改进的变压器涌流制动原理在保障故障响应特性下提高安全性

邢晓娟

摘 要：本文论述一种新的变压器涌流制动保护原理。新的原理不仅考虑了差动电流二次谐波和基波分量的比值，而且还考虑了两者的相位。这种原理更能精确区分励磁涌流和内部故障引起的差动电流。通过数学分析结果以及变压器数字模拟试验的波形分析，证明这种原理是正确的。

关键词：变压器 磁通原理 功率

一、引言

由于变压器复杂的运行工况，保护变压器不是一件容易的事，可以说，在电力系统中，保护变压器对继电保护是一种挑战。数字式继电器具有精确处理信号的能力，从而继电器设计人员能够采用传统的保护原理，并且增强了电力变压器保护的特性，加快保护速度，提高安全性和可靠性。本文论述变压器差动继电器在励磁涌流过程中的制动问题。

二、励磁涌流的简要分析

变压器励磁涌流是由激磁电压任何突然变化引起的结果。虽然一般称之为对变压器充电引起的结果，但是励磁涌流也可能由下列原因引起：（a）发生外部短路（b）切除外部故障后的电压恢复（c）故障特性的变化，如相对地故障包含相-相-地（d）发电机非同期并列。因为铁心励磁支路在变压器等值电路看成是并联元件，所以励磁电流造成变压器各端的电流不平衡，而且励磁电流被差动继电器误认为是一种差动电流。但是继电器必须在励磁涌流过程中保持平衡，不误动。

三、涌流制动原理 —— 概述

为防止涌流误跳，保护采用不同的延时方法。不论是采用充电时在一定的时间内闭锁保护或者采用其他的延时方法，采用延时的方法，在变压器充电时对保护进行制动的方法，特别对现代变压器，是不可取的。现在新的涌流的制动方法采用识别差动涌流波形，非直接的（谐波分析）或直接的（波形分析）方法。

1.谐波制动。这是一种传统方法，在励磁涌流情况下，为防止误跳对保护进行制动。励磁涌流表现为差动信号，并带有确定的较高的谐波分量。一般来说，较低次的谐波分量会使继电器动作，而较高次谐波分量表明涌流和对继电器进行制动。不论构成复合谐波和差动信号的方法如何，谐波制动方法受到一定的限制。即使谐波不出现在差动信号，在时间近似等于检测器数据窗的长度，一般谐波制动不会跳闸，但存在拒动的可能性，在变压器充电瞬间，同时存在低微的匝间短路，由于二次谐波制动，差动保护拒动。另外，在现代变压器的励磁电流高次谐波的含量可能低于10%的水平，二次谐波低到7%。在这种情况下，整定值必须调整为小于7%。然而，这样会引起保护延时动作，甚至不动作，这是由于内部短路的差动电流的谐波和伴随CT饱和引起，交叉制动或时间控制门槛方法也只能部分解决这个问题。

2.波形制动。这种涌流制动方法有两种：较普遍方法 – 注重涌流波形低值和平坦值的期间（dwell-time – 准则1）;原理注重涌流波形的峰值和衰减速率（准则2）

2.1 准则 1。励磁电流的假使可能不规则，如在每个周波，不小于1/4周波期间内的波形是平坦和接近零时，没有出现差动电流。这种保护原理已经在静态继电器所采用。不论实施的情况如何，波形直接制动方法的形状显示了它的缺点 ：（a）内部故障对励磁电流的识别需要1个周波的时间。（b）在涌流过程中CT会饱和， （很可能由于电流的直流分量的原因）， 在某些期间内改变了波形的形状，可能会引起误跳闸。（c）在严重内部故障时，当CT饱和，二次侧电流可能会很低而且较平坦，保护拒动。

2.2准则 2。励磁电流的假设可能不对，如果差动电流峰值在1个半周波转移，并且两个连续的峰值的极性不相同。这种方法对峰值的检测需要非常精确。必须核对两个连续峰值之间的时间在误差允许范围内并考虑到频率偏差。理论上，为了区别内部短路和涌流工况，这种方法需要3个1/4 周波的时间。在第一个1/4 周波之后才出现短路电流的峰值。在第二个峰值出现时，这种准则就不符合涌流的假设，保护就动作。这种方法的优点：能承受TA在涌流和短路时的严重饱和。缺点：需要相间交叉极化的算法。不是始终所有三相的涌流波形都是单侧，同时，当变压器较平稳充电时（会偶然发生，由于合闸角度和磁通的关系较合适），此准则会失效。此准则可以用于修正瞬时差动过电流元件。

