变压器空投时励磁涌流引起差动保护动作的分析

张建军

摘要：电力变压器空载投入电网或外部故障切除后电压恢复时，由于变压器铁芯磁通饱和及铁芯材料的非线性特征，会产生相当大的励磁涌流，变压器励磁涌流可达额定电流的2-8倍。励磁涌流对变压器本身不应造成危害，但在某些情况下能造成电压波动，如不采取相应措施，可能使变压器过电流或差动等继电保护误动作。近年来，电力系统的大容量变压器不断投产，对变压器保护的可靠性和快速性提出了更高的要求。本文就如何躲开变压器励磁涌流的影响，提高变压器可靠运行以及改善电力系统的供电质量提出了有效的应对措施。

关键词：电网；变压器；空投；励磁涌流

0引言

当变压器高低压侧都有电源时，为避免变压器充电时因励磁涌流产生较大的电压波动，一般采用离负载较远的高压侧充电，然后低压侧并列的操作方法。变压器充电时，由于一侧有很大的励磁电流，另一侧无电流，故而使变压器差动保护误动作。三相变压器充电时，每相电流电压瞬时值不同，故励磁电流亦不会相同。合闸瞬间电压为零或最小的相，涌流最大。

1励磁涌流特点

①偏向于时间轴一侧，即涌流中含有很大的直流分量；②波形是间断的，且间断角很大，一般大于120°，含有丰富的高次谐波成分，其中以二次谐波分量为主；③由于波形间断，使其在一个周期内正半波与负半波不对称：励磁涌流具有衰减特性，初始可以达到变压器额定电流的2～8倍，衰减得很快。一般经过0.5-1s后，其值通常不超过0.25～0.5倍的额定电流，对于大容量变压器，其全部衰减时间可能达到几十秒。

2励磁涌流抑制

目前对变压器励磁涌流的抑制方法主要有三种：第一是串联电阻，第二是在变压器低压侧并联电容器，第三是控制三相开关的合闸时间。其中第一、第二种需要附属设备，第三种由于现场条件的因素操作人员无法控制。

3励磁涌流识别

为了防止变压器差动保护误动作，必须对变压器励磁涌流与内部短路电流进行鉴别，目前运用的有二次谐波制动、高次谐波制动、间断角、波形对称原理等。而在实际系统运用中多为谐波制动和波形对称原理。由于开关合闸三相不同期，可能产生零序励磁涌流。又由于励磁电流的非线性，故三相的励磁电流之和不能为零，而产生零序涌流。此外由于电流互感器的非线性，也会在二次回路中，产后零序电流，故在必要时应校验有关零序保护是否会误动作。

4差动保护原理

①二次谐波原理差动保护：一种比较成熟的涌流闭锁原理，在传统保护及微机保护中都有广泛的应用。采用或门闭锁逻辑，任一相二次谐波含量大于15%即闭锁三相差动，所以空投时的可靠性较高。不足之处是当空投于故障时，由于涌流的影响保护可能会延迟动作。如当空投于引线金属性单相接地故障时，非故障相差流的二次谐波含量可能会较大，从而使保护延时出口。但是，也有很多原因影响二次谐波含量，如：剩磁的大小、等值阻抗、合闸初相角、铁芯材料、铁芯结构等。若二次谐波含量Ida2/Idal≥K（K为谐波制动系数，一般取0.15-2），闭锁差动保护。

②波形对称原理差动保护：故障时，差流基本上是工频正弦波，而励磁涌流时，有大量的谐波分量存在，波形发生畸变、间断、不对称。采用分相闭锁逻辑，本相涌流判据只闭锁本相差动。相对于或门闭锁方式，保护在空投于故障时能瞬时动作。因为考虑了差流中所有的偶次谐波含量，所以在绝大多数正常空投时，都可以有效地分相闭锁差动保护，并同时保证空投于故障时保护的快速性。

