海上石油平台变压器励磁涌流仿真分析及保护整定建议

郭骏 刘炼

（中海油能源发展装备技术有限公司）

1 变压器励磁涌流成因及特点

1.1 变压器励磁涌流

变压器投运或电力系统其他位置故障恢复时，伴随着电压突变，变压器会出现一个瞬间的励磁电流，即为励磁涌流。

1.2 励磁涌流成因

变压器的作用是在基本不改变传输功率的前提下，完成电压、电流幅值的改变。

如图1所示，原边侧外加交流电压U1，这个电压就会在原边侧的铁心里感应出主磁通Φ，在副边形成电压U2。以0°为例分析合闸暂态过程。由U=dΦ/dt，可知外加电压相角超过铁心磁通90°，在电压相位为0°时合闸，铁心磁通将达到-Φm，受其磁通无法瞬时改变影响，铁心将产生幅值为+Φm的磁通分量，在最恶劣情况下，铁心中还有剩磁Φr，合闸半个周期后，总磁通量为2Φm+Φr，使铁心进入饱和状态。

铁心主磁通并不是随电压变化呈线性增加，而是先快速上升，随后上升趋势明显减缓，造成这种现象的原因是变压器铁心的磁通不可以无限增大，而在一个饱和点，在饱和点之前，磁通随励磁涌流的增大而呈线性增大，但在铁心达到饱和后，铁心的激磁阻抗迅速下降，从而造成磁通的增长速度远低于电流增长速度现象。这时由于激磁阻抗下降导致激磁电流迅速增大，出现尖顶波，且磁路饱和越深，尖顶波峰值越高。

图1 变压器运行原理简图

2 励磁涌流影响因素分析

MATLAB是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。其中Simulink模块，具有仿真精细、效率高等优点。使用Simulink仿真模块，以BZ28-2CEP平台为分析对象建立动态模型，在分析影响励磁涌流大小的因素同时进行仿真验证。

2.1 Simulink模型建立及主要参数

建立BZ28-2CEP平台发电机和变压器CEP-T-001为仿真模型，其参数为：

（1）发电机参数

四台CRUDE OIL GENERATORS参数相同。

容量 额定电压 Xd’ Xd Xd X0 X2 6875 kVA 6.3 kV 0.172 0.207 2.105 0.091 0.245

（2）变压器参数

名称 容量（kVA） 变比 阻抗标幺值 联结组别CEP-T-001 3150 kVA 6300/400V 6% Dy11

建立Simulink仿真模型如图2所示。

图2 Simulink励磁涌流仿真模型

模块说明：

1）发电机等效模型；

2）母线等效模型；

3）断路器等效模型；

4）变压器等效模型，变压器采用的饱和曲线为[0,0;0.0024,1.2;1.0,1.52]；

5）示波器；

6）Powergui模块，可以对模型中的各种电气量进行FFT分析。

2.2 励磁涌流的仿真分析

2.2.1 励磁涌流波形分析

在无剩磁情况下随机时刻合闸，励磁涌流如图3所示。

图3 励磁涌流仿真结果

从仿真结果可以得到励磁涌流的四个特点：

1）冲击幅值高并偏向横轴一边；

2）波形为尖顶形，不连续，存在间断角；

3）随时间增加励磁涌流会逐渐衰退，冲击电流持续时间很短，最终减小为空载激磁电流；

4）具有明显2次谐波特征。

由于平台采用IT供电系统，变压器合闸时整个系统内不构成零序回路，因此励磁涌流三相电流矢量和为零，这可以通过图3b明显发现。同时可以发现由于合闸瞬间三相电压的相位不同造成励磁涌流波形明显不一致。

2.2.2 合闸相角影响分析

不考虑剩磁，分析C相分别在90°和0°合闸励磁涌流情况。

C相在90°合闸时：

C相电压没有变化趋势，磁通为0，铁心磁通达到稳态，不造成励磁涌流。仿真结果如图4a所示。

C相在0°合闸时：

C相电压变化率达到极大值，铁心里将产生幅值达2Φm的总磁通，铁心处于严重饱和状态，激磁阻抗降低使激磁电流显著增加，因此，在电压瞬时值为0时合闸，产生的励磁涌流最大。仿真波形如图4b所示。

