变压器励磁涌流引起保护动作的原因分析与改进方法研究

谢煜敏

（广东电网有限责任公司江门供电局，广东江门 529000）

0 引言

电力变压器是电能输送环节的核心部件，其安全稳定运行对整个地区电力系统的静态稳定与动态稳定有着极其重要的影响。随着国民经济的飞速发展，我国对基础电力设施的投资也在逐年增加，电力变压器的投运与切除成为变电运维倒闸操作工作的重要组成部分，因此认真学习变压器励磁涌流的影响及其对策不仅仅是提升自身技能水平的关键，还是保障电网安全运行的重要一环，对实际的生产运行有着积极意义。而现有的学术研究与工程技术实践大多数集中于常规电力变压器涌流的识别与抑制，少有文献针对含DFIG并网的送出变压器涌流影响差动保护等方面进行研究，故本文针对这种应用场景，结合实际的生产运行案例进行了分析，并提出了保护改进措施与建议。

1 变压器励磁涌流研究背景

变压器的励磁支路上会存在2%～5%额定电流值的励磁电流，这也是主变差动保护中不平衡电流产生的原因之一，在正常运行时或外部故障的情况下，励磁电流均维持在一个很小的电流值，不会使主变的差动保护动作。但是当变压器空载投入或外部故障切除后，则可能出现幅值大（额定电流的8倍左右）、衰减慢的励磁涌流，其磁通φ的数学表达式如下：

式中：L为励磁电感；U为峰值；α为合闸时的电压相角；N为原边绕组线圈匝数；R为原边等效电阻；φ为合闸初始状态下的剩磁通。

励磁电流幅值很大，极易引起主变的差动保护产生很大的差流进而发生误动作，导致主变跳闸。因此，在励磁涌流的影响下必须采取有效的措施闭锁差动保护。如何防止励磁涌流引起主变差动保护误动以及区分励磁涌流与内部故障电流是当前不可回避的难题。

常规电力变压器励磁涌流识别技术主要分为三类：第一类是基于电流量的励磁涌流识别，例如二次谐波制动法；第二类是基于电压量的励磁涌流识别，如谐波电压制动法；第三类是综合电流与电压的综合法，例如磁通特性识别法。而在实际生产应用中，大多数采用第一类识别方法——二次谐波制动法，通过检测三相差流中的二次谐波含量占比是否达到阈值来判别是励磁涌流还是故障电流，进而实现及时闭锁差动保护的目的，配合三相或门制动方案，任意一相二次谐波含量占比达到阈值时闭锁差动保护，反之，开放。

2 含DFIG并网的送出变压器故障特性与保护改进方案

由于国家对新能源产业的大力支持，中大型整县光伏电站以及沿海风电上网已成为地区就地消纳电力的常态，依托供电企业自身的运维优势，未来向客户提供新能源电站运维也是供电企业的发展重点。其中，双馈感应发电机的广泛应用，使得地区电网的继电保护不得不重新考虑其特有的故障特性，尤其是故障发生期间低电压穿越的要求，使得传统的二次谐波制动不能满足主变差动保护的要求。

2.1 送出变压器故障特性分析

双馈感应风力发电机正常并网运行时，定子三相绕组输出电流直接接入地区电网，转子绕组则由AC-DCAC变流器采用脉宽调制PWM控制方式提供可控幅值、相位及频率的励磁电流。采用内环控制有功、外环控制并网母线电压的方式，实现对双馈感应发电机组的解耦，再经过PI环节实现闭环运算，得到控制有功功率与无功功率的指令值，调制信号后反馈至双馈感应发电机的励磁系统，进一步控制DFIG的励磁电流。在机组内部故障的情况下，网侧电压跌落较大到达定值时，转子Crowbar保护电路的投入使得风力双馈感应发电机不脱网运行，并优先向电网输送无功电流支持网侧电压，定子短路电流的二次谐波含量因为励磁电流变成衰减的直流分量而大幅度上升，未投入转子Crowbar保护电路时的送出变压器故障电流时域特性与常规变压器故障电流保持一致，但投入转子Crowbar保护电路时，送出变压器故障电流时域特性因转子（1+s）f电流分量使得故障电流不仅含有旋转量、衰减的直流分量，还包括转子转速反向旋转暂态分量，两种情况下的故障电流时域波形如图1所示，故障电流I的数学表达式为：

