浅谈高速供电系统中励磁涌流对线路保护误动作的成因分析及处理

■吴 健

(福建省高速公路永安监控分中心，永安 366000）

浅谈高速供电系统中励磁涌流对线路保护误动作的成因分析及处理

■吴 健

(福建省高速公路永安监控分中心，永安 366000）

微机型继电保护设备作为高速公路10kV供电系统保护装置，给供电线路及用电设备安全运行带来了安全保障。但受励磁涌流的影响，在停电后恢复运行时，保护装置可能会发出误动作信号导致高压断路器跳闸，造成供电系统内二次非故障停电。而维护人员往往会忽略该因素的存在，出现巡线和系统全面检查后又找不到故障点的情况，从而无法及时恢复供电。这不仅对高速公路行车安全带来安全隐患，也给故障的处理带来难度。本文就高速供电系统中，励磁涌流导致线路保护误动作的原因进行简要分析，并提供相应的应对措施。

励磁涌流 继电保护 误动作 成因分析

1 引言

高速公路的用电负荷为沿线分散性负荷，大量的电气设备通过电气线路紧密地联结在一起。这种覆盖的地区广，运行环境极其复杂，受影响的因素多的供电设施一旦发生故障，若查找方式不对，会给处理带来很大的难度。对高速公路交流电输配系统中来说，变压器是重要电气设备。在变压器空载投入和外部故障切除后电压恢复的情况下，则可能出现很大的励磁电流即励磁涌流。励磁涌流产生时，由于冲击电流存在的时间很短，对变压器的一次设备本身并无太大危害和影响。若继保整定值未充分考虑涌流因素，则有可能出现高压断路器误动作跳闸，使电力系统稳定性遭到破坏。然而在电力跳闸故障处理中，励磁涌流的因素又常常被忽略，从而导致故障查找处理时间过长，对高速机电设施安全、稳定运行造成不良影响。正确识别变压器励磁涌流和供电系统内部故障成为了供电运行保障的关键。以下结合高速公路供电运营实际，就涌流可能成因、出现线路保护误动作的判断及解决方法进行分析。

2 励磁涌流概述

2.1 产生原理

在交流电路中，磁通Φ总是落后电压90°相位角。用u来表示额定电压，Φ来表示额定磁通。为分析简便，若u=Um×sin(ωt），根据 u=dφ/dt则 Φ=-Um/ω×cos(ωt）+C，两者关系如图1所示。假设在合闸瞬间，电压正好达到最大值时，则磁通的瞬间值正好为零，在这种电压为峰值的情况下投入变压器，不会产生励磁涌流。但当合闸瞬间电压为零值时，它在铁芯中所建立的磁通为最大值(-Φm）。由于铁芯中的磁通不能突变，理想情况下若合闸前铁芯中没有磁通，则这一瞬间仍要保持磁通为零。因此，在铁芯中就出现一个幅值为Φm的非周期磁通分量。这时，铁芯里的总磁通Φ应看成两个磁通相加而成。由于磁通是双标量，铁芯中合闸瞬间磁通为2Φm，如果合闸时铁芯还有剩磁Φ0，磁通Φ还会更大，实际运行中可达到2.7倍的Φm。根据铁芯磁化特性，在电压瞬时值为零时合闸会产生最严重的磁饱，出现励磁电流会剧增现象，这就是励磁涌流的由来。

图1 交流电路中电压与磁通关系示意图

通过上面分析得知，励磁涌流是由于铁芯的磁饱和产生的。其数值会达到正常空载运行励磁电流的50～80倍，通常于接通电源1/4周期后开始产生，持续时间较长，从数十个电源周期直至数十秒不等。以一般变压器正常空载励磁电流为额定电流的10%计算，在最不利情况下合闸，瞬时值可达额定电流的5～8倍，如果再考虑合闸瞬间的剩磁影响，励磁电流会更大。考虑到回路电阻R的存在，该电流将随时间常数T=L/R逐步衰减，最终恢复到正常空载电流水平。涌流变化曲线见图2。一般小容量变压器衰减快，约几个周波后即达稳定状态，大容量变压器衰减慢，可以延续几秒甚至20s，这样就很好的揭示了继保误动作信号产生的原因了。以上分析了单相变压器最不利合闸情况，而高速机电日常使用的都是三相变压器，由于三相电压彼此相差120度，因此合闸时总会有一相的合闸状态处于或接近上面分析的最不利状态，也就是说总有一相出现最大的励磁涌流。

