淺析勵(lì)磁涌流引起的主變差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)

孔飄紅，余 彬，韓榮杰

（蕭山供電局，浙江 蕭山 311200）

0 事故概況

某110 kV變電站的1號(hào)主變壓器（簡(jiǎn)稱主變）為西門子變壓器有限公司生產(chǎn)的SZ9-50MVA/110 kV的兩圈變壓器，配置了許繼四方公司的CST221B系列差動(dòng)保護(hù)。該主變于2000年3月投入運(yùn)行，分別于2003年、2006年、2008年預(yù)試合格，保護(hù)裝置面板和電源板于2005年進(jìn)行過(guò)更換。

2010年9月11日，變電站按一線送一變正常方式運(yùn)行，由于系統(tǒng)故障導(dǎo)致1號(hào)進(jìn)線失電，110 kV備自投動(dòng)作，跳開(kāi)1號(hào)進(jìn)線開(kāi)關(guān)，并合上110 kV橋開(kāi)關(guān)。1號(hào)主變因躲不過(guò)勵(lì)磁涌流，差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作跳1號(hào)主變各側(cè)開(kāi)關(guān)，10 kV備自投重合成功。

1 變壓器勵(lì)磁涌流分析

變壓器產(chǎn)生勵(lì)磁涌流的原因是變壓器鐵心的嚴(yán)重飽和及勵(lì)磁阻抗的大幅度降低。當(dāng)變壓器一次側(cè)加上電壓后，電流和磁通都不可能發(fā)生突變，而必須有一個(gè)過(guò)渡過(guò)程才能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

當(dāng)電壓瞬時(shí)值為零時(shí)投入變壓器，鐵心中的磁通Φ應(yīng)落后電壓90°，達(dá)到最大值-Φm值。此時(shí)鐵心嚴(yán)重飽和，勵(lì)磁涌流達(dá)到最大值，約5～7倍變壓器額定電流。當(dāng)電壓為最大值時(shí)投入變壓器，鐵心中的磁通為零，就不會(huì)出現(xiàn)勵(lì)磁涌流，只有正常勵(lì)磁電流。所以最嚴(yán)重的勵(lì)磁涌流是發(fā)生在一相電壓為零時(shí)合閘的瞬間。但對(duì)于三相變壓器而言，無(wú)論何時(shí)合閘，至少有兩相會(huì)出現(xiàn)不同程度的勵(lì)磁涌流。

2 差動(dòng)保護(hù)防勵(lì)磁涌流原理

差動(dòng)保護(hù)作為變壓器的主保護(hù)，其整定值應(yīng)躲過(guò)變壓器在空載投運(yùn)及外部故障后電壓恢復(fù)時(shí)產(chǎn)生的勵(lì)磁涌流。變壓器差動(dòng)保護(hù)中多具有變壓器勵(lì)磁涌流特征（包括幅值偏于時(shí)間軸一側(cè)、二次諧波含量大、波形有間斷角等）的制動(dòng)特性，以躲過(guò)變壓器勵(lì)磁涌流對(duì)差動(dòng)保護(hù)的影響。

微機(jī)差動(dòng)保護(hù)所采用的勵(lì)磁涌流閉鎖方式（如二次諧波閉鎖、波形判別閉鎖等）還較不可靠，容易引起誤動(dòng)或拒動(dòng)。目前二次諧波閉鎖判據(jù)主要有以下5種形式[1-2]：

（1）本相閉鎖本相（分相制動(dòng)）：即本相電流中的二次與基波的比值大于整定值時(shí)，則閉鎖本相差動(dòng)保護(hù)。

（2）一相閉鎖三相：即三相電流中任意一相電流中的二次諧波與基波的比值大于整定值時(shí)，就閉鎖差動(dòng)保護(hù)。

（3）最大比值閉鎖：即按三相中最大二次諧波電流與三相中最大基波電流的比值大小來(lái)閉鎖各相保護(hù)。

（4）三取二原則：綜合利用上述3種電流閉鎖形式，若三相差流中至少兩相的二次諧波含量大于制動(dòng)系數(shù)，判為勵(lì)磁涌流；若三相中至少兩相的二次諧波含量小于制動(dòng)系數(shù)，判為內(nèi)部故障。

（5）浮動(dòng)門檻閉鎖：即動(dòng)態(tài)自適應(yīng)二次諧波制動(dòng)，不僅考慮勵(lì)磁涌流中二次諧波與基波的幅值比例關(guān)系，還考慮二次諧波與基波的相角關(guān)系，在二次諧波與基波分量的相角差接近0°或180°時(shí)，將二次諧波制動(dòng)的系數(shù)適當(dāng)降低，而且自適應(yīng)動(dòng)態(tài)調(diào)整降低門檻值的時(shí)間。

許繼四方公司的早期產(chǎn)品CST221B型主變保護(hù)采用了第1種判據(jù)作為其制動(dòng)邏輯。其判據(jù)為：

式中：Id2w為每相差動(dòng)電流中的二次諧波；Idw為對(duì)應(yīng)相的差流基波；KXB為二次諧波制動(dòng)比例系數(shù)。各相分別閉鎖本相的比率差動(dòng)保護(hù)。

