微机型国产主变保护防励磁涌流功能比较与分析

柏 强

（国网上海市电力公司检修公司，上海 200063）

0 引言

根据电力系统继电保护装置的管理规定，对于新安装的或大修后投产的主变，应进行5次充电合闸试验，一般每次间隔10min，在试验过程中要投入主变所有的主、后备保护功能。其目的，一方面是检验主变耐受电压冲击的能力，另一方面检测在冲击过程中，主变差动保护、非电量保护等应可靠不动作。但是在实际运行中，主变在空充合闸后往往会发生差动保护动作跳闸的情况。本文主要阐述了在主变新装后进行空载合闸情况下，国产微机型主变差动保护的励磁涌流判别原理的区别及其造成的差动保护动作情况的不同。

1 励磁涌流产生的原因及特点

1.1 产生原因

变压器空载合闸或区外故障切除后电压恢复时，任何一侧发生电压骤增，基于磁链守恒定律引起的瞬变过程产生偏磁，导致铁芯过度饱和，使励磁电流很大，可达到额定电流的6～8倍。

1.2 波形特点

（1）包含很大成分的非周期分量，往往使涌流偏于时间轴的一侧。（2）包含大量的高次谐波分量，并以二次谐波为主。（3）励磁涌流波形之间出现间断角。

2 上海电网超高压主变保护配置情况

目前上海220KV电网的国产微机型主变保护主要采用的4个厂家的设备：南京南瑞RCS-978GB_SH、河南许继WBH-801A、北京四方CSC-326、长圆深瑞PRS-778S。

2.1 南瑞RCS-978GB_SH涌流判据

保护装置采用三相差动电流中二次谐波、三次谐波的含量来识别励磁涌流，判别方程如下：

其中，I2nd、I3rd分别为每相差动电流中的二次谐波和三次谐波，I1st为对应相的差流基波，K2xb、K3xb分别为二次谐波和三次谐波制动系数整定值。推荐K2xb整定为0.1～0.2，K3xb整定为0.1～0.2。

2.1.1 浮动门槛定值判据

空充变压器时，自适应的采用浮动的闭锁定值，即空充时首先降低涌流闭锁定值，然后随时间逐步向整定的定值靠近。浮动门槛定值判据和循环闭锁判据不需用户整定，在装置识别到变压器空充时自动投入，而且仅在变压器空充时起作用。

2.1.2 循环闭锁判据

空充变压器时，如果装置通过三相差电流的综合特征判断为励磁涌流状态，将自适应的投入短时间的循环闭锁判据，以提高装置躲避励磁涌流的能力，之后，装置自动切换回分相闭锁方式。如果装置在这段循环闭锁时间内判别到变压器内部发生故障，依然可以快速开放差动保护。

2.2 许继WBH-801A励磁涌流判据

变压器空投时，三相励磁涌流中往往有一相含有大量的二次谐波。但是，变压器差动保护各侧电流要进行相位调整，相位调整后的电流不再是真实的励磁涌流，电流中的二次谐波含量也会发生变化。本装置根据变压器的不同工况自动选择电流计算二次谐波含量，如在变压器空载合闸时采用相位调整前的电流计算二次谐波含量，因此，计算励磁涌流的二次谐波含量更加真实，性能更加可靠。变压器在正常运行时，装置采用差动电流中的二次谐波含量来识别励磁涌流。判别方程如下：

式中：Iop.2为差流中的二次谐波，Iop.1差流中的基波，K2为整定的二次谐波系数。如果某相差流满足上式，同时闭锁三相差动保护。本装置在采用二次谐波“或”闭锁的同时采用空投主变过程中故障识别专利技术，短时投入按相综合开放判据，既能正确识别励磁涌流，又能在空投故障变压器时快速可靠地开放差动保护，提高在空投变压器于故障时差动保护的动作速度。

