浅析励磁涌流对变压器纵差动保护的影响

张慧慧（广东省水利水电第三工程局有限公司，广东 东莞 523710）



浅析励磁涌流对变压器纵差动保护的影响

张慧慧
（广东省水利水电第三工程局有限公司，广东 东莞 523710）

摘 要：变压器在电力系统中起着关键的作用，所以在其运行中要设置各种保护，纵差动保护就是众多保护中的一种。纵差动保护在对其进行保护时要躲过不平衡电流，才不致误判断，误动作。但是在变压器空载合闸时会产生励磁涌流，它是额定电流的6～8倍，如何抑制其对纵差动保护的影响，本文将从励磁涌流产生的原因等方面进行阐述。

关键词：变压器；差动保护；励磁涌流；短路电流；小波变换；速饱和变流器；二次谐波制动

电力变压器在电力系统中有着举足轻重的作用，变压器的故障会对电力系统的可靠运行及工业生产带来严重影响。我们都知道变压器故障不外乎就是两种：一是油箱内部故障，一是油箱外部故障。无论是哪种故障，对变压器而言都是十分危险的，所以在变压器运行过程中，要设置专门的保护对各种故障作出预警或是跳闸动作。纵差动保护是通过比较变压器两侧电流矢量而作出动作的一种保护装置。

纵差动保护接线图如图1所示。

我们知道，纵差动保护是通过选择变压器两侧电流互感器的变比，使得I11=I22，但是流经变压器某一侧的励磁电流通过电流互感器反应到差动回路的电流不能被平衡，即存在不为零的△I=I11-I22，而且这是在正常运行下不可避免的，所以纵差动保护动作就要躲开不平衡电流，但此电流不超过2%～10%Ie。然而在变压器空载投入或是故障切除后电压恢复时，就可能出现很大的励磁电流，此值约为6～8Ie，这就会造成纵差动保护误动作。为什么会出现这么大的励磁电流呢？

变压器在稳态工作下，磁通滞后于电压90°，其二者关系的波形图如图2所示。

从图2中可以看出，如果变压器空载合闸时，正好在u（ωt）=0时接通电路，则变压器铁芯中具有最大磁通-Φm。由于磁通不能突变，变压器铁芯中不能马上产生最大磁通-Φm，而是随着电压的变化，磁通由0逐渐增加，与外加电压u （ωt）形成新的波形关系，如图3所示，且Φ（ωt）在电压变化半个周期后，达到2Φm，如果此时变压器铁芯中还存在剩磁Φs的话，则铁芯中总磁通将达到2Φm+Φs。

这时变压器铁芯中的磁通就会严重饱和，从而导致励磁电流IL急剧增加，甚至达到6～8的额定电流，此电流称之为励磁涌流。励磁涌流中含有大量的非周期分量和高次谐波分量，其在变压器由暂态向稳态过渡的过程中逐渐衰减，其衰减时间与剩磁的大小和方向及回路阻抗的大小、电源容量的大小等有关。从变压器稳态运行时磁通与外加电压的波形关系图可以看出，对于单相变压器，如果在其空载合闸时u（t）恰为最大值，励磁涌流即可避免，但对于三相变压器，由于三相电压存在相位差，所以无论选择何时合闸，总会有两相出现不同程度的励磁涌流。既然励磁涌流难以避免，那么如何防止励磁涌流对变压器纵差动保护的影响，这就需要知道励磁涌流所具有的特性。有实验数据表明，励磁涌流具有以下特点：（1）含有非周期分量；（2）含有高次谐波；（3）波形间断，且只存在于X轴的一侧。其波形图如图4所示。针对励磁涌流特点，可采用以下几种方法防止励磁涌流对纵差动保护的影响。

