一起励磁涌流引起主变方向过流保护误动的分析及对策

陈志勇

(广东粤电大亚湾综合能源有限公司，广东惠州 516082)

0 引言

某厂一期为4×1 000 MW机组，发电机-变压器采用单元接线，500 kV升压站采用一个半断路器接线，两回出线，见图1。500 kV第一串5011开关、5012开关、5013开关合环运行，第二串5021开关、5022开关、5023开关合环运行，第三串5031开关、5032开关处于运行状态，5033开关停电检修，4号主变处于停电检修状态。4号机组停机检修期间，电气人员对5033开关、4号主变本体及二次回路进行了检修工作。

图1 电气主接线图

1 励磁涌流的产生和特点

1.1 励磁涌流的产生原因

变压器励磁涌流是由变压器铁心饱和引起的。在铁心不饱和时，铁心磁化曲线的斜率很大，励磁电流近似为零，一旦铁心出现饱和，磁化曲线斜率变小，电流随着磁通非线性增长，最终演变成励磁涌流[1]。当发生外部短路故障时，由于电源侧母线电压降低，励磁电流将减小，对差动保护几乎没有影响；当变压器空载充电时或外部故障切除后电压恢复过程中，特别是在电压瞬时值为零时刻合闸时，变压器铁心中的磁通迅速增加，使铁心瞬间饱和，这时会出现一个很大的冲击电流，可达6～10倍的额定电流，通常称为励磁涌流[2]，见图2。

图2 励磁涌流原理图

1.2 励磁涌流的特点

第一，励磁涌流波形中含有很大的非周期分量，往往使涌流在最初的几个周期内偏向于时间轴的一侧，并迅速衰减，一般经0.5 s后，其值小于0.25～0.5倍额定电流[4]。

第二，励磁涌流的波形存在间断角。此间断角对应于铁心工作在正常不饱和范围，涌流对应于饱和范围。每个周期内有120°～180°的间断角，最小不低于80°～100°。

第三，励磁涌流波形中含有大量的高次谐波，并且以二次谐波为主。

第四，励磁涌流在初始阶段数值很大，以后逐渐减小。

2 案例分析

2.1 事故情况

某厂4号主变生产厂家为保定天威保变电气股份有限公司，规格型号为SFP-780000/500TH。4号主变配置两套美国GE公司的T60保护装置。按照机组检修计划，4号机组停机检修，电气人员对5033开关和4号主变的本体及二次回路进行了检修工作。完成检修工作后，运行人员向调度申请4号主变充电。运行人员对4号主变进行充电操作，当合上4号主变5033开关对主变进行充电瞬间，4号机第一套主变保护、第二套主变保护主变方向过流保护动作，5033开关跳闸。

2.2 原因分析

4号机组检修期间，电气人员曾对5033开关和4号主变本体和二次回路进行检修，并对4号主变保护装置进行保护定检。保护定检完成后，先后用第一套、第二套主变差动保护传动5033开关，开关分合正常。传动完成后，并未对发变组保护二次回路进行任何工作。主变方向过流保护动作后，电气人员随即进行了检查。检查5033开关未见异常，主变本体未见异常，4号机第一套主变保护装置、第二套主变保护装置主变方向过流保护动作，故障录波装置启动。

见图3录波图可知，2月27日18时16分27秒384毫秒，5033开关成功合闸，此时4号主变高侧Ua、Ub、Uc相电压正常，Ia、Ib、Ic相电流波形偏向时间轴的一侧，其中Ib、Ic相电流最高达到0.731 A和0.930 A，大于主变方向过流保护整定值0.58 A，经过543毫秒后，第一套主变方向过流保护、第二套主变方向过流保护动作，跳开5033开关。

图3 主变方向过流保护录波图

从电流波形可看出，5033开关合闸瞬间，4号主变高侧电流Ia、Ib、Ic相直流分量为0.167 A、0.164 A、-0.334 A；二次谐波含量为80.97%、80.78%、79.53%。经过543毫秒后，Ua、Ub、Uc相电压分别为4.574 V、1.623 V、3.591 V；Ia、Ib、Ic相电流分别为0.308 A、0.556 A、0.712 A；直流分量为-0.009 A、0.121 A、-0.186 A，二次谐波含量为74.38%、23.55%、29.26%。从电流波形来看，符合励磁涌流的特征。

