励磁涌流导致330 kV变压器差动保护误动分析

李 舟，何安阳，王 辉，师 琛，谈 震，王 琨，袁嘉玮，焦在滨

(1.国网陕西省电力公司西安供电公司，陕西 西安 710032；2.西安交通大学电气工程学院，陕西 西安 710049)

0 引言

变压器是电力系统中的重要元件，是电能转换及传输的关键节点，要求具有灵敏可靠的保护。变压器主保护通常采用带励磁涌流识别电流差动保护作为主保护，由于铁芯的非线性特性，以及现代电力系统中的直流输电、分布式能源均采用电力电子装置并网，导致故障后的电磁暂态过程越来越复杂，根据励磁涌流识别判据得出的动作不正确，从而导致变压器保护误动经常发生[1-3]，严重威胁电力系统的安全运行。

图1 2号主变压器高压侧电流录波数据Fig.1 Recording data of current at high voltage side of No.2 transformer

目前，工程现场的变压器保护装置一般同时采用比率差动、差动速断、工频变化量比率差动等保护元件作为主保护[4-5]，同时配置二次谐波、间断角等励磁涌流识别判据，并通过闭锁或制动的形式保证变压器保护的可靠性。二次谐波制动判据是应用最为广泛的励磁涌流识别判据，根据变压器铁芯饱和时的波形畸变特征来识别励磁涌流，并闭锁差动保护。目前，二次谐波闭锁判据一般按照经验值，按照基波电流的15%～20%整定，缺乏严格的推导，理论不完备，即使在继电保护届也存在一定的争议。而采用制动判据的励磁涌流识别判据，则可根据现场工况自适应地调整差动保护和励磁涌流识别判据的动作门槛，在理论上能够更好地适应复杂工况，近年来颇受现场运行人员的欢迎，但也存在浮动定值设置缺乏理论依据的问题，空投误动或内部故障延时动作的情况时有发生。含有风电和光伏接入对电力变压器保护动作性能的影响主要包括两方面，其一在于复杂电磁暂态过程与变压器铁心的非线性特征相互耦合导致励磁涌流更为复杂，偏磁、超饱和等现象导致变压器保护的误动；其二在于发生内部故障时，风电和光伏等分布式能源并网引发的复杂电磁暂态过程导致励磁涌流识别判据的误闭锁，从而造成故障切除时间的延长，引起保护拒动、故障扩大和设备损坏。实际上，为解决励磁涌流识别问题，国内外学者进行了长期不懈的努力，提出了很多保护原理，比如：以间断角检测[6]、差动电流波形对称检测[7]、突变检测(小波变换、希尔伯特黄变换)为代表的基于差动电流波形特征的变压器保护原理[8-10]；以等效励磁电感识别、等效漏电感识别、等效磁通识别为代表的基于变压器等效回路的变压器保护原理[11-13]等。这些方案具有一定的理论完备性，然而受计算方式、采样率等的影响，且上述方案的整定方式也是多基于经验值，其可靠性尚未得到证明，在应用和推广方面并未受到广泛的认可。二次谐波制动/闭锁原理因其整定简单、动作速度快的特点，仍是工程现场主要的励磁涌流识别方案，针对具体场景，深入分析二次谐波制动/闭锁原理失效的成因并提出在工程上切实可行的解决方案具有一定的现实意义。

本文结合某含有并网风电的330 kV变压器空投失败案例，通过理论分析和数字仿真研究2种典型励磁涌流闭锁/制动判据的实际动作性能，并对此次330 kV变压器误动原因进行分析，指出差动电流计算方法、二次谐波闭锁/制动策略和具体判据形式可能影响带二次谐波制动/闭锁的电流差动保护的性能，本文也针对变压器保护误动问题提出建议，以期能够推进变压器差动保护原理的进一步完善，保障电力系统的安全运行。