图2 励磁涌流变化曲线

2.2 类型及特点

高速公路10kV供电系统中常见的励磁涌流类型分为变压器励磁涌流和10kV配网励磁涌流两种。变压器涌流主要发生在收费所站供电的干式变压器中，而配网涌流则多出现在隧道内高压侧为手拉手结构的多台地埋式变压器配网中。

表1 两种类型涌流特点比较

2.3 带来的问题和影响

(1）由于该冲击电流存在的时间很短，励磁涌流本身对变压器并无危害。但当电网波动时，对变压器多次连续合闸充电也是不好的。大电流的多次冲击，会引起绕组间的机械力作用，长期作用可能逐渐使其固定物松动。

(2）高速隧道其环境复杂且恶劣，大量的、各种类型的电气设备通过电气线路紧密地联结在一起运行，一旦发生电气故障，其问题的查找是相当困难的。对于隧道这种多台变压器共一个断路器的供电方式，就有可能出现差动保护误动作造成跳闸停电故障。而励磁涌流这种非常隐蔽，又容易忽略的因素，在故障判断中常常不被考虑，结果造成故障点无法确定，导致隧道长时间停电，既给高速公路行车安全带来隐患和也给高速服务形象造成不良影响。

3 励磁涌流识别方法简述

3.1 间断角原理

以准确测量间断角的大小为基础，基于励磁涌流波形中有较大的间断这个特征实现其鉴别。其优点是利用了励磁涌流本身明显的波形特点，能够清楚的区分变压器励磁涌流和内部故障电流。

3.2 二次谐波制动原理

在变压器涌流中含有较大的偶次谐波分量，其中二次谐波分量最大。当电流信号中二次谐波的含量超过阀值，即判断是励磁涌流。但对存在静止无功补偿装置的系统中出现故障时，运用该法可能造成误判。

3.3 人工神经网络法

人工神经网络(ANN），可以应用于变压器内部故障和涌流的判别，其主要是利用ANN的模式识别能力进行电流的波形识别。其基本原理是将单相变压器的内部短路电流仿真模型和涌流仿真模型得到的频域和时域数据作为学习样本，对其所设计的神经网络模型进行训练，然后将训练好的神经网络模块重新接到励磁涌流和短路电流的仿真模型中进行仿真分析得出结论，以此来对涌流进行识别。

3.4 虚拟三次谐波制动原理

该原理主要是将励磁涌流波形中的以尖脉冲为中心的半个周波来作为拟合波形的前半周期，同时利用 “平移”、“变号”原则来对波形的后半周期进行拟合，此外，利用傅里叶变换来对拟合的波形进行计算以此得到基波和三次谐波，利用该原理可以对对称性和非对称性涌流进行快速而准确的识别。

3.5 小波变换法

此法目前主要集中于高次谐波检测和奇异点检测，实际上是间断角原理的一种延伸。高频检测所反映的是差流状态突变而产生的高次谐波，高频细节出现的位置对应于变压器饱和的时刻或故障发生时的时间。若差流的高频细节突变周期出现，则可判别为励磁涌流；若出现一次后就很快衰减为零，则为内部故障。

除了以上常见方法外，还有基于波形非正弦度分形估计的励磁涌流识别方法，利用励磁涌流波形非正弦度增大的特点，鉴别励磁涌流和故障电流，以及利用磁通轨迹特征来对变压器励磁涌流的识别方法。

4 高速供电系统中常见涌流误动作分析与处理

在高速供电系统中常见保护装置动作的原因有：雷击、高电位侵入、事故过电压、操作过电压、供电线路失压、单相接地故障、励磁涌流、二次回路接触不良、外来干扰(高频、辐射、静电放电）等。以上因素最后三种是引发保护误动作的重要原因，其中励磁涌流引发的误动多发且较易被忽略，2013～2017永安分中心辖区内供电保护装置动作情况统计见表2。

