变压器励磁涌流闭锁逻辑优化方案

（长园深瑞继保自动化有限公司，广东 深圳 518057）

0 引言

变压器在空投时产生的励磁涌流容易导致变压器差动保护误动，增加了电网维护和检修成本，因此在继电保护中如何有效识别励磁涌流是一个非常重要的课题[1-4]。

目前，常用的励磁涌流鉴别方法主要有二次谐波制动原理、间断角原理以及波形对称原理[5-7]。二次谐波制动和波形识别原理成熟、应用广泛且稳定性较好，在大多数情况下能够准确识别励磁涌流，闭锁差动保护，但在特殊情况下仍存在由于难以区分故障电流和励磁涌流电流导致误开放差动保护的情况。在工程应用中经常综合运用几种方法，取长补短，以应对特殊情况下的励磁涌流特性。

正常情况下励磁涌流幅值大，含有大量谐波分量，主要以二次谐波为主，但在特殊工况下存在励磁涌流中二次谐波含量较低，或者基波较小没有达到差动门槛，极端情况下部分相别可能接近于无流状态，常规励磁涌流闭锁判据无法有效闭锁差动保护。有些学者提出了自适应调整定值的判据[8]，对不同工况下差动保护闭锁具有较高的灵敏度；另外先后提出了基于小波算法[9-10]、模糊理论[11-12]、神经网络算法[13-14]等。然而这些方法由于算法复杂，计算量较大，难以保证保护的速动性，难以用于工程实践。

本文针对工程应用中由于空投变压器产生的励磁涌流导致变压器差动保护动作的行为，通过对现场涌流波形特点的对比和分析，总结出工程应用中空投变压器时的励磁涌流特点，提出针对二次谐波制动原理的改进措施。

1 工程案例分析

通常变压器空投时励磁涌流特征明显，常规的励磁涌流闭锁判据可正确识别励磁涌流，但仍存在一些特殊情况，不符合励磁涌流的基本特征，常规的励磁涌流闭锁判据较难识别。

1.1 案例1 简介

某220 kV 变电站在主变高压侧空投时差动保护动作，该变电站的相关数据如表1 所示。

表1 主变保护参数信息

该变电站主变空投时的纵差差流和二次谐波录波波形特征如图1 和图2 所示。可以看出，波形具有以下基本特征： 差流A 相基波较小，在纵差启动门槛值附近略高于差流门槛值，二次谐波含量高；差流B 相基波较大，二次谐波含量低，低于二次谐波制动系数15%；差流C 相基波较小，大部分时间段内低于纵差启动门槛值，二次谐波含量高。

1.2 案例2 简介

某220 kV 变电站在主变高压侧空投时差动保护动作，该变电站相关数据如表2 所示。

图1 差流波形

图2 二次谐波含量

表2 主变保护参数信息

该变电站主变空投时的纵差差流和二次谐波录波波形特征如图3 和图4 所示。可以看出，波形具有以下基本特征： 差流A 相的基波较小，部分时间段内低于纵差启动门槛，二次谐波含量较高；差流B 相基波较大，但二次谐波含量很低，低于二次谐波制动系数15%；差流C 相基波较小，在纵差启动门槛值附近，二次谐波含量较高。

图3 差流波形

图4 二次谐波含量

1.3 案例分析

分析可知，上述2 个案例中空投变压器时励磁涌流均具有如下特征：

（1）有一相差流基波幅值小，在纵差启动门槛值附近且在某些时刻段内低于纵差启动门槛值，如图1 中C 相和图3 中A 相。

（2）有一相差流基波大但二次谐波含量较低，即呈现低谐波比特征，如图1 和图3 中B 相。

（3）有一相差流基波含量比较接近纵差启动门槛值，如图1 中A 相和图3 中C 相。

以上2 个案例中励磁涌流波形与典型励磁涌流的基本特征存在明显差异。基波最大相呈现低谐波比的特征，故障特征明显，励磁涌流特征不明显。另外两相波形基波幅值较小，在部分时间段内低于纵差启动门槛值，故障特征及励磁涌流特征均不明显，此时保护装置未有效识别出励磁涌流，未闭锁差动保护。

