基于勵(lì)磁電感參數(shù)識別的快速變壓器保護(hù)

武選安 黃海龍

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(yùn)行中要設(shè)置各種保護(hù)，縱差動(dòng)保護(hù)就是眾多保護(hù)中的一種?？v差動(dòng)保護(hù)在對其進(jìn)行保護(hù)時(shí)要躲過不平衡電流，才不致誤判斷，誤動(dòng)作。

關(guān)鍵詞：變壓器；差動(dòng)保護(hù)；勵(lì)磁涌流；短路電流；小波變換；速飽和變流器

中圖分類號：F325 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-3178（2018）20-0497-01

當(dāng)前，隨著電網(wǎng)輸電電壓的不斷提高，輸電距離和輸電容量的不斷增大，大容量變壓器的應(yīng)用日益廣泛，對變壓器保護(hù)的可靠性和速動(dòng)性提出了更高的要求。解決變壓器差動(dòng)保護(hù)問題的核心是如何正確識別變壓器勵(lì)磁涌流和內(nèi)部故障電流。變壓器在空載合閘時(shí)會產(chǎn)生很大的勵(lì)磁涌流，如不加以識別會導(dǎo)致變壓器差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)作，造成不必要的停電事故和經(jīng)濟(jì)損失。

1 勵(lì)磁涌流的產(chǎn)生和特點(diǎn)

1.1 勵(lì)磁涌流的產(chǎn)生

變壓器是根據(jù)電磁感應(yīng)原理制成的一種設(shè)備，在電磁轉(zhuǎn)換過程中需要建立一定的磁場。磁場建立的過程中在繞組上會產(chǎn)生一定的勵(lì)磁電流。勵(lì)磁電流和磁場的大小取決于變壓器鐵芯的磁化特性。鐵芯越飽和，在鐵芯上的磁場也越大，所需的勵(lì)磁電流也越大。勵(lì)磁涌流是在變壓器空載合閘和切除外部故障電壓恢復(fù)時(shí)在繞組中產(chǎn)生的暫態(tài)電流。

1.1.1 穩(wěn)態(tài)時(shí)變壓器勵(lì)磁電流

在穩(wěn)態(tài)工作在穩(wěn)態(tài)工作情況下，交流回路中的磁通？椎滯后于外加電壓900，建立了穩(wěn)定的磁場，此時(shí)勵(lì)磁電流很小，一般不超過額定電流的2%～10%。

1.1.2 在“u為最大值合閘時(shí)變壓器的勵(lì)磁電流”

如果在合閘瞬間電壓正好達(dá)到最大值，則磁通的瞬間值恰好為零，即在鐵芯里開始就建立了穩(wěn)態(tài)磁通，和穩(wěn)態(tài)時(shí)情況一樣.在這種情況下，不會產(chǎn)生勵(lì)磁涌流，但是對于三相變壓器，其他兩相電壓值此時(shí)定不在最大值處，因此會產(chǎn)生不同程度的勵(lì)磁涌流。

1.2 勵(lì)磁涌流的特點(diǎn)

a.勵(lì)磁涌流數(shù)值很大，可達(dá)額定電流的6～8倍并隨著時(shí)間逐漸衰減，衰減常數(shù)與鐵芯的飽和程度有關(guān)。飽和程度越深，電抗越小、衰減越快， 因此，在開始瞬間衰減很快，以后逐漸減慢。

b.勵(lì)磁涌流中含有大量的高次諧波，并以二次諧波為主。

c.勵(lì)磁涌流含有很大成分的非周期分量，往往使涌流偏于時(shí)間軸一側(cè)。

d.勵(lì)磁涌流的波形出現(xiàn)間斷。

2 勵(lì)磁涌流產(chǎn)生的影響

變壓器的勵(lì)磁涌流幅值可達(dá)變壓器額定電流的6～10倍，且產(chǎn)生大量的高次諧波分量，所以勵(lì)磁涌流的不良影響及危害主要表現(xiàn)為以下方面：