③正常空投时保护的可靠性与空投于故障时保护的快速性之间始终是矛盾的。采用或门闭锁逻辑，正常空投时保护比较可靠；采用分相闭锁逻辑，可保障空投于故障时保护的快速性。反过来讲：采用或门闭锁逻辑，空投于故障时保护可能会延迟动作：采用分相闭锁逻辑，正常空投时保护有可能会误动。目前来说这是比较难以取舍的问题，只是由于发生机率的原因，现场更多地体现为分相闭锁逻辑的装置空投误动的问题。

5励磁涌流引起差动保护动作的分析

湖北黄石220kV四棵变#1主变空投时，波形对称原理差动保护装置CST143动作，二次谐波原理差动保护装置CST141没有动作。现根据装置动作数据分析如下：

5.1高压侧电流波形：

5.3差动电流数据（北京四方根据棵#1主变空投录波数据上机分析）

具体数据见表1。

5.4数据分析

①差流基波：空投的三相差动电流幅值都大于动作门槛定值：

②二次谐波含量：A、B两相的二次谐波含量在10%左右，小于15%的闭锁门槛定值：C相的二次谐波含量40%左右，大于15%的闭锁门槛定值，因为二次谐波原理差动保护为或门闭锁、一相满足闭锁条件即闭锁三相差动，所以闭锁了差动保护。

③差流波形对称度：A、B两相的波形对称度刚好大于动作门槛定值，因为波形对称原理差动保护为分相闭锁、本相涌流判据只闭锁本相差动，所以A、B两相差动保护动作出口：C相的波形对称度小于动作门槛定值，所以闭锁C相差动保护。

6结论

由于CT二次侧的饱和及其他因素的作用，三相差流中仍可能会出现某一相或某两相很对称的波形，此时就很难与故障对称波形进行有效区分，就如本次故障的波形。当然，很多时候这种对称波形的产生，是由于变压器本体在制造时有毛刺，在空投时产生放电所致；经过放电，毛刺烧掉后，再空投变压器就没问题了，这时保护属于正确动作。

7应对措施

多年来人们对励磁涌流采取的对策是“躲”，但由于励磁涌流形态及特征的多样性，通过数学或物理方法对其特征识别的准确性难以提高，以致在这一领域里励磁涌流已成为历史性难题，并引发变压器的差动保护装置误动，使变压器的投运失败。针对此种情况，提出应对措施如下：

①变压器在空投时，引起差动保护误动的机率虽然很低，但也有发生，黄石电网25台220kV主变在空投时仅出现过两次差动保护误动，武汉、黄岗、宜昌供电公司也出现过一次差动保护误动的情况，再空投变压器时，全部成功。为了不影响变压器的正常投运，出现励磁涌流引起差动保护误动情况，通知专业人员到现场进行分析时间的过程影响，运行操作人员必须学会调取故障录波图，并进行波形分析，准确判断是励磁涌流还是故障电流。圖3、图4为典型的故障和励磁涌流波形图。

②如果空投失败，经确认变压器无任何检修工作和送电障碍物情况下，且检查一、二次设备均无故障，并判断是励磁涌流引起，向公司领导和调度部门汇报许可后，可试送一次，若试送失败，必须通知相关专业人员和部门负责人员到现场进行详细分析。

③运行操作部门，应将每次空投变压器时的励磁涌流录波图形和变压器故障时的故障录波图形按站、设备单元以电子文档形式集中、累计保存，以便日后出现变压器空投差动保护误动时进行对照分析。

④出现空投失败后，将录波数据立即发送至公司生产副总、总工程师、主管部门科室、专业人员以便帮助尽快分析结果，采取应对措施。严禁凭借运行经验，且在无任何判别和分析依据情况下进行第二次空投变压器。

⑤若可能，建议生产厂家对保护装置的录波功能进行版本升级，在录波数据中体现出本装置所采用的励磁涌流闭锁原理数据，如：谐波的含量和波形对称度数据等，便于现场人员能直观分析。endprint