變壓器勵磁涌流對差動保護的影響及解決方法的探討

安曉龍，王樹達，陳亮，陳娟

(1.海洋石油工程股份有限公司設計公司，天津 300451;2.遼河油田公司金馬油田開發(fā)公司，遼寧 盤錦 124010)

1 引言

隨著海洋石油工程電力系統(tǒng)的發(fā)展，由多個子系統(tǒng)獨立運行向并網(wǎng)運行轉變，電力系統(tǒng)規(guī)模逐步擴大，對電力設備提出了更高的要求。變壓器已成為電力系統(tǒng)的樞紐，其安全可靠運行是電力系統(tǒng)運行的關鍵。

差動保護作為變壓器的主保護能否正確動作是變壓器保護的關鍵問題。而差動保護能否正確動作主要受很多以下幾個因素的影響:變壓器的接線組別;變壓器分接頭調節(jié)導致的變比改變;差動保護CT接線方式;變壓器勵磁涌流。針對前三項，通過注意CT接線和在差動保護裝置中的變比補償和矢量補償?shù)确椒ǎǔ？梢缘玫捷^好的解決;對于勵磁涌流的影響，差動保護裝置中雖然也有相應的閉鎖，但實際應用中效果并不理想。

2 勵磁涌流的產(chǎn)生機理及特點

勵磁涌流是變壓器在空載合閘投入電網(wǎng)或外部故障切除后電壓恢復時，在變壓器線圈內所引起的沖擊電流。

下面以單相變壓器為例分析勵磁涌流的產(chǎn)生。在忽略變壓器及合閘回路電阻的影響前提下，電源電壓的波形為正弦波，則空載合閘瞬間變壓器鐵芯中的磁通與外加電壓的關系為［1］:

其中，N為變壓器空載合閘側繞組的匝數(shù);Φ為鐵芯中的磁通;Um為電源電壓幅值;ω為角速度，當頻率為50Hz時，ω=314;ω為空載合閘時電源電壓的合閘角。

由(1)式變形、積分可得式中，C為積分常數(shù)，由合閘時鐵芯剩磁決定。當t=0時

式中，Φs為合閘前鐵芯中的剩磁。

將(3)式代入(2)式，并考慮到合閘回路(主要為變壓器繞組)的阻抗及損耗得

式(4)中，第一項為磁通的強迫分量，第二項為磁通的自由分量。根據(jù)式(4)，若不考慮自由分量的衰減并設合閘角α=0，剩磁Φs=0.9Φm，在合閘瞬間變壓器鐵芯中的綜合磁通變化如圖1所示。

圖1 單相變壓器空載合閘時鐵芯磁通的變化波形

由圖1可以看出鐵芯中磁通峰值出現(xiàn)在合閘后經(jīng)過半個周期，達到2.9Φm。

圖2 單相變壓器的空載合閘勵磁涌流

圖2中變壓器磁化曲線可近似看作由直線0－P1，和P1－P2所組成的折線，P1點所對應的磁通Φb為飽和磁通［2］。

變壓器正常運行時，鐵芯未飽和，產(chǎn)生的勵磁涌流很小。空載合閘或切除外部故障時，若變壓器鐵芯嚴重飽和，勵磁電流將會急劇增加，從而形成勵磁涌流。

勵磁涌流通常有以下特點:

(1)勵磁涌流的大小與合閘角、鐵芯剩磁的大小和方向，以及鐵芯的特征有關。

(2)勵磁涌流的數(shù)值很大，最大可達額定電流的8～10倍。變壓器容量越大，阻抗值越大，該倍數(shù)值越低;但絕對值還是容量大的變壓器勵磁電流更大一些，依然不容忽略。

(3)勵磁涌流只出現(xiàn)在變壓器空載合閘一側［3］。

(4)勵磁涌流含有大量的直流分量、基波分量和高次諧波含量(主要是二次和三次諧波)，因此勵磁涌流的變化曲線為尖頂波［4］。因含有直流分量，其波形偏向時間軸的一側，有很大的間斷角。

