淺析勵磁涌流對變壓器縱差動保護的影響

張慧慧（廣東省水利水電第三工程局有限公司，廣東 東莞 523710）

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淺析勵磁涌流對變壓器縱差動保護的影響

張慧慧
（廣東省水利水電第三工程局有限公司，廣東 東莞 523710）

摘 要：變壓器在電力系統(tǒng)中起著關(guān)鍵的作用，所以在其運行中要設(shè)置各種保護，縱差動保護就是眾多保護中的一種。縱差動保護在對其進行保護時要躲過不平衡電流，才不致誤判斷，誤動作。但是在變壓器空載合閘時會產(chǎn)生勵磁涌流，它是額定電流的6～8倍，如何抑制其對縱差動保護的影響，本文將從勵磁涌流產(chǎn)生的原因等方面進行闡述。

關(guān)鍵詞：變壓器；差動保護；勵磁涌流；短路電流；小波變換；速飽和變流器；二次諧波制動

電力變壓器在電力系統(tǒng)中有著舉足輕重的作用，變壓器的故障會對電力系統(tǒng)的可靠運行及工業(yè)生產(chǎn)帶來嚴重影響。我們都知道變壓器故障不外乎就是兩種：一是油箱內(nèi)部故障，一是油箱外部故障。無論是哪種故障，對變壓器而言都是十分危險的，所以在變壓器運行過程中，要設(shè)置專門的保護對各種故障作出預(yù)警或是跳閘動作。縱差動保護是通過比較變壓器兩側(cè)電流矢量而作出動作的一種保護裝置。

縱差動保護接線圖如圖1所示。

我們知道，縱差動保護是通過選擇變壓器兩側(cè)電流互感器的變比，使得I11=I22，但是流經(jīng)變壓器某一側(cè)的勵磁電流通過電流互感器反應(yīng)到差動回路的電流不能被平衡，即存在不為零的△I=I11-I22，而且這是在正常運行下不可避免的，所以縱差動保護動作就要躲開不平衡電流，但此電流不超過2%～10%Ie。然而在變壓器空載投入或是故障切除后電壓恢復(fù)時，就可能出現(xiàn)很大的勵磁電流，此值約為6～8Ie，這就會造成縱差動保護誤動作。為什么會出現(xiàn)這么大的勵磁電流呢？

變壓器在穩(wěn)態(tài)工作下，磁通滯后于電壓90°，其二者關(guān)系的波形圖如圖2所示。

從圖2中可以看出，如果變壓器空載合閘時，正好在u（ωt）=0時接通電路，則變壓器鐵芯中具有最大磁通-Φm。由于磁通不能突變，變壓器鐵芯中不能馬上產(chǎn)生最大磁通-Φm，而是隨著電壓的變化，磁通由0逐漸增加，與外加電壓u （ωt）形成新的波形關(guān)系，如圖3所示，且Φ（ωt）在電壓變化半個周期后，達到2Φm，如果此時變壓器鐵芯中還存在剩磁Φs的話，則鐵芯中總磁通將達到2Φm+Φs。

這時變壓器鐵芯中的磁通就會嚴重飽和，從而導(dǎo)致勵磁電流IL急劇增加，甚至達到6～8的額定電流，此電流稱之為勵磁涌流。勵磁涌流中含有大量的非周期分量和高次諧波分量，其在變壓器由暫態(tài)向穩(wěn)態(tài)過渡的過程中逐漸衰減，其衰減時間與剩磁的大小和方向及回路阻抗的大小、電源容量的大小等有關(guān)。從變壓器穩(wěn)態(tài)運行時磁通與外加電壓的波形關(guān)系圖可以看出，對于單相變壓器，如果在其空載合閘時u（t）恰為最大值，勵磁涌流即可避免，但對于三相變壓器，由于三相電壓存在相位差，所以無論選擇何時合閘，總會有兩相出現(xiàn)不同程度的勵磁涌流。既然勵磁涌流難以避免，那么如何防止勵磁涌流對變壓器縱差動保護的影響，這就需要知道勵磁涌流所具有的特性。有實驗數(shù)據(jù)表明，勵磁涌流具有以下特點：（1）含有非周期分量；（2）含有高次諧波；（3）波形間斷，且只存在于X軸的一側(cè)。其波形圖如圖4所示。針對勵磁涌流特點，可采用以下幾種方法防止勵磁涌流對縱差動保護的影響。

圖1

（1）利用勵磁涌流和短路電流的區(qū)別

勵磁涌流的特點上面已經(jīng)描述，下面為了簡便起見，我們以單相變壓器為例來說明其發(fā)生短路時，所產(chǎn)生的電流特點。變壓器空載時等效電路如圖5所示（從一次繞組看進去）。

