励磁涌流对变压器差动保护的影响分析及对策探讨

索　娜，郭丽娜，刘士华

(1.郑州铁路职业技术学院，河南 郑州　450052；2.国家电投集团河南电力有限公司，河南 郑州　450016)



励磁涌流对变压器差动保护的影响分析及对策探讨

索娜1，郭丽娜1，刘士华2

(1.郑州铁路职业技术学院，河南 郑州450052；2.国家电投集团河南电力有限公司，河南 郑州450016)

摘要：大型变压器在空载合闸或切除故障后恢复供电时，因为励磁涌流的存在，会导致变压器差动保护装置发生误动或拒动，从而影响电力系统的正常运行。分析变压器差动保护的工作原理，研究变压器励磁涌流产生的原因和特点，对比分析当前所采用的4种抑制励磁涌流的措施，为解决变压器保护装置的误动或拒动提供帮助。

关键词：差动保护；励磁涌流；变压器

作为供电系统中重要的电气设备，变压器的安全、可靠运行对于整个电力系统是非常重要的。我国目前普遍采用差动保护作为变压器的主保护,但是，当变压器空载合闸或故障切除后恢复供电时产生的励磁涌流给差动保护带来了很多干扰,导致差动保护不能精准地分辨变压器发生的是内部故障还是外部故障,进而导致保护装置发生误动或拒动。通过分析变压器励磁涌流形成的原因，研究抑制变压器励磁涌流的方法，从而保证变压器保护装置的可靠动作。

1差动保护原理

变压器的差动保护采用的是纵差保护，它是按照循环电流原理构成的，原理接线图如图1所示。图1中，在变压器的原边和副边各装设一个电流互感器(CT)，电流互感器的二次绕组按环流原则串联，差动继电器并接在差回路中，当变压器处于正常运行状态或者发生的是外部故障时，电流则由电源侧流向负荷侧。

图1　变压器纵差保护原理接线图

(1)

即

(2)

式中:ni1、ni2分别为TA1、TA2的变比；KT为变压器的变比。

如果满足上述条件，当变压器处于正常运行状态或发生纵差保护范围外故障时，流入差动继电器的电流为

(3)

(4)

2励磁涌流产生的原因及其特点分析

2.1励磁涌流产生机理

为了使问题简化，下面就以单相变压器为例来分析当变压器空载合闸时，产生励磁涌流的原因。

生产和生活中所使用的交流电均为标准正弦波。当变压器空载合闸瞬间，其铁芯中的磁通量与电源电压的关系应该为

(5)

式中：W为绕组匝数；Φ为铁芯中的磁通；Um为电源电压幅值；α为合闸角。

由式(5)可得

(6)

对式(6)进行积分，可得

(7)

在式(7)中，C为积分常数，由初始条件确定。

当t=0时，则

(8)

在式(8)中，Φs为合闸前铁芯剩余磁通。将式(8)代入到式(7)中，同时考虑到电源回路及变压器绕组的有效电阻及损耗，可以得到

(9)

在式(9)中，T为时间常数，T的大小取决于合闸回路的损耗及XL。

图2　空投变压器时变压器铁芯中的磁通变化波形

通过上述分析可以知道，当以下条件同时成立时就会导致励磁涌流的增大：

(1)初始合闸角为0°。

(2)Φs=0.9Φm。

(3)Φmax=2.9Φm。

2.2变压器励磁涌流的特性分析

根据已有的实验结果和分析可以总结出励磁涌流具有以下3个特点：

(1)励磁涌流含有大量的非周期分量并且很大，它的波形偏于时间轴的一侧。

(2)励磁涌流中含有大量以2次谐波为主的高次谐波，但是短路电流里的2次谐波含量很少。

(3)励磁涌流的波形有间断角。

3抑制变压器励磁涌流的措施

当电力变压器产生励磁涌流和故障时，变压器的保护装置应做到不误动和不拒动，从而保证变压器在运行时的安全性和可靠性。抑制励磁涌流的常见措施列举如下。

3.1在差动继电器中加入速饱和变流器

在差动继电器中加入速饱和变流器是国内普遍采用的方法。变压器外部故障会导致变流器铁芯迅速饱和，严重影响铁芯的导磁性能，从而在很大程度上阻断不平衡电流的传播路径，抑制差动保护的误动。反之，对于内部故障，变流器的电源侧绕组中的非周期电流经过1.5～2个周波就可达到完全衰减。在这种情况下，饱和变流器绕组中会感应出较大的感应电势,使继电器准确动作。

