變壓器空投匝間故障特征及機制

郭曉，行武，胡兵，王哲

(南京國電南自電網自動化有限公司，南京 211151)

變壓器空投匝間故障特征及機制

郭曉，行武，胡兵，王哲

(南京國電南自電網自動化有限公司，南京 211151)

變壓器空投于單相匝間故障時，由于閉鎖判據直接閉鎖三相，導致單相匝間故障無法快速切除，威脅變壓器安全運行。通過建立變壓器匝間故障等效模型，推導出了空投于匝間故障時勵磁繞組磁通的解析表達式，并對系統阻抗及故障匝數對故障特征的影響進行了分析，得出系統阻抗越大空投匝間時越不易發生勵磁涌流，以及匝間故障匝數越多空投匝間時越不易勵磁涌流的結論。利用PSCAD軟件進行仿真，驗證了結論的正確性，為差動保護閉鎖判據及閉鎖方案的選擇提供了理論依據。

匝間短路；勵磁涌流；系統阻抗；PSCAD軟件

0 引言

變壓器保護一直是電力系統繼電保護的重點，關系到整個系統的安全穩定。統計資料顯示，變壓器匝間短路占電力系統大型變壓器故障的50%～60%。繼電保護裝置在保證系統安全、穩定和經濟運行等方面起著不可替代的作用，差動保護作為變壓器的主要保護，可以在故障發生幾十ms內迅速切除，對變壓器進行可靠保護。而作為主保護的差動保護，在由于鐵芯非線性而導致合閘時產生勵磁涌流的情況下，應盡可能避免誤動作。工程上廣泛采用二次諧波制動判據、間斷角判據和波形對稱判據等，在變壓器空投時都能可靠地閉鎖差動保護，防止保護誤動[1-2]；但是，由于存在閉鎖判據及閉鎖方案不合理，導致變壓器在空投于匝間故障時，差動保護被閉鎖，無法快速切除故障，只有等到涌流衰減后才能動作切除故障，切除故障時間基本都在上百ms，使得故障進一步發展，導致變壓器嚴重損壞，威脅電網的安全穩定運行。

目前，國內外對變壓器的研究大多集中在勵磁涌流產生的機制、勵磁涌流的特征以及勵磁涌流的識別方法等方面[3-10]；同時，也有大量文獻對變壓器匝間故障進行了分析，對匝間故障模型及故障特征進行了深入的討論，并提出了相應的方法和判據[11-13]。雖然變壓器空載合閘勵磁涌流及匝間故障都得到了充分的研究和分析，但變壓器空載合閘于匝間故障的相關研究較少，更是鮮有文獻通過理論公式對其特征進行分析及研究，導致對變壓器空載合閘于匝間故障的特征研究不夠充分，使得工程應用中勵磁涌流閉鎖判據及組合閉鎖方案的選擇沒有可靠的理論依據，大大延長了變壓器空投匝間故障的切除時間。因此，對變壓器空載合閘于匝間故障的理論分析具有重要的意義。

1 變壓器空投匝間故障原理分析

圖1所示為變壓器空投匝間故障模型，圖中：R1為變壓器系統側電阻；L1為系統電感和變壓器漏感之和；L2為匝間故障漏感；Lμ為變壓器勵磁電感；u1為系統電壓；i1為變壓器原邊電流；i2為變壓器匝間短路電流；iμ為勵磁電流。

圖1 變壓器空投匝間電路模型

由圖1可以列出以下方程

(1)

式中：Φ為磁通。

由式(1)可得

(2)

一般來說，變壓器空投匝間故障相發生勵磁涌流時，i1和i2不相等，未發生勵磁涌流時可認為i1=i2。為了進一步對空投匝間故障進行進一步分析，假設空投瞬間變壓器鐵芯未飽和，所以可取i1≈i2，則由式(1)可得

(3)

取u1=u1msin(ωt+α)(u1m為系統電壓峰值；ω為系統角頻率；α為合閘時刻電壓的相角)，且令合閘時刻i1(0)=0，則由式(3)可求得

將式(4)代入式(2)，并對其積分，由于磁通不能突變，在不考慮剩磁的情況下，取Φ(0)=0，則可求得

(5)

式中：Z為等值變壓器總阻抗；Z1為等值變壓器原邊阻抗；Z2為等值變壓器匝間短路阻抗。

一般來說,系統阻抗多為感性，且系統阻抗角接近90°，變壓器的漏感遠大于電阻，因此取θ0=0°，δ0=90°；同時Z≈Z1+Z2，令Φm=u1m/ω，所以式(5)可化簡為

(6)