式中：i、i、i分别为旋转量幅值、短路时刻衰减的直流分量初始值、短路时刻转子转速反向旋转暂态分量幅值；ω为转子角速度；ω为电网同步角速度；T为定子直流衰减时间常数；T为投入转子Crowbar保护电路延时；T为转子转速反向旋转暂态分量衰减时间常数。

对上述低电压穿越过程中两种情况下的故障电流进行快速傅里叶变换分析，由图2的结果不难发现，未投入转子Crowbar保护电路时的送出变压器故障电流频域特性与常规变压器故障电流保持一致，其二次谐波含量占比为1.69%，此时不闭锁差动保护，差动保护可准确动作。投入转子Crowbar保护电路时的送出变压器故障电流频域中将含有大量的二次谐波，其占比可高达40.5%，远远超过阈值设定值15%，此时在故障的情况下持续闭锁主变差动保护，直到二次谐波随时间衰减到15%以下主变差动才能正确动作，并且衰减时间在变压器内部故障下二次谐波制动比率差动保护超过2～4个周波，此时主变差动保护延时动作，一旦故障未及时切除，保护延伸至本级线路纵联差动保护，将扩大停电面积。

2.2 送出变压器差动保护改进方案

上述分析表明，原有的二次谐波制动方案并不能在含DFIG并网的送出变压器内部故障时开放主变差动保护，因此需要提出一种新的保护判据来解决变压器内部故障时谐波含量过高的问题。利用变压器励磁涌流（对称性或非对称性涌流）出现明显的间断特征（一般为间断角大于65°或者半周波宽小于140°），内部故障时故障电流为连续的衰减波，没有间断这一特征，即间断角原理识别励磁涌流。但传统的间断角原理判据并不具有抗电流互感器饱和与数据采集小部分缺失的能力，因此本文提出符号序列比例制动法，将涌流与故障电流进行符号化处理，再利用符号序列中特定符号模式出现的比例构成判据来辨识励磁涌流和故障差流。根据式（3）符号序列的定义，相邻两个采样点的差流采样值呈现下降趋势记作0，基本保持不变记作1，呈现上升趋势记作2。

式中：X（m）为符号序列；I（k）为数据窗第k个采样值；ε为符号序列的阈值因子，一般取0.003。

在励磁涌流中，由于间断角的存在，励磁涌流会出现0、1、2三种特征，总共包含00、01、02、10、11、12、20、21、22九种符号序列，而故障电流只存在02特征。

通过上述方法对数据进行符号序列化后，保留其中00、11、22三种模式进行计算，并引入电压闭锁功能作为辅助判据，因送出变压器区内故障时一般伴随电压降低、电流升高，而励磁涌流时电压反而有所升高，11模式出现的比例r的计算公式如下：

式中：N、N、N分别为模式00、11、22出现的事件数；r为符号序列门槛值，一般取0.2；U为故障时刻主变高压侧并网点电压；U为电压启动阈值，一般取低电压穿越无功补偿时电压跌落值0.9U，U为变压器原边电压。

当公式（4）满足时，则判断为励磁涌流闭锁主变差动保护，否则判定为区内故障，并开放差动保护使其动作。

本文利用PSCAD/EMTDC平台模拟空载合闸励磁涌流（模拟1）、变压器匝间故障（模拟2）、励磁涌流叠加匝间5%轻微短路故障（模拟3）三种不同类型的故障或涌流情景，在不考虑主变差动延时元件闭锁的前提下，分别对比改进前后保护是否正确启动，仿真结果如表1所示，结果表明所提保护方案能有效解决传统二次谐波制动法不适用于含DFIG并网的送出变压器故障时差动保护延时动作的问题。

3 结语

对于含DFIG并网的送出变压器发生内部故障时，因转子Crowbar保护电路的投入，二次谐波制动法会闭锁主变差动保护。鉴于此，本文提出了基于间断角识别原理的符号序列比例制动法，具有抗电流互感器饱和与数据采集小部分缺失的能力，并引入母线电压作为辅助判据。算例表明，改进后的保护方案能有效识别变压器涌流和内部故障电流，在各种运行工况下均能可靠动作。