2 励磁涌流特点

空投变压器时，变压器铁芯内剩磁和合闸角产生的暂态非周期磁通分量以及稳定的周期分量叠加使铁芯饱和产生励磁涌流。图5 为变压器空投时典型的励磁涌流波形。

图5 典型励磁涌流波形

典型励磁涌流的特征为[15-16]：

（1）励磁涌流幅值较大，形成的差流大于纵差差流启动门槛值，部分情况下可达到5～7 倍Ie。

（2）励磁涌流波形中含有丰富的谐波分量，如二次、三次、四次等谐波，其中二次谐波含量最大。

（3）励磁涌流波形含有较大的衰减直流分量，使得波形上下不对称，明显偏向于时间轴一侧。

（4）励磁涌流波形存在间断角，波形在一个周期内不对称。

3 二次涌流判据分析

3.1 二次谐波判据基本原理

二次谐波判据主要是利用三相差流中的二次谐波与基波的比值作为励磁涌流判据，根据经验值，绝大多数励磁涌流中二次谐波分量与基波分量的比值大于15%，因此二次谐波制动系数一般设置为15%，部分地区设置为12%。当差流中的二次谐波含量大于二次谐波制动系数时，闭锁差动保护，反之开放差动保护。其动作方程如下：

式中： I2nd为每相差动电流中的二次谐波；I1st为对应相差动电流的基波；K2xb为二次谐波制动系数。

二次谐波制动系数一般根据经验值来选取，在不同的工况下根据实际情况进行整定，难以找到一个科学的计算方法。现代变压器使用材料的优化使得变压器磁化特性发生改变，二次谐波含量有变低的趋势，特殊情况下传统经验值无法有效识别励磁涌流。

3.2 动作相数的选取

二次谐波判据原理对差流中各相谐波含量分别进行计算，计算后形成A，B，C 三相励磁涌流特征状态。当差流中各相的计算结果不一致时，如何处理也是励磁涌流判据的关键。当前存在如下几种应用情况：

（1）“3 取1”： 即三相差流中任意一相满足励磁涌流闭锁判据，则闭锁三相差动保护，即“或”逻辑闭锁。

（2）“3 取3”： 即三相差流中三相均满足励磁涌流闭锁判据，才闭锁三相差动保护，即“与”逻辑闭锁。

（3）“3 取2”： 即三相差流中任意两相满足励磁涌流闭锁判据，则闭锁三相差动保护，即复合制动。

上述3 种判据各有优点：

（1）“3 取1”判据制动性最强，可以判别出大多数励磁涌流情况，但对于空投于故障变压器或者正常运行中故障谐波含量较大的情况，可能会误闭锁或者开放较慢。

（2）“3 取3”判据制动性最弱，由于只有在判断出三相均为励磁涌流时才进行闭锁，因此只有单相或两相满足励磁涌流闭锁时，会误开放差动保护，从而导致保护误动。但对于空投于故障变压器或者正常运行中故障谐波含量较大的情况，可以快速开放。

（3）“3 取2”判据结合了前两种判据的优势，较“或”逻辑制动性减弱，针对空投于故障变压器或者运行中的故障变压器可以快速开放；较“与”逻辑制动性加强，针对某一相励磁涌流谐波含量小的情况可以有效制动。同时在变压器区内故障时，由于相角转换因素，一相故障的差流可以体现在两相中，因此该判据更有优势。

4 励磁涌流判据优化措施

针对现场遇到的基波较大相低谐波特征、另外两相在纵差启动门槛值附近或低于门槛值的特殊情况，在原励磁涌流逻辑基础上进行优化，可采用相电流谐波判据和最大相谐波判据增强低谐波比工况下励磁涌流判据的制动效果。

4.1 相电流谐波判据

常规励磁涌流判据主要对差流的波形进行判断，而差流是经过星角折算或者滤零后的交流数据，可能对原始的励磁涌流有抵消的效果，因此差流中的谐波特征不能完全真实反映变压器的谐波特征，而在励磁涌流判据判断差流的基础上引入原始相电流判据，可以增强励磁涌流判据的准确性。流程如图6 所示。

图6 增加相电流励磁涌流判据流程

4.2 最大相谐波判据

最大相谐波判据[17-18]即将三相差流中二次谐波最大值和基波最大值的比值作为励磁涌流判方法。该判据突破了传统的“与”“或”逻辑，从三相整体特性上识别励磁涌流。在空投于正常变压器时，励磁涌流特征为主要因素，该判据有利于提取三相中的涌流特征、识别励磁涌流。在空投于故障变压器或者正常运行中的变压器发生故障时，故障特征为主要因素，该判据有利于提取三相中的故障特征。但由于该判据与“或”逻辑有相似之处，可能存在非故障相谐波含量影响整体动作行为的情况，该方案可以与复合制动逻辑相结合使用。

