暂态不平衡电流对变压器差动保护的影响

李红卫，彭 冲

(邯郸供电公司，河北 邯郸 056035)

电力变压器是电力系统中重要的电气设备，它的安全性和稳定性对整个电力系统具有重要意义。因此需要为变压器装设性能良好、工作可靠的继电保护装置，以尽快发现故障并将其清除[1]。长期以来，变压器差动保护因其选择性好、动作速度快等优点，已成为变压器电量保护中的主保护。统计表明[2]，2004-2008年，国家电网公司220 kV及以上等级变压器保护的平均正确动作率仅为91.17%，低于100 MW发电机和220 kV及以上等级线路保护的99.30%和93.29%，造成这种局面的重要原因之一是变压器不平衡电流识别及其引起的保护误动问题。暂态不平衡电流对变压器差动保护的影响较复杂，如何区分暂态不平衡电流与变压器内部故障是差动保护研究的重点和难点[3-5]。以下就暂态不平衡电流对变压器差动保护的影响进行分析。

1 不平衡电流

变压器差动保护中差流回路流过的不平衡电流主要包括[1]：由变压器两侧电流相位不同而产生的不平衡电流；由计算变比与实际变比不同而产生的不平衡电流；由两侧电流互感器型号不同而产生的不平衡电流；由变压器带负荷调整分接头而产生的不平衡电流；由变压器励磁涌流所产生的不平衡电流。上述不平衡电流中，前4项电流可以统称为稳态不平衡电流[6]，第5项励磁涌流与变压器和应涌流可以概括为暂态不平衡电流。近年来有多起空投变压器导致相邻变压器或发电机差动保护、后备保护误动的现象出现，经分析与和应涌流有关，和应涌流因其危害性、复杂性和隐蔽性引起继电保护界的关注[7]。

2 暂态不平衡电流对变压器差动保护的影响

2.1 励磁涌流对变压器差动保护的影响

变压器励磁电流仅流经变压器接通电源的那一侧，因此构成了差动回路中的不平衡电流。变压器发生内部故障时将产生高于额定电流几倍至十几倍的电流，基本的波形是一个含有衰减直流分量的交流正弦波[8]，波形较励磁涌流对称。励磁涌流和故障电流作用于差动保护的功能相似，易引起差动保护装置误动，因此保护装置厂家在设计差动保护策略时，必须考虑识别并躲过励磁涌流的影响，保证保护动作的正确率。以下从识别原理和制动模式选取角度分析励磁涌流的影响。

2.1.1 识别原理选取

励磁涌流识别方法可以归纳为7大类，即谐波识别法、波形识别法、磁通特性识别法、等值电路法、变压器回路方程算法、差有功法和智能理论识别法[9]，其中隶属于谐波识别法的二次谐波电流制动原理和隶属于波形识别法的波形对称识别原理在实践中得到广泛应用。

a.二次谐波电流制动。计算差动电流中二次谐波电流与基波电流幅值之比，当比值超过设定的门槛值(二次谐波制动系数)时，可以判别为励磁涌流，以此与故障电流进行区分。由于二次谐波特征量易于提取，因此该原理对采样速率和测量的要求相对较低，保护算法易于通过微机实现，在现场得到普遍应用。但是，这种识别原理势必会受到系统其它因素引起的谐波影响，随着变压器铁心材料的改进，合闸变压器剩磁较高且合闸角满足一定条件时，三相励磁涌流中二次谐波含量较小，差动保护有可能误动；另一方面，在长输电线(或电缆)分布电容谐振等的影响下，故障电流中的二次谐波分量增大，使得保护延时出口，造成保护装置实质上拒动。

b.波形对称识别。波形对称原理包括积分型、微分型两种，都是对电流信号进行数学分析来区分涌流，在现场常采用微分型识别原理。判据如下：

(1)

当满足上述判据(1)时，该采样点即为对称点，连续比较半个周期，若对称点超过一定比例，则认为波形对称，认为该涌流为故障电流，差动保护动作。波形对称原理不直接测量间断角等参数，对保护装置采样率也无过高要求，因此易于微机保护实现，得到普遍应用。

