淺談變壓器差動保護勵磁涌流閉鎖元件

龔劍超，姚向波

(華東桐柏抽水蓄能發電有限責任公司，浙江臺州317200)

0 簡介

變壓器差動保護是變壓器內部故障的主保護，與一般差動保護有所不同。變壓器差動保護保護范圍不僅包含了電路，也包含了磁路，這就違反了差動保護的理論基礎——基爾霍夫定律。變壓器在全電壓充電時在其繞組中會產生暫態電流——勵磁涌流，勵磁涌流直接形成差電流，可能造成差動保護誤動。為防止變壓器差動保護在充電時受勵磁涌流影響而誤動，變壓器差動保護必須采用一些方式來判別勵磁涌流并閉鎖保護。

1 勵磁涌流防誤動措施

我國目前廣泛應用的防涌流誤動的措施有4種。

(1)利用非周期分量速飽和作用，使勵磁涌流很少進入差動保護執行繼電器(電流元件)。此方案普遍應用于電磁式變壓器差動保護中。

(2)利用勵磁涌流中含有較大的偶次諧波。國內外廣泛采用二次諧波制動原理。此方案是當前微機保護中最常用的。

(3)利用勵磁涌流一次波形的間斷角特征。但勵磁涌流經電流互感器傳變后，間斷角可能消失，此方案在微機保護中較少采用。

(4)利用勵磁涌流前后半波波形的不對稱，提出波形對稱原理。此方案已逐步在微機保護中推廣。

2 二次諧波制動原理

由于二次諧波分量的大小隨機性很大，不同合閘條件下的二次諧波成分可以減小到10%以下。不同制造公司、不同差動保護裝置，二次諧波制動比的定值非常分散，低的有7%，高的也有15%～20%，目前主要由制造廠提出二次諧波定值，然后由變壓器在現場多次空載合閘試驗，根據試驗結果來校正定值。具體閉鎖比率差動的條件則有不同原理，不同的實現方式，具體如下:

(1)相制動原理

以RCS978為例，RCS978系列變壓器成套保護裝置采用三相差動電流中二次諧波、三次諧波的含量來識別勵磁涌流，判別方程如下:

其中I2nd、I3nd分別為每相差動電流中的二次諧波和三次諧波，I1st為對應相的差流基波，K2xb、K3xb分別為二次諧波和三次諧波制動系數整定值。推薦K2xb整定為0.1～0.2，K3xb整定為0.1～0.2。

當三相中某一相被判別為勵磁涌流，只閉鎖該相比率差動元件。

由于變壓器空載合閘試驗次數有限，不一定能測得諧波含量最低值，此方案有可能因合閘情況不同，出現某一相勵磁涌流諧波含量較小而未能閉鎖該相比率差動元件，導致保護誤動。

(2)交叉制動原理或三取二制動原理

以ELIN的DRS主變保護為例，DRS主變保護保護裝置采用三相差動電流中二次諧波的含量來識別勵磁涌流，判別方程如下:

其中I2nd為每相差動電流中的二次諧波，I1st為對應相的差流基波，K2xb為二次諧波制動系數整定值。推薦K2xb整定為0.15～0.25，以實際變壓器空載合閘試驗數據為基礎，保留一定裕度，例如實測多次變壓器空載合閘試驗最低二次諧波含量為24%，則建議整定為20%。

制動方式分為兩種，一種為相制動，方式同上。另一種為交叉制動，即當A相諧波含量超過整定值時，閉鎖B、C相比率差動元件，當B相諧波含量超過整定值時，閉鎖C、A相比率差動元件，即當C相諧波含量超過整定值時，閉鎖A、B相比率差動元件。

