基于励磁电感参数识别的快速变压器保护

武选安 黄海龙

摘要：变压器在电力系统中起着关键的作用，所以在其运行中要设置各种保护，纵差动保护就是众多保护中的一种。纵差动保护在对其进行保护时要躲过不平衡电流，才不致误判断，误动作。

关键词：变压器；差动保护；励磁涌流；短路电流；小波变换；速饱和变流器

中图分类号：F325 文献标识码：A 文章编号：2095-3178（2018）20-0497-01

当前，随着电网输电电压的不断提高，输电距离和输电容量的不断增大，大容量变压器的应用日益广泛，对变压器保护的可靠性和速动性提出了更高的要求。解决变压器差动保护问题的核心是如何正确识别变压器励磁涌流和内部故障电流。变压器在空载合闸时会产生很大的励磁涌流，如不加以识别会导致变压器差动保护误动作，造成不必要的停电事故和经济损失。

1 励磁涌流的产生和特点

1.1 励磁涌流的产生

变压器是根据电磁感应原理制成的一种设备，在电磁转换过程中需要建立一定的磁场。磁场建立的过程中在绕组上会产生一定的励磁电流。励磁电流和磁场的大小取决于变压器铁芯的磁化特性。铁芯越饱和，在铁芯上的磁场也越大，所需的励磁电流也越大。励磁涌流是在变压器空载合闸和切除外部故障电压恢复时在绕组中产生的暂态电流。

1.1.1 稳态时变压器励磁电流

在稳态工作在稳态工作情况下，交流回路中的磁通？椎滞后于外加电压900，建立了稳定的磁场，此时励磁电流很小，一般不超过额定电流的2%～10%。

1.1.2 在“u为最大值合闸时变压器的励磁电流”

如果在合闸瞬间电压正好达到最大值，则磁通的瞬间值恰好为零，即在铁芯里开始就建立了稳态磁通，和稳态时情况一样.在这种情况下，不会产生励磁涌流，但是对于三相变压器，其他两相电压值此时定不在最大值处，因此会产生不同程度的励磁涌流。

1.2 励磁涌流的特点

a.励磁涌流数值很大，可达额定电流的6～8倍并随着时间逐渐衰减，衰减常数与铁芯的饱和程度有关。饱和程度越深，电抗越小、衰减越快， 因此，在开始瞬间衰减很快，以后逐渐减慢。

b.励磁涌流中含有大量的高次谐波，并以二次谐波为主。

c.励磁涌流含有很大成分的非周期分量，往往使涌流偏于时间轴一侧。

d.励磁涌流的波形出现间断。

2 励磁涌流产生的影响

变压器的励磁涌流幅值可达变压器额定电流的6～10倍，且产生大量的高次谐波分量，所以励磁涌流的不良影响及危害主要表现为以下方面：

2.1 峰值较大且含有大量高次谐波造成很大的振动，危及相关部件的机械性能，而且会造成很大的噪声；

2.2 励磁涌流较大的时，可能引起上级继电保护装置的误动作，而瞬间分断大电流还可能导致系统过电压，损害电气设备，扩大危害范围；

2.3 变压器合闸的励磁涌流，包含大量高次谐波会反馈至电网，可能造成电网电压和频率的波动，严重污染电能质量。铁芯的振动主要是因铁芯反复励磁引起的，励磁涌流中含有的大量高次谐波，特别是是二次谐波，容易引起共振，加激铁芯的振动，空负载投入变压器时总会听到一声激响，这一现象正是励磁涌流引起铁芯激烈振动造成的。铁芯夹的越紧，振动异响越大，所以厂家设计的铁芯夹力不会很大，而励磁涌流造成激烈振动就容易危机铁芯机械性能，虽然不至于破坏变压器结构，但这种现象的长期积累，会导致变压器机构缺陷，为其他故障导致变压器破坏提供了条件。

