一起励磁变压器差动保护误动原因分析及启示

陈 俊，张琦雪，吴 龙，严 伟，沈全荣

（南京南瑞继保电气有限公司，江苏南京211102）

自并励励磁变压器的电气特征与一般变压器有很大的差别，励磁变压器所接负载为三相整流桥，正常运行时，励磁变压器两侧电流中含有丰富的高次谐波，且谐波次数和谐波含量随着发电机负荷的不同而变化，励磁变压器的差动不平衡电流较一般变压器大[1]，差动保护定值整定时需考虑该不利因素。此外，由于种种原因导致励磁变压器差动保护误动的案例时有发生，且发电机差动保护能够反映励磁变压器部分区内短路故障，对于是否配置励磁变压器差动保护存在一定的争议。分析一起励磁变压器差动保护误动案例，结果表明电流谐波含量丰富并不是导致励磁变压器差动保护误动的根源，不应因此而摒弃励磁变压器差动保护。励磁变压器差动保护具有多年运行经验，合理整定其定值，可提高励磁变压器内部短路故障检测的灵敏度，尤其对于励磁变压器低压侧故障，其灵敏度要高于励磁变压器电流速断保护。

1 励磁变压器差动保护误动案例分析

2006年5月17日，浙江某电厂600 MW机组正常运行时，励磁变压器差动保护误动作，该保护为进口微机保护产品。励磁变压器差动保护动作时，保护装置记录的励磁变压器两侧电流波形见图1。

图1 励磁变差动保护动作时的电流波形

图 1 中，F1，F2，F3为励磁变压器高压侧 A，B，C三相电流，F4，F5，F6为励磁变压器低压侧 A，B，C 三相电流。可见，励磁变压器差动保护动作时，励磁变压器高压侧和低压侧A，C相电流均发生了严重畸变。

考虑到励磁变压器正常运行时两侧电流中的谐波含量比较丰富，且励磁变压器低压侧连接三相整流桥，低压侧的回路相对复杂，如图2所示[2]，电厂的分析结论是励磁变低压侧电流畸变，导致励磁变压器差动保护误动，并因此而取消了励磁变压器差动保护，以电流速断保护作为励磁变压器的主保护。

图2 三相桥式整流器示意

由图2可见，励磁变压器低压侧电流波形与整流桥的工作性能息息相关，整流桥换相失败有可能产生类似畸变波形，因此初步分析可能是励磁变压器低压侧整流桥换相失败引起。

图3 励磁变接线组别示意

为便于分析励磁变压器高、低压侧电流波形的关系，不妨假设励磁变压器为理想变压器，且其变比已折算成1：1，则两侧三相电流关系如下：

假设换相瞬间完成，正常工作情况下，低压侧电流为120o方波，高压侧为阶梯波。由录波的波形看，重点看低压侧波形，整流桥在B相与C相换相期间发生换相失败（图4中的240o位置），有很短的一段时间，三相电流均为零。根据上述计算公式，可由低压侧电流波形推算出高压侧阶梯波的波形，如图4所示，当低压侧A，C两相电流畸变时，高压侧三相电流均应受到影响而发生畸变，而由图1可见，保护装置记录的高压侧B相电流并未发生变化，实际波形特征与理论分析不一致。

图4 由低压侧电流推算出的高压侧波形

此外，如图2所示，三相整流桥换相失败对励磁变压器差动保护而言，相当于短时区外故障，不应产生励磁变差流，而由图1所示保护装置录波数据可见，此时却产生了较大的差动电流，因此可排除换相失败导致励磁变压器差动保护动作的可能性。

励磁变压器差动保护动作时，由保护动作接点触发故障录波器录下了当时的波形，故障录波器只引入励磁变压器高压侧三相电流，不记录低压侧电流，故障录波器录下的励磁变压器高压侧三相电流波形如图5所示。

