10 kV配电线路保护误动原因分析

付振强，周振宇，王 舒，孙 明

(国网鞍山供电公司,辽宁 鞍山 114001)

10 kV配电线路保护误动原因分析

付振强，周振宇，王 舒，孙 明

(国网鞍山供电公司,辽宁 鞍山 114001)

在对10 kV配电线路恢复送电过程中，经常发生由配电变压器励磁涌流引起的配电线路电流保护误动事故，结合励磁涌流的产生原理和特点，分析了10 kV配电线路存在的问题，提出防止励磁涌流引起线路保护误动的改进方案，为10 kV配电线路正常运行提供保障。

10 kV配电线路；励磁涌流；保护误动；定值

随着我国经济的快速发展，电力系统的建设规模不断扩大，对10 kV供电系统提出的要求越来越高、越来越严格，然而出现的各种故障也呈上升趋势，对社会经济发展和人们生活质量产生了一定的影响[1]。对于10 kV配电线路来说，在线路恢复送电合线路开关时，因励磁涌流引起的无时限电流保护误动作较普遍。

电力系统继电保护及自动装置主要是依据电力系统中电流、电压的变化作出相应动作，在设计前期，为尽可能提高逻辑运算结果的准确性，并没有过多地考虑涌流问题。但在电力系统运行过程中，发现励磁涌流对其稳定运行产生了很大的影响，特别是在10 kV线路开关合闸过程，出现多起线路保护误动作事故。如果不采取措施解决变压器励磁涌流问题，将导致继电保护装置误动作，直接影响继电保护装置运行的稳定性，进而影响电能的输送，甚至威胁整个电力系统的安全稳定运行。

1 励磁涌流产生原理及特点

变压器的励磁电流IL仅流经变压器的某一侧，因此，通过电流互感器反映到差动回路中不能被平衡，在外部故障时，由于电压降低，励磁电流减小，其影响较小。但当变压器空载投入或变压器外部故障切除后电压恢复时，由于变压器铁芯中的磁通不能突变，进而出现一个非周期分量磁通，使变压器铁芯饱和，产生数值很大的励磁电流，称为励磁涌流。此时急剧增大的励磁涌流将成为差流，幅值很大，不采取措施将造成差动保护误动。

1.1 励磁涌流产生原理

变压器作为电能、磁能的转换装置，当变压器二次绕组开路时，一次绕组需要通过相应的励磁电流来建立主磁通，因此，励磁涌流是变压器特有的电磁现象。励磁电流和磁场的关系可以由变压器铁芯的磁化曲线特性来决定。变压器在空载稳定运行状态下，由于建立了稳定的主磁通，不会使铁芯中的磁通密度达到饱和状态，励磁电流值很小，一般达到变压器额定电流的2%～10%。但是一旦因某些原因使磁通密度增大到饱和状态，励磁电流就会剧增，铁芯越达到饱和状态，磁场需要的励磁电流也就越大。

以单相变压器为例，说明其空投时励磁涌流产生的原理。

若考虑与电源回路电阻、变压器绕组电阻和漏电感有关的时间常数T的影响，则磁通Φ为

(1)

由式(1)可以看出，在空投时冲击变压器的瞬间，铁芯中的磁通由三部分组成：第一部分为磁通的强迫分量；第二部分为磁通的自由分量，随时间而衰减，第三部分为合闸前铁芯的剩磁通[2]。

如果在开关最不利的情况下合闸，即电压瞬时值为零时空投变压器，磁通会达到幅值，合闸角α=0°，在忽略变压器及合闸回路的电阻时，时间常数T为无穷大，磁通中的自由分量不衰减，假如剩磁Φs的方向与合闸之后Φmcosα=Φm的方向相同，则变压器铁芯的综合磁通如图1的曲线Φ。

图1 空载合闸时磁通变化波形

由图1可以看出，铁芯中的最大磁通可达2Φm+Φs，如果合闸角α=0°，变压器铁芯的剩磁通Φs=0.9Φm，铁芯中的最大磁通达2.9Φm，接近正常运行时稳态磁通幅值的3倍，使变压器铁芯严重饱和，励磁电流迅速增加，产生励磁涌流。此时励磁电流将达到正常空载运行时电流的50～80倍，根据一般变压器正常空载励磁电流为额定电流的10%进行计算，得出在最不利状况下合闸时，空载合闸励磁涌流瞬时值将达到额定电流的5～8倍，若再考虑合闸瞬间剩磁的影响，励磁电流将达到更高值。

