淺談高速供電系統(tǒng)中勵(lì)磁涌流對(duì)線路保護(hù)誤動(dòng)作的成因分析及處理

■吳 健

(福建省高速公路永安監(jiān)控分中心，永安 366000）

淺談高速供電系統(tǒng)中勵(lì)磁涌流對(duì)線路保護(hù)誤動(dòng)作的成因分析及處理

■吳 健

(福建省高速公路永安監(jiān)控分中心，永安 366000）

微機(jī)型繼電保護(hù)設(shè)備作為高速公路10kV供電系統(tǒng)保護(hù)裝置，給供電線路及用電設(shè)備安全運(yùn)行帶來(lái)了安全保障。但受勵(lì)磁涌流的影響，在停電后恢復(fù)運(yùn)行時(shí)，保護(hù)裝置可能會(huì)發(fā)出誤動(dòng)作信號(hào)導(dǎo)致高壓斷路器跳閘，造成供電系統(tǒng)內(nèi)二次非故障停電。而維護(hù)人員往往會(huì)忽略該因素的存在，出現(xiàn)巡線和系統(tǒng)全面檢查后又找不到故障點(diǎn)的情況，從而無(wú)法及時(shí)恢復(fù)供電。這不僅對(duì)高速公路行車(chē)安全帶來(lái)安全隱患，也給故障的處理帶來(lái)難度。本文就高速供電系統(tǒng)中，勵(lì)磁涌流導(dǎo)致線路保護(hù)誤動(dòng)作的原因進(jìn)行簡(jiǎn)要分析，并提供相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施。

勵(lì)磁涌流 繼電保護(hù) 誤動(dòng)作 成因分析

1 引言

高速公路的用電負(fù)荷為沿線分散性負(fù)荷，大量的電氣設(shè)備通過(guò)電氣線路緊密地聯(lián)結(jié)在一起。這種覆蓋的地區(qū)廣，運(yùn)行環(huán)境極其復(fù)雜，受影響的因素多的供電設(shè)施一旦發(fā)生故障，若查找方式不對(duì)，會(huì)給處理帶來(lái)很大的難度。對(duì)高速公路交流電輸配系統(tǒng)中來(lái)說(shuō)，變壓器是重要電氣設(shè)備。在變壓器空載投入和外部故障切除后電壓恢復(fù)的情況下，則可能出現(xiàn)很大的勵(lì)磁電流即勵(lì)磁涌流。勵(lì)磁涌流產(chǎn)生時(shí)，由于沖擊電流存在的時(shí)間很短，對(duì)變壓器的一次設(shè)備本身并無(wú)太大危害和影響。若繼保整定值未充分考慮涌流因素，則有可能出現(xiàn)高壓斷路器誤動(dòng)作跳閘，使電力系統(tǒng)穩(wěn)定性遭到破壞。然而在電力跳閘故障處理中，勵(lì)磁涌流的因素又常常被忽略，從而導(dǎo)致故障查找處理時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，對(duì)高速機(jī)電設(shè)施安全、穩(wěn)定運(yùn)行造成不良影響。正確識(shí)別變壓器勵(lì)磁涌流和供電系統(tǒng)內(nèi)部故障成為了供電運(yùn)行保障的關(guān)鍵。以下結(jié)合高速公路供電運(yùn)營(yíng)實(shí)際，就涌流可能成因、出現(xiàn)線路保護(hù)誤動(dòng)作的判斷及解決方法進(jìn)行分析。