4.3 优化改进方案

根据上述分析，结合励磁涌流判据的基本要求及工程中遇到的低谐波比情况，改进励磁涌流判据流程如图7 所示。

图7 改进励磁涌流闭锁算法

改进方案的基本判断逻辑如下：

步骤1： 按相判断差流谐波含量，当某相差流的谐波含量大于门槛值时，置该相为励磁涌流闭锁相。

步骤2： 在步骤1 计算中当差流谐波含量小于门槛值，不满足闭锁条件时，根据星角转换方式判断形成该差流的两相相电流的谐波含量，当两相相电流的谐波含量均大于门槛值时，置该相差流为励磁涌流闭锁相。

步骤3： A，B，C 三相差流均按照步骤1、步骤2 判断完成后形成三相是否为励磁涌流闭锁相的标志。若此时差流不满足低谐波特征，则直接采用“3取2”逻辑；若此时差流最大存在相低谐波且其他相存在幅值低于门槛值特征，则加判最大相谐波判据。

综合步骤2、步骤3 计算结果形成最终的励磁涌流闭锁结果。

方案中步骤3 是在前2 步判断满足低谐波特征情况下才判断最大相谐波判据，因此可减小非故障相谐波含量对保护整体动作行为的影响。

5 仿真分析

5.1 RTDS 仿真分析

验证方案的可行性，建立RTDS 仿真模型进行模拟（如图8 所示）。其中S1，S2 为电源系统；TA1-TA4 为变压器各侧电流互感器；TV1-TV3为变压器各侧电压互感器；G1，G2 为发电机；BRK1-BRK6 为各侧断路器。模型参数如表3 所示。

图8 RTDS 仿真模型

表3 仿真参数

控制RTDS 模型变压器空投合闸角，每隔30°进行一次空投测试，重点观察模拟与现场出现相同特征波形情况下励磁涌流逻辑的表现以及改进后的逻辑对纵差保护整组动作时间的影响。

图9 和图10 为仿真录波波形中与现场波形类似的波形，分析优化后的判据可以正确判断出励磁涌流并闭锁差动保护。

图9 RTDS 差流仿真波形

图10 二次谐波闭锁状态

模拟空投于故障变压器，对于接地及相间故障，故障特征明显，改进后的逻辑能够快速开放，与改进前动作行为无明显差异。图11 和图12 为空投于变压器3%匝间轻微故障时的励磁涌流波形，此波形特征与现场波形特征类似。

根据波形分析，由于空投于轻微匝间故障时，出现低谐波比及小电流的特征，但总体上故障特征明显，当故障相谐波含量低于15%时，最大相谐波判据已满足开放条件，因此对纵差保护的动作时间无影响。

经仿真验证，采用改进后的励磁涌流判据，在正常空投时出现现场类型特征的波形时可以有效判别励磁涌流。通过模拟空投于故障变压器，改进后的励磁涌流判据对故障情况下纵差保护的整组动作时间无明显影响。

图11 空投匝间故障差流波形

图12 空投匝间故障二次谐波闭锁状态

5.2 波形回放分析

将现场案例2 中的波形对保护装置进行波形回放仿真验证。图13 为回放的现场动作波形，图14 为采用改进后的方案得到的励磁涌流判别情况。结果表明采用优化后的方案可以有效识别励磁涌流波形。

图13 差流回放波形

图14 二次谐波闭锁状态

6 结语

针对变压器空投时产生低谐波比的励磁涌流，而常规励磁涌流判据无法有效闭锁的问题，提出了采用“3 取2”复合制动、相电流谐波判据和最大相谐波判据的综合制动逻辑。对比常规的励磁涌流闭锁判据，文章所提闭锁逻辑优化方案具有如下优点： 方法简单，针对特定的工况准确率高，有利于工程应用；在原逻辑基础上增加辅助判据，保证逻辑架构的一致性、可移植性；多种判据的综合运用能够在差流基波较小的情况下提高复合制动的逻辑准确性。

文章提出的改进励磁涌流闭锁算法对于低谐波比及基波电流较小类型的励磁涌流有较好的识别效果，但对于未被发现的其他特殊励磁涌流特征，其效果有待进一步验证。