勵磁涌流對變壓器差動保護(hù)的影響分析及對策探討

索　娜，郭麗娜，劉士華

(1.鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州　450052；2.國家電投集團(tuán)河南電力有限公司，河南 鄭州　450016)

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勵磁涌流對變壓器差動保護(hù)的影響分析及對策探討

索娜1，郭麗娜1，劉士華2

(1.鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州450052；2.國家電投集團(tuán)河南電力有限公司，河南 鄭州450016)

摘要：大型變壓器在空載合閘或切除故障后恢復(fù)供電時，因為勵磁涌流的存在，會導(dǎo)致變壓器差動保護(hù)裝置發(fā)生誤動或拒動，從而影響電力系統(tǒng)的正常運行。分析變壓器差動保護(hù)的工作原理，研究變壓器勵磁涌流產(chǎn)生的原因和特點，對比分析當(dāng)前所采用的4種抑制勵磁涌流的措施，為解決變壓器保護(hù)裝置的誤動或拒動提供幫助。

關(guān)鍵詞：差動保護(hù)；勵磁涌流；變壓器

作為供電系統(tǒng)中重要的電氣設(shè)備，變壓器的安全、可靠運行對于整個電力系統(tǒng)是非常重要的。我國目前普遍采用差動保護(hù)作為變壓器的主保護(hù),但是，當(dāng)變壓器空載合閘或故障切除后恢復(fù)供電時產(chǎn)生的勵磁涌流給差動保護(hù)帶來了很多干擾,導(dǎo)致差動保護(hù)不能精準(zhǔn)地分辨變壓器發(fā)生的是內(nèi)部故障還是外部故障,進(jìn)而導(dǎo)致保護(hù)裝置發(fā)生誤動或拒動。通過分析變壓器勵磁涌流形成的原因，研究抑制變壓器勵磁涌流的方法，從而保證變壓器保護(hù)裝置的可靠動作。

1差動保護(hù)原理

變壓器的差動保護(hù)采用的是縱差保護(hù)，它是按照循環(huán)電流原理構(gòu)成的，原理接線圖如圖1所示。圖1中，在變壓器的原邊和副邊各裝設(shè)一個電流互感器(CT)，電流互感器的二次繞組按環(huán)流原則串聯(lián)，差動繼電器并接在差回路中，當(dāng)變壓器處于正常運行狀態(tài)或者發(fā)生的是外部故障時，電流則由電源側(cè)流向負(fù)荷側(cè)。

圖1　變壓器縱差保護(hù)原理接線圖

(1)

即

(2)

式中:ni1、ni2分別為TA1、TA2的變比；KT為變壓器的變比。

如果滿足上述條件，當(dāng)變壓器處于正常運行狀態(tài)或發(fā)生縱差保護(hù)范圍外故障時，流入差動繼電器的電流為

(3)

(4)

2勵磁涌流產(chǎn)生的原因及其特點分析

2.1勵磁涌流產(chǎn)生機(jī)理

為了使問題簡化，下面就以單相變壓器為例來分析當(dāng)變壓器空載合閘時，產(chǎn)生勵磁涌流的原因。

生產(chǎn)和生活中所使用的交流電均為標(biāo)準(zhǔn)正弦波。當(dāng)變壓器空載合閘瞬間，其鐵芯中的磁通量與電源電壓的關(guān)系應(yīng)該為

(5)

式中：W為繞組匝數(shù)；Φ為鐵芯中的磁通；Um為電源電壓幅值；α為合閘角。

由式(5)可得

(6)

對式(6)進(jìn)行積分，可得

(7)

在式(7)中，C為積分常數(shù)，由初始條件確定。

當(dāng)t=0時，則

(8)

在式(8)中，Φs為合閘前鐵芯剩余磁通。將式(8)代入到式(7)中，同時考慮到電源回路及變壓器繞組的有效電阻及損耗，可以得到

(9)

在式(9)中，T為時間常數(shù)，T的大小取決于合閘回路的損耗及XL。

圖2　空投變壓器時變壓器鐵芯中的磁通變化波形

通過上述分析可以知道，當(dāng)以下條件同時成立時就會導(dǎo)致勵磁涌流的增大：

(1)初始合閘角為0°。

(2)Φs=0.9Φm。

(3)Φmax=2.9Φm。

2.2變壓器勵磁涌流的特性分析

根據(jù)已有的實驗結(jié)果和分析可以總結(jié)出勵磁涌流具有以下3個特點：

(1)勵磁涌流含有大量的非周期分量并且很大，它的波形偏于時間軸的一側(cè)。

(2)勵磁涌流中含有大量以2次諧波為主的高次諧波，但是短路電流里的2次諧波含量很少。

(3)勵磁涌流的波形有間斷角。

3抑制變壓器勵磁涌流的措施

當(dāng)電力變壓器產(chǎn)生勵磁涌流和故障時，變壓器的保護(hù)裝置應(yīng)做到不誤動和不拒動，從而保證變壓器在運行時的安全性和可靠性。抑制勵磁涌流的常見措施列舉如下。

3.1在差動繼電器中加入速飽和變流器

在差動繼電器中加入速飽和變流器是國內(nèi)普遍采用的方法。變壓器外部故障會導(dǎo)致變流器鐵芯迅速飽和，嚴(yán)重影響鐵芯的導(dǎo)磁性能，從而在很大程度上阻斷不平衡電流的傳播路徑，抑制差動保護(hù)的誤動。反之，對于內(nèi)部故障，變流器的電源側(cè)繞組中的非周期電流經(jīng)過1.5～2個周波就可達(dá)到完全衰減。在這種情況下，飽和變流器繞組中會感應(yīng)出較大的感應(yīng)電勢,使繼電器準(zhǔn)確動作。