2 勵(lì)磁涌流概述

2.1 產(chǎn)生原理

在交流電路中，磁通Φ總是落后電壓90°相位角。用u來(lái)表示額定電壓，Φ來(lái)表示額定磁通。為分析簡(jiǎn)便，若u=Um×sin(ωt），根據(jù) u=dφ/dt則 Φ=-Um/ω×cos(ωt）+C，兩者關(guān)系如圖1所示。假設(shè)在合閘瞬間，電壓正好達(dá)到最大值時(shí)，則磁通的瞬間值正好為零，在這種電壓為峰值的情況下投入變壓器，不會(huì)產(chǎn)生勵(lì)磁涌流。但當(dāng)合閘瞬間電壓為零值時(shí)，它在鐵芯中所建立的磁通為最大值(-Φm）。由于鐵芯中的磁通不能突變，理想情況下若合閘前鐵芯中沒(méi)有磁通，則這一瞬間仍要保持磁通為零。因此，在鐵芯中就出現(xiàn)一個(gè)幅值為Φm的非周期磁通分量。這時(shí)，鐵芯里的總磁通Φ應(yīng)看成兩個(gè)磁通相加而成。由于磁通是雙標(biāo)量，鐵芯中合閘瞬間磁通為2Φm，如果合閘時(shí)鐵芯還有剩磁Φ0，磁通Φ還會(huì)更大，實(shí)際運(yùn)行中可達(dá)到2.7倍的Φm。根據(jù)鐵芯磁化特性，在電壓瞬時(shí)值為零時(shí)合閘會(huì)產(chǎn)生最嚴(yán)重的磁飽，出現(xiàn)勵(lì)磁電流會(huì)劇增現(xiàn)象，這就是勵(lì)磁涌流的由來(lái)。

圖1 交流電路中電壓與磁通關(guān)系示意圖

通過(guò)上面分析得知，勵(lì)磁涌流是由于鐵芯的磁飽和產(chǎn)生的。其數(shù)值會(huì)達(dá)到正?？蛰d運(yùn)行勵(lì)磁電流的50～80倍，通常于接通電源1/4周期后開(kāi)始產(chǎn)生，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，從數(shù)十個(gè)電源周期直至數(shù)十秒不等。以一般變壓器正?？蛰d勵(lì)磁電流為額定電流的10%計(jì)算，在最不利情況下合閘，瞬時(shí)值可達(dá)額定電流的5～8倍，如果再考慮合閘瞬間的剩磁影響，勵(lì)磁電流會(huì)更大?？紤]到回路電阻R的存在，該電流將隨時(shí)間常數(shù)T=L/R逐步衰減，最終恢復(fù)到正?？蛰d電流水平。涌流變化曲線見(jiàn)圖2。一般小容量變壓器衰減快，約幾個(gè)周波后即達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)，大容量變壓器衰減慢，可以延續(xù)幾秒甚至20s，這樣就很好的揭示了繼保誤動(dòng)作信號(hào)產(chǎn)生的原因了。以上分析了單相變壓器最不利合閘情況，而高速機(jī)電日常使用的都是三相變壓器，由于三相電壓彼此相差120度，因此合閘時(shí)總會(huì)有一相的合閘狀態(tài)處于或接近上面分析的最不利狀態(tài)，也就是說(shuō)總有一相出現(xiàn)最大的勵(lì)磁涌流。

圖2 勵(lì)磁涌流變化曲線

2.2 類(lèi)型及特點(diǎn)

高速公路10kV供電系統(tǒng)中常見(jiàn)的勵(lì)磁涌流類(lèi)型分為變壓器勵(lì)磁涌流和10kV配網(wǎng)勵(lì)磁涌流兩種。變壓器涌流主要發(fā)生在收費(fèi)所站供電的干式變壓器中，而配網(wǎng)涌流則多出現(xiàn)在隧道內(nèi)高壓側(cè)為手拉手結(jié)構(gòu)的多臺(tái)地埋式變壓器配網(wǎng)中。

表1 兩種類(lèi)型涌流特點(diǎn)比較

2.3 帶來(lái)的問(wèn)題和影響

(1）由于該沖擊電流存在的時(shí)間很短，勵(lì)磁涌流本身對(duì)變壓器并無(wú)危害。但當(dāng)電網(wǎng)波動(dòng)時(shí)，對(duì)變壓器多次連續(xù)合閘充電也是不好的。大電流的多次沖擊，會(huì)引起繞組間的機(jī)械力作用，長(zhǎng)期作用可能逐漸使其固定物松動(dòng)。