3.其他方法。

3.1模拟方法。此方法解决无故障变压器的在线数学模型。对模拟的某些参数进行计算或根据所有剩余信号对变量的某部分进行计算，随后与测量值进行比较。在第一种情况，对计算的参数从其他扰动量区分出内部故障，在第二种情况，用计算值和测量值的差值进行分类。这种方法要求对各侧的电压和电流进行测量。

3.2功率差动方法。这种方法采用功率差动原理，区分内部故障和其他工况，不是差动电流，而是对差动功率进行计算和测量。变压器各侧的瞬时功率的差值作为动作信号。这种方法需要测量各侧电压，还要考虑变压器接线组别和变比补偿。通过对变压器损耗的补偿，此方法的可靠性还可以提高。

3.3磁通涌流制动。此方法是根据在线计算磁通原理，从涌流和过激磁概况中区分内部故障，采用铁心磁通现象的识别方法，其优点是考虑到铁心饱和作为不平衡电流源。

四、新的算法语言

本文介绍的算法语言涉及到在涌流工况的二次谐波暂时下降到低于15-20%的问题。这种情况发生的原因是由于很高的励磁电流迫使角度a大于900 。依次，产生二次谐波含量降到20%以下。这种现象励磁电流和二次谐波比值发生的时间范围，用满周波傅立叶算法，64点/周波采样。在这个例子中，在5个周波时间范围内二次谐波暂时下降到低于20%。依次，保护会引起跳闸或迫使用户把整定值降低到5%以下，影响保护的速度和灵敏度。随时间推移，电流上升到典型的涌流波形，二次谐波比值上升到20%安全值。

2.评价。

2.1评价分析，为了评价 l21 的识别能力采用简化涌流模型。二次谐波和基波的比值和相角差进行分析推导。结论 ： 假定角度非常接近+90或0 度。对波形模型进行重复计算，包括在大范围内衰减直流分量及其时间常数。另外，经分析证明，二次谐波和基波的相角差接近于900 ，不论比值降到低于20%。即使二次谐波比值跌到几乎等于零，轨迹还是沿着0度线延伸。值得注意的是 l21 的复数平面，传统的二次谐波的动作区是一个圆，直径为0.15-0.20。这种情况下，结果是传统的继电器会误动。

2.2评价的统计数据。经过各种波形的模拟实验和按比例具体变压器的记录数据来看，考虑到下列因数保证了它的分散性，这种方法的识别能力比传统的二次谐波制动方法强。新的方法的制动量覆盖了该区域。远离圆点的数值是由于暂态和分布很不均匀引起。因此，内部短路和涌流的图案之间的覆盖程度不明显。这样保证了新方法的正确动作。

3.动作/制动区。根据动态制动的结果，获得一个合成二次谐波比值与时间有关的动作特性。不闭锁保护所需的时间是l21 的函数。如果后者不及时变化的话，固定的 t-21 关系可以推导出来，获得的曲线有如下的特点 ：如果 l21 角度接近于 00 或 1800， 不论二次谐波的数值如何，涌流制动瞬速被移去。如果 l21 角度接近于 90，移去涌流制动的时间取决于二次谐波量的大小 ：一是二次谐波比值低时，移去二次谐波的时间非常短。 二是二次谐波比值接近 20% 时，移去二次谐波的时间为5-6 周波;在涌流二次谐波低于20%工况下，这个时间足于防止保护误动。

4.实施试验。所述的方法已经在ISC9000序列 L80 继电器实施。它是一种模块化，扩展化和可升级的继电器。论述的新的算法已经通过数字式实时模拟器测试，模拟试验和现场记錄证明，新的方法的特性非常优越。

五、结语

本文发表一种新的变压器保护涌流制动方法，原理是在传统的二次谐波制动原理的扩展，替代传统的二次谐波和基波分量的比值的测量方法。新的原理不仅考虑了差动电流二次谐波和基波分量的比值，而且考虑了两者的相位。动作区做成动态形式，从而大大提高保护在内部短路的特性。新方法已经应用在ISC9000序列 L80 继电器平台上。试验结果表明，这种方法不仅增强了继电器在励磁涌流工况下的稳定性，同时，保持了内部故障的性能。