1330 kV变压器空投失败案例分析

某地区电网由于存在数量较多的并网型风电和并网型光伏电站而具有明显的新能源电网特征，在其330 kV网架中，由于新能源的接入，故障特征复杂，变压器铁心的非线性与并网逆变器的非线性高度耦合，造成变压器保护等继电保护运行环境恶化。2019年10月20日20时24分48秒，某330 kV变电站2号变压器空投时，主1保护励磁涌流识别判据成功动作，保护未跳闸，主2电流差动保护在229 ms动作出口跳闸，变压器被切除，空充失败。通过对一次设备进行详细检查，未发现故障点，再次试投主变压器成功，变压器长期在网运行。这是一起典型的励磁涌流引起的变压器电流差动不正确动作的案例，调取故障录波数据，如图1所示。图1信息表明，空投过程中主变压器电流波形均明显畸变且含有大量高次谐波，具有明显的变压器励磁涌流特征。经查阅数据，该330 kV变压器配置了2套不同原理的变压器保护装置，采用不同的励磁涌流识别判据，变压器高压侧TA变比为2 000/1，中压侧TA变比3 150/1，低压侧TA变比2 000/1。2套变压器保护装置采用相同的整定值，如表1所示。

表1 主变压器差动保护定值Table 1 Differential protection setting of the main transformer

根据电流录波数据，计算三相差动电流及其二次谐波含量，图2为变压器差动保护启动至主2保护错误动作期间的三相差动电流有效值及二次谐波含量。由图可知，差动保护启动后，三相差动电流有效值始终大于差动保护启动电流定值0.4 Ie，A相和C相差动电流的二次谐波含量大于二次谐波制动系数定值0.15，但B相差动电流的二次谐波含量小于二次谐波制动系数定值。观察B相波形可以发现该相出现较严重的单侧涌流，间断角明显减小，二次谐波含量较低。

图2 变压器差动电流基波有效值和二次谐波含量Fig.2 Valid value of fundamental frequency and second harmonic content of differential current

2套主保护在励磁涌流期间采用不同闭锁方式如表2所示。主保护1采用或门闭锁方式，当任意一相差动电流二次谐波含量大于定值则闭锁三相差动。由于A相和C相差流在励磁涌流期间二次谐波含量均大于二次谐波制动系数定值，因此三相差动保护均被闭锁，保护不动作。主保护2采用按相闭锁方式，当某相差动电流被判为励磁涌流时，仅闭锁该相差动，因此A相和C相差动被闭锁，B相差动开放。同时主保护2采用自适应的浮动定值，即首先降低二次谐波制动系数定值，然后随时间逐步向整定值靠近。因此空投初期B相二次谐波含量大于浮动门槛，差动保护未动作。随时间推移，B相差流二次谐波含量低于整定值0.15，且B相差流有效值始终大于差动保护启动定值，最终导致B相差动元件误动作。

表2 2套保护闭锁方式Table 2 Locking modes of two protection schemes

综上所述，本次差动保护误动主要由于励磁涌流导致，且不同的涌流闭锁方式导致2套主保护出现了不同动作情况。为进一步研究影响2种保护方案动作的因素，分析不同方法的实际性能，提高复杂电磁暂态工况下差动保护正确动作率，基于PSCAD电磁暂态仿真研究2种保护方案在不同条件下的保护动作行为。

2 影响变压器保护励磁涌流识别判据性能的因素分析

图3 变压器空投时等效电路Fig.3 Equivalent circuit of no-load energizing of transformer

变压器空投时等效电路图如图3。其中Rs、Ls分别为系统等效电源电阻和电感，R1、L1分别为变压器一次侧绕组电阻与漏感，Rm、Lm为变压器铁心等效励磁电阻与等效励磁电感。为验证2种保护方案在不同条件下保护动作行为和可能影响保护动作的因素，基于PSCAD/EMTDC搭建变压器空投模型。其中变压器为330/110/35 kV的三绕组变压器，高中压侧额定容量360 MVA，低压侧额定容量110 MVA，高、中压侧绕组星形连接，低压侧绕组三角形连接，高中压侧中性点直接接地，仿真中的变压器模型与案例分析中2号变压器相同。变压器漏感0.1 pu，铁耗0.03 pu，铜耗0.005 pu。系统等效电源电阻3 Ω，电感0.1 H。