图5 故障录波器记录的电流波形

比较图5和图1所示励磁变压器高压侧电流波形，励磁变压器差动保护动作后，从励磁变压器高压侧电流降为0时刻向前推3个周波左右，保护装置录下的励磁变高压侧A，C两相电流波形发生了畸变，而此时刻故障录波器记录下的励磁变高压侧三相电流没有任何异常，两者记录的波形数据不一致。因此，可以判断本次励磁变压器差动保护动作是由于保护装置硬件短时采样异常引起，励磁变压器差动保护动作时，励磁变压器两侧电流并未发生任何畸变，当时的事故分析结论不正确，因此取消励磁变差动保护是缺乏依据的。进口保护设备均为单CPU硬件结构，硬件异常易导致快速保护误动，据了解，该型号保护装置在国内其他电厂已多次发生类似情况。

2 励磁变压器差动保护性能分析

励磁变压器由于其低压侧直接与整流桥相联，两侧电流波形特征与常规变压器有较大区别，波形谐波含量较高，但现场运行经验表明，只要采用合适的保护滤波算法、合理整理差动保护定值，励磁变压器差动保护可以取得比较好的运行效果。国内绝大多数机组保护厂家均采用双CPU硬件结构，“与”门出口方式，可有效杜绝硬件异常导致的误动。

励磁变压器工作时，由于强励磁持续时间较长，两侧电流互感器（TA）特性差异大，励磁变压器差动电流不平衡值较大，一般建议差动启动定值整定为0.5～0.8倍额定电流。

图6为江苏某137.5 MW机组励磁变压器高压侧区内三相接地故障时的差流波形，故障时的短路电流较大，励磁变压器高压侧TA迅速饱和，励磁变压器差流波形严重畸变，励磁变压器差动保护比率判据可能由于谐波制动而无法动作，但励磁变压器差动速断保护可以快速动作，本次故障励磁变压器差动速断保护动作时间为10 ms。此外，由于励磁变压器的高压侧连接于发电机的机端，连接点在发电机差动保护的保护范围内，因此发电机差动保护也可以快速反映该故障。

图6 励磁变压器高压侧内部故障时的差流波形

由于励磁变压器的阻抗相对较大，励磁变压器低压侧发生短路故障时，短路电流比高压侧故障时要小得多，励磁变压器两侧TA电流能够正确传变，励磁变比率差动保护可快速动作，动作时间一般为20～35 ms，而发电机差动保护对该故障的灵敏度是不满足要求的，不能保证在此情况下可靠动作[3]。励磁变压器电流速断保护一般按躲过发电机强励条件整定，其优点是接线简单，且对TA的传变要求较低，但其缺点是不能实现对所有励磁变压器内部故障的快速保护[4]，尤其对于低压侧故障，电流速断保护的灵敏度要远低于励磁变差动保护。

与励磁变压器电流速断保护相比，励磁变压器差动保护在内部故障检测的灵敏度以及保护动作的快速性方面具有明显优势，现场有条件宜装设励磁变压器差动保护。

3 结束语

（1）对于现场励磁变压器差动保护误动原因分析，不应放过任何疑点，更不应在未查明原因的情况下否定励磁变差动保护原理。

（2）励磁变压器差动保护在现场大量应用，取得了丰富的运行经验，可提高内部故障检测灵敏度，尤其对于低压侧故障，其灵敏度远高于励磁变压器电流速断保护。

（3）在进行保护动作行为分析时，应结合保护装置录波数据和故障录波器录波数据，保护动作接点启动故障录波器的功能有助于分析保护硬件故障导致误动的情况，建议现场将动作接点引入故障录波器。

[1]高春如.大型发电机变压器组继电保护的整定计算[M].北京：中国电力出版社，2005.

[2]李基成.现代同步发电机励磁系统设计及应用[M].北京：中国电力出版社，2002.

[3]徐绍麟.工程实用励磁变压器保护方案探讨[J].继电器，2003，31（1）：34-38.

[4]吴笃贵.静止励磁系统保护配置方案[J].电力系统自动化，2005，29（19）：72-75.