图1

（1）利用励磁涌流和短路电流的区别

励磁涌流的特点上面已经描述，下面为了简便起见，我们以单相变压器为例来说明其发生短路时，所产生的电流特点。变压器空载时等效电路如图5所示（从一次绕组看进去）。

其中：r1为变压器一次侧电阻，x1为变压器一次侧电抗，rm为变压器铁芯损耗的等效电阻，xm为变压器主磁通在铁芯中产生的等效电抗。从变压器空载时的等效电路可以看出，当变压器二次侧发生短路时，其二次侧电流将会变得很大，从而可以忽略励磁电流的存在，那么变压器二次侧短路后，其等效电路将会变为（图6）。

图2

图3

设变压器二次侧突发短路时，电压相角为ψ，则u（t）=Umsin（ωt+ψ），那么由上等效电路可以得出：

图4 励磁涌流波形

图5 变压器等效电路

图6 变压器二次侧短路时等效电路

解上微分方程得：

i（t）=Isin（ωt+θ-ψ）+Ce-τt

其中：I为短路电流有效值，θ为短路阻抗角，τ为衰减时间常数。从短路电流公式可以看出，其由两部分组成，一个是三角谐波周期分量，一个是随时间衰减的非周期分量。利用小波变换原理，我们可以准确地提取信号特征，它不仅可以检测信号的奇异点，还可以检测其模量局部极大值。励磁涌流波形只存在于时间轴的一侧，那么通过小波变换，其至少存在两个连续的局部模极大值，而变压器短路电流经过小波变换后其各个局部模极大值任然是正负交替的，所以我们可以通过小波变换来区分励磁涌流和变压器故障电流，从而避免纵差动保护误判断。

（2）采用速饱和变流器

速饱和变流器的工作原理就是在差动回路中接入带速饱和特性的中间变流器BLH，它可以有效防止暂态过程中的不平衡电流。下面是电流周期分量和非周期分量在接有中间变流器的差动回路中与磁感应强度B和磁滞回线的关系图（图7）。

从图7可以看出，当电流为三角谐波时，磁感应强度B的变化△B很大，这样就会在二次线圈中产生较大的感应电动势，从而使继电器动作，而当电流为非周期分量时，磁感应强度变化很小，那么其在二次线圈中产生的感应电动势也就很小，不易引起继电器动作。由于励磁涌流为非周期分量，那么通过这种方式就可以使励磁涌流得到抑制。然而变压器故障短路电流含有随时间衰减的非周期分量，在其非周期分量未衰减完毕之前，继电器也不能动作，这样就延迟了变压器故障的切除时间，这对变压器保护是极其不利的。我们知道衰减时间常数与所保护变压器的容量成正比，那么变压器容量越大，其非周期分量衰减时间就越长，纵差动保护动作时间也就越长，所以采用速饱和变流器抑制励磁涌流的方法是有一定局限性的。

（3）利用二次谐波制动

二次谐波制动回路由电抗互感器、电容、整流桥及电阻等组成，电抗互感器的一次线圈接在差动回路中，在正常运行时，通过其一次线圈的电流为不平衡电流，当被保护变压器故障时，通过其一次线圈的电流是故障电流。而电抗互感器的二次线圈励磁阻抗与电路中的电容可以组成并联谐振回路，从而对二次谐波分量就会呈现出较大的阻抗，那么其对应的输出电压也就会很大，将此电压整流滤波后，就可以得到二次谐波制动电压。上面我们已经知道励磁涌流含有少量的高次谐波，短路电流含有大量的二次谐波，所以通过调节二次谐波制动回路中的调节电阻来改变二次谐波制动效果，从而实现对励磁涌流和故障短路电流的区分，以防止纵差动保护的误判断。

结语

综上所述，上面三种方法都可以防止励磁涌流对差动保护的干扰，但在实际应用中速饱和变流器和二次谐波制动都有一定的局限性，而基于小波变换理论的区分励磁涌流和故障电流的方法有着其独特的优越性，其将在实际应用得到广泛推广。

参考文献

［1］岳志刚，杨国旺，曲艳华.励磁涌流对差动保护的影响及其对策［J］.高压电器，2005，41（1）：48-50.

中图分类号：TM407

文献标识码：A