2.1 差动电流计算方法的影响

三相变压器通常高中压绕组为三角形连接，低压绕组星形连接，使得变压器各侧线电流存在相位差，因此在计算差动电流时需要对电流进行相位补偿。传统保护通过电流互感器的不同连接方式[14]进行相位补偿，而微机保护中直接通过不同软件算法进行相位补偿。记iA、iB、iC为变压器Y侧CT二次电流，i′A、i′B、i′C为Y侧校正后的各相电流；ia、ib、ic为变压器Δ侧CT二次电流，i′a、i′b、i′c为Δ侧校正后的各相电流。

保护1采用Y→Δ方式计算差动电流，算法如式(1)(2)所示。

保护2采用Δ→Y方式计算差动电流，算法如式(3)(4)，其中i0为变压器Y侧零序电流。

图4 采用Y→Δ补偿和Δ→Y补偿方式计算的差动电流Fig.4 Differential current calculated by Y→Δ compensation and Δ→Y compensation

通常单相变压器的励磁涌流具有偏向时间轴一侧的特征。但由式(1)可以看出采用Y→Δ方式计算差动电流时，Y侧电流为两相电流相减，当两相实际涌流偏向时间轴同侧时补偿后将出现对称涌流。图4(a)给出了空投时采用Y→Δ方式计算的差动电流，B、C相呈现单侧涌流而A相出现明显的对称性涌流。尽管文献[14-15]指出，出现对称性涌流后差动电流二次谐波含量并不总是降低，这也解释了该起事故中A相出现对称性涌流但二次谐波含量依然较高的原因。但是出现对称励磁涌流后，间断角明显减小，对称性发生变化，二次谐波含量没有明确特征，各种励磁涌流判据的效果将受到明显影响。这种情况下如果采用按相闭锁将容易误动，因此通常采用或门闭锁。图4(b)给出相同条件下采用Δ→Y补偿方式计算的差动电流。可以看出Δ→Y补偿不会因各相相减出现对称性涌流，能较好地区分励磁涌流和内部故障，可以采用按相闭锁的保护方式。

2.2 二次谐波闭锁/制动策略的影响

图5 保护1的差动电流基波有效值和二次谐波含量Fig.5 Valid value of fundamental frequency and second harmonic content of differential current of protection 1

图6 保护2的差动电流基波有效值和二次谐波含量Fig.6 Valid value of fundamental frequency and second harmonic content of differential current of protection 2

实际上，二次谐波闭锁/制动策略的确定需要综合考虑空充于变压器内部故障的灵敏性和空充于健康变压器的可靠性两方面的因素。变压器空投时B相绕组发生3%的内部匝间故障，空投保护启动后250 ms内2种保护方式下各相差动电流有效值及二次谐波占比如图5—6所示。由图可以看出，合闸于内部故障时各相差动电流基波有效值大于整定值。同时由于故障相产生对称的故障电流，相关相的二次谐波含量明显下降。保护1采用Y→Δ方式补偿，差动电流实质上为两相电流之差，故A、B二次谐波占比均小于制动值，但C相二次谐波占比大于制动值。保护1采用或门闭锁，保护闭锁。可见采用或门闭锁，当变压器合闸于内部轻微故障时，保护无法快速切除故障。保护2采用Δ→Y方式补偿和按相闭锁的保护方式，随时间推移浮动定值升高后，仅故障相B相二次谐波占比小于制动值，能够较快识别切除故障。

仿真结果表明：空投期间变压器内部有轻微故障时，采用或门闭锁差动动作速度较慢，可能影响系统的安全运行；按相闭锁的方式可以保证该工况下保护快速跳闸，具有较高的灵敏度。但当某相合闸角接近0°，或受剩磁、直流偏磁等因素影响，出现较严重的励磁涌流时，单一相闭锁判据可能失效，采用按相闭锁方式可能误动；由于三相合闸角、剩磁具有不同相位，通常有一至两相差动电流能够满足涌流闭锁判据，或门闭锁能严格闭锁。

2.3 励磁涌流暂态过程的影响

保护2在识别励磁涌流时，采用自适应的浮动定值，如图6(b)中虚线，即首先降低涌流闭锁定值，然后随时间逐步向整定值靠近。采用该策略在空投初期能有效闭锁差动保护，避免因合闸初期二次谐波计算误差导致的误动，同时通过延时的配合使得差动保护在励磁涌流期间正确闭锁。因此需要考虑在浮动定值变化的时间尺度内，是否可能出现二次谐波含量的快速衰减导致保护误动。

