串联变压器和应涌流引起差动保护动作的原因及对策

刘建戈

（江苏省金湖县供电公司，江苏 金湖 211600）

变压器在投运过程中产生励磁涌流会造成差动保护动作，科研工作者对励磁涌流进入了深入研究并采取有效措施，防止涌流引起差动保护误动。但现场运行中，多次出现空投变压器导致相邻运行变压器跳闸的现象，即和应涌流造成变压器差动保护误动作。本文通过某钢厂和应涌流造成串联变压器差动保护误动作的情况，从变压器的空载合闸励磁涌流引起相邻变压器的和应涌流分析串联变压器和应涌流的特点，和应涌流对电流互感器的影响，通过修改定值和提高电流互感器暂态性能等方法，有效防止了和应涌流对串联变压器差动保护的影响。

1 串联变压器差动保护动作情况

某钢厂变电站为 1台 35kV变压器下接 2台10kV变压器，如图1所示，其中35kV变压器容量为16MVA，10kV变压器分别为6.3MVA和10MVA。当35kV变压器运行时，在仅空投其中1台10kV变压器时，多次发生1#变压器差动保护动作跳开35kV变压器。对3台变压器进行试验和二次回路检查，均无异常。

图1 某钢厂变电站接线图

变压器差动保护跳闸为比率差动动作，差动电流为6.2A（二次值），装置型号为GST360。保护定值配置如表1。对保护装置GST进行校验，保护逻辑动作正确，且动作值及返回系数符合要求。

表1 变压器差动保护定值（二次值）

排除变压器、二次回路和保护装置的原因，差动保护动作应该与下一级变压器合闸的励磁涌流有关。因为变压器跳闸发生在下一级变压器空载合闸时，变压器空载合闸时会产生合闸励磁涌流，同时会使相邻的并联或串联的变压器产生和应涌流。

2 励磁涌流与和应涌流

2.1 励磁涌流

变压器在空载合闸时往往会产生含有大量非周期分量的非正弦电流，即为励磁涌流。当空载变压器稳态运行时，励磁电流很小，仅为额定电流的0.35%～10%。当变压器空载合闸时，由于其磁链不能突变,从而产生非周期磁链,铁心剩磁的影响以及合闸初相角的随机性会使铁心磁通趋于饱和，感抗下降，从而产生幅值很大的励磁涌流。特别是当变压器在电压过零点合闸时，由于铁心中磁通最大，铁心严重饱和，励磁涌流最大峰值可达到变压器额定电流的 6～8 倍[2]。

变压器空载合闸励磁涌流中含有的直流分量和高次谐波分量，随时间衰减，其衰减时间取决于回路电阻和电抗，一般大容量变压器约为 5～10s，小容量变压器约为0.2s左右。励磁涌流容易引起继电保护装置的误动作,造成电网电压和频率的波动等。通过继电保护工作者对保护装置识别励磁涌流识别方法的深入研究，目前变压器保护装置基本避免了对差动保护的影响。

2.2 和应涌流的产生

电网中相邻的并联或串联的变压器之间，在运行的变压器由于其他变压器的空载合闸可能产生涌流，称为励磁和应涌流。以图2所示的变压器联接示意，简要说明和应涌流的产生。

图2 变压器并联和串联接线示意图

以变压器并联情况来分析，在 T1合闸前，T2正常空载运行，T2的励磁电流很小，可近似认为为零。当T1空载合闸时，为维持合闸时刻磁链不能突变，变压器励磁电感降低即出现数值很大的偏向时间轴一侧的励磁涌流i1。同时，由于系统侧电阻的存在。励磁涌流的非周期分量在T2电源端电压出现非周期分量，产生反向偏磁使得T2铁心中的合成磁链偏向时间轴另外一侧[1]。在T1空载合闸的初期，T2还未来得及饱和，T2的励磁电流仍为很小的正常励磁电流。一段时间后，反向偏磁的不断叠加，使得T2反向饱和，即产生和应涌流i2。

变压器串联时与并联情况相同，T1与T2的合闸磁链由于系统侧电阻的存在而相互影响的。无论2台变压器串联还是并联结构，都在可能产生和应涌流。在电压等级低的小系统中，系统阻抗相对较大更容易发生和应涌流。

2.3 和应涌流的特点

串联或者并联变压器产生和应涌流的原因相同，因此和应涌流具有以下几个共同特点[3]。

1）和应涌流产生后，在几个周期内迅速达到最大值。

2）和应涌流的衰减比普通涌流要缓慢得多。3）合闸变压器和运行变压器的涌流交替出现，方向相反，且不会重叠。

4）和应涌流的波形特征与普通涌流接近。5）运行变压器和应涌流的间断角大于180°。6）两台变压器的和电流接近于奇对称波形，非周期分量接近于零，偶次谐波含量小。

串联变压器中，T2产生和应涌流时还流过 T1的合闸励磁涌流，还具有以下特点：

1）T2中的偏磁累积速度更漫，串联和应涌流出现并达到最大值的时间更晚，且所达到的最大值较小。

2）初始涌流将使 T2与 T1相联侧的电流互感器更容易首先饱和。T2和应涌流与初始涌流交替出现，将使差动电流趋于对称，其中的二次谐波含量将降低显著。

3 串联变压器和应涌流对差动保护的影响

变压器差动保护防止合闸励磁涌流误动作主要有二次谐波制动、间断角制动及波形对称三种方法，和应涌流的特点 4）、5）提到与合闸励磁涌流接近以及间断角大于 180°，因此采用间断角制动变压器差动保护不会产生误动作。