其中：r1為變壓器一次側(cè)電阻，x1為變壓器一次側(cè)電抗，rm為變壓器鐵芯損耗的等效電阻，xm為變壓器主磁通在鐵芯中產(chǎn)生的等效電抗。從變壓器空載時的等效電路可以看出，當(dāng)變壓器二次側(cè)發(fā)生短路時，其二次側(cè)電流將會變得很大，從而可以忽略勵磁電流的存在，那么變壓器二次側(cè)短路后，其等效電路將會變?yōu)椋▓D6）。

圖2

圖3

設(shè)變壓器二次側(cè)突發(fā)短路時，電壓相角為ψ，則u（t）=Umsin（ωt+ψ），那么由上等效電路可以得出：

圖4 勵磁涌流波形

圖5 變壓器等效電路

圖6 變壓器二次側(cè)短路時等效電路

解上微分方程得：

i（t）=Isin（ωt+θ-ψ）+Ce-τt

其中：I為短路電流有效值，θ為短路阻抗角，τ為衰減時間常數(shù)。從短路電流公式可以看出，其由兩部分組成，一個是三角諧波周期分量，一個是隨時間衰減的非周期分量。利用小波變換原理，我們可以準(zhǔn)確地提取信號特征，它不僅可以檢測信號的奇異點，還可以檢測其模量局部極大值。勵磁涌流波形只存在于時間軸的一側(cè)，那么通過小波變換，其至少存在兩個連續(xù)的局部模極大值，而變壓器短路電流經(jīng)過小波變換后其各個局部模極大值任然是正負交替的，所以我們可以通過小波變換來區(qū)分勵磁涌流和變壓器故障電流，從而避免縱差動保護誤判斷。

（2）采用速飽和變流器

速飽和變流器的工作原理就是在差動回路中接入帶速飽和特性的中間變流器BLH，它可以有效防止暫態(tài)過程中的不平衡電流。下面是電流周期分量和非周期分量在接有中間變流器的差動回路中與磁感應(yīng)強度B和磁滯回線的關(guān)系圖（圖7）。

從圖7可以看出，當(dāng)電流為三角諧波時，磁感應(yīng)強度B的變化△B很大，這樣就會在二次線圈中產(chǎn)生較大的感應(yīng)電動勢，從而使繼電器動作，而當(dāng)電流為非周期分量時，磁感應(yīng)強度變化很小，那么其在二次線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢也就很小，不易引起繼電器動作。由于勵磁涌流為非周期分量，那么通過這種方式就可以使勵磁涌流得到抑制。然而變壓器故障短路電流含有隨時間衰減的非周期分量，在其非周期分量未衰減完畢之前，繼電器也不能動作，這樣就延遲了變壓器故障的切除時間，這對變壓器保護是極其不利的。我們知道衰減時間常數(shù)與所保護變壓器的容量成正比，那么變壓器容量越大，其非周期分量衰減時間就越長，縱差動保護動作時間也就越長，所以采用速飽和變流器抑制勵磁涌流的方法是有一定局限性的。

（3）利用二次諧波制動

二次諧波制動回路由電抗互感器、電容、整流橋及電阻等組成，電抗互感器的一次線圈接在差動回路中，在正常運行時，通過其一次線圈的電流為不平衡電流，當(dāng)被保護變壓器故障時，通過其一次線圈的電流是故障電流。而電抗互感器的二次線圈勵磁阻抗與電路中的電容可以組成并聯(lián)諧振回路，從而對二次諧波分量就會呈現(xiàn)出較大的阻抗，那么其對應(yīng)的輸出電壓也就會很大，將此電壓整流濾波后，就可以得到二次諧波制動電壓。上面我們已經(jīng)知道勵磁涌流含有少量的高次諧波，短路電流含有大量的二次諧波，所以通過調(diào)節(jié)二次諧波制動回路中的調(diào)節(jié)電阻來改變二次諧波制動效果，從而實現(xiàn)對勵磁涌流和故障短路電流的區(qū)分，以防止縱差動保護的誤判斷。

結(jié)語

綜上所述，上面三種方法都可以防止勵磁涌流對差動保護的干擾，但在實際應(yīng)用中速飽和變流器和二次諧波制動都有一定的局限性，而基于小波變換理論的區(qū)分勵磁涌流和故障電流的方法有著其獨特的優(yōu)越性，其將在實際應(yīng)用得到廣泛推廣。

參考文獻

［1］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.

中圖分類號：TM407

文獻標(biāo)識碼：A