大型變壓器勵磁涌流及其繼電保護解決辦法

張新美

【摘 要】 隨著現代社會經濟的迅猛發(fā)展，電力工業(yè)作為重要的能源供應也得到了極大的發(fā)展。為了滿足社會主義現代化建設的需要，遠距離、大容量的輸電越來越重要。而更高要求的輸電同時也對變壓器的功能提出了更高的要求。掌握大型變壓器勵磁涌流的規(guī)律和特點，是保護變壓器的必要條件，也是提高大型變壓器繼電保護功能的有效方法。因此，對勵磁涌流的原理和繼電保護的措施進行研究，是電力行業(yè)必須認真對待的任務。

【關鍵詞】 大型變壓器 勵磁涌流 繼電保護 差動保護

大型變壓器相較于一般的變壓器具有更大的功率，所承擔的工作也更多。在經濟日益發(fā)展的今天，大型變壓器已然成為現代工業(yè)社會發(fā)展中必不可少的技術支持。不僅能夠滿足更高要求的輸電作業(yè)，也能夠有效的節(jié)約電力資源，提高輸電的安全性和可靠性。勵磁涌流和繼電保護是大型變壓器在工作過程中不可避免的兩大問題。本文結合實際生產，對大型變壓器的勵磁涌流問題和繼電保護辦法進行了分析。

1 大型變壓器的基本概況

變壓器是廣泛應用于現代電力行業(yè)的重要基礎設備。由于經常涉及到電力這一危險而重要的能源，因此變壓器的使用必須注意安全問題。大型變壓器具有更高水平的輸電功能，輸電的安全直接關系到人民群眾的生命財產安全，其安全性不容忽視。為此，大型變壓器應該具備良好的質量，同時滿足幾個要求：（1）當輸電線路發(fā)生短路故障時，高靈敏性的變壓器能夠及時從內部組抗接地故障，防止短路造成更大范圍的影響。（2）當線路發(fā)生故障的時候，大型變壓器最好是能夠進行初步的自我診斷，停止故障路段的輸電，但同時盡量不影響其他部分的正常工作。（3）能夠在線路發(fā)生內部故障的時候迅速采取措施切斷輸電，而同時又不讓外部故障阻礙線路內部的工作。這就要求變壓器能夠分別滿足處理內部故障和外部故障時的不同需求[1]。變壓器的實質是一個非線性的模型，內部結構十分復雜，影響其輸電效率的因素也有很多。因此，如何保護變壓器盡可能少的受到外界干擾，保持較高水平的輸電質量，是大型變壓器不得不解決的問題之一。

當前，隨著電力運輸的壓力越來越大，大型變壓器的負荷也在不斷加大，變壓器發(fā)生故障的頻率也因此而不斷增加。大型變壓器作為電力系統(tǒng)中的重要組成部分，不僅造價昂貴，而且后期的維修工作也很困難。因此必須在平時的運行中加強電力線路的自我保護，減少發(fā)生故障的可能性。

2 大型變壓器的勵磁涌流問題

目前，變壓器的差動保護是能夠維持電力輸送穩(wěn)定和連續(xù)的重要保護力量。尤其是對于大型變壓器的工作來說，往往承擔著較重的輸電任務。不僅外部環(huán)境上輸電量大、距離較遠、電壓較高，而且客戶對于輸電的安全穩(wěn)定性有很高的要求，因此其差動保護顯得更為重要。然而當前大型變壓器的差動保護效果并不理想。下面本文將簡單介紹大型變壓器勵磁涌流的相關問題。

2.1 勵磁涌流的產生及危害

勵磁涌流的產生是源于鐵芯的磁飽和。當合上斷路器給變壓器充電時，有時可以看到變壓器電流表的指針擺得很大，然后很快返回到正常的空載電流值，這個沖擊電流通常稱之為勵磁涌流。以下幾種方面會導致涌流的產生：勵磁涌流通過因影響電流的大小（一般是超過額定電流數倍甚至幾十倍），或者是通過流入縱差保護的差動回路來對變壓器造成損害。當變壓器空載合閘時，變壓器也會產生勵磁涌流。而同時與之相鄰的運行變壓器可能發(fā)生飽和現象，從而產生和應涌流。

總的來說，勵磁涌流對于電壓器以及整個電路系統(tǒng)的正常運行有嚴重的干擾和破壞。因此需要進行差動保護。從其產生的危害來說，勵磁涌流可能會引發(fā)變壓器的繼電保護裝置誤動，使變壓器的投運頻頻失敗；或者因為誤動保護而使各側符合過載；或因電動力過大而損傷變壓器；電壓在此影響下容易發(fā)生急劇變化，影響到輸電的穩(wěn)定和其他電器設備的工作；輸電電能的質量也會因此而下降等等。

就勵磁涌流的特點來說，理論上講勵磁涌流是可以通過科學的方法進行抑制甚至是消除的。但是在實際中，由于無法達到高要求的技術，因此只能想辦法盡量減小勵磁涌流的危害。如果能夠計算清楚變壓器斷電時候的剩磁極性，就能夠控制電源電壓相位角，讓偏磁與剩磁極性正好相反，以此抑制磁路飽和的狀態(tài)。而飽和的磁路正是產生勵磁涌流的必要條件[2]。

