大型变压器励磁涌流及其继电保护解决办法

张新美

【摘 要】 随着现代社会经济的迅猛发展，电力工业作为重要的能源供应也得到了极大的发展。为了满足社会主义现代化建设的需要，远距离、大容量的输电越来越重要。而更高要求的输电同时也对变压器的功能提出了更高的要求。掌握大型变压器励磁涌流的规律和特点，是保护变压器的必要条件，也是提高大型变压器继电保护功能的有效方法。因此，对励磁涌流的原理和继电保护的措施进行研究，是电力行业必须认真对待的任务。

【关键词】 大型变压器 励磁涌流 继电保护 差动保护

大型变压器相较于一般的变压器具有更大的功率，所承担的工作也更多。在经济日益发展的今天，大型变压器已然成为现代工业社会发展中必不可少的技术支持。不仅能够满足更高要求的输电作业，也能够有效的节约电力资源，提高输电的安全性和可靠性。励磁涌流和继电保护是大型变压器在工作过程中不可避免的两大问题。本文结合实际生产，对大型变压器的励磁涌流问题和继电保护办法进行了分析。

1 大型变压器的基本概况

变压器是广泛应用于现代电力行业的重要基础设备。由于经常涉及到电力这一危险而重要的能源，因此变压器的使用必须注意安全问题。大型变压器具有更高水平的输电功能，输电的安全直接关系到人民群众的生命财产安全，其安全性不容忽视。为此，大型变压器应该具备良好的质量，同时满足几个要求：（1）当输电线路发生短路故障时，高灵敏性的变压器能够及时从内部组抗接地故障，防止短路造成更大范围的影响。（2）当线路发生故障的时候，大型变压器最好是能够进行初步的自我诊断，停止故障路段的输电，但同时尽量不影响其他部分的正常工作。（3）能够在线路发生内部故障的时候迅速采取措施切断输电，而同时又不让外部故障阻碍线路内部的工作。这就要求变压器能够分别满足处理内部故障和外部故障时的不同需求[1]。变压器的实质是一个非线性的模型，内部结构十分复杂，影响其输电效率的因素也有很多。因此，如何保护变压器尽可能少的受到外界干扰，保持较高水平的输电质量，是大型变压器不得不解决的问题之一。

当前，随着电力运输的压力越来越大，大型变压器的负荷也在不断加大，变压器发生故障的频率也因此而不断增加。大型变压器作为电力系统中的重要组成部分，不仅造价昂贵，而且后期的维修工作也很困难。因此必须在平时的运行中加强电力线路的自我保护，减少发生故障的可能性。

2 大型变压器的励磁涌流问题

目前，变压器的差动保护是能够维持电力输送稳定和连续的重要保护力量。尤其是对于大型变压器的工作来说，往往承担着较重的输电任务。不仅外部环境上输电量大、距离较远、电压较高，而且客户对于输电的安全稳定性有很高的要求，因此其差动保护显得更为重要。然而当前大型变压器的差动保护效果并不理想。下面本文将简单介绍大型变压器励磁涌流的相关问题。

2.1 励磁涌流的产生及危害

励磁涌流的产生是源于铁芯的磁饱和。当合上断路器给变压器充电时，有时可以看到变压器电流表的指针摆得很大，然后很快返回到正常的空载电流值，这个冲击电流通常称之为励磁涌流。以下几种方面会导致涌流的产生：励磁涌流通过因影响电流的大小（一般是超过额定电流数倍甚至几十倍），或者是通过流入纵差保护的差动回路来对变压器造成损害。当变压器空载合闸时，变压器也会产生励磁涌流。而同时与之相邻的运行变压器可能发生饱和现象，从而产生和应涌流。

总的来说，励磁涌流对于电压器以及整个电路系统的正常运行有严重的干扰和破坏。因此需要进行差动保护。从其产生的危害来说，励磁涌流可能会引发变压器的继电保护装置误动，使变压器的投运频频失败；或者因为误动保护而使各侧符合过载；或因电动力过大而损伤变压器；电压在此影响下容易发生急剧变化，影响到输电的稳定和其他电器设备的工作；输电电能的质量也会因此而下降等等。

就励磁涌流的特点来说，理论上讲励磁涌流是可以通过科学的方法进行抑制甚至是消除的。但是在实际中，由于无法达到高要求的技术，因此只能想办法尽量减小励磁涌流的危害。如果能够计算清楚变压器断电时候的剩磁极性，就能够控制电源电压相位角，让偏磁与剩磁极性正好相反，以此抑制磁路饱和的状态。而饱和的磁路正是产生励磁涌流的必要条件[2]。

2.2 如何识别励磁涌流

由上文可以看出，大型变压器的运作中励磁涌流问题一直都是一个难点，也是一个重点。而如何有效的识别出励磁涌流则是解决问题的关键所在。根据励磁涌流的产生原理和基本特点，可以采用如下几种原理或方法来识别励磁涌流：