2.1 峰值較大且含有大量高次諧波造成很大的振動(dòng)，危及相關(guān)部件的機(jī)械性能，而且會造成很大的噪聲；

2.2 勵(lì)磁涌流較大的時(shí)，可能引起上級繼電保護(hù)裝置的誤動(dòng)作，而瞬間分?jǐn)啻箅娏鬟€可能導(dǎo)致系統(tǒng)過電壓，損害電氣設(shè)備，擴(kuò)大危害范圍；

2.3 變壓器合閘的勵(lì)磁涌流，包含大量高次諧波會反饋至電網(wǎng)，可能造成電網(wǎng)電壓和頻率的波動(dòng)，嚴(yán)重污染電能質(zhì)量。鐵芯的振動(dòng)主要是因鐵芯反復(fù)勵(lì)磁引起的，勵(lì)磁涌流中含有的大量高次諧波，特別是是二次諧波，容易引起共振，加激鐵芯的振動(dòng)，空負(fù)載投入變壓器時(shí)總會聽到一聲激響，這一現(xiàn)象正是勵(lì)磁涌流引起鐵芯激烈振動(dòng)造成的。鐵芯夾的越緊，振動(dòng)異響越大，所以廠家設(shè)計(jì)的鐵芯夾力不會很大，而勵(lì)磁涌流造成激烈振動(dòng)就容易危機(jī)鐵芯機(jī)械性能，雖然不至于破壞變壓器結(jié)構(gòu)，但這種現(xiàn)象的長期積累，會導(dǎo)致變壓器機(jī)構(gòu)缺陷，為其他故障導(dǎo)致變壓器破壞提供了條件。

繼電保護(hù)裝置差動(dòng)保護(hù)整定值的設(shè)置不可能考慮極限的勵(lì)磁涌流，因?yàn)樽儔浩?、高壓開關(guān)柜或者電力電纜發(fā)生故障時(shí)的電流也在保護(hù)動(dòng)作考慮范圍之內(nèi)，變壓器空載投入產(chǎn)生的勵(lì)磁涌流，若這時(shí)也存在故障電流，繼電保護(hù)裝置無法分辨，從而導(dǎo)致繼電保護(hù)裝置誤動(dòng)作。而且，新設(shè)備在啟用初期，設(shè)備靈敏度較高，必然實(shí)現(xiàn)任何故障的出現(xiàn)均會很快分?jǐn)鄶嗦菲鳎哉ㄖ狄话爿^小而且動(dòng)作時(shí)間很短，針對大電流速斷保護(hù)動(dòng)作無延時(shí)為。最常見的情況就是，現(xiàn)場空投變壓器時(shí)繼電保護(hù)動(dòng)作跳閘，再次重合閘繼電保護(hù)不跳閘，甚至在出險(xiǎn)反復(fù)幾次跳閘后，不得不通過改變繼電保護(hù)的整定值來避開勵(lì)磁涌流，這種降低保護(hù)靈敏度的做法無疑使新投入使用的設(shè)備及系統(tǒng)承擔(dān)更大的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。若勵(lì)磁涌流足夠大，流過的上級或并機(jī)的變壓器，足以使繼電保護(hù)裝置越級跳閘，擴(kuò)大停電范圍。

變壓器空載投入運(yùn)行瞬間產(chǎn)生的勵(lì)磁涌流，必然經(jīng)過上級或并列運(yùn)行變壓器，并存在很高的直流分量，容易使上級或并列運(yùn)行變壓器于空載投入的變壓器直接連接側(cè)的電流互感器鐵芯飽，出現(xiàn)較大傳變誤差。流經(jīng)運(yùn)行變壓器的直流分量衰減很大，流經(jīng)其他側(cè)電流互感器受到的影響也小，運(yùn)行變壓器的差動(dòng)保護(hù)很容易產(chǎn)生較大差流而誤動(dòng)，造成繼電保護(hù)裝置動(dòng)作，導(dǎo)致運(yùn)行變壓器退出運(yùn)行，造成電網(wǎng)電壓和頻率的波動(dòng)，甚至危及電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。勵(lì)磁涌流中含有的大量高次諧波更是對電力系統(tǒng)電能質(zhì)量的一種污染。

