变压器多侧励磁涌流产生机理及对差动快速动作区影响研究

姚东晓，邓茂军，倪传坤，王立德，马和科，吕利娟，黄继东



变压器多侧励磁涌流产生机理及对差动快速动作区影响研究

姚东晓1，邓茂军1，倪传坤1，王立德2，马和科1，吕利娟1，黄继东1

(1.许继电气股份有限公司，河南 许昌 461000；2.国网湖南省电力公司检修公司，湖南 长沙 410000)

多侧励磁涌流特征类似区内故障，容易造成变压器差动保护快速动作区误动作。研究了两种多侧励磁涌流产生的机理并分析了其对不同类型差动保护快速动作区的影响。第一，变压器高压侧空投致铁芯饱和时高压侧和低压绕组中均产生励磁涌流的机理及其对分相差快速动作区的影响；第二，自耦变区外故障切除致铁心饱和时高、中压侧及低压绕组均出现励磁涌流的机理及其对纵差快速动作区的影响。基于对两种励磁涌流产生机理及特征的分析，提出分相差不宜配置快速动作区，而纵差快速动作区判据也应采取防误措施，并提出了具体防误方案。经多次实验验证，该方案可有效防止纵差快速动作区误动作。

变压器；多侧励磁涌流；差动保护；快速动作区；恢复性涌流；区内故障

0 引言

励磁涌流是引起变压器差动保护误动作的重要因素之一。经过长期的研究完善，励磁涌流的判别方法越来越成熟[1-8]，已很少出现因励磁涌流判据问题导致差动保护误动作的情况。然而，对一些快速差动保护，由于励磁涌流判据开放较慢，一般需要20 ms左右，不宜经励磁涌流闭锁，比如差动速断保护、差动快速动作区。差动速断保护定值门槛高，整定时考虑躲避励磁涌流，因此不易出现励磁涌流导致的误动。而差动保护快速动作区定值门槛不足以躲避励磁涌流，虽然其判据本身具有抗单侧励磁涌流功能，但对多侧励磁涌流，仍存在误动作可能。

本文研究了多侧励磁涌流产生的原理，并分析了两种产生多侧励磁涌流的情况及对差动快速动作区的影响。首先介绍了差动保护快速动作区的动作方程和条件，然后对多侧励磁涌流产生的原理进行了详细分析，通过建立变压器在空投和区外故障切除时的等值电路，详细研究了变压器在空投和区外故障切除时出现多侧励磁涌流的机理，得出分相差动保护不宜配置快速动作区，而纵差保护快速动作区也要考虑防误措施，提出了具体防误方案，经过多次动模及数模仿真实验验证，该方案可有效防止多侧励磁涌流纵差快速动作区误动作。

1  差动保护快速动作区条件

差动保护快速动作区动作方程如式(1)。

差动保护快速动作区逻辑如图1所示。在区内外故障同步识别逻辑判为区内故障的情况下，若同时差流满足快速动作区特性方程，经短延时，差动保护快速动作区动作。其中可设为5 ms。

2  变压器多侧励磁涌流产生原理分析

变压器在空投或区外故障切除时，若铁芯磁密过高，便会出现励磁涌流。磁密计算如式(2)。

变压器空投时，在系统阻抗、变压器结构、绕组物理参数一定的情况下，剩磁和合闸角的组合关系决定了励磁涌流的大小：若剩磁较大，且合闸角在系统电压过零点附近，同时磁通变化方向与剩磁方向一致时，会导致铁芯磁密过高而严重饱和，产生较大励磁涌流。在变压器区外故障切除时，决定励磁涌流大小的因素主要为故障合闸角及故障切除角。若故障合闸角在系统电压过零点附近，此时相当于变压器铁芯中含较大剩磁；由于断路器切除故障必须在电流过零点切除，因此故障切除角往往在±90º附近，若故障切除后磁通变化方向与剩磁方向一致，可导致铁芯磁密过高而饱和。

