浅谈变压器差动保护励磁涌流闭锁元件

龚剑超，姚向波

(华东桐柏抽水蓄能发电有限责任公司，浙江台州317200)

0 简介

变压器差动保护是变压器内部故障的主保护，与一般差动保护有所不同。变压器差动保护保护范围不仅包含了电路，也包含了磁路，这就违反了差动保护的理论基础——基尔霍夫定律。变压器在全电压充电时在其绕组中会产生暂态电流——励磁涌流，励磁涌流直接形成差电流，可能造成差动保护误动。为防止变压器差动保护在充电时受励磁涌流影响而误动，变压器差动保护必须采用一些方式来判别励磁涌流并闭锁保护。

1 励磁涌流防误动措施

我国目前广泛应用的防涌流误动的措施有4种。

(1)利用非周期分量速饱和作用，使励磁涌流很少进入差动保护执行继电器(电流元件)。此方案普遍应用于电磁式变压器差动保护中。

(2)利用励磁涌流中含有较大的偶次谐波。国内外广泛采用二次谐波制动原理。此方案是当前微机保护中最常用的。

(3)利用励磁涌流一次波形的间断角特征。但励磁涌流经电流互感器传变后，间断角可能消失，此方案在微机保护中较少采用。

(4)利用励磁涌流前后半波波形的不对称，提出波形对称原理。此方案已逐步在微机保护中推广。

2 二次谐波制动原理

由于二次谐波分量的大小随机性很大，不同合闸条件下的二次谐波成分可以减小到10%以下。不同制造公司、不同差动保护装置，二次谐波制动比的定值非常分散，低的有7%，高的也有15%～20%，目前主要由制造厂提出二次谐波定值，然后由变压器在现场多次空载合闸试验，根据试验结果来校正定值。具体闭锁比率差动的条件则有不同原理，不同的实现方式，具体如下:

(1)相制动原理

以RCS978为例，RCS978系列变压器成套保护装置采用三相差动电流中二次谐波、三次谐波的含量来识别励磁涌流，判别方程如下:

其中I2nd、I3nd分别为每相差动电流中的二次谐波和三次谐波，I1st为对应相的差流基波，K2xb、K3xb分别为二次谐波和三次谐波制动系数整定值。推荐K2xb整定为0.1～0.2，K3xb整定为0.1～0.2。

当三相中某一相被判别为励磁涌流，只闭锁该相比率差动元件。

由于变压器空载合闸试验次数有限，不一定能测得谐波含量最低值，此方案有可能因合闸情况不同，出现某一相励磁涌流谐波含量较小而未能闭锁该相比率差动元件，导致保护误动。

(2)交叉制动原理或三取二制动原理

以ELIN的DRS主变保护为例，DRS主变保护保护装置采用三相差动电流中二次谐波的含量来识别励磁涌流，判别方程如下:

其中I2nd为每相差动电流中的二次谐波，I1st为对应相的差流基波，K2xb为二次谐波制动系数整定值。推荐K2xb整定为0.15～0.25，以实际变压器空载合闸试验数据为基础，保留一定裕度，例如实测多次变压器空载合闸试验最低二次谐波含量为24%，则建议整定为20%。

制动方式分为两种，一种为相制动，方式同上。另一种为交叉制动，即当A相谐波含量超过整定值时，闭锁B、C相比率差动元件，当B相谐波含量超过整定值时，闭锁C、A相比率差动元件，即当C相谐波含量超过整定值时，闭锁A、B相比率差动元件。

GE的T60变压器保护也有相似的谐波闭锁逻辑，三取二制动(“2-out-of-3”)，即分别判断三相谐波，当任意两相满足闭锁条件，则闭锁比率差动元件。

此方案在变压器出现两相故障时，可以因两故障相谐波含量较低而开放第三相，从而使保护在一定程度上避免因变压器空载合于故障时拒动。

(3)三相制动原理

以GE的T60变压器保护为例，励磁涌流判别方程同上。制动方式为计算三相谐波含量的平均值，当平均值高于整定值时，闭锁三相比率差动元件。

此方案可以消除谐波在三相上的不平衡分布对涌流判据的影响，减少因某一相谐波含量较小而引起的保护误动，但也可能在变压器故障时拒动。

(4)附加相位制动原理(自适应二次谐波制动)

以GE的T60变压器保护为例，励磁涌流判别方程同上。GE首先提出了利用涌流中二次谐波幅值与相位的特征自适应二次谐波制动方案。其原理为根据二次谐波及基波矢量求得二次谐波复数比，求取该复数比时，考虑到二次谐波矢量是基波矢量旋转速度的2倍，因此将基波信号的相位乘以2倍频后与二次谐波进行比相，公式如下:

式中，I1、I2、φ1、φ2分别为基波与二次谐波的幅值与相位。由上式可以看出，励磁涌流波形有如下特征:当基波转化为两倍频时，二次谐波与基波的复数比保持在0°相位差，由基波频率来看，相当于在0°和180°角上，而非涌流波形则无此相位关系。但是对于三相转角变压器且CT接于△环外时，受环流助增电流的影响，使得的基波与二次谐波的相位差不满足以上特点，因而无法正确判别涌流。

此方案设计适合目前一些采用三相分体设计的大型500kV变压器，并且要求变压器差动保护采用套管CT电流的绕组差动保护原理。在此情况下可以采用附加相位判据提高涌流的识别能力。

以上4种二次谐波制动原理中，相制动原理为防止误动，整定值需要取值较低，实际运行中有时会有某相未能闭锁住的情况，从而导致差动保护误动；而交叉制动、三取二制动原理则在一定程度上避免了这种情况；附加相位制动虽然涌流判别上有优势，但由于原理的原因，只能适用于部分差动保护。从实际应用来看，多种谐波制动原理并存，供用户选择，比较有利于设备安全运行，从这点来说，GE的保护装置做得比较贴近用户。

3 波形对称原理

波形对称原理利用故障时，差流基本上是工频正弦波，而励磁涌流时，有大量的谐波分量存在，波形发生畸变，间断，不对称的特点，用算法识别出这种畸变，用以判别励磁涌流。

以南瑞RCS978保护为例，其波形对称原理为故障时，有如下表达式成立

其中S是差动电流的全周积分值，Kb是某一固定常数，S+是“差动电流的瞬时值+差动电流半周前的瞬时值”的全周积分值，St是门槛定值。Id是差电流的全周积分值，α是某一比例常数。

当三相中的某一相不满足以上方程，被判别为励磁涌流，只闭锁该相比率差动元件。

波形对称原理相比于其它原理的励磁涌流判别，具有原理上的明显优势，对于具有强大计算能力的微机保护来说实现和调整也比较方便，只要在运行中积累数据，形成相应门槛值取值经验依据，很可能成为励磁涌流判别的主要手段。

4 其它励磁涌流判别的研究

目前，利用电源侧电压和电流微分的比值来判别变压器是否含有励磁涌流的保护原理也比较容易实现，且计算量小，判据清楚，动作快速准确，具有很高的实用价值。还有基于变压器主磁通对差电流变化率的励磁涌流判别方法也具有一定价值。

5 结语

变压器差动保护在目前无法规避变压器励磁回路电流实现变压器主保护的现状下仍是一种很好的变压器主保护，但由于原理上的缺点，变压器励磁涌流的存在，使得变压器差动保护受到很大局限，良好的励磁涌流判别能大大提高变压器差动保护的可靠性和安全性，采用二次谐波制动能较好地判别励磁涌流，而波形对称原理判别则可能取代二次谐波制动成为最好的涌流判据。