3 防護(hù)勵(lì)磁涌流的措施

勵(lì)磁涌流在實(shí)際運(yùn)行中產(chǎn)生諸多不利影響，必須采取一定的措施加以抑制，現(xiàn)實(shí)中常用的三相電力變壓器，準(zhǔn)對起勵(lì)磁涌流的特點(diǎn)和機(jī)制，結(jié)合運(yùn)行管理部門的實(shí)際情況，制定有效的抑制措施，以減少其影響，保證電力系統(tǒng)正常運(yùn)行。在此主要討論以下幾種抑制方法。

3.1 廠家在制造變壓器時(shí)，除了滿足技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)之外，應(yīng)在變壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)適當(dāng)采取降低勵(lì)磁涌流的措施。例如，適當(dāng)降低鐵芯磁通密度的工作點(diǎn)或加大鐵芯面積，盡量使用剩磁較小的鐵芯材料，設(shè)定鐵芯夾緊力時(shí)充分考慮勵(lì)磁涌流沖擊，增加變壓器絕緣強(qiáng)度等等。

3.2 在系統(tǒng)配置設(shè)計(jì)時(shí)考慮以下方面：配置特性較好且匹配的避雷器保護(hù)變壓器的主絕緣，防止雷擊過電壓；選擇技術(shù)先進(jìn)，制造工藝優(yōu)良斷路器，防止斷路器在斷開勵(lì)磁涌流時(shí)電弧重燃；配置有較好勵(lì)磁涌流閉鎖性能的變壓器差動(dòng)保護(hù)等；采用勵(lì)磁特性較好的電流互感器。

3.3對于勵(lì)磁涌流沖擊導(dǎo)致上級開關(guān)誤動(dòng)作的情況，研究變壓器勵(lì)磁涌流的特性，計(jì)算得知的勵(lì)磁涌流電流約為變壓器額定電流的6～10倍，對上級變電站的繼電保護(hù)裝置，在綜合考慮電網(wǎng)保護(hù)上下級保護(hù)協(xié)調(diào)性的基礎(chǔ)上，盡量增大速斷保護(hù)跳閘的動(dòng)作電流整定值，假如條件允許的情況下，設(shè)置在單臺變壓器額定電流8倍或以上，以避開單臺變壓器投入時(shí)勵(lì)磁涌流引起的繼電保護(hù)誤動(dòng)作。

3.4 在合閘回路中串聯(lián)合適的電阻來增大變壓器繞組阻值，降低變壓器空載投入時(shí)穩(wěn)態(tài)磁通和勵(lì)磁涌流的暫態(tài)持續(xù)時(shí)間。在變壓器中增加濾波器，對變壓器投入時(shí)產(chǎn)生的大量高次諧波進(jìn)行抑制，減少諧波干擾，防止繼電保護(hù)裝置誤動(dòng)作，減少對電網(wǎng)質(zhì)量的污染。

4 結(jié)論

在分析變壓器勵(lì)磁涌流產(chǎn)生原因及特點(diǎn)基礎(chǔ)上，得出由于變壓器勵(lì)磁涌流幅值大導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)，提出了控制三相斷路器合閘時(shí)間削弱勵(lì)磁涌流、二次諧波制動(dòng)方式和間斷角原理制動(dòng)方式、波形對稱原理和采用速飽和變流器的差動(dòng)繼電器等來防治勵(lì)磁涌流的影響，使變壓器空載合閘成功。

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