(2）高速隧道其環(huán)境復(fù)雜且惡劣，大量的、各種類(lèi)型的電氣設(shè)備通過(guò)電氣線路緊密地聯(lián)結(jié)在一起運(yùn)行，一旦發(fā)生電氣故障，其問(wèn)題的查找是相當(dāng)困難的。對(duì)于隧道這種多臺(tái)變壓器共一個(gè)斷路器的供電方式，就有可能出現(xiàn)差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)作造成跳閘停電故障。而勵(lì)磁涌流這種非常隱蔽，又容易忽略的因素，在故障判斷中常常不被考慮，結(jié)果造成故障點(diǎn)無(wú)法確定，導(dǎo)致隧道長(zhǎng)時(shí)間停電，既給高速公路行車(chē)安全帶來(lái)隱患和也給高速服務(wù)形象造成不良影響。

3 勵(lì)磁涌流識(shí)別方法簡(jiǎn)述

3.1 間斷角原理

以準(zhǔn)確測(cè)量間斷角的大小為基礎(chǔ)，基于勵(lì)磁涌流波形中有較大的間斷這個(gè)特征實(shí)現(xiàn)其鑒別。其優(yōu)點(diǎn)是利用了勵(lì)磁涌流本身明顯的波形特點(diǎn)，能夠清楚的區(qū)分變壓器勵(lì)磁涌流和內(nèi)部故障電流。

3.2 二次諧波制動(dòng)原理

在變壓器涌流中含有較大的偶次諧波分量，其中二次諧波分量最大。當(dāng)電流信號(hào)中二次諧波的含量超過(guò)閥值，即判斷是勵(lì)磁涌流。但對(duì)存在靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置的系統(tǒng)中出現(xiàn)故障時(shí)，運(yùn)用該法可能造成誤判。

3.3 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN），可以應(yīng)用于變壓器內(nèi)部故障和涌流的判別，其主要是利用ANN的模式識(shí)別能力進(jìn)行電流的波形識(shí)別。其基本原理是將單相變壓器的內(nèi)部短路電流仿真模型和涌流仿真模型得到的頻域和時(shí)域數(shù)據(jù)作為學(xué)習(xí)樣本，對(duì)其所設(shè)計(jì)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行訓(xùn)練，然后將訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊重新接到勵(lì)磁涌流和短路電流的仿真模型中進(jìn)行仿真分析得出結(jié)論，以此來(lái)對(duì)涌流進(jìn)行識(shí)別。

3.4 虛擬三次諧波制動(dòng)原理

該原理主要是將勵(lì)磁涌流波形中的以尖脈沖為中心的半個(gè)周波來(lái)作為擬合波形的前半周期，同時(shí)利用 “平移”、“變號(hào)”原則來(lái)對(duì)波形的后半周期進(jìn)行擬合，此外，利用傅里葉變換來(lái)對(duì)擬合的波形進(jìn)行計(jì)算以此得到基波和三次諧波，利用該原理可以對(duì)對(duì)稱性和非對(duì)稱性涌流進(jìn)行快速而準(zhǔn)確的識(shí)別。

3.5 小波變換法

此法目前主要集中于高次諧波檢測(cè)和奇異點(diǎn)檢測(cè)，實(shí)際上是間斷角原理的一種延伸。高頻檢測(cè)所反映的是差流狀態(tài)突變而產(chǎn)生的高次諧波，高頻細(xì)節(jié)出現(xiàn)的位置對(duì)應(yīng)于變壓器飽和的時(shí)刻或故障發(fā)生時(shí)的時(shí)間。若差流的高頻細(xì)節(jié)突變周期出現(xiàn)，則可判別為勵(lì)磁涌流；若出現(xiàn)一次后就很快衰減為零，則為內(nèi)部故障。