（1）二次谐波制动法。励磁涌流中含有大量的高次谐波分量，而其中二次谐波占有很大比例。而相比之下发生故障的变压器中则没有这么多的二次谐波。因此，可以使用二次谐波制动法来检测励磁涌流。这种方法主要是采用了对比的方式，操作起来比较简单，结果也比较明白易懂，因此得到了比较广泛的使用。但是这一方法也有一定的局限性，因为一些外界的因素很容易对谐波产生影响。具体来说，变压器低压侧串补电容、变电所电缆电容以及饱和产生的谐波等等都会影响对励磁涌流中谐波的判断。即使变压器发生了故障，仍有可能因为内部谐波的含量较高，而导致保护动作的延迟。这样一来，原来预想的保护效果就无法完全实现。（2）间断角识别法。其原理基础是励磁涌流波形会出现间断，通过对间断角的观测就可以鉴别励磁涌流。在大多数情况下都适用，还能补足上一种方法的缺陷，在二次谐波含量较小的时候准确鉴别励磁涌流。要充分发挥该方法的作用，就必须精确测量间断角。在实际应用中，微分环节作为恢复间断角的方式，却存在着制动量不足的问题。这样的话，则难以达到制动目的，也就是说不能及时快速的完成保护动作[3]。（3）采样值差动保护。差动保护中有一种比较独特形式是采样差值法。变压器的差动电流和制动电流的采样点可以构成保护，实际操作中对采样率的要求也并不高，因此也具有较强的实用性。常规相量差动保护也能实现保护的作用，但是相对之下不如采样值差保护的速度快，计算量也更为复杂，抗饱和能力也不强，因此采样值差动保护更具效率。（4）不对称性识别法。由于励磁涌流具有一定的波形特点，而这一特点是与非饱和波段的形态有着较大差异的，因此可以利用波形的原理来辨别励磁涌流的存在。操作方法为选取差动电流的部分波形，先进行初步的处理，然后计算出波形的不对称度。根据计算出来的结果来判断是励磁涌流还是故障电流。这种方法综合利用了励磁涌流的多项特点，检测的结果比较准确。但同时计算方法的选择、波形本身的变化性等因素又都会影响检测结果的准确性。（5）小波变换法。小波变换是现代信号处理技术的典型，具有分辨时频的功能。具体来说，它可以分辨出处于不同位置的信号及其特征，也能够准确的反应信号变化的方向和趋势，并且还能够进行精确的定位分析。将小波变换法用于励磁涌流的辨识，主要是通过以下步骤实现的：首先对输入的电流波形进行小波变换，存在相邻模极大值同号则说明为涌流，反之则需要再次进行小波变换。另外，小波变换也能用于测量间断角、提取突变量点等方式来鉴别励磁涌流。

3 大型变压器继电保护的办法

为了准确的判断流入保护装置的是故障电流还是励磁涌流，根据励磁涌流的特点，通常有以下方法：（1）采用具有速饱和铁芯的差动继电器，如BCH-2型，其具有良好的躲过变压器励磁涌流的特性。（2）通过鉴别故障电流和励磁涌流波形的区别，要求间断角为60度～65度。（3）利用二次谐波制动，制动比一般为15%～20%。四是利用波形对称原理的差动继电器。

当大型变压器发生故障的时候，需要通过继电保护来维持电力系统的正常运转或者是避免产生更加严重的不利影响。采用差动保护作为变压器故障时的主保护，通过比较变压器高压侧和低压侧之间的电流大小和相位，来判断有无故障电流，此保护不仅操作起来比较简单，而且反应十分灵敏，是电力系统中最主要的设备之一[4]。

除了差动保护，大型变压器的继电保护还需要注意其他几个方面：（1）需要对电压器进行过电流保护。根据电路发生短路时电流的大小以及自身的容量，过电流保护的具体方法有所不同。降压变压器适合采用一般的过电流保护，而升降变压器则需要复合电压启动的过电流保护。（2）需要进行负荷保护。即应该预防变压器因负荷过载而导致过电流的情况。具体操作是将电流继电器与单相线路进行一对一的接线，当变压器过负荷时，继电器能够延时跳闸或是对电流采取措施。这两种措施作为差动保护的补充，能够在差动保护失效时发挥重要作用，也能加强对大型变压器的保护效果。

参考文献：

[1]祖哲.变压器励磁涌流识别的经验模式分解方法[D].昆明理工大学，2013.

[2]郭志端，李迪.大型变压器投产励磁涌流特点分析[J].通讯世界，2016（09）：215-216.

[3]黄应龙.大型整流变压器继电保护配置探讨[J].中国有色冶金，2015（05）：40-43.

[4]张海岸.大型变压器构架下的继电保护配置与整定[J].自动化应用，2014（11）：83-84.