(5)勵磁電流會隨時間衰減。衰減常數(shù)與鐵芯飽和程度有關，飽和越深，電抗越小，衰減越快。因此開始衰減很快，以后逐漸減慢。

(6)一般情況下容量越大，變壓器抗阻比X/R越大，衰減常數(shù)越大，衰減的越慢。對于小容量的變壓器，約在幾個周波即達到穩(wěn)定;大型變壓器，全部衰減持續(xù)時間可達幾十秒［4］。

3 勵磁涌流對差動保護的影響及解決方法

在變壓器正常和外部故障時，變壓器原副邊側流入和流出的一次電流之和等于零，差動保護繼電器不動作。當變壓器內部發(fā)生故障時，連接變壓器各側的電源都向變壓器供給短路電流，各側提供的短路電流之和，流入差動保護繼電器，差動保護繼電器動作，瞬時切除故障。由于變壓器勵磁涌流與內部短路時電流有一定相似性，對于差動回路而言都是不平衡電流，可能會引起差動保護誤動作。

為了防止差動保護誤動作，具體的措施有兩大類:一類是抑制勵磁涌流的產(chǎn)生;另一類是對差動保護進行優(yōu)化，避免受勵磁涌流的影響。

3.1 抑制勵磁涌流的方法

抑制勵磁涌流產(chǎn)生不但可以防止差動保護誤動作，而且可以避免勵磁涌流引起的絕緣變壞和對變壓器自身結構和臨近設備帶來的沖擊。具體主要有以下幾種［5］:

(1)控制三相開關合閘時間(角度)法

控制三相的合閘時刻，使鐵芯中的磁通在空載合閘時不發(fā)生突變，避免鐵芯磁通飽和，從而有效的抑制勵磁涌流。合閘時刻與鐵芯中的剩磁有關，由于剩磁有著多種分布形式，相應的也有不同的合閘策略。

此種方法最佳情況時，勵磁涌流的幅值可以削減98%。但在實際應用中，還會受到斷路器機械合閘時間的偏差，斷路器的前擊，剩磁測量的誤差，變壓器鐵芯和繞組配置的變化等多種因素的影響。

(2)內插電阻法

基于變壓器空載合閘時三相勵磁涌流不平衡的原理，在三相變壓器的中性點處聯(lián)接一個接地電阻，以承受這種不平衡電流，從而使得變壓器的勵磁涌流得以衰減。這個接地電阻還可以減弱施加在變壓器鐵芯上的電壓，以阻止鐵芯的飽和。

此法簡單易行，額外的開銷較少，但此法在變壓器三相同時合閘時作用不大，且對勵磁涌流的幅值只能削減約40%，且在接地電阻和延遲時間的選擇上還需做進一步研究。

(3)改變變壓器繞組的分布法

通過改變變壓器原邊或副邊線圈繞組的分布，以增加暫態(tài)或涌流時的等效電感，來抑制勵磁涌流。此法從本質著手，從一個嶄新的角度思考，對變壓器工藝的改造有著借鑒之處。但由于應用此法時需改變變壓器的結構，同時會帶來其他的問題，使其發(fā)展有一定的局限性。

3.2 差動保護的優(yōu)化方法

對差動保護進行優(yōu)化，將勵磁涌流與內部故障電流區(qū)分開來，在出現(xiàn)勵磁涌流時將差動保護閉鎖，保護不動作，從而達到防止差動保護誤動作的目的。具體的方法主要有［6］:

(1)二次諧波制動法

此法的原理是利用差動電流中的二次諧波與基波模值比(二次諧波制動比)來判斷是否存在勵磁涌流。目前此法已在國內外實際保護裝置中廣泛應用。

勵磁涌流中的二次諧波含量主要與合閘角、鐵芯中的剩磁、鐵芯結構材料及系統(tǒng)阻抗等相關，隨著現(xiàn)代變壓器制造技術及應用材料的發(fā)展，變壓器勵磁特性發(fā)生變化，使得涌流時二次諧波含量降低，從而易引起差動保護誤動作［7］。