图4 合闸相角影响仿真

以上仿真表明励磁涌流在0°合闸时最为严重， 90°合闸时，较小或不产生。

2.2.3 剩磁影响分析

铁心剩磁对励磁涌流影响体现在铁心中剩磁与励磁方向一致时，两者叠加会使铁心饱和程度加剧，导致激磁电流明显增加，增大幅值与剩磁大小成正相关；两者方向不一致时，其相互抵消，限制了激磁电流幅值。以C相0°合闸，剩磁与励磁磁通同向，研究剩磁大小对励磁涌流幅值影响，如图5所示。

图5 剩磁大小影响仿真

当C相剩磁为0.15Pu时，峰值为1180A，这比2.2.2实验中剩磁为0时1023A的峰值增长了157A。而当C相剩磁为0.8Pu时，峰值达到1850A，较之无剩磁时励磁涌流峰值增长了827A，峰值达到设备额定电流的6.41倍。

2.2.4 其他影响因素

励磁涌流形成是一个比较复杂的电磁暂态过程，除了上述分析的合闸角度及剩磁外，系统参数及变压器联结组别等都会影响其幅值和时间。但是，其中起决定性作用的还是合闸角度和剩磁大小方向。

3 考虑励磁涌流的继电保护整定计算

3.1 变压器差动保护整定建议

差动保护对变压器两侧电流存在的不平衡非常敏感，差动保护接线如图6所示。分别是CT一次和2次电流，I’d为其矢量和，也是差动保护的动作判据，非变压器内部故障，变压器两侧电流矢量和为零，差动保护不会动作，但励磁电流只在变压器一侧存在，会造成变压器两侧电流不均衡，从而导致其误动作。

图6 差动保护接线图

前文仿真结果得到励磁涌流2次谐波占比较高，因此可以以2次谐波为判据，判断当前不均衡电流是否由励磁涌流导致，如其含量超标，则制动差动保护。

2次谐波制动方法的原理是保护装置对差动电流进行过滤，判断出差动电流基波分量I（f0）及2次谐波分量I（2×f0），当I（2×f0）/I（f0）超过预设值时进行差动保护制动，可整定为15%～20%。

3.2 线路保护整定建议

海洋石油平台已发生多起投送变压器导致上级开关过电流保护动作事故，造成生产损失。究其原因，海上石油平台电力系统发电机容量有限、各平台距离较短，导致系统短路容量较小，短路电流不大。但是，由于平台主要负荷为电潜泵，均由变压器承载，导致各平台配置的主变压器容量较大，空投变压器时机不理想，极有可能造成上级过电流保护误动。

图7 BZ28-2CEP临时用电系统图

在BZ28-2CEP临时用电整定计算时就发现这种状况。如图7所示，在计算BZ34-1N WHPC平台进线开关VCB1过流保护III段动作值时，它的灵敏度应满足其中Idmin为变压器出线短路时经过VCB12的最小短路电流，IDZ为保启动值，计算得到Idmin=396A，这样动作值IDZ应小于330A才能满足灵敏性的要求，但是，变压器WHPC-TR-01产生的励磁涌流在最不利的情况下能够达到879A，由于变压器进线侧保护有2次谐波闭锁功能，保护不会误动作，但是VCB1配置了普通线路保护，不具备谐波闭锁功能，这样励磁冲击电流有可能使VCB1过电流保护动作，从而造成整个平台失电的严重事故，为了避免这种情况的发生，VCB1处就不能设置电流速断保护，利用励磁涌流衰减较快的特性，可以通过设置延时来躲过励磁涌流最大冲击电流，具体设置时间视系统阻抗、变压器容量、级差配合而定。

4 结束语

通过励磁涌流成因和典型波形研究，发现励磁涌流四项显著特征，并运用Simulink模块对不同合闸相角及铁心剩磁状态对其造成的影响进行仿真分析，最后结合实际工程对保护整定提出建议。励磁涌流对供电系统保护装置配合有一定影响，尤其对于海上石油平台这种小容量孤岛电网，在整定计算时应格外注意其对变压器差动保护和上级线路保护的影响，但增加延时不得超出系统承受短路能力，如经计算无法获得适合的延迟时间，应采取安装涌流抑制器、变压器软启动器等手段降低其对电网的影响。