由于波形对称原理基于对波形的判别，故保护装置对波形情况很敏感，而无论是励磁涌流还是故障电流均包含大量谐波成分，因此单纯基于波形的判别在实际应用过程中容易受到诸多造成波形不对称因素的干扰。

2.1.2 制动模式选取

通常微机保护可采用3种制动模式：“或”门制动(一相制动多相)、分相制动或“3选2”原则。由于变压器空投时每相的励磁涌流具有随机性，因此采用何种制动模式值得探讨。

三相电力变压器由于剩磁的离散性，三相合闸角的不同以及Y-Δ变换的原因使得变压器产生涌流时，会有某一相的二次谐波含量较小，因此采用二次谐波制动原理时，对于采用传统相位校正及15%～17%二次谐波制动系数的差动保护，如果设计为分相制动保护可能误动，建议采用“或”门制动方式；而对于正常方式下极少有空投运行的变压器，则建议采用分相制动[3]。

采用波形对称原理设计保护，理论上能够避免“或”门制动在空投于内部故障时保护可能延时动作的问题，易于实现分相制动。但是在实际系统中，必须考虑故障情况的多样性和故障波形的复杂性，根据需要调整制动模式。

2.2 和应涌流对变压器差动保护的影响

和应涌流具有与单台变压器励磁涌流相似的涌流特征，但是其非周期分量衰减速度非常缓慢，容易引起电流互感器暂态饱和，从而形成差流，导致保护误动。此外，与励磁涌流不同，和应涌流二次谐波含量最大值并不随着涌流最大值而出现，而是伴随着涌流的衰减而增大，因此某些情况下采用二次谐波制动原理的差动保护有发生误动的可能。

3 减小暂态不平衡电流影响的措施

3.1 减小励磁涌流影响的措施

现行的二次谐波制动方案容易受到系统其它因素引起谐波的影响，建议采用“自适应”的制动方案，根据励磁涌流非周期分量衰减情况自动地调节二次谐波系数。该方法能在故障时自适应地降低故障相二次谐波含量，不闭锁差动保护；在励磁涌流时自适应地抬高二次谐波含量，可靠地闭锁差动保护，从而改善差动保护的灵敏度和可靠性。对于采用波形对称原理的差动保护，宜选取“3选2”制动模式，该文的实例分析印证了“3选2”逻辑能够有效提高保护装置的可靠性。

3.2 减小和应涌流影响的措施

可以遵循2种思路来削弱和应涌流对差动保护的影响：进行变压器合闸操作时，采用避免产生和应涌流的措施；在假定和应涌流不可避免的前提下，改进差动保护设计，尽量降低因和应涌流造成的误动概率。邻近变压器空载合闸前，将运行变压器的中性点设为不接地，并为之装设间隙保护，可以防止邻近变压器空投造成的绝缘破坏，也能防范邻近变压器空投产生和应涌流。

和应涌流容易造成电流互感器饱和，建议在变压器保护中增加非周期分量缓慢衰减引起电流互感器局部暂态饱和的判据。相关文献研究认为，和应涌流二次谐波含量较高，采用二次谐波制动原理理论上有效果，只是在和应涌流和电流互感器暂态饱和综合作用下可能发生误动，因此一方面根据现场情况可以适当提高差动保护启动值，将拐点提前；另一方面，寻求和应涌流识别的新方法，根据和应涌流的特点采取合适的判据，文献[10]通过判断差动电流基波幅值变化过程，利用和应涌流先逐渐增大再缓慢衰减的波形特征，在电流互感器暂态饱和之前对涌流加以识别，能够取得一定的制动效果。

4 实例分析

以某变电站220 kV变压器空充动作数据为例进行分析[11]，该变压器为Y/Y/d11接线，配有2套差动保护，其中保护I采用二次谐波制动原理，对应制动系数取0.15，制动模式为“或”门制动；保护II采用波形对称原理，波形对称系数为0.33，电流波形的对称角度为90°，采用分相制动模式(本相闭锁本相)。当变压器检修完毕后，在高压侧进行空载合闸操作时，保护II动作出口，保护I未动作。

