變壓器勵磁涌流對差動保護的影響及解決方法的探討

安曉龍，王樹達，陳亮，陳娟

(1.海洋石油工程股份有限公司設(shè)計公司，天津 300451;2.遼河油田公司金馬油田開發(fā)公司，遼寧 盤錦 124010)

1 引言

隨著海洋石油工程電力系統(tǒng)的發(fā)展，由多個子系統(tǒng)獨立運行向并網(wǎng)運行轉(zhuǎn)變，電力系統(tǒng)規(guī)模逐步擴大，對電力設(shè)備提出了更高的要求。變壓器已成為電力系統(tǒng)的樞紐，其安全可靠運行是電力系統(tǒng)運行的關(guān)鍵。

差動保護作為變壓器的主保護能否正確動作是變壓器保護的關(guān)鍵問題。而差動保護能否正確動作主要受很多以下幾個因素的影響:變壓器的接線組別;變壓器分接頭調(diào)節(jié)導致的變比改變;差動保護CT接線方式;變壓器勵磁涌流。針對前三項，通過注意CT接線和在差動保護裝置中的變比補償和矢量補償?shù)确椒?，通?？梢缘玫捷^好的解決;對于勵磁涌流的影響，差動保護裝置中雖然也有相應(yīng)的閉鎖，但實際應(yīng)用中效果并不理想。

2 勵磁涌流的產(chǎn)生機理及特點

勵磁涌流是變壓器在空載合閘投入電網(wǎng)或外部故障切除后電壓恢復時，在變壓器線圈內(nèi)所引起的沖擊電流。

下面以單相變壓器為例分析勵磁涌流的產(chǎn)生。在忽略變壓器及合閘回路電阻的影響前提下，電源電壓的波形為正弦波，則空載合閘瞬間變壓器鐵芯中的磁通與外加電壓的關(guān)系為［1］:

其中，N為變壓器空載合閘側(cè)繞組的匝數(shù);Φ為鐵芯中的磁通;Um為電源電壓幅值;ω為角速度，當頻率為50Hz時，ω=314;ω為空載合閘時電源電壓的合閘角。

由(1)式變形、積分可得式中，C為積分常數(shù)，由合閘時鐵芯剩磁決定。當t=0時

式中，Φs為合閘前鐵芯中的剩磁。

將(3)式代入(2)式，并考慮到合閘回路(主要為變壓器繞組)的阻抗及損耗得

式(4)中，第一項為磁通的強迫分量，第二項為磁通的自由分量。根據(jù)式(4)，若不考慮自由分量的衰減并設(shè)合閘角α=0，剩磁Φs=0.9Φm，在合閘瞬間變壓器鐵芯中的綜合磁通變化如圖1所示。

圖1 單相變壓器空載合閘時鐵芯磁通的變化波形

由圖1可以看出鐵芯中磁通峰值出現(xiàn)在合閘后經(jīng)過半個周期，達到2.9Φm。

圖2 單相變壓器的空載合閘勵磁涌流

圖2中變壓器磁化曲線可近似看作由直線0－P1，和P1－P2所組成的折線，P1點所對應(yīng)的磁通Φb為飽和磁通［2］。

變壓器正常運行時，鐵芯未飽和，產(chǎn)生的勵磁涌流很小?？蛰d合閘或切除外部故障時，若變壓器鐵芯嚴重飽和，勵磁電流將會急劇增加，從而形成勵磁涌流。

勵磁涌流通常有以下特點:

(1)勵磁涌流的大小與合閘角、鐵芯剩磁的大小和方向，以及鐵芯的特征有關(guān)。

(2)勵磁涌流的數(shù)值很大，最大可達額定電流的8～10倍。變壓器容量越大，阻抗值越大，該倍數(shù)值越低;但絕對值還是容量大的變壓器勵磁電流更大一些，依然不容忽略。

(3)勵磁涌流只出現(xiàn)在變壓器空載合閘一側(cè)［3］。

(4)勵磁涌流含有大量的直流分量、基波分量和高次諧波含量(主要是二次和三次諧波)，因此勵磁涌流的變化曲線為尖頂波［4］。因含有直流分量，其波形偏向時間軸的一側(cè)，有很大的間斷角。