对图3所示等效电路，设R=Rs+R1+Rm，L=Ls+L1+Lm，us=Umsin(ωt+α)，变压器在t=0时刻合闸，近似认为磁电感在暂态过程中不变，系统的回路方程为

(5)

考虑到磁链在合闸时刻不能突变，解得变压器磁通为

(6)

变压器励磁电流与磁通相关，采用图7所示简化的两折线励磁曲线并忽略未饱和的励磁电流，当正向饱和时励磁涌流可由式(7)表示，反向饱和时情形类似。

(7)

图7 简化励磁曲线Fig.7 Simplified excitation curve

3 减少变压器空载合闸误动的措施

以上分析说明尽管传统的基于二次谐波制动/闭锁的差动电流保护在多数工况下能较好地识别励磁涌流，在变压器空投时正确闭锁，但在复杂电磁暂态工况下依然可能发生误动、拒动的情况。有必要采取一定措施，减少变压器空载合闸时错误动作的概率。

(1) 采取措施抑制励磁涌流，减少励磁涌流对差动保护造成的不良影响，如通过外接元件法控制系统参数，通过预充磁减少剩磁，通过选相合闸控制合闸角，增加合闸电阻等。

(2) 结合系统实际情况和现场录波数据，对保护定值进行分析计算，合理设置和调整差动保护定值，综合兼顾可靠性和灵敏性因素，实现定值的精细化管理，避免因粗放型整定导致定值设置不合理，从而引起变压器空载合闸失败和内部故障延时动作等问题。

(3) 对励磁涌流识别问题进行进一步研究，提出和采用新的辅助判据或保护原理，改善和提高特殊情境下变压器保护的性能。如考虑二次谐波比变化动态整定制动时间，综合利用二次谐波与基波的幅值关系和相角关系来区分励磁涌流和内部故障等，随着电压二次回路可靠性的不断提升，磁通制动等引入电压量的励磁涌流识别判据也是提升励磁涌流识别能力的可行性选择。

4 结论

某330 kV变电站2号变压器空投时变压器出现严重励磁涌流，励磁涌流大且二次谐波含量低，采取不同闭锁方式的2种保护出现不同动作情况，主保护1成功闭锁而主保护2发生误动。结合仿真对可能影响2种保护的差动电流计算方法、二次谐波闭锁/制动策略和励磁涌流暂态过程等因素进行分析。

分析结果表明，电流差动保护中计算差动电流的补偿方式会影响计算得到的差流波形特征。相比Y→Δ方式，采用Δ→Y方式计算的差动电流不会出现对称涌流，能更有效区分涌流和故障特征；二次谐波闭锁/制动策略对差动保护的灵敏性及可靠性影响较大，需要兼顾。或门闭锁具有更高可靠性但灵敏度较低，无法迅速切除内部故障，按相闭锁灵敏度较高但可靠性下降，严重涌流时差动保护可能误动；励磁涌流衰减速度主要由等效回路参数决定，涌流大小主要受电压、合闸角、铁芯剩磁影响。通过合理设置浮动定值变化可以使保护在初始充电时更加可靠。

随着电力系统的发展，大规模的风电、光伏以及其他分布式电源大量并网，在满足电力电量平衡、环境、经济性等约束的同时，也严重恶化了继电保护的工作环境。特别是对于变压器保护，其铁心的非线性以及复杂电磁暂态环境的影响导致主保护的性能受到影响，通过本文的分析，目前不同原理的保护装置在一定情况下均存在不正确动作的可能，这就要求新能源场站及电力系统的继电保护运维检修人员充分理解变压器差动保护不正确动作的机理和深层次原因，通过采取必要的运维检修措施，快速甄别与处理误动，快速恢复供电，保证新能源场站的正常运行和电力系统的安全。同时，继电保护装备提供商及科研开发人员也应该深入认识变压器故障的本质特征，进一步提升变压器主保护的性能。

需要特别指出的是，对于分布式电源，特别是具有一定规模的并网型风电和光伏电源，应特别重视变压器保护的配置及运维，从而避免由于其误动和拒动造成的并网障碍，减少由于变压器故障造成弃风和弃光损失。