一起主变新投运时发生的差动保护误动分析

刘培杰

（广东电网有限责任公司河源供电局，广东 河源517000）

0 引言

变压器差动保护是通过计算变压器各侧电流之和，达到整定值后动作切除故障，反映的是变压器各侧CT至变压器范围的内部故障。一般来说，变压器空载运行时电流为0，但在变压器充电瞬间会产生高于额定电流6～8倍的励磁涌流，一般励磁涌流只在变压器的一侧产生，其余侧均无电流，各侧电流的不平衡产生差动电流。本文结合某变110kV变电站主变充电过程中发生的差动保护误动分析，探讨如何合理选取110kV主变差动保护二次谐波制动系数。

1 励磁涌流的产生及特点

在正常稳态下：变压器铁芯形成的磁通Φ滞后于电压u90°。假设系统电压为u＝Umsin（ωt＋α），铁芯中的稳态磁通为Φ（t），合闸前铁芯中剩磁为Φr，由u＝dΦ（t）／dt得：

假设短期内不考虑暂态磁通与剩磁的衰减，铁芯里的总磁通Φ应看成3个磁通相加而成：非周期分量磁通－Φmcos（ωt＋α）、暂态磁通Φmcosα、剩磁Φr。

如图1所示，假设在电压最大值时（α＝π／2）合闸，由式（1）可得Φ（t）＝－）＋Φ ＝Φsinωt＋Φ，即在合闸瞬间rmr就建立稳态磁通，在这种情况下，变压器不会产生励磁涌流。

假设在电压为0时（α＝0）合闸，此时铁芯中所建立的磁通为最大值Φm。由于磁路中的磁通不能突变，合闸瞬间仍要保持磁通为原状。因此，在铁芯中就出现一个非周期分量的磁通Φfz，其幅值大小与铁芯建立磁通相等、方向相反。由式（1）可得，Φ（t）＝－Φmcosωt＋Φm＋Φr，铁芯中磁通开始为Φr，半个周期后（ωt＝π时），2个磁通相加达最大值，即2Φm＋Φr。因此，在电压瞬时值为0时合闸情况最严重。

2 二次谐波制动原理

励磁涌流含有数值较大的高次谐波分量，为防止充电励磁涌流造成主变差动保护误动，比率差动保护一般采取三相差动电流中的二次谐波作为励磁涌流闭锁的判据。其动作方程如下：

式中，Id2为A、B、C三相差动电流中的二次谐波；Id为对应的三相差动电流；Kxb为二次谐波制动系数。

一般二次谐波系数整定范围为0.15～0.2，其取值应从变压器特性、保护防误动／防拒动等方面综合考虑。目前国内二次谐波闭锁判据主要有3种形式：（1）按相闭锁。当某相差动电流中的二次谐波占基波的百分比大于二次谐波制动系数时，则闭锁该相差动保护。（2）三相或门闭锁。当三相电流中任意一相差动电流的二次谐波占基波的百分比大于二次谐波制动系数时，则闭锁三相差动保护。（3）综合制动方式。即取各相中最大二次谐波电流与最大基波电流的比值，来闭锁各相差动保护。

3 110kV主变充电过程中差动保护误动分析

某110kV变电站#2主变为扩建工程，主变启动充电前，110kV分段1012开关、10kV分段512开关均断开，#2主变两侧开关在热备用状态，#2主变差动保护为南京电研NSA3171A，主变二次谐波采取的是按相闭锁，相关定值整定如表1所示。

表1 主变差动定值

主变前4次充电时均无异常情况，励磁涌流较小。当主变第5次充电时，差动保护动作，跳开两侧开关。

从录波图（图2、3）分析：#2主变充电后，各相差流中基波及二次谐波分量均增大。18ms后，B、C相二次谐波电流开始减小，B相减少更为明显。

图2 各相差流中的基波电流

由二次谐波比（图4）可以看出，25ms后，A、C相二次谐波分量均大于整定值15%，B相差动电流中二次谐波分量低于15%，并持续60ms，导致比率差动保护开放，此时差动电流达到动作值，主变保护跳闸。

图3 各相差流中的二次谐波电流

图4 三相电流二次谐波比

结合前几次空充实验，最小二次谐波比幅度在0.12～0.14之间，综合考虑后，在整定规程允许范围内，将二次谐波制动系数调整为0.12，再次启动主变，并进行5次冲击实验，差动保护没有再误动作。

4 防止励磁涌流造成差动保护误动的措施

（1）合理采用二次谐波制动模式。由于变压器二次谐波含量的大小与绕组的材质、硅钢片的工艺、合闸角、变压器剩磁等有关，如变压器绕组材质，铜芯变压器电阻值比铝芯小，基波分量较大，二次谐波占基波分量相对较小；如硅钢片工艺，空载磁密越低，二次谐波的含量越小。往往这类型变压器若采用按相闭锁，空投时就容易产生误动，选取三相或闭锁、最大比最大闭锁则可提高保护可靠性。（2）合理选取二次谐波制动系数。除考虑上面提到的因素外，应进行多次空充合闸实验，根据测试数据分析每次合闸各相的二次谐波含量，作为定值整定参考依据，并在整定规程允许范围内，以躲过或接近二次谐波含量最低相数值整定。（3）通过优化测控装置同期合闸功能等技术手段，控制变压器充电时合闸角在π／2（系统电压最大），使各相最大合闸磁通更为均匀，既能减小合闸时涌流，还能有效调整二次谐波制动系数。（4）改进二次谐波制动方案。如在现有制动方式的基础上，采用幅值相位判别综合的自适应方式，在二次谐波与基波表现为励磁涌流特性时，将二次谐波制动最初门槛值降低，再通过动态逐步提高，经历一段时间后，恢复原整定定值，可靠地闭锁差动。

5 结语

二次谐波制动原理广泛应用于主变差动保护中，对于按相闭锁式的二次谐波制动模式，由于空投时并不是每相电流中的二次谐波与基波的比值都很大，虽然增加了主变空投于故障时的灵敏性，但同时也降低了正常空投时保护的可靠性。因此，实际运行中，应根据变压器材质、硅钢片工艺等合理选择二次谐波制动模式及制动系数，必要时可以采取增加、优化二次谐波判据的方式降低励磁涌流造成差动保护误动的几率。

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