GE的T60變壓器保護也有相似的諧波閉鎖邏輯，三取二制動(“2-out-of-3”)，即分別判斷三相諧波，當任意兩相滿足閉鎖條件，則閉鎖比率差動元件。

此方案在變壓器出現兩相故障時，可以因兩故障相諧波含量較低而開放第三相，從而使保護在一定程度上避免因變壓器空載合于故障時拒動。

(3)三相制動原理

以GE的T60變壓器保護為例，勵磁涌流判別方程同上。制動方式為計算三相諧波含量的平均值，當平均值高于整定值時，閉鎖三相比率差動元件。

此方案可以消除諧波在三相上的不平衡分布對涌流判據的影響，減少因某一相諧波含量較小而引起的保護誤動，但也可能在變壓器故障時拒動。

(4)附加相位制動原理(自適應二次諧波制動)

以GE的T60變壓器保護為例，勵磁涌流判別方程同上。GE首先提出了利用涌流中二次諧波幅值與相位的特征自適應二次諧波制動方案。其原理為根據二次諧波及基波矢量求得二次諧波復數比，求取該復數比時，考慮到二次諧波矢量是基波矢量旋轉速度的2倍，因此將基波信號的相位乘以2倍頻后與二次諧波進行比相，公式如下:

式中，I1、I2、φ1、φ2分別為基波與二次諧波的幅值與相位。由上式可以看出，勵磁涌流波形有如下特征:當基波轉化為兩倍頻時，二次諧波與基波的復數比保持在0°相位差，由基波頻率來看，相當于在0°和180°角上，而非涌流波形則無此相位關系。但是對于三相轉角變壓器且CT接于△環外時，受環流助增電流的影響，使得的基波與二次諧波的相位差不滿足以上特點，因而無法正確判別涌流。

此方案設計適合目前一些采用三相分體設計的大型500kV變壓器，并且要求變壓器差動保護采用套管CT電流的繞組差動保護原理。在此情況下可以采用附加相位判據提高涌流的識別能力。

以上4種二次諧波制動原理中，相制動原理為防止誤動，整定值需要取值較低，實際運行中有時會有某相未能閉鎖住的情況，從而導致差動保護誤動；而交叉制動、三取二制動原理則在一定程度上避免了這種情況；附加相位制動雖然涌流判別上有優勢，但由于原理的原因，只能適用于部分差動保護。從實際應用來看，多種諧波制動原理并存，供用戶選擇，比較有利于設備安全運行，從這點來說，GE的保護裝置做得比較貼近用戶。

3 波形對稱原理

波形對稱原理利用故障時，差流基本上是工頻正弦波，而勵磁涌流時，有大量的諧波分量存在，波形發生畸變，間斷，不對稱的特點，用算法識別出這種畸變，用以判別勵磁涌流。

以南瑞RCS978保護為例，其波形對稱原理為故障時，有如下表達式成立

其中S是差動電流的全周積分值，Kb是某一固定常數，S+是“差動電流的瞬時值+差動電流半周前的瞬時值”的全周積分值，St是門檻定值。Id是差電流的全周積分值，α是某一比例常數。

當三相中的某一相不滿足以上方程，被判別為勵磁涌流，只閉鎖該相比率差動元件。

波形對稱原理相比于其它原理的勵磁涌流判別，具有原理上的明顯優勢，對于具有強大計算能力的微機保護來說實現和調整也比較方便，只要在運行中積累數據，形成相應門檻值取值經驗依據，很可能成為勵磁涌流判別的主要手段。

4 其它勵磁涌流判別的研究

目前，利用電源側電壓和電流微分的比值來判別變壓器是否含有勵磁涌流的保護原理也比較容易實現，且計算量小，判據清楚，動作快速準確，具有很高的實用價值。還有基于變壓器主磁通對差電流變化率的勵磁涌流判別方法也具有一定價值。

5 結語

變壓器差動保護在目前無法規避變壓器勵磁回路電流實現變壓器主保護的現狀下仍是一種很好的變壓器主保護，但由于原理上的缺點，變壓器勵磁涌流的存在，使得變壓器差動保護受到很大局限，良好的勵磁涌流判別能大大提高變壓器差動保護的可靠性和安全性，采用二次諧波制動能較好地判別勵磁涌流，而波形對稱原理判別則可能取代二次諧波制動成為最好的涌流判據。