2.3 长圆深瑞PRS-778S励磁涌流判据

本装置利用三相差电流中的二次谐波与基波的比值作为励磁涌流闭锁判据，其动作方程如下：

式中：I2nd为每相差动电流中的二次谐波，I1st为对应相差动电流的基波，K2xb为二次谐波制动系数。

该装置采用深圳南瑞独创的二次谐波复合逻辑制动原理，该原理已为大量的运行经验所证实。具体如下：

（1）对Y/Δ接线变压器，差流反映 Y形接线侧两相电流相量差。变压器在Υ形接线侧空投时，单相电流中较强的涌流特征（二次谐波含量或间断角）在两相电流相减后，差流中的涌流特征可能减弱。这种情况下，从差流提取二次谐波分量实现制动的传统方法可能失效。本装置变压器Y侧的CT也按Y形接入，故当差流二次谐波未能制动时，可进一步用原始两个相电流中的二次谐波进行制动，这就大大提高了涌流制动的可靠性。

（2）常规二次谐波涌流制动原理在任一相差流涌流制动时，闭锁全部三相比率差动保护，称为“或”制动逻辑。若单纯用“或”逻辑进行制动，空投于故障变压器时，差动保护的动作速度有可能较慢。本装置则根据涌流和故障电流在三相差流中的反映，采用涌流复合制动逻辑：在变压器无故障时采用“或”逻辑制动方式可靠地避开涌流，空投于故障变压器时自动转换为分相制动方式。保证了空投于故障变压器时比率差动保护仍能快速灵敏动作。

2.4 四方的CSC-326D励磁涌流判据

2.4.1 采用三相差动电流中二次谐波与基波的比值作为励磁涌流闭锁判据

式中：Idφ2为差动电流中的二次谐波分量；Kxb2为二次谐波制动系数定值；Idφ为差动电流中的基波分量。采用“或门”闭锁方式：任一相差流的二次谐波含量大于闭锁定值即闭锁三相差动保护。

2.4.2 空充于故障时的动作判据

空充于变压器差动保护区内故障时采用：当空充于区内故障时，保护通过对故障电流波形的特征及变化趋势的判别，开放故障相差动保护。

由上述各厂家的原理可见，在针对变压器空载合闸时产生的高次谐波以二次谐波分量为主的特征，均采用了以该谐波所占基波分量的比例为主要判断条件，同时辅以不同的故障判别方式来开放合于故障的跳闸逻辑。针对上海地区的使用习惯，各厂家在二次谐波制动的初期均采用交叉闭锁的方式，保证任意一相有高于定值的二次谐波均能闭锁三相。在谐波闭锁后期，各厂家根据其保护运行方面的经验值，采用不同的时延来开放比率差动的出口，由于大容量的变压器励磁涌流衰减是很慢的，因此在主变空载合闸后各厂家的保护可能将产生不同的动作行为。

3 跳闸事件实例

2011年，上海220KV大场站进行新站投运，对2台240MVA主变进行5次冲击合闸试验。2号主变在进行第1次冲击合闸时，主变第2套差动保护（南京南瑞RCS-978GB_SH）动作出口，跳开主变220KV开关，但是第1套差动保护（深圳南瑞PRS-778S）未动作，因此对2套保护动作不一致情况进行现场分析。根据以往经验，在进行新装主变的冲击试验时，由于每次合闸角的不同，确实可能存在保护动作跳闸的情况，就本次2套保护不同动作情况的发生，需要结合现场接线情况和保护原理进行区别讨论。

在检查完两套保护装置的二次接线情况后，可以确认现场回路完全按图施工，电流回路接线情况完好，二次回路极性不存在问题，因此此次检查集中于装置保护原理的分析验证。在现场调取第2套主变保护（南京南瑞RCS-978GB_SH）内部信息可见：