(2)間斷角識別法

間斷角識別法利用勵磁涌流波形有較大間斷角的特征，通過檢測差流間斷角的大小實現(xiàn)鑒別涌流的目的。此法在實際保護裝置中已得到應用，但面臨著因電流互感器傳變引起的間斷角變形問題。當電流互感器飽和時，在涌流間斷角區(qū)域將產(chǎn)生反向電流，飽和越嚴重則反向電流越大，最終使得涌流間斷角消失;對于內部故障電流而言，電流互感器飽和將導致差流間斷角增大，飽和越嚴重則差流間斷角越大。前者將使得變壓器發(fā)生涌流時差動保護誤動，后者將使得變壓器內部故障時差動保護拒動。

(3)波形對稱法

波形對稱法是利用差電流導數(shù)的前半波與后半波進行對稱比較，根據(jù)比較的結果去判斷是否發(fā)生了勵磁涌流，對稱的定義由下式給出:

式中，I'i為差電流導數(shù)前半波第i點的數(shù)值;I'i+180為后斑駁對應第i點的數(shù)值;K為比較閥值。

當?shù)趇點的數(shù)值滿足(6)式時稱為對稱，否則稱為不對稱。連續(xù)比較半個周期，對于內部故障，(6)式恒成立;對于勵磁涌流，至少有1/4周期以上的點不滿足。

此法是間斷角法的推廣，且比間斷角法容易實現(xiàn)。但涌流波形具有不確定性、多樣性，如果K值取得太大，保護可能誤動。而且故障電流也并非總是正弦波，當系統(tǒng)中有分布電容較大的電纜線路存在時，故障波形中含有大量諧波，此時若K取值太小，保護就可能拒動。電流互感器的飽和也必將引起差電流變形。

另外還有很多新的判別方法，如利用尖頂波特征法、磁通特性識別法、勵磁阻抗變化法、差有功法、智能理論識別法等等。

4 結論

在文昌油田中，應用了控制合閘時間(角度)法來抑制勵磁涌流，但受斷路器合閘精度的限制，效果并不理想。

目前海洋石油工程電力系統(tǒng)中，主要是應用二次諧波制動法來抑制勵磁涌流的影響。通常二次諧波制動比取15%～20%。此外有些廠家的保護裝置，在采用二次諧波制動法的同時，還采用五次諧波制動法，其原理與二次諧波制動法相同，五次諧波制動比通常取30% ～50%。

已應用于實際的一些解決方法隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展面臨著新的考驗，需要不斷改進。國內外學者專家通過研究和試驗，提出了許多不同的新方法，其中大多數(shù)進行的動模實驗和仿真證明具有比較高的靈敏度和可靠性，但離保護的具體實現(xiàn)還有一段距離。從現(xiàn)在的發(fā)展趨勢看，多種方法的結合將會越來越多的投入應用，在解決勵磁涌流對差動保護影響方面起到更大的作用。

［1］葛來龍，倪維東，朱桂權.空投變壓器的勵磁涌流分析及相關應用［J］.裝備制造技術，2009，10:160 －163.

［2］岳志剛，楊國旺，曲艷華.勵磁涌流對差動保護的影響及其對策［J］.高壓電器，2005，41(1):48 －50.

［3］李洪海.變壓器勵磁涌流對差動保護的影響分析［J］.建筑電氣，2000，3:20 －22.

［4］回志澎，劉敏.艦船大容量變壓器勵磁涌流的故障識別［J］.船電技術，2008，6:333 －336.

［5］陳艷，陳小川，高仕斌.幾種削減變壓器勵磁涌流的方法［J］.高壓電器，2005，41(4):282 －285.

［6］徐策，馬靜.變壓器勵磁涌流識別技術及其發(fā)展方向［J］.電氣傳動，2007，26(1):89 －92.

［7］周琳.變壓器空載投入躲勵磁涌流問題的探討［J］.供用電，2007，24(4):37－39.