变压器纵联差动保护和励磁涌流鉴别方法

张　励

摘要：变压器是电力系统的重要设备，纵差保护是其主保护。在变压器运行时，由于励磁涌流等因素的影响会产生不平衡电流，从而影响纵差保护的灵敏度。变压器纵差保护的核心问题是如何正确识别励磁涌流和内部故障电流。

关键词：变压器 纵差保护 励磁涌流

1 变压器的纵差保护的意义及误动原因

电力变压器是电力系统的重要设备，发生故障时使短路电流产生的电弧破坏绕组绝缘，烧毁铁芯，油箱爆炸，对电力系统带来严重影响。变压器的继电保护常装设：瓦斯保护、纵差保护、低压起动的过流保护、复合电压起动的过流保护、零序电流保护、过负荷保护等。而纵差保护是其主保护，安全可靠性对变压器保护影响最关键。在变压器正常工作和外部故障时，流过差动继电器的电流在理想情况下等于零。但实际上由于多种原因，即使在正常运行时，也会有不平衡电流流过差动回路，迫使纵差保护的整定动作值增大，使保护的灵敏度降低。因此要提高纵差保护的灵敏度，关键是减小不平衡电流的影响。产生不平衡电流的主要因素有很多，如变压器两侧TA的型号不同产生不平衡电流；由于TA实际变比与计算变比不一致产生不平衡电流；带负荷调整变压器分接头来调整电压产生不平衡电流；变压器稳态过励磁情况下产生励磁涌流；变压器正常的空载合闸，外部故障切除后故障恢复中，铁芯容易在暂态过程中饱和产生励磁涌流。在以上五个影响因素中，以变压器空载合闸时或外部故障被切除后恢复供电时所产生的励磁涌流的影响最为严重。因此，当前变压器纵差保护的核心问题就是如何正确识别励磁涌流和内部故障电流。

2 变压器励磁涌流特点

单相变压器励磁涌流的特点：波形偏向于时间轴一侧，并且出现间断。涌流越大，间断角越小。含有大量的高次谐波，并且以二次谐波为主。间断角越小，二次谐波也越小。含有大量的非周期分量，间断角越小，非周期分量越大。励磁涌流是否产生以及产生的的大小与合闸角有关。三相变压器励磁涌流的特点：与单相变压器励磁涌流相比，其中一相或两相励磁涌流的二次谐波明显减少，但至少还有一相励磁涌流含有大量的二次谐波。励磁涌流仍然间断，但是间断角明显减少，其中以对称涌流的间断角最小。某相励磁涌流可能不再偏离时间轴的一侧，变成了对称涌流。其它两相仍然为偏离时间轴一侧的非对称涌流。对称性涌流的数值较小，非对称性涌流仍含有大量的非周期分量，但对称性涌流中无非周期分量。三相电压之间有相位差，三相励磁涌流不同，任何情况下空载投入变压器，至少在两相中要出现不同程度的励磁涌流。

3 励磁涌流鉴别方法

在变压器的差动保护中，励磁涌流的识别是关键性问题。许多学者提出了许多判别励磁涌流的新方法新原理。

3.1 二次谐波制动原理 二次谐波制动原理[1]简单明了，但是在应用时也有较大的局限性。缺点之一是很难适当选择制动比。其二是励磁涌流是暂态电流，不适合用傅氏级数的谐波分析方法。因为对于暂态信号而言，傅氏级数的周期延拓将导致错误的判断。其三是大型变压器励磁涌流衰减较慢，导致差动保护被长时间闭锁，内部故障时暂态电流中含有较大的二次谐波，保护不易识别，并且动作延时。在剩磁较多时涌流中二次谐波含量变的很低，很容易导致差动保护误动。

3.2 电压谐波制动原理 该原理能可靠鉴别涌流,闭锁保护[1]。对LC振荡对不敏感，使二次谐波制动的某些不足得以某种程度的改善。由于只用半个周期的数据，动作速度快。缺点是门槛值的整定比较复杂，应用与系统阻抗密切相关，在整定时需要精确的了解系统的阻抗。而当阻抗很小的时候，保护特性将要受到破坏，到极端情况(系统联系阻抗为O)，该原理拒动，所以运用该原理的保护必须对系统阻抗有比较精确的了解。

