基于补偿励磁涌流的变压器差动保护改进方法

罗维求 张晓惠

1.福建省电力勘测设计院 福建 福州 350003；

2.福州大学至城学院 福建 福州 350002

0 引言

变压器是电力系统的关键设备，其稳定运行至关重要，因为一旦变压器发生故障，将导致该变压器所连接的大面积的停电事故。同时，如果变压器发生故障而损坏时，不仅造成大面积停电，而且维修或替换费用非常昂贵，这就对变压器主保护提出了很高的要求。而传统的变压器保护主要采用差动保护的方法，这种方法主要好处在于简单有效，因此，当今的各种变压器保护中，这种方法仍然广泛被应用，但这种方法也存在一个致命的缺陷，那就是无法辨别变压器的内外故障以及变压器空载合闸时产生的励磁涌流，从而加大了变压器跳闸的频率。

在目前的变压器保护中，主要采用间断角原理以及二次谐波制动原理来识别励磁涌流与故障电流，但这两个方法都有很大的局限性，对于二次谐波制动原理，不仅在线圈内部出现不对称故障时，尤其在变压器旁边有无功补偿装置时，会在故障电流中产生较大的二次谐波，从而使变压器保护动作延时。而对于间断角原理也会由于电流互感器饱和时在涌流的间断区出现反向电流而使涌流的间断角消失使保护产生误动作。

针对这个问题，国内外专家提出了很多新颖的方法，徐岩［1］等提出了基于电压电流微分波形特性的变压器保护新原理的研究，陈德树［2］等提出了虚拟三次斜波制动式变压器器差动保护，phdke A G［3］提出了基于磁通特性的变压器差动保护，K.Yabe［4］提出了基于功率差分的变压器差分保护，O.A.S.Youssef［5］提出了基于小波变化的变压器差分保护，孙志杰［6］等提出了波形对称原理的变压器差动保护。不可否认这些方法在解决变压器误动作问题方面的确都是一些很好的方法，但他们都或多或少的存在变压器发生故障时继电器动作延时问题。

本文在总结前人研究的基础上，提出了一种基于补偿励磁涌流的变压器差动保护的改进方法，这种方法与传统的电流差动保护方法不同之处在于，传统的差动保护方法主要利用采集一次侧与二次侧的电流，并通过二者的差分值来识别变压器的各种故障，这种方法在变压器内部故障时可以可靠的识别故障，但当变压器存在励磁涌流与外部故障时却可能导致变压器误动作。针对这种情况，本文综合考虑了励磁涌流这种情况，即把一次侧电流扣除掉励磁涌流，从而得到了新的用于计算电流差分值的新的一次侧电流。经过这样的处理，得到了变压器差动保护的新的整定值，能够很快的识别变压器的各种故障，通过不同的变压器故障仿真验证表明，这种方法能够准确的识别不同类型的变压器故障，且具有很高的灵敏性。

1 补偿电流的变压器差动保护原理

1.1 传统的变压器差动保护原理

传统变压器差动保护原理如图1所示，其主要原理是在变压器的两侧连接适当的电流互感器，并按图1所示进行连接，从而得到流过继电器的差动保护中差分电流的整定值：

其中a为变压器两侧绕组的比值，I1为变压器一次侧电流，I2为变压器二次侧电流。而变压器的启动阀值为：

根据以上整定值，得到变压器差动保护启动电流判别式：

其中K为可靠系数。

从以上的整定公式可以看出，当变压器发生内部故障时，由于I1与I2都流向变压器，因此流过两个电流互感器的电流方向相反，从而使流过继电器的电流Id很大，而Ir几乎为0，因此差动电流超过变压器动作阀值使继电器动作。而当变压器发生外部故障时，此时流过电流互感器的电流方向相同，故流过继电器的电流Id很小，几乎接近于0，而Ir很大，故此时保护不动作。但当变压器出现励磁涌流时，此时也会使Id很大，且很可能超过整定值使继电保护误动作。

图1 双绕组变压器差动保护原理图

1.2 基于补偿电流的差动保护原理

1.2.1 理论分析

通过分析表明，传统的差动保护误动作的主要原因在于计算差分电流的变压器一次侧电流没有考虑励磁涌流。当变压器出现励磁涌流时会使I1很大从而使Id值超过整定值而使变压器发生误动作。针对这种情形，本文通过在整定式中加补偿电流项，扣除一次侧电流的励磁涌流成分，从而避免了上述问题。变压器等效模型如图2所示。

