勵磁涌流對變壓器差動保護的影響分析

耿家建，劉世軍，姬 帥，夏 輝

（1.山東臨沂供電公司，山東 臨沂276000；2.山東沂水供電公司，山東 沂水276400）

1 變壓器勵磁涌流

變壓器的鐵芯材料具有明顯的非線性的勵磁涌流特性，在變壓器空載合閘時，變壓器的鐵芯磁通會不斷增加，當鐵芯磁通的大小超過變壓器的飽和磁通限值時，變壓器繞組的勵磁電抗性會出現大幅度下跌，最終產生較大的勵磁電流。當變壓器的磁通進入到飽和狀態之后，勵磁電流迅速升高，最高可能達到變壓器正常電流水平的數倍之多。目前的大型變壓器在設計時，為了對成本進行控制，變壓器在額定工作狀況下基本已接近磁通飽和，因此，在變壓器空載合閘時很容易達到磁通飽和，而產生較大的勵磁涌流［1］。變壓器勵磁涌流的大小主要受到變壓器容量、鐵芯結構等多個因素的影響，因此具有較大的分散性。在這種條件下，如何對勵磁涌流進行有效的鑒別成為了變壓器差動保護的關鍵內容。

變壓器的勵磁涌流擁有多個分量，而且含有大量的二次諧波，并且存在明顯的間斷角。目前最常用的勵磁涌流鑒別方法包括二次諧波制動法、間斷角閉鎖法等。同時，隨著該領域相關研究的不斷深入和發展，引入了人工神經網絡、模糊理論等方法對勵磁涌流進行鑒別。但是為了保證鑒別的準確率，仍然主要采用運行經驗相對豐富的二次諧波制動法和間斷角閉鎖法。

2 勵磁涌流對變壓器差動保護的影響

導致變壓器差動保護出現不平衡電流的原因是多方面的，其中變壓器空載合閘狀態以及外部故障切除后恢復正常供電時所產生的勵磁涌流是導致變壓器差動保護出現不平衡電流的最主要因素。變壓器所產生的勵磁電流大小往往能夠達到變壓器額定電流大小的數十倍，勵磁電流由變壓器的電源側流過，負荷側由于并無開路電流，勵磁涌流將流入差動回路，如果差動保護無法成功躲過勵磁涌流，就會引起變壓器的差動保護誤動作。

在變壓器差動保護采用二次或更高次諧波制動的條件下，當發生由于超高壓遠距離輸電線路或者超高壓電纜對地電容以及大容量無功補償電容引起的內部短路時，如果電流互感器飽和而引起短路電流波形畸變，短路電流中就會產生接近二次或四次的諧波電流。此時，變壓器的涌流元件會將短路電流誤判為勵磁涌流，這種錯誤判斷會引起變壓器差動保護拒動或者保護動作延遲，導致變壓器嚴重損壞。另外，如果已經發生內部故障的變壓器空載投入時，差動保護會對勵磁涌流制動，這也會引起差動保護的延遲動作。

3 解決方法

變壓器正常運行時所產生的勵磁涌流電流數值非常小，可以利用限值躲過，但是在變壓器空載合閘以及切除外部故障后，恢復正常電壓時所產生的勵磁涌流電流數值非常大，利用限值無法躲過。為了避免勵磁涌流影響變壓器差動保護的正常動作，有必要對變壓器的差動保護進行改進，實現勵磁涌流與內部故障電流的有效區分。當變壓器產生勵磁涌流時，差動保護閉鎖，采取諧波進行制動。變壓器的勵磁涌流具體數值通常會受到多種因素的影響，具有非常明顯的非線性畸變，遠遠偏離電壓的正線特征，且其中偶次諧波含量遠遠超過奇次諧波，針對此特點，采用二次諧波制動方法保證變壓器差動保護的可靠動作［3］：

變壓器差動保護在采用二次諧波制動時，諧波比通常在0.15～0.20之間，這使得勵磁涌流和變壓器內部短路電流可以很好地區分，但是還面臨以下幾方面的問題：

（1）采用Y／Δ形式界限的三相變壓器，經常會出現“對稱性”諧波。由于Yn側的CT二次電流向變壓器差動回路流動的是兩相電流之差以及“助增電流”的存在，容易導致與差流產生近似對稱，這種對稱的特性非常接近“奇對稱”，其中所存在的偶次諧波較低。在這種條件下，如果采用分相制動的方式則可能導致變壓器差動保護誤動作。

（2）在外部存在長線分布及無功補償電容時，變壓器如果發生內部短路故障，因為短路引起的諧振就可能產生多種諧波分量。其中，如果二次諧波分量達到一定限值時，變壓器的差動保護被強制制動，在二次諧波衰減到一定程度時，保護才會放開，這一過程通常持續0.1～0.2 s，會導致變壓器差動保護裝置延遲動作。

