一起涌流引起的主变跳闸事故仿真分析及改进措施

李 斌

(武汉市排水泵站管理处，湖北 武汉 430000)

一起涌流引起的主变跳闸事故仿真分析及改进措施

李 斌

(武汉市排水泵站管理处，湖北 武汉 430000)

以某220 kV变电站2台主变投运时多次跳闸为例，分析研究了变压器励磁涌流和和应涌流对主变投运跳闸的影响。在此基础上，根据该变电站实际参数搭建了基于EMTP的仿真模型，验证了是由励磁涌流和和应涌流引起的过电流导致主变跳闸，并从保护定值整定、主变压器选型及投运方案等角度提出了减少由励磁涌流和和应涌流引起跳闸的措施，对工程实际有一定的指导意义。

励磁涌流；和应涌流；铁芯剩磁

0 引言

某220 kV内桥接线变电站投运时均零序电流保护动作导致2台主变跳闸，根据现场实际情况及运行经验初步分析，其可能是主变投运时产生的和应涌流与励磁涌流引起的过电流所导致。本文分析了影响和应涌流与励磁涌流的因素，并根据该变电站实际参数搭建了基于EMTP的仿真模型，对投运情况进行了仿真分析。仿真结果表明，主变空载投运时的和应涌流与励磁涌流确是引起保护误动作的原因，并从保护定值整定、主变压器选型及投运方案等方面提出了相应的改进措施。

1 变压器励磁涌流和和应涌流的产生机理及影响因素

1.1 励磁涌流产生机理及影响因素

电力变压器在空载投入电网或外部故障切除后电压恢复时，由于铁芯磁通的饱和及铁芯材料的非线性特征，会产生相当大的励磁电流，称为励磁涌流。励磁涌流的数值很大，有时可以达到额定电流的3～8倍。励磁涌流产生的根本原因是当变压器空载时，由于磁链不能突变，从而产生非周期磁链，使得变压器铁芯饱和。

空载合闸励磁涌流的大小和衰减速度主要受以下因素影响：

(1) 变压器铁芯的饱和特征及铁芯的额定工作磁密。对于大容量变压器，铁芯额定工作磁密与饱和磁密比较接近，现代变压器的饱和磁通倍数经常在1.2～1.3，甚至低于1.15，所以当电压过高或者频率减低时，容易发生过励磁。

(2) 变压器平均励磁电感、漏感和合闸前电源系统的内电感。若忽略漏感和系统电感的影响，励磁涌流主要受平均励磁电感影响。当其他条件相同时，空载电流小的变压器因平均励磁电感大而导致空载励磁电流衰减较慢。

(3) 回路中等效电阻(变压器铁耗、铜耗和以及合闸前电源系统的内电阻)。对于大容量变压器，由于采用高磁导率的低损耗冷轧硅钢片，电阻较小，时间常数大，励磁电流衰减较慢。

(4) 变压器送电前铁芯的剩磁。即使变压器在励磁电流的过零点熄弧断电，也会有剩磁。如果变压器送电时未控制选择断路器的合闸角，则剩磁对励磁电流的影响具有随机性。

(5) 合闸时送电电压的大小及合闸角度。如果送电断路器在合闸前，电源侧的电压过高，可能导致变压器铁芯的激磁增大[1]。

1.2 和应涌流产生机理及影响因素

变压器空载合闸产生的励磁涌流含有很大的直流分量和大量非周期分量，该直流分量流经并联的中性点接地变压器的励磁电抗，使变压器铁芯趋向饱和，从而产生相应的和应涌流。

相对于励磁涌流而言，和应涌流为反向的，即当变压器空载合闸而铁芯为正向饱和时，并联运行变压器的铁芯趋向反向饱和。变压器由初始的不饱和状态逐渐过渡到饱和状态，和应涌流将由小到大逐步增长，和应涌流的大小与励磁涌流的大小有关。

影响和应涌流的因素主要有：

(1) 系统电阻。系统电阻对和应涌流的产生和衰减都有影响。系统电阻和变压器电阻的比值越大，越容易产生和应涌流，且和应涌流出现得较早，幅值较大，衰减较慢。较大电压等级的小系统中系统电阻较大，所以容易产生和应涌流，而且衰减速度也较慢。