3 二次諧波制動(dòng)分析

上述第1種閉鎖邏輯存在的主要問(wèn)題是：由于變壓器空載投運(yùn)（簡(jiǎn)稱空投）時(shí)并不是每相電流中的二次諧波與基波的比值都很大，這種閉鎖方式在空投時(shí)容易引起保護(hù)的誤動(dòng)。第2種閉鎖方式在空投時(shí)可靠性很高，但是如果空投前已經(jīng)有故障，由于非故障相為正常的勵(lì)磁涌流，二次諧波與基波的比值較大，這種閉鎖方式很可能導(dǎo)致差動(dòng)保護(hù)拒動(dòng)。同時(shí)，在帶有匝間短路的變壓器空投合閘時(shí)，差動(dòng)保護(hù)因非故障相的勵(lì)磁涌流而閉鎖，引起變壓器匝間短路的延緩切除，可能導(dǎo)致變壓器的嚴(yán)重?fù)p壞。第3種閉鎖邏輯也存在與第1種閉鎖邏輯相同的問(wèn)題，即在空投時(shí)出現(xiàn)勵(lì)磁涌流情況下，引起差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)。對(duì)于三取二的閉鎖方式，曾經(jīng)匯集多組來(lái)自于現(xiàn)場(chǎng)空投誤動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，認(rèn)為二次諧波制動(dòng)不宜采用三取二方式，它無(wú)法保證空投時(shí)保護(hù)不誤動(dòng)[2]。第5種浮動(dòng)門檻閉鎖方式根據(jù)基波與二次諧波之間的相位關(guān)系自適應(yīng)調(diào)整二次諧波制動(dòng)比，充分利用了涌流的幅值和相位信息，可大大提高二次諧波制動(dòng)原理的性能，較前3種方式在空投時(shí)的可靠性有所提高。

通過(guò)以上的分析，可以列出上述5種二次諧波制動(dòng)方式的優(yōu)缺點(diǎn)，如表1所示。

表1 5種二次諧波閉鎖方式的比較

4 事故原因分析

該變電站1號(hào)主變差動(dòng)保護(hù)定值見(jiàn)表2。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)提供的1號(hào)進(jìn)線的集中錄波數(shù)據(jù)，對(duì)流經(jīng)1號(hào)主變的勵(lì)磁涌流特性進(jìn)行定量分析。1號(hào)進(jìn)線的電流波形如圖1和圖2所示。

對(duì)線路電流進(jìn)行Y/Δ30°相位校正，得到校正后的電流波形及二次諧波百分含量如圖3-5所示。

表2 1號(hào)主變差動(dòng)保護(hù)定值

圖1 三相電流波形

圖2 三相電流基波

圖3 校正后的三相電流波形

圖4 校正后的三相電流基波

圖5 二次諧波百分含量圖

由圖4可見(jiàn)，C相電流的基波幅值較小而二次諧波百分含量較大，A/B相電流的基波幅值較大而二次諧波百分含量較小，有小于20%的情況。由此可見(jiàn)，在本次事故中流經(jīng)1號(hào)主變保護(hù)的差動(dòng)電流特性及保護(hù)動(dòng)作行為如下：A/B相差動(dòng)電流幅值處于比率差動(dòng)動(dòng)作區(qū)內(nèi)，同時(shí)二次諧波含量小于二次諧波閉鎖門檻定值（0.2），滿足差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作條件；而C相因二次諧波含量始終大于二次諧波閉鎖門檻定值，閉鎖C相差動(dòng)保護(hù)，因此與現(xiàn)場(chǎng)A/B相差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作出口相吻合。

5 改進(jìn)建議

（1）二次諧波制動(dòng)系數(shù)定值設(shè)為0.2，其值較大，在變壓器空載投運(yùn)時(shí)，較易出現(xiàn)二次諧波難以閉鎖差動(dòng)保護(hù)的情況。建議將運(yùn)行中的差動(dòng)保護(hù)二次諧波定值進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。蕭山電力局自2006年以來(lái)將新上主變差動(dòng)保護(hù)二次諧波定值均設(shè)置為0.15，全局近百臺(tái)差動(dòng)保護(hù)二次諧波定值設(shè)為0.15的主變?cè)诳胀稌r(shí)未發(fā)生過(guò)勵(lì)磁涌流導(dǎo)致的差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)作。

（2）在變壓器空載投運(yùn)時(shí)，勵(lì)磁涌流的二次諧波大小與合閘角有關(guān)。選擇合適的合閘角，也將減少勵(lì)磁涌流的產(chǎn)生，從而減少差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)的可能性。國(guó)內(nèi)外已有不少文獻(xiàn)針對(duì)變壓器抑制勵(lì)磁涌流的控制合閘角策略進(jìn)行分析，找到了合閘角控制規(guī)律，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該策略的正確性[3]，但離工程應(yīng)用還有一定的差距。

6 結(jié)語(yǔ)

二次諧波制動(dòng)的變壓器差動(dòng)保護(hù)應(yīng)用效果是肯定的，但是就二次諧波制動(dòng)原理來(lái)說(shuō)，無(wú)論采用哪一種判據(jù)，均存在不足。因此在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)該尋找新的原理和依靠輔助判據(jù)來(lái)彌補(bǔ)二次諧波制動(dòng)原理的不足。比如在傳統(tǒng)二次諧波制動(dòng)的基礎(chǔ)上增加相位特征判據(jù)[4-5]，根據(jù)基波與二次諧波之間的相位關(guān)系自適應(yīng)調(diào)整二次諧波制動(dòng)比，充分利用涌流的幅值和相位信息，提高變壓器保護(hù)的綜合性能。

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