电磁型差动继电器的工作原理是在直流分量的作用下提高继电器电流，减小励磁涌流。电磁型差动继电器也存在着一些缺点，例如不能如实反映铁芯饱和程度。为减小该缺点造成的影响，就要将差动保护数值调到额定电流的1倍以上，随之而来的问题是，过大的电流会导致变压器铁芯严重发热，甚至烧坏变压器绕组。

3.2采用偶次谐波制动的差动继电器

国内有多家微机保护装置生产厂家，每家的励磁涌流判断依据都不尽相同。现以国电南自生产的WBZ-65A型主变主保护装置为例，介绍二次谐波闭锁的比率差动保护原理。

变压器三相差动保护采用具有比率制动特性的差动保护，带有二次谐波闭锁判据，特性曲线如图3所示。

图3　比率制动特性曲线

比率差动保护判断依据为：

式中：ICD为差动电流，按式(8)计算；IZD为制动电流，按式(9)计算；IDZ为差动电流整定值；I1为制动电流Ⅰ段整定值；I2为制动电流Ⅱ段整定值；K1为Ⅰ段比率制动系数；K2为Ⅱ段比率制动系数。

为了减小变压器在空投时所产生的励磁涌流影响，可增加二次谐波闭锁的判据：

式中：I2A、I2B、I2C为A、B、C相二次谐波电流；IA、IB、IC为A、B、C相基波电流；K为二次谐波制动比。

远距离、超高压输电的输电线路以及高压电缆附近均存在对附近物体(例如大地)的电容，此外，电力系统中人为地加入了大量的无功补偿装置，这两种电容均易引起电力系统内部短路。这种短路能引起电流互感器的输出电流发生畸变，从而增加短路电流中的(尤其是2次和4次)谐波电流。涌流元件会将短路电流视为励磁涌流从而引起差动保护误动作，这种误动作极易损坏变压器。

3.3采用间断角

间断角原理就是利用变压器励磁涌流波形具有较大的间断角的特点来区分励磁涌流和故障电流。具体判断依据如表1所示。

表1　根据间断角φ判断故障电流、励磁涌流

(4)从源头上解决

从前面的分析可知，励磁涌流可以引起变压器的差动保护误动作，减少这种误动作的根本方法是从变压器内部减少励磁涌流。通过相关的数值计算方法可以精确控制Φs和空投角φ0，这种方法同时适用于单相系统和三相系统。这样，即使遇到电压骤升，也不会对变压器产生太大冲击。基于这种原理，人们制成了励磁涌流抑制器，但该设备投入市场时间尚短，其缺点暂未充分暴露，离大规模普及还有一些时日，其效果也有待进一步论证，但作为抑制励磁涌流的一种新方法，仍具有较广阔的应用前景。

4结语

从励磁涌流产生机理、特点和抑制方法三方面论述了变压器中的励磁涌流，从励磁涌流对差动保护造成的影响出发，研究了目前常用的4种抑制励磁涌流的方法，并对它们的工作原理进行了简单的分析，希望能对进一步提高变压器差动保护动作的可靠性有所帮助。

参考文献

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[2]裴丽秋,方浩.励磁涌流对变压器差动保护影响的分析与探讨[J].科技风,2011(1)：277.

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[4]李建阁.变压器差动保护误动作原因分析及措施[J].科技创新导报，2015(16)：93.

[责任编辑：赵伟]

收稿日期：2016 - 03 - 02

作者简介：索娜(1973—)，女，河南郑州人，郑州铁路职业技术学院副教授，硕士，研究方向为电气工程及自动化。 郭丽娜(1981—)，女，河南郑州人，郑州铁路职业技术学院讲师，硕士，研究方向为电力系统自动化。 刘士华(1979—)，男，河南郑州人，国家电投集团河南电力有限公司工程师，研究方向为电气工程。

中图分类号:TM771

文献标志码:A

文章编号：1008-6811(2016)02-0021-04

Analysis of the Influence of Magnetizing Inrush Current on Transformer Differential Protection and Its Solutions

SUO Na1, GUO Lina1, LIU Shihua2

(1.Zhengzhou Railway Vocational and Technical College, Zhengzhou 450052,China;2.Henan Power Co.,LTD of State Power Investment Corpration, Zhengzhou 450016,China)

Abstract:When a transformer is switched on without load or the power supply is restored after a fault, the inrush current will lead to the differential protection device making a faulty action or refusing action sothat affecting the normal operation of equipment. The paper analyzes differential protection principle of the transformer, and develops the causes for the inrush current generated and its characteristics, analyzes contrastively four measures to restrain the excitation inrush current, in order to help resolving malfunction of protection equipment for transformer.

Key words:differential protection；inrush current；transformer