降低励磁涌流对换流站调试影响的新方案

曲文韬，吴春军，刘 昊，赵桂鑫

（国网山东省电力公司检修公司，山东 济南 250118）

0 引言

在空载变压器合闸的瞬间，会随机产生一个电流，在一段时间内会返回至正常范围。这个电流不是短路电流，但会使变压器在启动的瞬间被保护断开，从而无法实现变压器充电，这个电流就是励磁涌流［1-2］。在换流站交流系统调试和直流系统调试过程中，会多次对换流变压器充电，而由于合闸角的偶然性，每次换流变压器充电励磁涌流的大小都是不同的［3-4］。现阶段，开关过流保护在调试过程中处于投入状态，而且开关过流保护动作定值较小，调试过程中经常达到开关过流保护动作定值，从而导致开关过流保护动作跳开换流变压器两侧进线开关。在±660 kV拉合尔换流站交流系统调试过程中，对极Ⅰ换流变压器进行5次空载充电试验，出现了1次因开关过流保护动作而导致的跳闸情况，经现场查看及二次系统检查分析，极Ⅰ换流变压器无一次设备接地及相间短路等故障，是因为励磁涌流过大导致的跳闸。±660 kV 默蒂亚里站在对换流变压器空载充电试验时，同样出现了因换流变压器励磁涌流过大而导致跳开换流变压器两侧进线开关的情况。在直流站系统调试和直流端对端调试过程中，不带线路空载加压试验（Open Line Test，OLT）、带线路OLT、手动闭锁试验、X、Y、Z闭锁（直流闭锁的3种类型）等大量的试验项目［5-7］，都存在换流变压器断电和再充电的情况。若换流变压器频繁因励磁涌流动作而跳开开关，会导致试验中断，严重影响调试的进度，并对其他调试项目的调试目标形成干扰。

通过分析励磁涌流的产生原因及现场因励磁涌流而导致开关保护动作的情况［8-10］，研究谐波比较法和波形识别法归纳出判断励磁涌流的方法，帮助试验人员在试验过程中快速识别励磁涌流，排除励磁涌流对变压器充电时保护动作判断的干扰。针对变压器充电过程中的开关过流保护频繁动作的情况，提出一种降低变压器励磁涌流对调试影响的新思路，帮助试验人员有效、科学地开展系统调试。

1 常规试验

1.1 500 kV 1号站用变压器充电试验

变压器充电试验流程如图1 所示。500 kV 1 号站用变压器充电时开关过流保护动作进线开关电流波形，如图2所示。

图1 变压器充电试验流程

图2 500 kV 1号站用变充电时开关过流保护动作进线开关电流波形

站用变压器B 相进线开关电流波形符合励磁涌流的典型特征，一次真实有效值最大为360 A，其一次电流达到了开关过流保护动作的设定值320 A，持续时间达到50 ms，开关过流保护动作（站内开关保护为施耐德生产的保护装置，过流保护为后期通过修改程序配置添加，保护中和失灵保护共用出口和信号，故录中采样开关量为失灵动作），跳开交流进线开关。

1.2 极Ⅰ换流变压器充电试验

考虑到变压器充电过程中，一次设备发生接地或短路的时候，接地电流或短路电流会很大，远远超过320 A。在后续直流站系统调试过程中调高开关过流保护的定值至动作值520 A，动作时间为50 ms。

极Ⅰ换流变压器充电时开关过流保护动作进线开关电流波形，如图2所示。前3个量为换流变压器三相电压，之后为换流变压器进线开关三相电流。由图2 可以看出，换流变压器进线开关电流A 相波形畸变、间断、上下半轴不对称，且为在正半轴的“馒头波”，认为其为励磁涌流。其一次真实有效值最高达到1 460 A，达到了开关过流保护动作的设定值520 A，持续时间达到50 ms，开关过流保护动作，跳开交流进线开关。

2 励磁涌流识别方法

2.1 励磁涌流的产生

变压器可以看作一个强感性负载，即看作一个非线性电感，当合闸时，变压器上的电压在变压器内部也产生一个磁通［11-13］。当变压器有剩磁时，合闸后所产生的磁通如果和剩磁极性相同，则变压器内部的总磁通就会随着电压的升高而增加，从而励磁涌流也会随之增加；如果合闸后所产生的磁通和剩磁极性相反，则变压器内部的总磁通就会随着电压的升高而减小，从而削弱了励磁涌流。在充电试验前，为了降低充电时励磁涌流的影响，通常会给变压器消磁。

常规试验时，为了确保新投运的设备出现故障时不会对与之相连的系统产生影响，会利用已投运设备的已通过校验的开关保护作为其后备保护，具体方式为通过降低其定值和延时的方式，增加保护动作的灵敏性，更好地保护与之相连的交流系统设备。因此，在500 kV 站用变压器空载充电及直流站系统OLT 试验期间，使用交流进线开关的过流保护作为变压器充电时的后备保护。根据常规调试方案，变压器需要空载充电5 次，而每次由于合闸角的偶然性，励磁涌流的大小均不同。这就说明每一次合闸都具有不确定性，都可能因励磁涌流过大而保护动作跳开交流进线开关。

2.2 谐波比较法

换流变压器空投时，三相励磁涌流中往往有一相含有大量的2 次谐波。可采用差动电流中的2 次谐波含量来识别励磁涌流［14-16］。判别方程如式（1）—式（2）所示。

式中：Iop.1为差动电流中的基波；Iop.2为差动电流中的2次谐波；Iop.3为差动电流中的3次谐波；K1、K2分别为第2次、第3次谐波制动系数，可以取不同值，也可以取相同值，工程应用一般取相同值，固定为0.15～0.20。