为分析铁芯饱和时多侧励磁涌流产生的原理，首先分析两侧均有电源的双绕组变压器产生多侧励磁涌流的情况。双绕组变压器A相等值电路如图2所示。

图2 两侧均有电源的双绕组变压器等值电路

根据图2等值电路，可计算出励磁阻抗两端的电动势为

(4)

式(5)中等号右边不为0，且所有阻抗的阻抗角均基本相同，若同时与相位相同，根据式(3)，相位也必然与和相同，而且随着变小而降低，若降低到小于和，则导致与相位相同，此时会造成高、低压侧产生同相位的励磁涌流。

3  空投主变高压侧多侧励磁涌流产生机 理及对分相差快速动作区影响分析

3.1 空投主变多侧产生励磁涌流的机理

以Y/D11接线形式的变压器为例，在空投主变高压侧时，由于除高压侧外其他侧开关均处于断开状态，只有高压侧和低压侧三角绕组有电流回路。我们以主变A相为例进行分析。空投时，主变A相等值电路如图3所示，低压侧A相等效电源的合成相量图如图4所示。

某500 kV变电站在空投主变(自耦变)高压侧时，高压侧和低压绕组中均出现了励磁涌流，如图5所示。

图5 空投电流电压波形

根据现场变压器参数，主变高压侧额定电流(即分相差动基准电流)为0.206 A，高压侧平衡系数为1，低压绕组平衡系数为0.114 5。

根据第1节差动电流与制动电流的计算公式，得到空投时分相差动电流与制动电流如图6所示。

考察A相的差动电流和制动电流，采用傅里叶变换后，A相差流有效值为0.276 A左右，制动电流有效值为0.226 A左右，满足分相差快速动作区动作方程。同时由于涌流为纯差流，区内外故障同步识别逻辑应判为区内，因此满足分相差快速动作区条件。

图6 分相差流和制动电流

4  区外故障切除致多侧涌流机理及对纵差快速动作区影响分析

4.1 区外故障切除致多侧励磁涌流机理

330 kV以上变压器一般以自耦变为主，其高、中压侧一般均有电源接入。以3绕组自耦变为例，分析其在区外故障切除过程中，励磁涌流的分布情况。图7为自耦变区外故障时系统的简化模型，故障类型为高压侧区外三相对称故障。

图7 自耦变区外故障系统简化模型

图7中，高压侧和中压侧均有电源，hs、ms分别为高压侧和中压侧的系统阻抗。

[10]邢悦，詹奕嘉：《国际关系：理论、历史与现实》，复旦大学出版社，2008年10月第1版，第84页.

高压侧三相短路故障后，低压绕组电流很小，可以认为无流，自耦变可从中压侧出线端分解开[9]，形成一个双绕组变压器，其等值电路如图8所示。

图8 高压侧区外三相故障时自耦变等效电路

由图8可推导出励磁电动势，如公式(7)。

由于故障时励磁阻抗远大于串联绕组漏阻抗[10]，公式(7)可简化为

(8)

故障切除后，高、中压侧电压恢复。此时自耦变等效电路如图9所示。

图9 故障切除后自耦变等值电路

Fig. 9 Autotransformer equivalent circuit after fault cutting off

4.2 多侧励磁涌流对纵差快速动作区影响分析

在500 kV自耦变动模实验中，模拟自耦变高压侧区外三相故障，故障切除时，高压侧、中压侧及低压绕组均产生了恢复性涌流，验证了以上分析的正确性。实验模型与图5相同，模型中主变高压侧额定电流(即分相差动基准电流)为0.923 7 A，高压侧平衡系数为1，中压侧平衡系数为0.968。纵差保护差流计算采用了星转角运算，即将星侧的电气量等效折算到角侧。对低压侧三角形11点接线形式，高、中压侧星转角折算如式(9)。

