作的正确率以及改善电力系统的供电质量有着重要的意义。

1 励磁涌流产生的原因

变压器绕组中的励磁电流和磁通的关系由磁化特性所决定，铁芯越饱和，产生一定的磁通所需的励磁电流就愈大。由于在最不利的合闸瞬间，铁芯中磁通密度最大值可达2Φm，这时铁芯的饱和情况将非常严重，因而励磁电流的数值大增，这就是变压器励磁涌流的由来。励磁涌流比变压器的空载电流大100倍左右，在不考虑绕组电阻的情况下，电流的峰值出现在合闸后经过半周的瞬间。但是，由于绕组具有电阻，这个电流是要随时间衰减的。对于容量小的变压器衰减得快，约几个周波即达到稳定，大型变压器衰减得慢，全部衰减持续时间可达几十秒。

2 励磁涌流的特点及影响

三相变压器的励磁涌流与合闸时电源电压初相角、铁芯剩磁、饱和磁密、系统阻抗等有关，而且直接受三相绕组的接线方式和铁芯结构形式的影响。

2.1 励磁涌流的特点

对于500kV主变这类大型变压器，励磁涌流可达到额定电流的5～10倍，并且合闸初相角改变时，对各侧的励磁涌流的影响也不同。励磁涌流中含有很大成分的非周期分量，往往偏于时间轴一侧。分析和实践表明，励磁涌流中含有明显的二次谐波和偶次谐波，二次谐波的含量在一般情况下不低于基波分量的15%，而短路电流中几乎不含有二次谐波分量。分析短路电流与励磁涌流波

形可以知道，短路电流波形连续，正半周、负半周的波形为1800，波形间断角几乎为00。励磁涌流波形为对称性涌流，波形不连续且出现间断。

2.2 励磁涌流的危害性

励磁涌流的出现将引发变压器的继电保护装置误动，使变压器的投运频频失败。变压器短路故障切除时所产生的电压突增，诱发变压器保护误动，使变压器各侧负荷全部停电。变电站一台变压器空载接入电源产生的励磁涌流，诱发邻近其他变电站等正在运行的变压器产生“和应涌流”(sympathetic inrush)而误跳闸，造成大面积停电。数值很大的励磁涌流会导致变压器及断路器因电动力过大受损。诱发操作过电压，损坏电气设备。励磁涌流中的直流分量导致电流互感器磁路被过度磁化而大幅降低测量精度和继电保护装置的正确动作率。励磁涌流中的大量谐波对电网电能质量造成严重的污染。造成电网电压骤升或骤降，影响其他电气设备正常工作。

2.3 励磁涌流对主变差动保护的影响

现在我们来看看主变大差动保护的原理。差动保护是利用基尔霍夫电流定理工作的，当变压器正常工作或区外故障时，将其看作理想变压器，则流入变压器的电流和流出电流(折算后的电流)相等，差动继电器不动作。当变压器内部故障时，两侧(或三侧)向故障点提供短路电流，差动保护感受到的二次电流向量和减去标量和乘以比例系数的差值大于差动整定值时，差动继电器动作。500kV主变一般配置有两套差动保护，一套是大差动保护(原理如上所述)，一

套是高阻抗差动保护，主要区别就是高阻抗差动保护计算的电流为高压侧、中压侧和中性点三侧电流，大差动保护计算高、中、低压三侧电流。

变压器励磁涌流仅流经变压器的某一侧，因此通过电流互感器反应到差动回路中将形成不平衡电流。稳态运行时，变压器的励磁电流不大，只有额定电流的2-5%。在差动范围外发生故障时，由于电压降低，励磁电流减小。所以这两种情况下所形成的不平衡电流都很小，对变压器的差动保护影响不大。但是，当变压器空载投入和外部故障切除后电压恢复的情况下，则可能出现很大的励磁涌流，能达到额定电流的6-8倍。由于励磁电流只在变压器的一侧出现所以在主变大差动保护中会产生很大的不平衡电流，导致主变大差动保护误动作。而由于励磁涌流流经主变中性点，所以500kV主变高阻抗差动保护不会误动作。

3 励磁涌流引起的差动保护误动事故

3.1 事故经过

2007年11月10日19：09网调下令操作500kV某变电站1号主变高压侧开关对1号主变充电，现场操作后1号主变大差动保护动作，1号主变高压侧开关跳闸。经现场检查后一、二次设备外观未发现异常，差动保护动作一次值为1200A，专业人员对一、二次设备进行检查试验后，结论也正常。检查保护动作情况发现1号主变大差动保护动作，高阻抗差动保护未动作，综合保护故障录波图形可以看出B、C相电流波形大小相等，波形相反，并且故障电流流过中性点(公共绕组)。主变差动保护动作故障波形如图1。

3.2 保护动作过程分析

主变大差动电流只计算主变高、中、低三侧的电流向量和，中性点电流不计算在内，当时主变只有高压侧开关合上(主变充电)。A相差流

IdA=0.23×3200=736A，B相差流IdB=0.41×3200=1312A，C相差流

IdC=0.27×3200=864A，主变差动动作整定值为510A。从图2可以看出A相二次谐波和基波的比值达到25.7%，C相二次谐波和基波的比值达到23.1%，满足励磁涌流的波形以二次谐波为主的特点。从图1的波形可以看出，A、C相电流的波形满足励磁涌流的特点：含有大量的非周期分量，波形偏向于时间轴一侧，并且波形出现间断。从上面的数据可以看出，主变高压侧开关在合闸充电时，由于励磁涌流的原因，使主变高压侧产生很大的励磁涌流并流经中性点。由于中性点电流未计入主变大差动保护，大差动保护只计算主变高压侧流过的电流使差动保护达到动作条件出口跳闸。而高阻抗差动保护未动作的原因是由于其计算高、中压侧以及中性点的电流，故其未产生差流。

4 防止励磁涌流引起差动保护误动的措施

电力技术标准《微机变压器保护装置通用技术条件》规定，变压器相间差动保护具有防止励磁涌流引起误动的功能。为了防止变压器差动保护误动作，必须对变压器励磁涌流与内部短路电流进行鉴别，在实际中运用比较多的有二次谐波制动、虚拟三次谐波制动、间断角原理、波形对称原理、波形拟合法等。目前，在华东电网系统500kV主网内主变压器纵差保护中，二次谐波制动因原理简单得到了广泛的应用。但由于二次谐波制动原理的不足，大部分主变纵差保护中又添加了波形分析制动原理，使500kV主变纵差保护更加可靠。

4.1 二次谐波制动原理

在变压器励磁涌流中含有大量的二次谐波分量，利用差电流中二次谐波所占的比率作为制动系数，可以鉴别变压器空载合闸时的励磁涌流，从而防止变压器空载合闸时保护的误动。在差动保护中差流的二次谐波幅值用I2ω表示，差电流Id中二次谐波所占的比率K2ω可表示为K2ω=I2ω/Id 。当K2ω小于二次谐波制动系数时，开放差动保护，二次谐波制动系数一般取0.15。需要指