经仔细检查，变压器并未发生内部故障，结合录波数据分析，确定保护II为空充误动。图1所示为变压器三相差动电流二次谐波含量。

图1 变压器三相差动电流二次谐波含量

由图1可知，W相电流波形间断角小，波形比较对称，其二次谐波分量为10%左右，低于保护I设置的制动系数0.15，但由于保护I采用“或”门制动，U、V两相差流二次谐波含量超过0.15，因此保护I可靠闭锁，没有发生误动。

采用上文判据(1)，计算得到的差动电流对称点百分比如图2所示。

图2 变压器各相差动电流对称点百分比

由图2可知，空投后W相的波形对称百分比约为50%，从第46 ms时刻开始，W相波形对称百分比超过门槛值50%(对应于保护II设置的对称角度90°)，由于保护II采用分相制动模式，直接导致保护II动作出口。

长期的运行实践表明，在空投变压器时，总有一相电流的涌流特征明显，波形不对称；考虑到变压器空载合闸多在高压侧Y接线侧进行，实际参与涌流判别的是计算相iu-iv，iv-iw和iw-iu，因此iu、iv和iw只要有一相励磁涌流特征明显，相电流做差后就会有两相具备较为明显的励磁涌流特性，图2中二次谐波含量情况也符合上述规律。当发生单相或相间故障时，其中一相或至少有两相具备故障电流特性，相电流做差后，会有两相具有故障电流特征。通过录波分析，并结合上述判断，将保护II采取的分相制动模式改为“3选2”逻辑，实践表明，调整制动模式后，保护II再无误动现象。

5 结束语

比较了励磁涌流在实际运行中广为应用的二次谐波制动和波形对称方法，指出其不足之处，从识别原理和制动模式两方面提出了切实可行的改进措施。探讨了和应涌流对变压器差动保护的影响，提出一方面可以采取措施避免变压器合闸操作引起和应涌流，另一方面要寻求新的识别方法，根据和应涌流的特点选取合适的判据，适当提前电流拐点，提高和应涌流识别能力，以改进差动保护装置的性能。

[1] 贺家李，宋从矩，李永丽，等.电力系统继电保护原理(增订版)[M].北京：中国电力出版社，2004.

[2] 沈晓凡，舒治淮，刘 宇，等.2008年国家电网公司继电保护装置运行情况[J].电网技术，2010，34(3)：173-177.

[3] 王立大，段周期.变压器励磁涌流引起保护误动分析[J].电力系统保护与控制，2010，38(10)：138-140，144.

[4] 刘小宝，俞 波，宋 艳，等.电力变压器励磁涌流的仿真研究[J].浙江电力，2010(4)：1-5.

[5] 毕大强，孙 叶，李德佳，等.和应涌流导致差动保护误动原因分析[J].电力系统自动化，2007，31(22)：36-40.

[6] 宋 涛.变压器差动保护的不平衡电流产生原因和应对措施[J].电器工业，2010(7)：48-51.

[7] 余高旺，毕大强，王志广，等.变压器和应涌流现象及实例分析[J].电力系统自动化，2005，29(6)：20-23.

[8] 田宏梁，王 博.浅谈变压器差动保护的励磁涌流制动原理[J].宁夏电力，2007(2)：19-20，23.

[9] 张方军.变压器励磁涌流与故障电流判别方法分析[J].广东电力，2006，19(6)：5-9.

[10] 邵德军，尹项根，张 哲，等.基于基波幅值增量的变压器和应涌流识别方法[J].中国电机工程学报，2010，30(10)：77-83.

[11] 裘愉涛，姚 斌，屠黎明，等.一起变压器差动保护误动事故的分析和对策[J].继电器，2008，36(8)：20-22.

本文责任编辑：王丽斌