除了以上常見(jiàn)方法外，還有基于波形非正弦度分形估計(jì)的勵(lì)磁涌流識(shí)別方法，利用勵(lì)磁涌流波形非正弦度增大的特點(diǎn)，鑒別勵(lì)磁涌流和故障電流，以及利用磁通軌跡特征來(lái)對(duì)變壓器勵(lì)磁涌流的識(shí)別方法。

4 高速供電系統(tǒng)中常見(jiàn)涌流誤動(dòng)作分析與處理

在高速供電系統(tǒng)中常見(jiàn)保護(hù)裝置動(dòng)作的原因有：雷擊、高電位侵入、事故過(guò)電壓、操作過(guò)電壓、供電線路失壓、單相接地故障、勵(lì)磁涌流、二次回路接觸不良、外來(lái)干擾(高頻、輻射、靜電放電）等。以上因素最后三種是引發(fā)保護(hù)誤動(dòng)作的重要原因，其中勵(lì)磁涌流引發(fā)的誤動(dòng)多發(fā)且較易被忽略，2013～2017永安分中心轄區(qū)內(nèi)供電保護(hù)裝置動(dòng)作情況統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。

表2 2013～2017年保護(hù)裝置動(dòng)作情況統(tǒng)計(jì)表

下面結(jié)合高速公路機(jī)電日常維護(hù)遇到的涌流誤動(dòng)情況，就常見(jiàn)的兩個(gè)勵(lì)磁涌流誤動(dòng)作類(lèi)型進(jìn)行原因分析并給出解決方案。

4.1 所站干變高檔運(yùn)行導(dǎo)致的涌流引發(fā)保護(hù)誤動(dòng)

雖然高速公路供電線路多為10kV單回路專用線路，但部分電源接入點(diǎn)位于偏遠(yuǎn)地區(qū)，外架空供電線路只能就近T接10kV公用線路。由于公用回路上用戶情況復(fù)雜，加之供電部門(mén)的變電站多使用當(dāng)?shù)匦∷娬咀鳛殡娫?，?huì)出現(xiàn)電網(wǎng)電壓受用戶與季度因素影響波動(dòng)的情況。就農(nóng)網(wǎng)而已，10kV電網(wǎng)多發(fā)生電壓值偏低 (9.8～10.3kV）的情況。為保護(hù)高速機(jī)電設(shè)備運(yùn)行安全，多采用將所站干式變壓器調(diào)檔開(kāi)關(guān)調(diào)至高檔位運(yùn)行的方法進(jìn)行處理。而有載分接開(kāi)關(guān)是通過(guò)增加或者減少繞組的匝數(shù)來(lái)改變變壓器的變比。也就是說(shuō)變壓器在低檔位和高檔位，繞組的匝數(shù)不同，在1檔位時(shí)匝數(shù)最多。然而勵(lì)磁涌流的大小與鐵芯中磁通的大小有關(guān)，磁通越大，鐵芯越飽和，產(chǎn)生的沖擊電流也越大。根據(jù)磁通公式Φ=U1/(4.44×f×N1）得出U1不變時(shí)，N1減小，Φ增大。因高速收費(fèi)站負(fù)載端多裝有失壓脫扣保護(hù)裝置，故障停電后，用電負(fù)載與變壓器斷開(kāi)連接。當(dāng)處在高檔位運(yùn)行的變壓器，在合閘角為0時(shí)空投，就會(huì)瞬間出現(xiàn)鐵芯磁通嚴(yán)重飽和，產(chǎn)生最大的勵(lì)磁涌流。該瞬態(tài)沖擊電流就會(huì)造成保護(hù)誤動(dòng)作，引起斷路器跳閘。此類(lèi)型誤動(dòng)作情況見(jiàn)圖3。