特点 6）中偶次谐波含量小，串联变压器的差动涌流二次谐波降低明显，当低于整定值时差动保护开放容量发生误动作。和应涌流的衰减比普通涌流要缓慢得多，将加剧电流互感器的饱和。对于变压器串联形式下，初始涌流将使运行变压器与空载合闸变压器相联侧的电流互感器更容易首先饱和[4-5]。和应涌流引起变压器差动保护误动，一般是空载合闸后几十个周期才动作的，和电流互感器受到非周期分量的作用后，需要经一定的时间才能饱和的特点相吻合。因此和应涌流中长时间不衰减的非周期分量，引起电流互感器局部暂态饱和也会导致变压器差动保护误动作。

4 串联变压器和应涌流的解决办法

从上述分析得出，串联变压器和应涌流的二次谐波含量小和衰减时间长容量导致电流互感器饱和，是引起差动保护误动作的主要原因。分析某钢厂变电站1#变差动保护录波图形，高低侧的涌流波形符合和应涌流特征，如图3所示。从误动作的录波图形可以看出，1#变两侧电流互感器饱和，而低压侧电流互感器饱和度更深，如图4所示。因此，从差动保护装置定值、装置逻辑和电流互感器入手解决和应涌流误动作问题。

1）调整差动保护定值

由于主要是比率差动动作，因此将比率动作值提高，首先将差动起动电流改为3A，比率系数改为0.65，但收效甚微，误动的概率仍然较高。考虑到区内故障能拒动区外故障不能误动，恢复原定值。其次，将二次谐波制运值，分别改为15%和10%。15%时误动概率约下降了 30%；而10%时误动概率约下降了80%。钢厂内的电炉会产生一定的偶次谐波，为区内故障不能拒动，二次谐波制运值取15%。

图3 1#变高低侧的涌流波形

2）完善保护装置电流互感器饱和判据

分析GST360型保护装置动作逻辑并咨询厂家，没有电流互感器饱和判据。而目前主流保护厂家为防止在变压器区外故障等状态下电流互感器饱和所引起的稳态比率差动保护误动作，在装置动作逻辑中增加了电流互感器饱和判据。利用二次电流中的二次和三次谐波含量来判别电流互感器是否饱和[6]，表达式如下：

式中，IL2为电流中的二次谐波，IL3为电流中的三次谐波，IL1为电流中的基波，IL2xb和IL3xb分别为二次谐波、三次谐波比例常数。当与某相差动电流有关的电流满足以上表达式即认为此相差流为电流互感器饱和引起，闭锁比率差动保护。

3）提高电流互感器抗饱和性能

1#变两侧电流互感器的差动绕组准确度为10P10，将其更换为准确度为5P20的电流互感器，提高其抗饱和性能。更换后，运行一年多未发生过因和应涌流而造成变压器跳闸情况。

5 结论

本文根据一例钢厂变压器差动保护误动作的情况，通过分析变压器空载合闸时的励磁涌流和对相邻变压器产生的和应涌流，描述了串联和应涌流的特点及对变压器差动保护的影响。和应涌流造成变压器差动保护误动作的原因，一方面是和应涌流二次谐波含量低使差动保护开放，另一方面是和应涌流造成电流互感器饱和致二次谐波下降。对于可能产生和应涌流的电气接线方式，应选择精确度比较高的电流互感器和具有电流互感器判据的保护装置，可避免和应涌流造成保护装置误动作。

[1] 孙向飞,束洪春,于继来.变压器并联与串联和应涌流对差动保护影响的比较研究[J].电力自动化设备,2009, 29(3): 36-41.

[2] 王维俭.电气主设备继电保护原理及应用[M].北京:中国电力出版社, 1998.

[3] 张雪松,何奔腾,张建松.变压器和应涌流的物理机理及其对差动保护的影响[J].电力系统自动化, 2005,29(6): 15-19.

[4] 袁宇波,李德佳,陆于平,许扬,李澄.变压器和应涌流的物理机理及其对差动保护的影响[J].电力系统自动化, 2005, 29(6): 9-14.

[5] 孙向飞,束洪春,于继来.电流互感器暂态饱和对和应涌流传变的影响[J].电力自动化设备, 2009, 29(1):83-88.

[6] 南瑞继保电气有限公司版. RCS—978变压器成套保护装置技术和使用说明书[M]. ZL_YJBH1102. 0509.