由于回路电阻R的存在，合闸时励磁电流将随时间常数T逐渐衰减，最后恢复到正常的电流水平，如图2所示。一般小容量变压器衰减速度比较快，大约在几个周波后就将达到稳定状态，而大容量的变压器衰减速度相对比较慢，可以延续几秒甚至更长。

对于三相变压器而言，由于三相电压彼此相差120°，合闸时总有一相处于或接近于电压瞬时值为

图2 空载合闸时励磁电流变化曲线

零时空投单相变压器时产生的不利状态，因此，总有一相电压产生最大的励磁涌流。

1.2 励磁涌流特点

a.峰值大，当变压器空载投入时，可达到额定电流的5～8倍，而相对于容量较小的配电变压器，倍数则更大。

b.包含很大的非周期分量，使励磁涌流波形偏于时间轴一侧。

委托经办具体运行机制设计体现出：(1)政府确保市场有效的竞争和建立商保公司的准入机制和退出机制，鼓励更多的商保公司参与进入这个市场。(2)政府建立有效的信息管理披露制度。一方面商保公司账目公开；另一方面建立商保公司经办基本医保服务绩效评估指标体系和评估方法。(3)商保公司在合作中主要负责赔案审核和支付服务等，获取相应的经办费用。见图3

c.包含大量高次谐波分量，主要以二次谐波为主。

d.是衰减的，衰减时间与变压器绕组时间常数T及合闸回路有关，励磁涌流由峰值衰减到0.25～0.5倍额定电流，经历时间为0.5～0.75 s，随后衰减变慢。

e.与单台大容量变压器不同，10 kV配电线路的励磁涌流是线路上挂接的几十台小容量配电变压器所产生的励磁涌流的叠加[3]。

1.3 励磁涌流影响因素

当电压过零时刻投入变压器时，将产生最严重的磁饱和现象，此时变压器励磁涌流最大值可达变压器额定电流的5～8倍，其中包含大量的非周期分量和高次谐波分量，并以一定时间系数衰减[4-5]。研究得出，励磁涌流的大小和衰减时间跟变压器铁芯磁通大小、铁芯材料和性质、变压器设计的工作磁密，变压器结构和容量大小等有关。大容量变压器产生励磁涌流倍数小，但励磁涌流时间常数大，存在时间长，有时要经过数秒甚至几分钟才能衰减到正常值。小容量变压器空投时励磁涌流与其额定电流之比越大，即励磁涌流倍数越大。

2 10 kV线路保护存在的问题

在电网运行过程中，发生过多次10 kV配电线路在停电或跳闸后恢复送电时，过流保护动作跳闸，自动重合闸不成功，手动试送过流保护又动作跳闸，经过全线路检查未发现任何问题，找不到故障点[6]。研究发现，随着电网电力负荷的快速增长，10 kV线路挂接的小容量配电变压器数量剧增，合10 kV线路开关瞬间，各配电变压器产生的励磁涌流相互叠加，再加上电动机自启动电流等原因，造成线路保护动作跳闸而无法送电。

为躲过励磁涌流，整定计算时，在与主变后备保护定值匹配的前提下，可适当调大电流速断保护定值。研究表明，励磁涌流的大小将随时间增加而衰减，开始涌流很大，一段时间后涌流衰减为零，一般经过 7～10 个工频周波后，涌流即可衰减到可忽略的范围。当涌流衰减到零时，线路中的电流值接近线路的负荷电流，流过保护装置的电流为线路负荷电流。为防止励磁涌流引起保护误动作，可通过提高Ⅰ段电流速断保护装置定值、延长动作时间来躲励磁涌流，通常在Ⅰ段瞬时电流速断保护回路加入0.15～0.2 s延时。

该方法的最大优点是不用大范围改造保护装置，只做简单修改定值，可有效避免电流速断保护误动。但存在如下问题：Ⅰ段电流速断保护装置定值加大，影响灵敏度；延长动作时间，缩短保护范围，增加故障切除时间，在线路出口故障时将对变压器及10 kV线路设备产生巨大危害。

对10 kV配电线路检修作业结束后恢复送电时，保护跳闸及线路发生故障重合不良时，采取的措施是拉开10 kV线路分歧开关，线路送电后，分别送各分歧开关，通过合理分段和分配负荷，控制一次合闸送电容量，分级送电，使Ⅰ段瞬时电流速断保护躲过励磁涌流的冲击。但在实际操作过程中，拉分歧开关分别送电，需要大量作业人员相互配合，浪费人力且不安全。