(5)勵磁電流會隨時間衰減。衰減常數(shù)與鐵芯飽和程度有關(guān)，飽和越深，電抗越小，衰減越快。因此開始衰減很快，以后逐漸減慢。

(6)一般情況下容量越大，變壓器抗阻比X/R越大，衰減常數(shù)越大，衰減的越慢。對于小容量的變壓器，約在幾個周波即達到穩(wěn)定;大型變壓器，全部衰減持續(xù)時間可達幾十秒［4］。

3 勵磁涌流對差動保護的影響及解決方法

在變壓器正常和外部故障時，變壓器原副邊側(cè)流入和流出的一次電流之和等于零，差動保護繼電器不動作。當變壓器內(nèi)部發(fā)生故障時，連接變壓器各側(cè)的電源都向變壓器供給短路電流，各側(cè)提供的短路電流之和，流入差動保護繼電器，差動保護繼電器動作，瞬時切除故障。由于變壓器勵磁涌流與內(nèi)部短路時電流有一定相似性，對于差動回路而言都是不平衡電流，可能會引起差動保護誤動作。

為了防止差動保護誤動作，具體的措施有兩大類:一類是抑制勵磁涌流的產(chǎn)生;另一類是對差動保護進行優(yōu)化，避免受勵磁涌流的影響。

3.1 抑制勵磁涌流的方法

抑制勵磁涌流產(chǎn)生不但可以防止差動保護誤動作，而且可以避免勵磁涌流引起的絕緣變壞和對變壓器自身結(jié)構(gòu)和臨近設(shè)備帶來的沖擊。具體主要有以下幾種［5］:

(1)控制三相開關(guān)合閘時間(角度)法

控制三相的合閘時刻，使鐵芯中的磁通在空載合閘時不發(fā)生突變，避免鐵芯磁通飽和，從而有效的抑制勵磁涌流。合閘時刻與鐵芯中的剩磁有關(guān)，由于剩磁有著多種分布形式，相應(yīng)的也有不同的合閘策略。

此種方法最佳情況時，勵磁涌流的幅值可以削減98%。但在實際應(yīng)用中，還會受到斷路器機械合閘時間的偏差，斷路器的前擊，剩磁測量的誤差，變壓器鐵芯和繞組配置的變化等多種因素的影響。

(2)內(nèi)插電阻法

基于變壓器空載合閘時三相勵磁涌流不平衡的原理，在三相變壓器的中性點處聯(lián)接一個接地電阻，以承受這種不平衡電流，從而使得變壓器的勵磁涌流得以衰減。這個接地電阻還可以減弱施加在變壓器鐵芯上的電壓，以阻止鐵芯的飽和。

此法簡單易行，額外的開銷較少，但此法在變壓器三相同時合閘時作用不大，且對勵磁涌流的幅值只能削減約40%，且在接地電阻和延遲時間的選擇上還需做進一步研究。

(3)改變變壓器繞組的分布法

通過改變變壓器原邊或副邊線圈繞組的分布，以增加暫態(tài)或涌流時的等效電感，來抑制勵磁涌流。此法從本質(zhì)著手，從一個嶄新的角度思考，對變壓器工藝的改造有著借鑒之處。但由于應(yīng)用此法時需改變變壓器的結(jié)構(gòu)，同時會帶來其他的問題，使其發(fā)展有一定的局限性。

3.2 差動保護的優(yōu)化方法

對差動保護進行優(yōu)化，將勵磁涌流與內(nèi)部故障電流區(qū)分開來，在出現(xiàn)勵磁涌流時將差動保護閉鎖，保護不動作，從而達到防止差動保護誤動作的目的。具體的方法主要有［6］:

(1)二次諧波制動法

此法的原理是利用差動電流中的二次諧波與基波模值比(二次諧波制動比)來判斷是否存在勵磁涌流。目前此法已在國內(nèi)外實際保護裝置中廣泛應(yīng)用。

勵磁涌流中的二次諧波含量主要與合閘角、鐵芯中的剩磁、鐵芯結(jié)構(gòu)材料及系統(tǒng)阻抗等相關(guān)，隨著現(xiàn)代變壓器制造技術(shù)及應(yīng)用材料的發(fā)展，變壓器勵磁特性發(fā)生變化，使得涌流時二次諧波含量降低，從而易引起差動保護誤動作［7］。