2 變壓器空投匝間故障特征分析

由上一節推導的磁通計算式可以看出，變壓器空載合閘于匝間故障時，鐵芯是否會飽和，除了與變壓器合閘時電壓的相角有關外，還與系統阻抗及匝間故障時故障匝數有關。合閘角對變壓器勵磁涌流的影響已經有大量的文獻對其進行了研究，本文不再贅述，以下主要對系統阻抗與匝間故障時故障匝數對變壓器勵磁涌流的影響進行分析。

2.1 系統阻抗對故障特征的影響

當系統阻抗與Z2接近時，可知Z≈2Z2，這時鐵芯磁通可能的最大值為Φm，而目前大多數大型變壓器鐵芯的飽和磁通約為1.1Φm，小型變壓器的飽和磁通更大，因此可知：當系統阻抗≥Z2時，變壓器空投于匝間故障，故障相變壓器鐵芯磁通不會大于飽和磁通，變壓器不會發生勵磁涌流，變壓器空投匝間時電流僅為故障電流，無涌流成分。

2.2 不同故障匝數對故障特征的影響

由式(5)可知，故障匝數會直接影響Z及Z2的大小，所以Z2/Z的大小不確定，需要進一步分析。上一節公式推導中Z2均為Z2′等效到繞組1的阻抗，如圖2所示(圖中：K為等效變比，K=n1/n2；n1為非故障匝數；n2為故障匝數；Z2′為匝間故障繞組漏抗；繞組1為非故障線圈；繞組2為變壓器同一側的故障線圈)。

圖2 變壓器空投匝間阻抗模型

由圖2可知：

(7)

為了定性地分析故障匝數對Z2/Z的影響，以下分析忽略系統阻抗ZS的影響，同時取ZT=1 Ω，雖然系統阻抗會影響Z2/Z的具體數值，但是不會影響數值大小趨勢，因此不會對分析結果產生影響。在不同故障匝數情況下對Z2/Z進行分析計算，其結果見表1。

表1 阻抗比值分析結果

由表1可知：隨著故障匝數的增加，Z2的值迅速減小，衰減時間t2=(L1+L2)/R1及Z2/Z的值也隨著故障匝數的增加而逐漸減小，導致變壓器空載合閘于匝間故障時的磁通最大值也降低，變壓器鐵芯不易出現飽和，且衰減速度加快，有明顯的衰減特征。

表1的分析計算結果忽略了系統阻抗，實際情況下加上系統阻抗的影響，Z2/Z的值會進一步減小，在系統阻抗與故障匝數的雙重影響下，變壓器空載合閘于匝間故障時鐵芯的磁通大大減小，使得變壓器鐵芯難以飽和，不易發生勵磁涌流。

3 仿真驗證

本節通過電磁暫態仿真程序對前述分析和結論進行驗證。仿真系統模型如圖3所示，系統電源參數為：線電壓有效值，525kV；頻率，50Hz；相角，0°；內阻，電阻電感模型。變壓器采用統一等效磁路(UMEC)模型,雙繞組額定電壓為525kV/230kV，容量為100MV·A，頻率為50Hz，短路電抗為0.2(標幺值)，空載損耗為0.000 07(標幺值)，短路損耗為0.008(標幺值)。

圖3 仿真系統模型

選擇電磁暫態仿真軟件PSCAD/EMTDC中的變壓器統一等效磁路模型(UMEC)進行仿真。UMEC變壓器模型是完全基于鐵芯的幾何結構，計及同相繞組的磁耦合關系、鐵芯非線性、鐵磁材料的磁滯效應等，與工程實際吻合較好，較適合變壓器鐵芯飽和特性的研究[14]。

仿真中變壓器采用的磁化曲線如圖4所示，此磁化曲線為ODFS-250MVA/500kV變壓器的實測磁化曲線，可以更精確地模擬實際情況。仿真中為了消除合閘初相角對變壓器空載合閘于匝間故障的影響，合閘角固定為0°，在變壓器鐵芯較容易飽和的合閘時刻進行合閘，可以更加明顯地體現系統阻抗以及故障匝數對空投匝間故障的影響。

圖4 磁化曲線

仿真中通過#2，#3，#4繞組模擬500kV側繞組，在#3繞組出口設置短路故障模擬變壓器匝間故障，對#3繞組設置不同的電壓，模擬不同故障匝數的匝間故障。

在實測磁化曲線下，對不同系統阻抗及不同故障匝數對變壓器空投匝間故障的影響進行了仿真，由于篇幅有限，文中僅列出4種情況下的仿真結果，如圖5～圖8所示。

圖5 系統阻抗為15 Ω時的故障電流波形

圖6 系統阻抗為32 Ω時的故障電流波形

圖7 故障匝數比例為5%時的故障電流波形

圖8 故障匝數比例為40%時的故障電流波形

由圖5和圖6的仿真結果可知：系統阻抗會對變壓器空投匝間故障特征產生一定的影響，系統阻抗越大，變壓器空投匝間時涌流越小，涌流特征越不明顯，變壓器鐵芯越不易飽和。

由圖7和圖8的仿真結果可知：故障匝數也會對變壓器空投匝間故障特征產生一定的影響，故障匝數越多，變壓器空投匝間時涌流越小，涌流特征越不明顯，變壓器鐵芯越不易飽和，且衰減速度加快，有明顯的衰減特征。