電磁型差動繼電器的工作原理是在直流分量的作用下提高繼電器電流，減小勵磁涌流。電磁型差動繼電器也存在著一些缺點，例如不能如實反映鐵芯飽和程度。為減小該缺點造成的影響，就要將差動保護(hù)數(shù)值調(diào)到額定電流的1倍以上，隨之而來的問題是，過大的電流會導(dǎo)致變壓器鐵芯嚴(yán)重發(fā)熱，甚至燒壞變壓器繞組。

3.2采用偶次諧波制動的差動繼電器

國內(nèi)有多家微機(jī)保護(hù)裝置生產(chǎn)廠家，每家的勵磁涌流判斷依據(jù)都不盡相同?，F(xiàn)以國電南自生產(chǎn)的WBZ-65A型主變主保護(hù)裝置為例，介紹二次諧波閉鎖的比率差動保護(hù)原理。

變壓器三相差動保護(hù)采用具有比率制動特性的差動保護(hù)，帶有二次諧波閉鎖判據(jù)，特性曲線如圖3所示。

圖3　比率制動特性曲線

比率差動保護(hù)判斷依據(jù)為：

式中：ICD為差動電流，按式(8)計算；IZD為制動電流，按式(9)計算；IDZ為差動電流整定值；I1為制動電流Ⅰ段整定值；I2為制動電流Ⅱ段整定值；K1為Ⅰ段比率制動系數(shù)；K2為Ⅱ段比率制動系數(shù)。

為了減小變壓器在空投時所產(chǎn)生的勵磁涌流影響，可增加二次諧波閉鎖的判據(jù)：

式中：I2A、I2B、I2C為A、B、C相二次諧波電流；IA、IB、IC為A、B、C相基波電流；K為二次諧波制動比。

遠(yuǎn)距離、超高壓輸電的輸電線路以及高壓電纜附近均存在對附近物體(例如大地)的電容，此外，電力系統(tǒng)中人為地加入了大量的無功補(bǔ)償裝置，這兩種電容均易引起電力系統(tǒng)內(nèi)部短路。這種短路能引起電流互感器的輸出電流發(fā)生畸變，從而增加短路電流中的(尤其是2次和4次)諧波電流。涌流元件會將短路電流視為勵磁涌流從而引起差動保護(hù)誤動作，這種誤動作極易損壞變壓器。

3.3采用間斷角

間斷角原理就是利用變壓器勵磁涌流波形具有較大的間斷角的特點來區(qū)分勵磁涌流和故障電流。具體判斷依據(jù)如表1所示。

表1　根據(jù)間斷角φ判斷故障電流、勵磁涌流

(4)從源頭上解決

從前面的分析可知，勵磁涌流可以引起變壓器的差動保護(hù)誤動作，減少這種誤動作的根本方法是從變壓器內(nèi)部減少勵磁涌流。通過相關(guān)的數(shù)值計算方法可以精確控制Φs和空投角φ0，這種方法同時適用于單相系統(tǒng)和三相系統(tǒng)。這樣，即使遇到電壓驟升，也不會對變壓器產(chǎn)生太大沖擊?；谶@種原理，人們制成了勵磁涌流抑制器，但該設(shè)備投入市場時間尚短，其缺點暫未充分暴露，離大規(guī)模普及還有一些時日，其效果也有待進(jìn)一步論證，但作為抑制勵磁涌流的一種新方法，仍具有較廣闊的應(yīng)用前景。

4結(jié)語

從勵磁涌流產(chǎn)生機(jī)理、特點和抑制方法三方面論述了變壓器中的勵磁涌流，從勵磁涌流對差動保護(hù)造成的影響出發(fā)，研究了目前常用的4種抑制勵磁涌流的方法，并對它們的工作原理進(jìn)行了簡單的分析，希望能對進(jìn)一步提高變壓器差動保護(hù)動作的可靠性有所幫助。

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[責(zé)任編輯：趙偉]

收稿日期：2016 - 03 - 02

作者簡介：索娜(1973—)，女，河南鄭州人，鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授，碩士，研究方向為電氣工程及自動化。 郭麗娜(1981—)，女，河南鄭州人，鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，碩士，研究方向為電力系統(tǒng)自動化。 劉士華(1979—)，男，河南鄭州人，國家電投集團(tuán)河南電力有限公司工程師，研究方向為電氣工程。

中圖分類號:TM771

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號：1008-6811(2016)02-0021-04

Analysis of the Influence of Magnetizing Inrush Current on Transformer Differential Protection and Its Solutions

SUO Na1, GUO Lina1, LIU Shihua2

(1.Zhengzhou Railway Vocational and Technical College, Zhengzhou 450052,China;2.Henan Power Co.,LTD of State Power Investment Corpration, Zhengzhou 450016,China)

Abstract:When a transformer is switched on without load or the power supply is restored after a fault, the inrush current will lead to the differential protection device making a faulty action or refusing action sothat affecting the normal operation of equipment. The paper analyzes differential protection principle of the transformer, and develops the causes for the inrush current generated and its characteristics, analyzes contrastively four measures to restrain the excitation inrush current, in order to help resolving malfunction of protection equipment for transformer.

Key words:differential protection；inrush current；transformer