(2) 线路阻抗。与系统电阻的影响类似，线路阻抗较大时，更容易产生和应涌流。但是较大的线路阻抗会使线路有较大压降，这一因素将会降低和应涌流的影响。

(3) 剩磁。剩磁越大，合闸励磁涌流越大，和应涌流也越大，且到达最大值的速度也更快。

(4) 并联变压器的负载大小。负载越大，和应涌流越小，峰值出现得也越晚。即空载合闸时，和应涌流最大[2]。

2 主接线及投运时跳闸情况简介

2.1 变电站主接线

该220 kV变电站为内桥接线，母联220开关通过线路1对变电站送电。1#主变、2#主变高、中压侧中性点均接地；开关与变压器之间的电感、电容元件为除该变电站母线和变压器外的其他电气元件。

2.2 投运过程及跳闸情况

该220 kV变电站投运过程如下：合上开关1对线路1充电，正常后通过开关2合闸投运2#主变，2#主变充电正常后通过母联220开关投运1#主变(此时2#主变处于带电状态)。

相关设备保护投入情况：开关1投入全套线路保护，零序Ⅲ段时限改为0.25 s，重合闸不投；开关2投入全套线路保护，距离保护Ⅱ段和零序保护Ⅳ段时间调至最小，重合闸不投。变压器投入差动保护。

对2#主变充电时，保护跳闸情况：合开关2，开关2零序加速段动作。将开关2距离Ⅱ段、零序Ⅳ段时限修改为0.5 s，零序Ⅲ段时限更改为0.25 s，再次投运时成功。

对1#主变充电时，保护跳闸情况：合母联220开关，母联220、线路1开关跳闸。后将零序时限改为0.5 s，再次投运时成功。

3 基于EMTP的仿真分析

3.1 仿真模型

本文基于实际参数，采用EMTP搭建了仿真模型。架空线和电缆元件等效于送电线路1；U等效为送电变电站的母线电压，设为230 kV；Xs等效为系统内阻抗，短路容量为5 352 MVA。

本文所采用的变压器磁化饱和曲线是影响变压器空载合闸涌流的最核心因素。图1是该变电站主变铁芯材料的磁饱和曲线，其中，点1的磁通密度为1.66 T，点2的磁通密度为1.79 T。点2的磁感应强度是点1的1.08倍，点1的饱和裕度是点2的1.08倍。

图1 典型的铁芯磁化饱和曲线

3.2 投1#主变时的仿真及分析

1#主变充电投运时，2#主变也空载带电，满足构成和应涌流的基本条件。本文对1#主变投运时是否出现和应涌流进行了仿真。开关1、开关2合闸，母联220合闸，模拟投运1#主变的情况。仿真的电流值如表1所示。

表1 仿真电流值

仿真结果表明：1#主变空载合闸产生的励磁涌流在合闸后大于开关2的零序保护定值。这充分说明，主变空载合闸引起的励磁涌流和和应涌流会导致保护误动作。

4 结论及防范措施

主变空载合闸引起的励磁涌流和和应涌流会导致保护误动作的问题在新站投运中屡见不鲜。本文研究了影响励磁涌流和和应涌流的因素，通过仿真分析初步验证了主变空载合闸引起的励磁涌流和和应涌流会导致保护误动作。根据现场运行经验和仿真结果分析，建议采取如下措施防止此类情况的再次发生：

(1) 投运前的检修试验应合理安排。直流电阻测试完毕后，应当及时消除变压器铁芯剩磁，防止剩磁过大引起励磁涌流过大。

(2) 空载合闸前，将合闸变压器中性点不接地，使其合闸时只产生励磁涌流而不产生或减少和应涌流。需要注意的是，如果合闸变压器中性点不接地，应考虑变压器空载合闸时的过电压问题，采取措施防止冲击过电压损坏变压器铁芯或绝缘。

(3) 考虑到变压器停运时剩磁的存在及投运时合闸相角的随机性，主变相关的保护在必要时需加入2次谐波闭锁功能及间断角闭锁功能，防止激磁涌流引起的误动作。

(4) 安装配置涌流抑制器。该装置通过选择合闸相位角的方法抑制涌流的大小，并根据投运实际情况，合理整定保护定值和动作时限，躲过励磁涌流和和应涌流的影响。

[1]唐猛.变压器励磁涌流的特性与其识别方法的比较研究[J].机电信息，2010(36)

[2]杨琳霞.一种新型变压器励磁涌流识别方法的研究[J].电测与仪表，2010(9)

2014-07-25

李斌(1970—)，男，河北南宫人，工程师，从事泵站及高压电气设备安装、检修、改造工作。