一起涌流引起的主變跳閘事故仿真分析及改進措施

李 斌

(武漢市排水泵站管理處，湖北 武漢 430000)

一起涌流引起的主變跳閘事故仿真分析及改進措施

李 斌

(武漢市排水泵站管理處，湖北 武漢 430000)

以某220 kV變電站2臺主變投運時多次跳閘為例，分析研究了變壓器勵磁涌流和和應涌流對主變投運跳閘的影響。在此基礎上，根據該變電站實際參數搭建了基于EMTP的仿真模型，驗證了是由勵磁涌流和和應涌流引起的過電流導致主變跳閘，并從保護定值整定、主變壓器選型及投運方案等角度提出了減少由勵磁涌流和和應涌流引起跳閘的措施，對工程實際有一定的指導意義。

勵磁涌流；和應涌流；鐵芯剩磁

0 引言

某220 kV內橋接線變電站投運時均零序電流保護動作導致2臺主變跳閘，根據現場實際情況及運行經驗初步分析，其可能是主變投運時產生的和應涌流與勵磁涌流引起的過電流所導致。本文分析了影響和應涌流與勵磁涌流的因素，并根據該變電站實際參數搭建了基于EMTP的仿真模型，對投運情況進行了仿真分析。仿真結果表明，主變空載投運時的和應涌流與勵磁涌流確是引起保護誤動作的原因，并從保護定值整定、主變壓器選型及投運方案等方面提出了相應的改進措施。

1 變壓器勵磁涌流和和應涌流的產生機理及影響因素

1.1 勵磁涌流產生機理及影響因素

電力變壓器在空載投入電網或外部故障切除后電壓恢復時，由于鐵芯磁通的飽和及鐵芯材料的非線性特征，會產生相當大的勵磁電流，稱為勵磁涌流。勵磁涌流的數值很大，有時可以達到額定電流的3～8倍。勵磁涌流產生的根本原因是當變壓器空載時，由于磁鏈不能突變，從而產生非周期磁鏈，使得變壓器鐵芯飽和。

空載合閘勵磁涌流的大小和衰減速度主要受以下因素影響：

(1) 變壓器鐵芯的飽和特征及鐵芯的額定工作磁密。對于大容量變壓器，鐵芯額定工作磁密與飽和磁密比較接近，現代變壓器的飽和磁通倍數經常在1.2～1.3，甚至低于1.15，所以當電壓過高或者頻率減低時，容易發生過勵磁。

(2) 變壓器平均勵磁電感、漏感和合閘前電源系統的內電感。若忽略漏感和系統電感的影響，勵磁涌流主要受平均勵磁電感影響。當其他條件相同時，空載電流小的變壓器因平均勵磁電感大而導致空載勵磁電流衰減較慢。

(3) 回路中等效電阻(變壓器鐵耗、銅耗和以及合閘前電源系統的內電阻)。對于大容量變壓器，由于采用高磁導率的低損耗冷軋硅鋼片，電阻較小，時間常數大，勵磁電流衰減較慢。

(4) 變壓器送電前鐵芯的剩磁。即使變壓器在勵磁電流的過零點熄弧斷電，也會有剩磁。如果變壓器送電時未控制選擇斷路器的合閘角，則剩磁對勵磁電流的影響具有隨機性。

(5) 合閘時送電電壓的大小及合閘角度。如果送電斷路器在合閘前，電源側的電壓過高，可能導致變壓器鐵芯的激磁增大[1]。

1.2 和應涌流產生機理及影響因素

變壓器空載合閘產生的勵磁涌流含有很大的直流分量和大量非周期分量，該直流分量流經并聯的中性點接地變壓器的勵磁電抗，使變壓器鐵芯趨向飽和，從而產生相應的和應涌流。

相對于勵磁涌流而言，和應涌流為反向的，即當變壓器空載合閘而鐵芯為正向飽和時，并聯運行變壓器的鐵芯趨向反向飽和。變壓器由初始的不飽和狀態逐漸過渡到飽和狀態，和應涌流將由小到大逐步增長，和應涌流的大小與勵磁涌流的大小有關。

影響和應涌流的因素主要有：

(1) 系統電阻。系統電阻對和應涌流的產生和衰減都有影響。系統電阻和變壓器電阻的比值越大，越容易產生和應涌流，且和應涌流出現得較早，幅值較大，衰減較慢。較大電壓等級的小系統中系統電阻較大，所以容易產生和應涌流，而且衰減速度也較慢。