3 改进方案

3.1 改进方案1

在10 kV线路保护增加二次谐波制动闭锁保护功能，可在不改变原有定值的基础上，区别故障电流和励磁涌流。励磁涌流含有大量的二次谐波，变压器的差动保护就是利用这个特性，设定二次谐波制动来防止励磁涌流引起保护误动作。若在10 kV线路保护中，增加二次谐波制动闭锁保护功能，当配电线路故障时，无二次谐波产生，不闭锁保护，但当配电线路中产生励磁涌流时，迅速闭锁线路保护功能，可避免由于变压器励磁涌流引起的保护误动作。

3.2 改进方案2

随着电网建设的不断扩大，10 kV配电系统所带负载不断增加，故障时短路电流也随之变大，当线路出口处发生短路时，短路电流很大，使变压器二次侧受到大电流冲击，因此，需要设置特殊段定值来闭锁重合闸。当线路出口故障时，短路电流可达到TA一次额定电流的几十倍，此时要闭锁重合闸，防止重合闸动作再次合于故障，使变压器受大电流冲击而烧损。

3.3 改进方案3

在变电站线路出口附近发生故障，断路器失灵时，要由变压器后备保护来切出故障，变压器后备保护整定时间为2.2 s。由于线路出口附近发生故障短路电流很大，故障切出时间长(2.2 s)，将导致变压器及一次设备烧毁等事故，因此，需在10 kV线路保护加装出口故障断路器失灵判别功能，并与变压器后备保护相结合构成线路出口故障失灵保护。线路出口故障断路器失灵的特点是出口跳闸后，短路电流大，且不消失，根据该特点，在线路保护中加装用于判断出口故障的特殊段定值和保护动作出口构成与的关系，当二者同时自动缩短变压器后备保护动作时间时,直接跳主变压器，可有效防止线路出口故障时，断路器失灵切出故障时间长所产生的危害。

4 结束语

10 kV供电系统是电力系统的重要组成部分，其能否安全稳定运行，关系到电能的正常输送及整个电力系统的稳定可靠。如何解决10 kV线路中出现的各种故障，减少事故的发生，确保电网安全运行，已成为继电保护专业人员工作的重中之重。

励磁涌流的产生对配电变压器安全运行的危害不大，但对10 kV配电线路电流保护影响却很大，若不采取相应的措施将频繁引起电流保护误动。根据10 kV配电系统的特点和实际运行需要，结合励磁涌流的产生原理和特点，提出防止励磁涌流引起线路保护误动的改进方案，为10 kV配电系统正常运行提供保障。

[1] 张天文.10 kV配电故障查找及处理分析[J].东北电力技术,2015,36(7)：17-20.

[2] 张智刚.国家电网公司继电保护培训教材[M].北京：中国电力出版社，2015.

[3] 凌小霁.10 kV低压配电系统励磁涌流问题分析及解决方案[J].大众科技，2014，16(7)：107-109.

[4] 王庆华.馈线继电保护误动作分析及防止对策[J].广西水利水电，2014，6(3)：54-55.

[5] 高文胜.某变电站励磁变差动保护误动原因[J].东北电力技术，2009，30(4)：24-27.

[6] 郑许林.配电变压器励磁涌流对线路保护定值整定的影响[J].科技传播，2010，12(10)：175.

[7] 刘士祥,薛 建,左宝峰,等.10 kV配网线路保护不正确动作探讨[J].技术交流与应用，2008，36(11)：79-82.

Cause Analysis on Protection Malfunction of 10 kV Distribution Line

FU Zhenqiang, ZHOU Zhenyu, WANG Shu, SUN Ming

(State Grid Anshan Power Supply Company，Anshan，Liaoning 114001，China)

In the process of restoring the power supply to 10 kV distribution circuit, the fault accident caused by inrush current of distribution transformer is often occurred. This paper combines the inrush current generation principle and characteristics, in-depth analysis of the problems existed in the 10 kV line.Three improvement programs to prevent malfunction of circuit protection caused by magnetizing inrush current are put forward which provide the guarantee for normal operation of 10 kV power supply system.

10 kV distribution line；magnetizing inrush current；protection malfunction；fixed value

TM773

A

1004-7913(2017)01-0039-04

2016-09-20)

付振强(1962)，高级技师，从事电力系统继电保护研究工作。