針對傳統方法中存在的缺陷，為了保證差動保護的可靠動作，需要分析常規的二次諧波制動方案。

3.1 單相制動單相方案

將公式（1）分別在A、B、C三相上運用，如果其中任何一相的二次諧波含量超過限值，則對該相進行差動保護閉鎖；否則放開保護。

在發生勵磁涌流時，合閘角與剩磁之間的差異性會引起各相諧波的含量出現不平衡。從實際情況來看，勵磁發生過程中會出現某項二次諧波含量低于7%的情況，此時，如果采用單相制動方案就會引起變壓器差動保護誤動作的情況。

3.2 單相制動三相方案

將公式（1）分別運用在A、B、C相上，當其中任意一相的二次諧波含量超過限值時，則同時閉鎖三相差動保護；當三相的二次諧波含量均低于限值時，放開保護。

在變壓器空投于區內故障時，會產生其中某相二次諧波高于限值的情況，此時同時閉鎖三相差動保護；隨著故障持續時間的延長，該相二次諧波含量會逐漸下降，當二次諧波含量下降到限值水平以下，保護被放開，才能進行正常保護動作，但是這個過程會導致差動保護動作的延遲。在實際應用該方案的過程中，可以通過判斷三相中的兩相二次諧波含量都超過限值時才閉鎖差動保護，這樣可以有效提高方案的可靠性，但是靈敏度會受到一定程度的影響。

3.3 平均二次諧波方案

對公式（1）進行改進，可以得到如下公式：

改進之后的公式利用三相平均二次諧波進行制動，即取三相二次諧波的平均值與諧波制動的限值進行比較。如果二次諧波平均值超過限制，則制動保護；否則放開保護，該方案具有較高的可靠性。但是由于只考慮了二次諧波與基波比值的平均值，難以準確反映出各相諧波的實際情況，仍然存在較大的局限性。當變壓器空投于區內單相接地故障時，如果非接地相產生了較大的二次諧波，就可能導致三相二次諧波平均值超過限值，導致差動保護閉鎖。

3.4 二次諧波自適應制動涌流方案

（1）利用平均諧波量的單相制動方式

不同的二次諧波制動方式所取得的制動效果存在一定的差異性。根據前文的分析，本文提出了一種利用三相平均諧波含量結合勵磁涌流直流分量衰減自適應調節二次諧波的單向制動方式。目前的二次諧波制動方式，通常在制動可靠性與靈敏度方面存在矛盾，難以找到一種相對平衡的方法，因此，需要對當前的二次諧波制動方案進行改進。

在勵磁涌流過程中，A、B、C三相的二次諧波含量存在一定的差異，但是必然存在最大值。將各相的二次諧波值相加，計算出二次諧波的平均值：

然后比較二次諧波的平均值與各相基波值，如果二次諧波平均值超過某相限值則放開保護，否則閉鎖保護，判斷公式如下：

通過利用二次諧波平均值進行比較，可以在變壓器發生故障時，非故障相二次諧波過高的情況下保證變壓器差動保護動作的可靠性，并進一步提高保護動作的靈敏度。而如果出現某相二次諧波含量過小的情況，也可以利用平均值對差動保護實現有效保護，確保變壓器差動保護的可靠性。

（2）二次諧波制動系數的自適應

在變壓器發生故障時，勵磁涌流的直流分量會隨著時間的延長不斷衰減，根據勵磁涌流直流分量的這一特性，可以將一個周波的電流分為正、負兩個半周，使得：

式中，k代表當前采樣點，N表示一個周波采樣點的數量。

可以得到反映出直流衰減情況的具體系數：

根據二次諧波直流分量的衰減系數對二次諧波含量設置制動條件，從而保證變壓器差動保護的可靠性：當直流分量衰減系數小于限值時，制動降低二次諧波含量，避免發生故障時變壓器差動保護發生閉鎖；而當直流分量衰減系數超過限值時，制動增加二次諧波的含量，避免過小的二次諧波造成變壓器差動保護誤動作。具體公式如下：

式中，k2nd_set表示二次諧波的限值；k1表示二次諧波限值的自適應系數；kdc_set表示衰減直流的內部限值。

4 結 論

本文通過對常用二次諧波制動方式的分析，提出了一種利用各相二次諧波含量平均值結合勵磁涌流直流分量自適應調節二次諧波含量的單相制動方式。該方式可以根據勵磁涌流直流分量的大小對二次諧波進行自動調節，有效提高了變壓器差動保護動作的可靠性。

［1］ 賀家李.電力系統繼電保護原理［M］.北京：中國電力出版社，2010.

［2］ 李 晨.南京20 k V配電試點項目的經濟性分析［J］.供用電，2008，25（5）：21-22.

［3］ 戴紹勇.淺談主變差動保護的兩種相位補償方式［J］.電力系統保護與控制，2008，36（20）：72-74.