保护动作相别为：B相

最大纵差电流为：1.86Ie

动作报告中显示跳闸时间为：2011-06-2910：40：37：716

动作时间为：102 ms

动作元件为：纵差比例差动

从故障情况分析，本次主变差动电流动作值超过了整定值（0.5Ie），但是在5次冲击合闸中不可能仅本次动作电流达到动作值，故怀疑在该主变冲击产生励磁涌流时二次谐波闭锁功能是否失效。对2套主保护检查情况如下：

3.1 第2套差动保护（RCS-978GB）动作及录波波形分析：

该套保护主后备均投入，保护整定差动定值为0.5Ie，二次谐波制动定值为15%。调用站内故障录波仪存储文件，将故障时的录波文件打开如图1和图2所示。

图1 调用站内故障录波仪存储文件

图2 调用站内故障录波仪存储文件

图1中2号主变在T1时刻开始励磁，采样波形中励磁涌流的波形比较明显，偏于时间轴一侧，可见二次谐波分量较大，在通道谐波分析表格中可见ABC三相均超过97%，此时保护可靠制动。

继续移动光标可见，波形在经15ms左右时间后，2号主变220KV侧电流B相二次谐波分量逐渐衰减至14.46%，低于二次谐波闭锁整定值15%，但此时由于保护交叉闭锁功能存在，保护未出口。

再次移动光标到T2时刻可见，经100ms左右，保护出口动作。经厂方研发人员解释，该套保护的二次谐波交叉闭锁功能固定约为100ms左右，保护动作行为符合其设计原理的要求。

3.2 第1套差动保护（PRS-778S）情况分析

主保护的差动速断保护、比率差动保护均投入，采用二次谐波制动方式，二次谐波制动系数为0.15。

对比站内录波和装置内部录波波形分析，图3为录波器原始波形，图4为装置波形回放波形图。高压侧A、C相相电流含有谐波超过15%，B相相电流含有谐波小于15%。差流中A，C相含有谐波超过15%，B相差流中谐波含量小于15%。

由波形分析得知：装置中A，B，C三相中均含有差流，A相、C相差流中的谐波达到15%，不满足动作条件，B相差流中谐波未达到15%，只B相满足动作条件，此时，装置采用“或”逻辑进行制动，在任意一相差流涌流制动（A，C相均满足差流涌流制动条件）时，装置采用足够的延时来闭锁全部三相比率差动保护来可靠地避开涌流，因此保护动作行为正确。

综上所述，本次主变启动时由励磁涌流引起的差动保护跳闸事件，从2个厂家的原理分析上是由于采用了不同的逻辑判据导致的保护装置不同动作行为，鉴于在5次冲击试验中仅动作一次，且动作行为符合厂方设计原理，因此该2套保护可正常投运。

4 主变空充时对差动保护的改进措施及建议

为防止主变空充时，由于励磁涌流引起变压器差动保护误动作，本文建议采取以下措施进行防范：

图3 录波器原始波形

图4 装置波形回放波形图

（1）根据上海地区的整定习惯，一般将二次谐波占基波比例设置为15%（临界值），结合在工程实践中的经验，目前所用的变压器容量日益增大，对于该定值的设置是否还能满足现场实际使用，需要整定人员进行重新核算，借鉴其他地区运行整定经验，提高差动保护躲励磁涌流的性能。

（2）对于新装保护设备选型时，要对差动保护的性能了解清楚，除可整定部分内容外还需了解厂方内部隐含逻辑判别功能，根据变压器的容量不同，可选适合所用的保护装置。

（3）建议保护厂家在装置原理上加以改进，对主变空充时产生的励磁涌流在采样计算时进行有效抑制，可靠区分是否空充于故障，提高保护动作的可靠性。

5 结语

就上述4种国产微机型主变保护的涌流判断逻辑看来，变压器空充时励磁涌流引起差动保护动作的可能性仍然存在，跳闸后如何对现场情况进行判断，区分故障与否，并将非故障设备尽快投入运行将是对继电保护专业从业人员的考验。我们将借助不断发展先进的装置和自身扎实的专业理论知识，保证电网的稳定运行。