2.2 如何識別勵磁涌流

由上文可以看出，大型變壓器的運作中勵磁涌流問題一直都是一個難點，也是一個重點。而如何有效的識別出勵磁涌流則是解決問題的關鍵所在。根據勵磁涌流的產生原理和基本特點，可以采用如下幾種原理或方法來識別勵磁涌流：

（1）二次諧波制動法。勵磁涌流中含有大量的高次諧波分量，而其中二次諧波占有很大比例。而相比之下發(fā)生故障的變壓器中則沒有這么多的二次諧波。因此，可以使用二次諧波制動法來檢測勵磁涌流。這種方法主要是采用了對比的方式，操作起來比較簡單，結果也比較明白易懂，因此得到了比較廣泛的使用。但是這一方法也有一定的局限性，因為一些外界的因素很容易對諧波產生影響。具體來說，變壓器低壓側串補電容、變電所電纜電容以及飽和產生的諧波等等都會影響對勵磁涌流中諧波的判斷。即使變壓器發(fā)生了故障，仍有可能因為內部諧波的含量較高，而導致保護動作的延遲。這樣一來，原來預想的保護效果就無法完全實現。（2）間斷角識別法。其原理基礎是勵磁涌流波形會出現間斷，通過對間斷角的觀測就可以鑒別勵磁涌流。在大多數情況下都適用，還能補足上一種方法的缺陷，在二次諧波含量較小的時候準確鑒別勵磁涌流。要充分發(fā)揮該方法的作用，就必須精確測量間斷角。在實際應用中，微分環(huán)節(jié)作為恢復間斷角的方式，卻存在著制動量不足的問題。這樣的話，則難以達到制動目的，也就是說不能及時快速的完成保護動作[3]。（3）采樣值差動保護。差動保護中有一種比較獨特形式是采樣差值法。變壓器的差動電流和制動電流的采樣點可以構成保護，實際操作中對采樣率的要求也并不高，因此也具有較強的實用性。常規(guī)相量差動保護也能實現保護的作用，但是相對之下不如采樣值差保護的速度快，計算量也更為復雜，抗飽和能力也不強，因此采樣值差動保護更具效率。（4）不對稱性識別法。由于勵磁涌流具有一定的波形特點，而這一特點是與非飽和波段的形態(tài)有著較大差異的，因此可以利用波形的原理來辨別勵磁涌流的存在。操作方法為選取差動電流的部分波形，先進行初步的處理，然后計算出波形的不對稱度。根據計算出來的結果來判斷是勵磁涌流還是故障電流。這種方法綜合利用了勵磁涌流的多項特點，檢測的結果比較準確。但同時計算方法的選擇、波形本身的變化性等因素又都會影響檢測結果的準確性。（5）小波變換法。小波變換是現代信號處理技術的典型，具有分辨時頻的功能。具體來說，它可以分辨出處于不同位置的信號及其特征，也能夠準確的反應信號變化的方向和趨勢，并且還能夠進行精確的定位分析。將小波變換法用于勵磁涌流的辨識，主要是通過以下步驟實現的：首先對輸入的電流波形進行小波變換，存在相鄰模極大值同號則說明為涌流，反之則需要再次進行小波變換。另外，小波變換也能用于測量間斷角、提取突變量點等方式來鑒別勵磁涌流。

3 大型變壓器繼電保護的辦法

為了準確的判斷流入保護裝置的是故障電流還是勵磁涌流，根據勵磁涌流的特點，通常有以下方法：（1）采用具有速飽和鐵芯的差動繼電器，如BCH-2型，其具有良好的躲過變壓器勵磁涌流的特性。（2）通過鑒別故障電流和勵磁涌流波形的區(qū)別，要求間斷角為60度～65度。（3）利用二次諧波制動，制動比一般為15%～20%。四是利用波形對稱原理的差動繼電器。

當大型變壓器發(fā)生故障的時候，需要通過繼電保護來維持電力系統(tǒng)的正常運轉或者是避免產生更加嚴重的不利影響。采用差動保護作為變壓器故障時的主保護，通過比較變壓器高壓側和低壓側之間的電流大小和相位，來判斷有無故障電流，此保護不僅操作起來比較簡單，而且反應十分靈敏，是電力系統(tǒng)中最主要的設備之一[4]。

除了差動保護，大型變壓器的繼電保護還需要注意其他幾個方面：（1）需要對電壓器進行過電流保護。根據電路發(fā)生短路時電流的大小以及自身的容量，過電流保護的具體方法有所不同。降壓變壓器適合采用一般的過電流保護，而升降變壓器則需要復合電壓啟動的過電流保護。（2）需要進行負荷保護。即應該預防變壓器因負荷過載而導致過電流的情況。具體操作是將電流繼電器與單相線路進行一對一的接線，當變壓器過負荷時，繼電器能夠延時跳閘或是對電流采取措施。這兩種措施作為差動保護的補充，能夠在差動保護失效時發(fā)揮重要作用，也能加強對大型變壓器的保護效果。

參考文獻：

[1]祖哲.變壓器勵磁涌流識別的經驗模式分解方法[D].昆明理工大學，2013.

[2]郭志端，李迪.大型變壓器投產勵磁涌流特點分析[J].通訊世界，2016（09）：215-216.

[3]黃應龍.大型整流變壓器繼電保護配置探討[J].中國有色冶金，2015（05）：40-43.

[4]張海岸.大型變壓器構架下的繼電保護配置與整定[J].自動化應用，2014（11）：83-84.