根據(jù)以上情況解決高檔運(yùn)行導(dǎo)致的保護(hù)誤動(dòng)作，單純依靠調(diào)整饋線柜繼保整定值有可能出現(xiàn)越級(jí)跳閘現(xiàn)象，從而使得停電范圍擴(kuò)大導(dǎo)致公用電網(wǎng)大面積停電的嚴(yán)重后果。所以應(yīng)視具體情況，將檔位盡量調(diào)至中、低檔位。若條件允許，可增加涌流抑制器進(jìn)行有效地抑制。

4.2 隧道配電網(wǎng)整定值未考慮和應(yīng)涌流引發(fā)保護(hù)誤動(dòng)

對(duì)于采用地埋式變壓器供電的高速公路長(zhǎng)隧道，由于使用的變壓器數(shù)量多且高壓側(cè)都掛在同一高壓電纜上，在電網(wǎng)波動(dòng)或外供電送電合閘瞬間，各變壓器(風(fēng)機(jī)變空載投入）所產(chǎn)生的勵(lì)磁涌流在線路上相互迭加、來(lái)回反射，產(chǎn)生了一個(gè)復(fù)雜的電磁暫態(tài)過(guò)程，加上系統(tǒng)阻抗較小，會(huì)出現(xiàn)較大的勵(lì)磁涌流，時(shí)間常數(shù)也較大。此時(shí)，如果共用的斷路器保護(hù)整定值未充分考慮和應(yīng)涌流影響，就會(huì)出現(xiàn)保護(hù)裝置誤動(dòng)作造成跳閘故障。誤動(dòng)作示情況見(jiàn)圖4。

圖3 變壓器高檔位引發(fā)誤動(dòng)作示意圖

圖4 整定值設(shè)定問(wèn)題導(dǎo)致誤動(dòng)作示意圖

該誤動(dòng)有兩種常見(jiàn)解方法：1）對(duì)饋線柜內(nèi)配電變壓器的保護(hù)裝置進(jìn)行改造。該方法會(huì)大大增加保護(hù)裝置的復(fù)雜性，因此應(yīng)用性很差。2）根據(jù)涌流衰減特點(diǎn)，可在速斷保護(hù)中適當(dāng)加入一段時(shí)間延時(shí) (一般增加0.1～0.15s），就可以防止勵(lì)磁涌流引起的保護(hù)裝置誤動(dòng)作。這種方法最大優(yōu)點(diǎn)是不用改造配電變壓器的保護(hù)裝置，雖然會(huì)增加故障時(shí)間，但對(duì)于10kV系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行影響較小的地方還是適用的。然而，在采用二段式電流保護(hù)的10kV線路中，若限時(shí)速斷保護(hù)定值過(guò)小，保護(hù)裝置仍有誤動(dòng)的可能。此時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況重新整定速斷保護(hù)定值，在滿足靈敏度的條件下使整定值能躲過(guò)勵(lì)磁涌流。

5 結(jié)束語(yǔ)

近年來(lái)隨著我國(guó)高速公路里程的快速發(fā)展,整個(gè)高速機(jī)電系統(tǒng)的規(guī)模變得越來(lái)越大,日常運(yùn)營(yíng)中對(duì)電力的需求也越來(lái)越大。而變壓器的勵(lì)磁涌流是造成高速10kV供電系統(tǒng)差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)作的不可忽視的重要原因之一。機(jī)電維護(hù)人員在日常電力維護(hù)中，既要做到快速識(shí)別判斷勵(lì)磁涌流現(xiàn)象，還要具備使用科學(xué)的方法對(duì)其進(jìn)行防范及處理的能力，只有這樣才能消除此類(lèi)安全生產(chǎn)隱患，保護(hù)電力設(shè)施安全，確保高速機(jī)電設(shè)備可靠、穩(wěn)定的運(yùn)行。

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