仿真結果驗證了本文分析的正確性，即系統阻抗及故障匝數會對變壓器空投匝間故障特征產生一定的影響。

4 結論

本文對變壓器空載合閘于匝間故障進行了詳細的理論推導和分析，并利用PSCAD進行建模和仿真驗證，得出了以下結論。

(1)系統阻抗越大，變壓器空投匝間時鐵芯磁通越小，鐵芯越不易飽和，故障電流中涌流成分越小。

(2)故障匝數越多，變壓器空投匝間時鐵芯磁通越小，鐵芯越不易飽和，故障電流中涌流成分越小。

勵磁涌流是導致變壓器差動保護誤動的主要因素，為了防止誤動，保護增加了各種閉鎖判據，大大延長了變壓器空投匝間故障的切除時間，威脅變壓器安全運行。本文結論為分析和解決工程應用中勵磁涌流閉鎖判據及組合閉鎖方案的選擇提供了可靠的理論依據。

[1]熊小伏，王嬙，陳星田.一種基于電流比變化量的變壓器匝間短路保護方法[J].電力系統保護與控制，2013，41(9)：112-115.

[2]林湘寧，劉沛，劉世明，等.變壓器有載合閘的超飽和現象及對變壓器差動保護的影響[J].中國電機工程學報，2002，22(3)：6-11.

[3]徐宏雷，鄭偉，王維洲，等.750 kV變壓器高壓側空載合閘過電壓因素分析[J].電力自動化設備，2011，31(8)：148-152.

[4]畢大強，王祥珩，王劍，等.基于非飽和區等效瞬時電感的變壓器勵磁涌流鑒別方法[J].電力自動化設備，2005，25(10)：1-6.

[5]孫向飛，束洪春，于繼來.變壓器并聯與串聯和應涌流對差動保護影響的比較研究[J].電力自動化設備，2009，29(3)：36-41.

[6]武萬才，邊疆，吳志勇.變壓器和應涌流產生機理及其特性分析[J].電力自動化設備，2011，31(6)：112-115.

[7]王樹剛，陸鐘華，胡兵，等.變壓器經濟運行及勵磁涌流抑制技術研究[J].華電技術，2015，37(8)：10-14.

[8]卜繁薇，林西國.過激磁對RET316型變壓器差動保護的影響[J].華電技術，2013，35(8)：31-35.

[9]傅偉，趙莉華，梁勇，等.多臺變壓器空載合閘勵磁涌流及其抑制方案的研究[J].電力系統保護與控制，2015，43(1)：28-33.

[10]郝治國，張保會，褚云龍，等.變壓器空載合閘勵磁涌流抑制技術研究[J].高壓電器，2005，41(2)：81-84.

[11]楊理才，孫結中，劉蔚，等.變壓器匝間短路建模及其實際應用[J].電力系統保護與控制，2014，42(8)：140-145.

[12]王成，黃宏華.電力變壓器匝間短路故障分析及處理[J].電力科學與工程，2012，28(1)：46-49.

[13]廖洪濤.電流二次回路兩點接地引起主變壓器差動保護區外故障誤動分析[J].華電技術，2015，37(1)：55-57.

[14]焦在濱，行武，王釗，等.變壓器勵磁涌流負序二次諧波特征及機理[J].電力系統自動化，2015，39(11)：146-151.

(本文責編：劉芳)

2017-02-19；

2017-03-16

TM 774

A

1674-1951(2017)04-0004-04

郭曉(1982—)，男，山東淄博人，工程師，工學碩士，從事電力系統繼電保護研究(E-mail:xiao-guo@sac-china.com。

行武(1988—)，男，陜西渭南人，工程師，工學碩士，從事電力系統繼電保護研究(E-mail:wu-xing@sac-china.com)。

胡兵(1984—)，男，江西南昌人，工程師，工學碩士，從事電力系統繼電保護研究(E-mail:bing-hu@sac-china.com)。

王哲(1990—)，男，江蘇南京人，工程師，工學碩士，從事電力系統繼電保護研究(E-mail:zhe-wang@sac-china.com)。