变压器励磁涌流对差动保护的影响及解决方法的探讨

安晓龙，王树达，陈亮，陈娟

(1.海洋石油工程股份有限公司设计公司，天津 300451;2.辽河油田公司金马油田开发公司，辽宁 盘锦 124010)

1 引言

随着海洋石油工程电力系统的发展，由多个子系统独立运行向并网运行转变，电力系统规模逐步扩大，对电力设备提出了更高的要求。变压器已成为电力系统的枢纽，其安全可靠运行是电力系统运行的关键。

差动保护作为变压器的主保护能否正确动作是变压器保护的关键问题。而差动保护能否正确动作主要受很多以下几个因素的影响:变压器的接线组别;变压器分接头调节导致的变比改变;差动保护CT接线方式;变压器励磁涌流。针对前三项，通过注意CT接线和在差动保护装置中的变比补偿和矢量补偿等方法，通常可以得到较好的解决;对于励磁涌流的影响，差动保护装置中虽然也有相应的闭锁，但实际应用中效果并不理想。

2 励磁涌流的产生机理及特点

励磁涌流是变压器在空载合闸投入电网或外部故障切除后电压恢复时，在变压器线圈内所引起的冲击电流。

下面以单相变压器为例分析励磁涌流的产生。在忽略变压器及合闸回路电阻的影响前提下，电源电压的波形为正弦波，则空载合闸瞬间变压器铁芯中的磁通与外加电压的关系为［1］:

其中，N为变压器空载合闸侧绕组的匝数;Φ为铁芯中的磁通;Um为电源电压幅值;ω为角速度，当频率为50Hz时，ω=314;ω为空载合闸时电源电压的合闸角。

由(1)式变形、积分可得式中，C为积分常数，由合闸时铁芯剩磁决定。当t=0时

式中，Φs为合闸前铁芯中的剩磁。

将(3)式代入(2)式，并考虑到合闸回路(主要为变压器绕组)的阻抗及损耗得

式(4)中，第一项为磁通的强迫分量，第二项为磁通的自由分量。根据式(4)，若不考虑自由分量的衰减并设合闸角α=0，剩磁Φs=0.9Φm，在合闸瞬间变压器铁芯中的综合磁通变化如图1所示。

图1 单相变压器空载合闸时铁芯磁通的变化波形

由图1可以看出铁芯中磁通峰值出现在合闸后经过半个周期，达到2.9Φm。

图2 单相变压器的空载合闸励磁涌流

图2中变压器磁化曲线可近似看作由直线0－P1，和P1－P2所组成的折线，P1点所对应的磁通Φb为饱和磁通［2］。

变压器正常运行时，铁芯未饱和，产生的励磁涌流很小。空载合闸或切除外部故障时，若变压器铁芯严重饱和，励磁电流将会急剧增加，从而形成励磁涌流。

励磁涌流通常有以下特点:

(1)励磁涌流的大小与合闸角、铁芯剩磁的大小和方向，以及铁芯的特征有关。

(2)励磁涌流的数值很大，最大可达额定电流的8～10倍。变压器容量越大，阻抗值越大，该倍数值越低;但绝对值还是容量大的变压器励磁电流更大一些，依然不容忽略。

(3)励磁涌流只出现在变压器空载合闸一侧［3］。

(4)励磁涌流含有大量的直流分量、基波分量和高次谐波含量(主要是二次和三次谐波)，因此励磁涌流的变化曲线为尖顶波［4］。因含有直流分量，其波形偏向时间轴的一侧，有很大的间断角。

(5)励磁电流会随时间衰减。衰减常数与铁芯饱和程度有关，饱和越深，电抗越小，衰减越快。因此开始衰减很快，以后逐渐减慢。

(6)一般情况下容量越大，变压器抗阻比X/R越大，衰减常数越大，衰减的越慢。对于小容量的变压器，约在几个周波即达到稳定;大型变压器，全部衰减持续时间可达几十秒［4］。

3 励磁涌流对差动保护的影响及解决方法

在变压器正常和外部故障时，变压器原副边侧流入和流出的一次电流之和等于零，差动保护继电器不动作。当变压器内部发生故障时，连接变压器各侧的电源都向变压器供给短路电流，各侧提供的短路电流之和，流入差动保护继电器，差动保护继电器动作，瞬时切除故障。由于变压器励磁涌流与内部短路时电流有一定相似性，对于差动回路而言都是不平衡电流，可能会引起差动保护误动作。

为了防止差动保护误动作，具体的措施有两大类:一类是抑制励磁涌流的产生;另一类是对差动保护进行优化，避免受励磁涌流的影响。

3.1 抑制励磁涌流的方法

抑制励磁涌流产生不但可以防止差动保护误动作，而且可以避免励磁涌流引起的绝缘变坏和对变压器自身结构和临近设备带来的冲击。具体主要有以下几种［5］:

(1)控制三相开关合闸时间(角度)法

控制三相的合闸时刻，使铁芯中的磁通在空载合闸时不发生突变，避免铁芯磁通饱和，从而有效的抑制励磁涌流。合闸时刻与铁芯中的剩磁有关，由于剩磁有着多种分布形式，相应的也有不同的合闸策略。