(2)間斷角識別法

間斷角識別法利用勵磁涌流波形有較大間斷角的特征，通過檢測差流間斷角的大小實現(xiàn)鑒別涌流的目的。此法在實際保護裝置中已得到應(yīng)用，但面臨著因電流互感器傳變引起的間斷角變形問題。當電流互感器飽和時，在涌流間斷角區(qū)域?qū)a(chǎn)生反向電流，飽和越嚴重則反向電流越大，最終使得涌流間斷角消失;對于內(nèi)部故障電流而言，電流互感器飽和將導致差流間斷角增大，飽和越嚴重則差流間斷角越大。前者將使得變壓器發(fā)生涌流時差動保護誤動，后者將使得變壓器內(nèi)部故障時差動保護拒動。

(3)波形對稱法

波形對稱法是利用差電流導數(shù)的前半波與后半波進行對稱比較，根據(jù)比較的結(jié)果去判斷是否發(fā)生了勵磁涌流，對稱的定義由下式給出:

式中，I'i為差電流導數(shù)前半波第i點的數(shù)值;I'i+180為后斑駁對應(yīng)第i點的數(shù)值;K為比較閥值。

當?shù)趇點的數(shù)值滿足(6)式時稱為對稱，否則稱為不對稱。連續(xù)比較半個周期，對于內(nèi)部故障，(6)式恒成立;對于勵磁涌流，至少有1/4周期以上的點不滿足。

此法是間斷角法的推廣，且比間斷角法容易實現(xiàn)。但涌流波形具有不確定性、多樣性，如果K值取得太大，保護可能誤動。而且故障電流也并非總是正弦波，當系統(tǒng)中有分布電容較大的電纜線路存在時，故障波形中含有大量諧波，此時若K取值太小，保護就可能拒動。電流互感器的飽和也必將引起差電流變形。

另外還有很多新的判別方法，如利用尖頂波特征法、磁通特性識別法、勵磁阻抗變化法、差有功法、智能理論識別法等等。

4 結(jié)論

在文昌油田中，應(yīng)用了控制合閘時間(角度)法來抑制勵磁涌流，但受斷路器合閘精度的限制，效果并不理想。

目前海洋石油工程電力系統(tǒng)中，主要是應(yīng)用二次諧波制動法來抑制勵磁涌流的影響。通常二次諧波制動比取15%～20%。此外有些廠家的保護裝置，在采用二次諧波制動法的同時，還采用五次諧波制動法，其原理與二次諧波制動法相同，五次諧波制動比通常取30% ～50%。

已應(yīng)用于實際的一些解決方法隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展面臨著新的考驗，需要不斷改進。國內(nèi)外學者專家通過研究和試驗，提出了許多不同的新方法，其中大多數(shù)進行的動模實驗和仿真證明具有比較高的靈敏度和可靠性，但離保護的具體實現(xiàn)還有一段距離。從現(xiàn)在的發(fā)展趨勢看，多種方法的結(jié)合將會越來越多的投入應(yīng)用，在解決勵磁涌流對差動保護影響方面起到更大的作用。

［1］葛來龍，倪維東，朱桂權(quán).空投變壓器的勵磁涌流分析及相關(guān)應(yīng)用［J］.裝備制造技術(shù)，2009，10:160 －163.

［2］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.

［3］李洪海.變壓器勵磁涌流對差動保護的影響分析［J］.建筑電氣，2000，3:20 －22.

［4］回志澎，劉敏.艦船大容量變壓器勵磁涌流的故障識別［J］.船電技術(shù)，2008，6:333 －336.

［5］陳艷，陳小川，高仕斌.幾種削減變壓器勵磁涌流的方法［J］.高壓電器，2005，41(4):282 －285.

［6］徐策，馬靜.變壓器勵磁涌流識別技術(shù)及其發(fā)展方向［J］.電氣傳動，2007，26(1):89 －92.

［7］周琳.變壓器空載投入躲勵磁涌流問題的探討［J］.供用電，2007，24(4):37－39.