经如上折算算法后，纵差差动电流和制动电流如图10所示。

图10 纵差差动电流及制动电流

在故障切除后35~55 ms，纵差B相差动电流为1.282 A左右，制动电流为1.066 A左右，满足快速动作区特性方程。同时由于区外故障持续时间内差流很小，区外故障标志的差流保持逻辑无效。在190 ms后故障切除时产生较大恢复性涌流，且远大于负荷电流，区内外故障识别逻辑识别为区内故障，因此能够满足纵差快速动作区条件。

5  防止差动快速动作区误动的措施研究

设置差动快速动作区的目的是在发生区内故障时快速切除故障，其动作时间短，一般为10~20 ms。做为一般动作区的补充，首先应保证快速动作区的可靠性和快速性，不考虑区外转区内等复杂故障时靠快速动作区切除故障。基于此原则，可以从限制快速动作区投入条件来解决多侧励磁涌流可能导致的误动作问题。

分相差由于计入低压绕组电流，而铁芯饱和时，低压绕组中往往会产生励磁环流，因此分相差快速动作区在主变空投时及恢复性涌流时均易误动作，不宜设置快速动作区。

而纵差保护未计入低压绕组电流，在主变空投时，只有空投侧有电流，差动电流与制动电流相等，因此不会误动作；但是在区外故障切除多侧产生较大恢复性涌流时，仍然存在误动作可能。为防止多侧恢复性涌流导致误动作，纵差快速动作区可考虑仅在保护启动30 ms内投入，且在区内外同步识别逻辑识别为区外故障时直接闭锁纵差快速动作区12 s，长时间退出纵差快速动作区，以保证区外故障切除时快速动作区处于退出状态。改进后逻辑经多次动模及数模实验验证，能够可靠防止纵差快速动作区误动作。

6  结语

本文通过研究变压器空投及区外故障切除时多侧产生励磁涌流的原理及特征，得出多侧励磁涌流可能造成差动电流大于制动电流，从而满足差动保护快速动作区特性方程，导致差动保护快速动作区误动作。用Matlab软件分析现场故障波形，与分析结论完全一致，验证了分析方法的正确性。

分析得出分相差动保护因低压绕组在铁芯饱和时往往会产生励磁环流，不宜配置快速动作区。而纵差保护因未使用低压绕组电流，可对纵差快速动作区增加防误方案，并提出了具体改进措施，经多次数模及动模实验检验，该方案可有效防止纵差快速动作区误动作。

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(编辑 葛艳娜)

Transformer's multi-side inrush current generation mechanism and its influence on the differential protection's fast action zone

YAO Dongxiao1, DENG Maojun1, NI Chuankun1, WANG Lide2, MA Heke1, LÜ Lijuan1, HUANG Jidong1

(1. XJ Electric Co., Ltd., Xuchang 461000, China; 2. Maintenance Company of State Grid Hunan Electric Power Corporation, Changsha 410000, China)

Multiple sides' inrush currents of transformer are similar to inside fault currents, which is likely to cause the differential protection's fast action zone malfunction. This paper studies two multi-side inrush current's mechanism and analyzes the effects on two different types of differential protection fast action zones. First, the inrush current's mechanism generated from high-side and low-side windings when closing the high-side breaker without load led to core saturation and its effect on phase differential protection fast action zone; second, the inrush current's mechanism generated from high-side, mid-side and low-side windings when cutting off the outside region fault led to core saturation and its effect on longitudinal differential protection fast action zone. Based on the analysis of two inrush current generation mechanism and characteristics, it puts out that the winding differential protection should not deploy fast action zone, and the longitudinal differential protection's fast action zone should add error prevention measures. And it puts forward specific improvement program which has been proven to prevent malfunction in many experiments.

transformer; multi-side inrush current; differential protection; fast action zone; restorative surge; fault zone

10.7667/PSPC150874

2015-07-25；

2015-12-20

姚东晓(1982-)，男，通信作者，硕士，工程师，主要研究方向为继电保护；E-mail：yaodongxiao1@163.com 邓茂军(1975-)，男，硕士，高级工程师，研究方向为继电保护； 倪传坤(1980-)，男，硕士，高级工程师，研究方向为继电保护。