此种方法最佳情况时，励磁涌流的幅值可以削减98%。但在实际应用中，还会受到断路器机械合闸时间的偏差，断路器的前击，剩磁测量的误差，变压器铁芯和绕组配置的变化等多种因素的影响。

(2)内插电阻法

基于变压器空载合闸时三相励磁涌流不平衡的原理，在三相变压器的中性点处联接一个接地电阻，以承受这种不平衡电流，从而使得变压器的励磁涌流得以衰减。这个接地电阻还可以减弱施加在变压器铁芯上的电压，以阻止铁芯的饱和。

此法简单易行，额外的开销较少，但此法在变压器三相同时合闸时作用不大，且对励磁涌流的幅值只能削减约40%，且在接地电阻和延迟时间的选择上还需做进一步研究。

(3)改变变压器绕组的分布法

通过改变变压器原边或副边线圈绕组的分布，以增加暂态或涌流时的等效电感，来抑制励磁涌流。此法从本质着手，从一个崭新的角度思考，对变压器工艺的改造有着借鉴之处。但由于应用此法时需改变变压器的结构，同时会带来其他的问题，使其发展有一定的局限性。

3.2 差动保护的优化方法

对差动保护进行优化，将励磁涌流与内部故障电流区分开来，在出现励磁涌流时将差动保护闭锁，保护不动作，从而达到防止差动保护误动作的目的。具体的方法主要有［6］:

(1)二次谐波制动法

此法的原理是利用差动电流中的二次谐波与基波模值比(二次谐波制动比)来判断是否存在励磁涌流。目前此法已在国内外实际保护装置中广泛应用。

励磁涌流中的二次谐波含量主要与合闸角、铁芯中的剩磁、铁芯结构材料及系统阻抗等相关，随着现代变压器制造技术及应用材料的发展，变压器励磁特性发生变化，使得涌流时二次谐波含量降低，从而易引起差动保护误动作［7］。

(2)间断角识别法

间断角识别法利用励磁涌流波形有较大间断角的特征，通过检测差流间断角的大小实现鉴别涌流的目的。此法在实际保护装置中已得到应用，但面临着因电流互感器传变引起的间断角变形问题。当电流互感器饱和时，在涌流间断角区域将产生反向电流，饱和越严重则反向电流越大，最终使得涌流间断角消失;对于内部故障电流而言，电流互感器饱和将导致差流间断角增大，饱和越严重则差流间断角越大。前者将使得变压器发生涌流时差动保护误动，后者将使得变压器内部故障时差动保护拒动。

(3)波形对称法

波形对称法是利用差电流导数的前半波与后半波进行对称比较，根据比较的结果去判断是否发生了励磁涌流，对称的定义由下式给出:

式中，I'i为差电流导数前半波第i点的数值;I'i+180为后斑驳对应第i点的数值;K为比较阀值。

当第i点的数值满足(6)式时称为对称，否则称为不对称。连续比较半个周期，对于内部故障，(6)式恒成立;对于励磁涌流，至少有1/4周期以上的点不满足。

此法是间断角法的推广，且比间断角法容易实现。但涌流波形具有不确定性、多样性，如果K值取得太大，保护可能误动。而且故障电流也并非总是正弦波，当系统中有分布电容较大的电缆线路存在时，故障波形中含有大量谐波，此时若K取值太小，保护就可能拒动。电流互感器的饱和也必将引起差电流变形。

另外还有很多新的判别方法，如利用尖顶波特征法、磁通特性识别法、励磁阻抗变化法、差有功法、智能理论识别法等等。

4 结论

在文昌油田中，应用了控制合闸时间(角度)法来抑制励磁涌流，但受断路器合闸精度的限制，效果并不理想。

目前海洋石油工程电力系统中，主要是应用二次谐波制动法来抑制励磁涌流的影响。通常二次谐波制动比取15%～20%。此外有些厂家的保护装置，在采用二次谐波制动法的同时，还采用五次谐波制动法，其原理与二次谐波制动法相同，五次谐波制动比通常取30% ～50%。

已应用于实际的一些解决方法随着电力系统的发展面临着新的考验，需要不断改进。国内外学者专家通过研究和试验，提出了许多不同的新方法，其中大多数进行的动模实验和仿真证明具有比较高的灵敏度和可靠性，但离保护的具体实现还有一段距离。从现在的发展趋势看，多种方法的结合将会越来越多的投入应用，在解决励磁涌流对差动保护影响方面起到更大的作用。

［1］葛来龙，倪维东，朱桂权.空投变压器的励磁涌流分析及相关应用［J］.装备制造技术，2009，10:160 －163.

［2］岳志刚，杨国旺，曲艳华.励磁涌流对差动保护的影响及其对策［J］.高压电器，2005，41(1):48 －50.

［3］李洪海.变压器励磁涌流对差动保护的影响分析［J］.建筑电气，2000，3:20 －22.

［4］回志澎，刘敏.舰船大容量变压器励磁涌流的故障识别［J］.船电技术，2008，6:333 －336.

［5］陈艳，陈小川，高仕斌.几种削减变压器励磁涌流的方法［J］.高压电器，2005，41(4):282 －285.

［6］徐策，马静.变压器励磁涌流识别技术及其发展方向［J］.电气传动，2007，26(1):89 －92.

［7］周琳.变压器空载投入躲励磁涌流问题的探讨［J］.供用电，2007，24(4):37－39.