继电保护装置差动保护整定值的设置不可能考虑极限的励磁涌流，因为变压器、高压开关柜或者电力电缆发生故障时的电流也在保护动作考虑范围之内，变压器空载投入产生的励磁涌流，若这时也存在故障电流，继电保护装置无法分辨，从而导致继电保护装置误动作。而且，新设备在启用初期，设备灵敏度较高，必然实现任何故障的出现均会很快分断断路器，所以整定值一般较小而且动作时间很短，针对大电流速断保护动作无延时为。最常见的情况就是，现场空投变压器时继电保护动作跳闸，再次重合闸继电保护不跳闸，甚至在出险反复几次跳闸后，不得不通过改变继电保护的整定值来避开励磁涌流，这种降低保护灵敏度的做法无疑使新投入使用的设备及系统承担更大的运行风险。若励磁涌流足够大，流过的上级或并机的变压器，足以使继电保护装置越级跳闸，扩大停电范围。

变压器空载投入运行瞬间产生的励磁涌流，必然经过上级或并列运行变压器，并存在很高的直流分量，容易使上级或并列运行变压器于空载投入的变压器直接连接侧的电流互感器铁芯饱，出现较大传变误差。流经运行变压器的直流分量衰减很大，流经其他侧电流互感器受到的影响也小，运行变压器的差动保护很容易产生较大差流而误动，造成继电保护装置动作，导致运行变压器退出运行，造成电网电压和频率的波动，甚至危及电力系统的稳定性。励磁涌流中含有的大量高次谐波更是对电力系统电能质量的一种污染。

3 防护励磁涌流的措施

励磁涌流在实际运行中产生诸多不利影响，必须采取一定的措施加以抑制，现实中常用的三相电力变压器，准对起励磁涌流的特点和机制，结合运行管理部门的实际情况，制定有效的抑制措施，以减少其影响，保证电力系统正常运行。在此主要讨论以下几种抑制方法。

3.1 厂家在制造变压器时，除了满足技术经济指标之外，应在变压器内部结构适当采取降低励磁涌流的措施。例如，适当降低铁芯磁通密度的工作点或加大铁芯面积，尽量使用剩磁较小的铁芯材料，设定铁芯夹紧力时充分考虑励磁涌流冲击，增加变压器绝缘强度等等。

3.2 在系统配置设计时考虑以下方面：配置特性较好且匹配的避雷器保护变压器的主绝缘，防止雷击过电压；选择技术先进，制造工艺优良断路器，防止断路器在断开励磁涌流时电弧重燃；配置有较好励磁涌流闭锁性能的变压器差動保护等；采用励磁特性较好的电流互感器。

3.3对于励磁涌流冲击导致上级开关误动作的情况，研究变压器励磁涌流的特性，计算得知的励磁涌流电流约为变压器额定电流的6～10倍，对上级变电站的继电保护装置，在综合考虑电网保护上下级保护协调性的基础上，尽量增大速断保护跳闸的动作电流整定值，假如条件允许的情况下，设置在单台变压器额定电流8倍或以上，以避开单台变压器投入时励磁涌流引起的继电保护误动作。

3.4 在合闸回路中串联合适的电阻来增大变压器绕组阻值，降低变压器空载投入时稳态磁通和励磁涌流的暂态持续时间。在变压器中增加滤波器，对变压器投入时产生的大量高次谐波进行抑制，减少谐波干扰，防止继电保护装置误动作，减少对电网质量的污染。

4 结论

在分析变压器励磁涌流产生原因及特点基础上，得出由于变压器励磁涌流幅值大导致保护误动，提出了控制三相断路器合闸时间削弱励磁涌流、二次谐波制动方式和间断角原理制动方式、波形对称原理和采用速饱和变流器的差动继电器等来防治励磁涌流的影响，使变压器空载合闸成功。

参考文献

[1]陈洁，高海霞.变压器励磁涌流对差动保护影响分析[J].内蒙古电力技术，2006，（24）：42.

[2]刘永松.变压器合闸时的励磁涌流[J].电气开关，2002，40（6）：34-35.

[3]姜军，王志超.变压器励磁涌流的危害及抑制方法[J].北华大学学报，2007，5（8）：470.