图2 变压器的等效模型

根据这种思想，由变压器的的等效模型，可以令差分电流为：

其中 ic（t）为变压器等效耗损电流，im（t）为励磁涌流。

由于当产生励磁涌流时，ic（t）远小于 im（t），因此可忽略ic（t）项，这并不影响判据的准确性。故可得：

因此，问题的关键在于如何求取变压器的励磁涌流。

1.2.2 im（t）的求取

根据相关文献［7］，在变压器合闸过程中第K个周期励磁涌流的瞬时值可近似由下式决定：

2 仿真与分析

为了验证结论的准确性，本文采用MATLAB中的电力系统模块（PSB）进行仿真验证，仿真主电路图与测量子电路图分别如图3、4所示。下面分别对变压器发生内部故障，外部故障以及励磁涌流等几种情况传统的方法以及改进的方法进行仿真，并对两种方法的仿真结果进行对照，从而验证结论的可靠性。

图3 仿真子电路图

图4 测量子电路图

1）当变压器出现励磁涌流时，假设合闸初相角，此时仿真结果如图5、6所示：

图5 变压器励磁涌流波形

图6 变压器出现励磁涌流时所对应的Id，Ir

由仿真结果可以看出，当变压器出现励磁涌流时，使用传统方法得到的差动电流Id远远大于启动电流阀值Ir，因此将使保护误跳闸。而使用补偿励磁涌流的改进方法得到差动电流值Id远远小于启动电流阀值Ir，因此，这种方法可以可靠的避过励磁涌流使保护不会误动作，换句话说，使用补偿励磁涌流的方法可以准确识别变压器内部故障与励磁涌流。

2）当变压器发生内部故障时，不失一般性，假设变压器主线圈发生百分之七十接地故障，仿真电路图如图7、8所示：

图7 当变压器发生内部故障时变压器励磁涌流波形

由上面仿真结果可以看出，当变压器发生内部故障时，使用传统方法得到的差动电流值Id远远大于启动电流阀值Ir，因此，传统的方法可以使保护准确动作。但此时使用补偿励磁涌流的方法得到的差动电流值也超过启动阀值Ir，故这种方法也可以使保护准确动作。因此，这种方法保持了传统方法能够准确识别变压器内部故障的功能。

图8 变压器发生内部时所对应的Id，Ir

3）当变压器发生外部故障时，不失一般性，假设变压器二次侧负载发生短路，其仿真结果如图9、图10所示：

图9 变压器发生外部故障时励磁涌流波形

图10 变压器发生外部故障时所对应的Id，Ir

从仿真结果可以看出，当变压器发生外部故障时，此时使用传统的方法以及补偿电流的方法都使得到的差动电流值小于启动电流阀值，因此，当变压器发生外部故障时两种方法都不会使变压器保护动作，换句话说，传统方法与补偿励磁涌流方法都能够准确的识别变压器外部故障。

3 结束语

基于补偿励磁涌流的变压器差动保护原理克服了传统变压器不易识别励磁涌流与内部故障的困难。该方法使用的启动电流与传统的一致，不同之处在于差分电流中扣除了励磁涌流部分，通过这样的处理，可以很方便的避开励磁涌流的影响，从而使继电器能够准确动作。同时，本文对变压器可能出现的各种情况都进行了仿真验证。仿真结果表明，该方法不仅对变压器内部故障反应灵敏，而且对变压器外部故障以及励磁涌流都可以准确识别，且该方法无需额外的硬件要求，原理简单，易于实现。除外，该方法对各种故障反应速度快，从而克服了传统变压器差分保护动作响应速度慢的问题。

［1］徐岩，王增平，扬奇逊.基于电压电流微分波形特性的变压器保护新原理的研究［J］.中国电机工程学报，2004，24（2）：61-65.

［2］陈德树，尹项亘，张哲等.虚拟三次斜波制动式变压器差动保护［J］.中国电机工程学报，2001，21（8）：19-23.

［3］ Phadke A G，Trop J S.A New computer-based flux restrained current differential relay for power transformer protection［J］，IEEE Trans on power Apparatus and System 1983，102（11）：3624-3629.

［4］ K.Yabe.Power differential method for discrimination between fault and magnetizing inrush current in transformers.IEEE Trans on power delivery，1997，12（3）：1109-1118.

［5］ O.A.S.Youssef.A wavelet-base technique for discrimination between faults and magnetizing inrush currents in transformers.IEEE Trans on power delivery，2003.

［6］孙志杰，陈云仑.波形对称原理的变压器差动保护［J］.电力系统自动化，1996，20（4）：42-46.

［7］孙志杰，陈云仑.波形对称原理的变压器差动保护［J］.电力系统自动化，1996，20（4）：42-46.

［8］张建松，何奔腾，张雪松.变压器衰减励磁涌流的实用计算方法［J］.电力系统自动化，2005，29（12）：57-60.