在保护装置的外置故障录波装置中，会接入相应的模拟量。对于模拟量也会有相应基波含量以及多次谐波含量显示。通过比较基波含量以及2 次谐波和3次谐波含量可有效判别励磁涌流［17］。

现行的变压器保护内部也采用了此方法来判断励磁涌流。当保护装置判断某相电流为励磁涌流时，部分装置采用闭锁装置的三相差动保护、部分装置采用闭锁该相的差动保护。笔者认为，只闭锁该相差动保护，而开放其余相的差动保护，可以有效保护其余相的接地和相间等故障，方法更严谨、科学。

2.3 波形识别法

2.3.1 波形的不对称度比较

根据变压器的不同工况自动选择差动电流或相电流计算波形的不对称度［6-7］，计算出励磁涌流的波形不对称度更加真实。判别方程为：

式中：Ssum+为差动电流采样点的不对称度值；Ssum-为对应差动电流采样点的对称度值；K为某一固定系数，工程上取0.15～0.2；Ii为基波到N∕2 次谐波，N为选择的N次谐波。如果某相差动电流满足式（3）—式（5），闭锁该相差动保护。变压器空载充电励磁涌流典型波形，如图3所示。

图3 极Ⅰ换流变压器充电时开关过流保护动作进线开关电流波形

2.3.2 波形的畸变比较

故障时，差动电流基本上是工频正弦波［18］。而励磁涌流时，有大量的谐波分量存在。波形发生畸变，利用算法识别出这种畸变，即可识别出励磁涌流。故障时，电流会满足式（6）和式（7）的要求。

式中：S为差动电流的全周积分值；SQ为差动电流瞬时值与差动电流半周前瞬时值之和的全周积分值；Ka、Kb、Kc为常数；Id为差电流的全周积分值；Ie为变压器运行额定电流。

当三相中的某一相不满足以上方程时，被判别为励磁涌流，闭锁该相比率差动元件。

综合谐波比较法和波形识别法，可以得出直观、快速的励磁涌流的判别方法，即在观察故障录波时，一是可以对比2 次谐波、3 次谐波与基波分量的比值，比值是否在0.15及以上；二是可以观察波形的特点，判断波形是否存在衰减、畸变、间断、不对称，波形是否为在正半轴的“馒头波”。

图4 变压器空载充电励磁涌流典型波形

3 改进调试试验

3.1 改进的思路

基于对励磁涌流的快速识别和判断，提出一种降低励磁涌流对调试影响的新思路，如图5所示。

图5 改进后的调试流程

在变压器首次充电时，根据故障电流及励磁涌流大小的调试经验值，可以通过适当提高过流保护动作定值的方式，减少励磁涌流引起的动作次数，同时又能有效保护变压器。在变压器首次充电后，可判断一次引线及变压器有无接地及短路故障。而且在验收过程中，已经对变压器进行过通流试验，变压器保护二次回路得到验证，变压器保护可以起到对设备保护的作用，改进后的调试流程如图5 所示。变压器保护有谐波制动等，可以有效降低励磁涌流引起的保护跳闸。因此，在变压器首次充电之后的充电过程中，可以退出开关过流保护。在直流系统调试过程中，站内空载加压试验、模拟各种故障闭锁试验等均会反复的对换流变压器充电，开关过流保护的退出能使试验更能顺利进行。

3.2 改进后的试验

针对站内调试时出现的跳闸现象，在对极Ⅱ换流变压器调试时采用新的思路：第1次变压器充电时抬高开关过流保护定值至520 A、持续时间50 ms，后面几次变压器充电退出开关过流保护。极Ⅱ换流变压器第3 次充电时开关过流保护动作进线开关电流波形，如图4所示。A相励磁涌流真有效值达到650 A，若按照之前过流保护设定值520 A，持续时间50 ms的设定，此时开关过流保护会动作，跳开进线开关。退出之后，换流变压器保护启动未动作。由图中所标水平红线可以看出，A 相励磁涌流逐渐衰减。在4 866 ms 后，励磁涌流衰减至10%以下，有效避免了一次因励磁涌流引起的跳闸，提高了调试的效率。

图6 极Ⅱ换流变压器充电时开关过流保护动作进线开关电流波形

默蒂亚里站交流调试及直流站系统调试在拉合尔站之后，默蒂亚里站交流调试及站系统调试时采用了新提出的思路。按照原调试方案当励磁涌流大于320 A 时就会发生开关过流保护动作跳开交流进线开关的情况。交流系统调试时500 kV变压器充电的励磁涌流统计如表1 所示，由表1 可知，在交流系统调试期间，有效避免了一次500 kV 变压器因励磁涌流过大而导致的跳闸。直流站系统调试时±660 kV 换流变压器充电时的励磁涌流统计如表2 所示，可知在直流站系统调试期间，有效避免了两次±660 kV 换流变压器励磁涌流过大导致的跳闸。由此可知，改进后的调试方案在能够有效保护电力系统及一次设备的前提下，提高调试效率，保障调试的顺利进行。

表1 交流系统调试时500 kV变压器充电时的励磁涌流

表2 直流站系统调试时±660 kV换流变压器充电时的励磁涌流

4 结语

通过励磁涌流研究，确定两种快速识别励磁涌流的方法。并针对现行调试试验时，变压器励磁涌流导致开关过流保护频繁动作，提出了一种新的调试思路，即第1 次变压器充电时，适当提高过流保护的定值；第2～5 次变压器充电，可退出开关过流保护。直流站系统调试和端对端调试过程中，退出开关过流保护。现场试验证明了此方法可行性和有效性。

下一步，将对变压器第1 次充电时设定的既能保护设备又能充分降低励磁涌流而使开关保护动作影响的定值展开研究。