4号主变方向过流保护的整定值为0.58 A，延时0.5 s，方向指向主变，见表1。变压器投入前铁心中的剩余磁通与变压器投入时工作电压产生的磁通方向相同时，其总磁通量远远超过铁心的饱和磁通量，因此产生极大的涌流。经了解，4号主变停电检修期间，试验人员曾对主变进行变压器绕组直阻试验，试验人员为节约时间，采用了大电流进行试验。变压器在进行绕组试验后，不可避免会产生剩磁，剩磁的多少取决于变压器绕组通过直流电流的大小和时间长短。铁心剩磁不仅会造成变压器励磁涌流大量增加，而且还会产生谐波电流，严重威胁设备的安全。试验后虽进行消磁，但是并没有检测消磁的效果以及变压器剩磁的多少。

表1 主变方向过流保护定值

为了进一步分析主变充电时的励磁涌流，从故障录波装置分别调出了近两年主变充电时的电流波形。

图4为4号主变充电时的历史录波图，从该波形图可以看出，5033开关合闸后，主变高侧三相电压为正弦波，幅值分别为61.263 V、61.053 V、61.929 V，主变高侧三相电流为0.226 A、0.336 A、0.146 A，远远低于主变方向过流保护的整定值。

图4 4号主变充电时历史录波图

主变方向过流保护作为主变及其附属设备的后备保护，只有当主保护拒动时，方向过流保护才会动作。查阅图纸可知，主变差动保护整定值为0.2 A，该保护投2次谐波制动，制动系数为15%。从电流波形图可以看出，5033开关合闸瞬间，主变高侧三相电流的二次谐波制动分别为80.97%、80.78%、79.53%，主变高侧方向过流保护动作时二次谐波分别为74.38%、23.55%、29.26%，远远高于15%，导致主变差动保护因二次谐波制动而未动作。

通过以上分析可知，5033开关异常跳闸的根本原因是由于变压器剩磁和励磁涌流的叠加导致变压器励磁涌流异常增大，而主变差动保护因二次谐波制动而未动作，引起主变方向过流保护动作，最终导致5033开关异常跳闸。

3 处理方法

此次事故的根本原因为变压器剩磁和励磁涌流的叠加引起励磁涌流异常增大导致5033开关跳闸。针对事故原因，从变压器剩磁和励磁涌流两个方面来解决。

针对变压器剩磁问题，对主变采用直流消磁法消除剩磁。在变压器绕组两端正向、反向分别加入直流电流，并按比例减小，以缩小铁心的磁滞回环，来达到消磁的目的。为确保消磁效果，选用5 A和1 A电流档位进行反向反复冲击消磁。

针对励磁涌流问题，通过对主变方向过流保护定值进行整定计算，查阅相关规程并咨询专家，发现主变方向过流保护定值0.58 A、0.5 s不合理。为合理躲过励磁涌流的影响，经过重新的整定计算，将主变方向过流保护定值修改为0.66 A、2.5 s。

通过上述两方面的措施，基本解决了主变剩磁和励磁涌流的影响，主变空充正常。

4 预防措施

变压器进行绕组直阻试验会产生一定的剩磁。主变空充时，不可避免会产生励磁涌流，消除剩磁和励磁涌流才是解决问题的根本方法。为避免主变充电时剩磁和励磁涌流导致保护误动作，建议采取如下技术和管理措施：

第一，在保留原来的主变方向过流保护的基础上增加一个主变复压过流保护，作为变压器高侧相间故障的后备保护。在两套主变保护装置分别增加一个主变复压过流保护，复合电压分别取主变低压侧电压和主变高压侧电压，两者为或的关系；电流取主变高压侧电流。当变压器主保护拒动时，该保护可以作为后备保护有效切除故障，保护设备安全。

第二，变压器绕组直阻试验时，直流电阻测试电流档位选择小电流，高低压侧直阻试验完成后，需交换极性对变压器绕组再进行一次充电，用其所产生的磁通抵消测试试验时所产生的剩磁，必要时，反复进行消磁，提高消磁效果。

第三，定期对发变组保护定值进行整定计算。根据电气设备的参数和实际情况，校核发变组保护定值的合理性。及时修订不合理的定值，合理躲过励磁涌流。

第四，加装主变涌流抑制装置，可以有效抑制主变充电时产生的励磁涌流，避免保护误动作[4]。

5 结语

变压器进行绕组直阻试验会产生一定的剩磁；变压器充电时，会产生励磁涌流。通过采取一系列技术和管理措施，可以有效抑制或消除变压器的剩磁和励磁涌流，确保主变空充正常。