(2) 線路阻抗。與系統電阻的影響類似，線路阻抗較大時，更容易產生和應涌流。但是較大的線路阻抗會使線路有較大壓降，這一因素將會降低和應涌流的影響。

(3) 剩磁。剩磁越大，合閘勵磁涌流越大，和應涌流也越大，且到達最大值的速度也更快。

(4) 并聯變壓器的負載大小。負載越大，和應涌流越小，峰值出現得也越晚。即空載合閘時，和應涌流最大[2]。

2 主接線及投運時跳閘情況簡介

2.1 變電站主接線

該220 kV變電站為內橋接線，母聯220開關通過線路1對變電站送電。1#主變、2#主變高、中壓側中性點均接地；開關與變壓器之間的電感、電容元件為除該變電站母線和變壓器外的其他電氣元件。

2.2 投運過程及跳閘情況

該220 kV變電站投運過程如下：合上開關1對線路1充電，正常后通過開關2合閘投運2#主變，2#主變充電正常后通過母聯220開關投運1#主變(此時2#主變處于帶電狀態)。

相關設備保護投入情況：開關1投入全套線路保護，零序Ⅲ段時限改為0.25 s，重合閘不投；開關2投入全套線路保護，距離保護Ⅱ段和零序保護Ⅳ段時間調至最小，重合閘不投。變壓器投入差動保護。

對2#主變充電時，保護跳閘情況：合開關2，開關2零序加速段動作。將開關2距離Ⅱ段、零序Ⅳ段時限修改為0.5 s，零序Ⅲ段時限更改為0.25 s，再次投運時成功。

對1#主變充電時，保護跳閘情況：合母聯220開關，母聯220、線路1開關跳閘。后將零序時限改為0.5 s，再次投運時成功。

3 基于EMTP的仿真分析

3.1 仿真模型

本文基于實際參數，采用EMTP搭建了仿真模型。架空線和電纜元件等效于送電線路1；U等效為送電變電站的母線電壓，設為230 kV；Xs等效為系統內阻抗，短路容量為5 352 MVA。

本文所采用的變壓器磁化飽和曲線是影響變壓器空載合閘涌流的最核心因素。圖1是該變電站主變鐵芯材料的磁飽和曲線，其中，點1的磁通密度為1.66 T，點2的磁通密度為1.79 T。點2的磁感應強度是點1的1.08倍，點1的飽和裕度是點2的1.08倍。

圖1 典型的鐵芯磁化飽和曲線

3.2 投1#主變時的仿真及分析

1#主變充電投運時，2#主變也空載帶電，滿足構成和應涌流的基本條件。本文對1#主變投運時是否出現和應涌流進行了仿真。開關1、開關2合閘，母聯220合閘，模擬投運1#主變的情況。仿真的電流值如表1所示。

表1 仿真電流值

仿真結果表明：1#主變空載合閘產生的勵磁涌流在合閘后大于開關2的零序保護定值。這充分說明，主變空載合閘引起的勵磁涌流和和應涌流會導致保護誤動作。

4 結論及防范措施

主變空載合閘引起的勵磁涌流和和應涌流會導致保護誤動作的問題在新站投運中屢見不鮮。本文研究了影響勵磁涌流和和應涌流的因素，通過仿真分析初步驗證了主變空載合閘引起的勵磁涌流和和應涌流會導致保護誤動作。根據現場運行經驗和仿真結果分析，建議采取如下措施防止此類情況的再次發生：

(1) 投運前的檢修試驗應合理安排。直流電阻測試完畢后，應當及時消除變壓器鐵芯剩磁，防止剩磁過大引起勵磁涌流過大。

(2) 空載合閘前，將合閘變壓器中性點不接地，使其合閘時只產生勵磁涌流而不產生或減少和應涌流。需要注意的是，如果合閘變壓器中性點不接地，應考慮變壓器空載合閘時的過電壓問題，采取措施防止沖擊過電壓損壞變壓器鐵芯或絕緣。

(3) 考慮到變壓器停運時剩磁的存在及投運時合閘相角的隨機性，主變相關的保護在必要時需加入2次諧波閉鎖功能及間斷角閉鎖功能，防止激磁涌流引起的誤動作。

(4) 安裝配置涌流抑制器。該裝置通過選擇合閘相位角的方法抑制涌流的大小，并根據投運實際情況，合理整定保護定值和動作時限，躲過勵磁涌流和和應涌流的影響。

[1]唐猛.變壓器勵磁涌流的特性與其識別方法的比較研究[J].機電信息，2010(36)

[2]楊琳霞.一種新型變壓器勵磁涌流識別方法的研究[J].電測與儀表，2010(9)

2014-07-25

李斌(1970—)，男，河北南宮人，工程師，從事泵站及高壓電氣設備安裝、檢修、改造工作。