表2 2013～2017年保护装置动作情况统计表

下面结合高速公路机电日常维护遇到的涌流误动情况，就常见的两个励磁涌流误动作类型进行原因分析并给出解决方案。

4.1 所站干变高档运行导致的涌流引发保护误动

虽然高速公路供电线路多为10kV单回路专用线路，但部分电源接入点位于偏远地区，外架空供电线路只能就近T接10kV公用线路。由于公用回路上用户情况复杂，加之供电部门的变电站多使用当地小水电站作为电源，会出现电网电压受用户与季度因素影响波动的情况。就农网而已，10kV电网多发生电压值偏低 (9.8～10.3kV）的情况。为保护高速机电设备运行安全，多采用将所站干式变压器调档开关调至高档位运行的方法进行处理。而有载分接开关是通过增加或者减少绕组的匝数来改变变压器的变比。也就是说变压器在低档位和高档位，绕组的匝数不同，在1档位时匝数最多。然而励磁涌流的大小与铁芯中磁通的大小有关，磁通越大，铁芯越饱和，产生的冲击电流也越大。根据磁通公式Φ=U1/(4.44×f×N1）得出U1不变时，N1减小，Φ增大。因高速收费站负载端多装有失压脱扣保护装置，故障停电后，用电负载与变压器断开连接。当处在高档位运行的变压器，在合闸角为0时空投，就会瞬间出现铁芯磁通严重饱和，产生最大的励磁涌流。该瞬态冲击电流就会造成保护误动作，引起断路器跳闸。此类型误动作情况见图3。

根据以上情况解决高档运行导致的保护误动作，单纯依靠调整馈线柜继保整定值有可能出现越级跳闸现象，从而使得停电范围扩大导致公用电网大面积停电的严重后果。所以应视具体情况，将档位尽量调至中、低档位。若条件允许，可增加涌流抑制器进行有效地抑制。

4.2 隧道配电网整定值未考虑和应涌流引发保护误动

对于采用地埋式变压器供电的高速公路长隧道，由于使用的变压器数量多且高压侧都挂在同一高压电缆上，在电网波动或外供电送电合闸瞬间，各变压器(风机变空载投入）所产生的励磁涌流在线路上相互迭加、来回反射，产生了一个复杂的电磁暂态过程，加上系统阻抗较小，会出现较大的励磁涌流，时间常数也较大。此时，如果共用的断路器保护整定值未充分考虑和应涌流影响，就会出现保护装置误动作造成跳闸故障。误动作示情况见图4。

图3 变压器高档位引发误动作示意图

图4 整定值设定问题导致误动作示意图

该误动有两种常见解方法：1）对馈线柜内配电变压器的保护装置进行改造。该方法会大大增加保护装置的复杂性，因此应用性很差。2）根据涌流衰减特点，可在速断保护中适当加入一段时间延时 (一般增加0.1～0.15s），就可以防止励磁涌流引起的保护装置误动作。这种方法最大优点是不用改造配电变压器的保护装置，虽然会增加故障时间，但对于10kV系统稳定运行影响较小的地方还是适用的。然而，在采用二段式电流保护的10kV线路中，若限时速断保护定值过小，保护装置仍有误动的可能。此时，应根据实际情况重新整定速断保护定值，在满足灵敏度的条件下使整定值能躲过励磁涌流。

5 结束语

近年来随着我国高速公路里程的快速发展,整个高速机电系统的规模变得越来越大,日常运营中对电力的需求也越来越大。而变压器的励磁涌流是造成高速10kV供电系统差动保护误动作的不可忽视的重要原因之一。机电维护人员在日常电力维护中，既要做到快速识别判断励磁涌流现象，还要具备使用科学的方法对其进行防范及处理的能力，只有这样才能消除此类安全生产隐患，保护电力设施安全，确保高速机电设备可靠、稳定的运行。

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