3.3 间断角原理 间断角闭锁原理[1]是利用励磁涌流波形具有较大的间断而短路电流波形连续变化不间断的特征作为鉴别判据，简单直接。但它是以精确测量间断角为基础，如遇到暂态饱和传变会使涌流二次侧间断角发生畸变，有时会消失，必须采取某些措施来恢复间断角，这样就增加了保护硬件的复杂性。同时间断角原理还要受到采样率、采样精度的影响及硬件的限制，它面临着因TA传变引起的间断角变形问题。它需要较高的采样率以准确地测量间断角，这对CPU的计算速度提出了更高的要求。此外，用微机实现间断角原理时硬件成本高。

3.4 波形对称原理 波形对称原理原理[1]是利用差电流导数的前半波与后半波进行对称比较，根据比较的结果判断是否发生了励磁涌流。该原理是间断角原理的推广，比间断角原理容易实现，克服了间断角原理对微机硬件要求太高的缺点，可实现快速出口和可靠闭锁于涌流。但是该原理的应用的问题有:比较阈值K如何确定？对称范围（对称角度）应当取多大？这两个问题很难通过严格的理论分析解决，应用中只能根据实际情况，通过试验的方式设定或修正，结果潜伏了误判的隐患。该判据还受到谐波的影响，如在剩磁较多的时候，其励磁涌流中的谐波含量较少，容易误判为故障电流，在对对称度较高的对称涌流进行判别的时候可能产生误动。另外，当故障电流畸变严重时，需要延时出口。

3.5 小波变换方法 小波变换[2]运用于差动保护，能更加精细地提取信号的幅值、相位等特征，检测信号的突变点，用以判断铁芯是否进入了饱和。它通过比较各种波形奇异度的差异区分涌流和故障情况，能提取出涌流波形与各种故障波形的奇异性。如果实际运行现场的干扰较重，信号的奇异度是否被干扰噪声所淹没而无法提供足够的裕度以满足保护可靠性的问题还有待商榷。另外，一般情况下小波算法的计算量较大，应用于实际的徽机保护，面临实时性不能得到满足的问题。目前小波变换在此方面的应用主要集中于高次谐波检测和奇异点检测，此外并未发现大的突破。另外，对微机保护来讲，获得高频分量势必需要提高采样频率，从而增加了技术难度和成本，而且可能会受到系统谐波的影响，能否经受住环境高频噪声的考验，有待进一步研究。另外，如何正确检测模值也是一个难题。

3.6 神经网络方法 人工神经网络[2]用由短路电流仿真模型和涌流仿真模型得到的频域及时域数据样本训练，按照系统判别励磁涌流的实际要求设计频域和时域神经网络模块。其出发点是把多种判据综合应用于差动保护，能提高差动保护正确率，具有广泛的适用性，神经计算能力、极强的自适应性、容错性，不需要调试，安装简单，运行可靠。但是突出矛盾体现在训练样本能否涵盖过去及将来电力系统，各种运行方式下可能发生的不同故障类型。将同一权值网络应用于不同类型的变压器，其可能性微乎其微。此外，该技术手段应用于实际保护的症结是如何提取神经网络的训练样本。

4 小结

除了以上介绍的几种判据，还有模糊贴近度原理、逆电感等效电路原理、等值电路法等等。以上各个判别法各有利弊。相比而言，目前以数字信号处理的方法应用最广泛，但离微机保护的实现还有一段距离。因此，为适应未来电力系统的要求，需要尽快在工作原理、整定计算、判断逻辑上多方位进行综合优化和改进,还要在日常的维护过程中加强技术管理工作，才能将变压器的稳定运行提高的理想水平，确保电网安全。

参考文献：

[1]王国兴，张传利，黄益庄.变压器励磁涌流判别方法的现状及发展.中国电力.1998.31(10).

[2]冯勇，柳焕章，陈学道.变压器励磁涌流的新判据.继电器.2002.30(10).