關(guān)于變壓器勵(lì)磁涌流對(duì)差動(dòng)保護(hù)的影響及解決方法研究
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【摘要】當(dāng)變壓器空載投入或外部故障切除后，由于電壓的恢復(fù)，出現(xiàn)很大的勵(lì)磁電流，其值可達(dá)6-8倍的額定電流。這種暫態(tài)過程中出現(xiàn)的勵(lì)磁電流稱為勵(lì)磁涌流。勵(lì)磁涌流是另一種形式的暫態(tài)不平衡電流，它經(jīng)變壓器電源側(cè)電流互感器傳到二次側(cè)，如流入差動(dòng)回路，往往會(huì)導(dǎo)致差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)作。這就需要分析勵(lì)磁涌流產(chǎn)生的原因、勵(lì)磁涌流對(duì)變壓器差動(dòng)保護(hù)的影響、對(duì)變壓器勵(lì)磁涌流的抑制及差動(dòng)保護(hù)的改進(jìn)方法進(jìn)行探討。
論文關(guān)鍵詞：變壓器,差動(dòng)保護(hù),勵(lì)磁涌流
引言隨著電力工業(yè)的飛速發(fā)展，超高壓、大容量和遠(yuǎn)距離輸電越來越普遍，大型電力變壓器在電力系統(tǒng)中的地位越來越突出，對(duì)電力變壓器的保護(hù)提出了更高的要求。變壓器差動(dòng)保護(hù)是按循環(huán)電流原理構(gòu)成的，是用來反應(yīng)變壓器繞組、引出線及套管上的各種短路故障的主保護(hù)，它能否正確動(dòng)作對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有非常重要的實(shí)際意義。差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作主要受變器的接線組別、變壓器分接頭調(diào)節(jié)導(dǎo)致的變比改變、差動(dòng)保護(hù)電流互感器的接線方式、變壓器勵(lì)磁涌流等因素的影響。通過注意CT接線和在差動(dòng)保護(hù)裝置中的變比補(bǔ)償和矢量補(bǔ)償?shù)确椒ǎ叭?xiàng)通�？梢缘玫捷^好的解決。對(duì)于勵(lì)磁涌流產(chǎn)生的影響，差動(dòng)保護(hù)裝置中雖然也有相應(yīng)的閉鎖，但實(shí)際應(yīng)用中效果并不理想。主要問題是差動(dòng)保護(hù)在對(duì)勵(lì)磁涌流進(jìn)行判斷的時(shí)候變壓器勵(lì)磁涌流會(huì)對(duì)差動(dòng)保護(hù)產(chǎn)生影響，不能準(zhǔn)確區(qū)分勵(lì)磁涌流和內(nèi)部故障電流，造成保護(hù)裝置誤動(dòng)作，因此，需要分析勵(lì)磁涌流產(chǎn)生的原因、勵(lì)磁涌流對(duì)變壓器差動(dòng)保護(hù)的影響，從而采取制動(dòng)措施抑制變壓器的勵(lì)磁涌流，對(duì)差動(dòng)保護(hù)進(jìn)行改進(jìn)。
1.變壓器勵(lì)磁涌流的產(chǎn)生及特點(diǎn)：
變壓器的差動(dòng)保護(hù)作為變壓器的主保護(hù)，需要面對(duì)變壓器特有的勵(lì)磁涌流問題。要保證差動(dòng)保護(hù)的選擇性與靈敏性，就必須躲過變壓器外部故障時(shí)最大不平衡電流，正確的識(shí)別空載合閘勵(lì)磁涌流和內(nèi)部短路故障電流。
1.1變壓器勵(lì)磁涌流的產(chǎn)生：
勵(lì)磁涌流是變壓器在空載合閘投入電網(wǎng)或外部故障切除后電壓恢復(fù)時(shí)，在變壓器線圈內(nèi)所引起的沖擊電流。下面以單相變壓器為例分析勵(lì)磁涌流的產(chǎn)生。在忽略變壓器及合閘回路電阻的影響前提下，電源電壓的波形為正弦波，則空載合閘瞬間變壓器鐵芯中的磁通與外加電壓的關(guān)系為：
（1）
其中，N為變壓器空載合閘側(cè)繞組的匝數(shù)；
為鐵芯中的磁通；Um為電源電壓幅值；ω為角速度，當(dāng)頻率為50Hz時(shí)，ω=314；ω為空載合閘時(shí)電源電壓的合閘角。由(1)式變形、積分可得：
（2）
式中，C為積分常數(shù)，由合閘時(shí)鐵芯剩磁決定。當(dāng)t=0時(shí)
（3）
式中，Φs 為合閘前鐵芯中的剩磁.
將(3)式代人(2)式，并考慮到合閘回路(主要為變壓器繞組)的阻抗及損耗得：
（4）
式中，
;τ為衰減時(shí)間常數(shù)，
；R為與合閘回路電阻；L為合閘回路電感。
式(4)中，第一項(xiàng)為磁通的強(qiáng)迫分量，第二項(xiàng)為磁通的自由分量。根據(jù)式(4)，若不考慮自由分量的衰減并設(shè)合閘角
，剩磁
，在合閘瞬間變壓器鐵芯中的綜合磁通變化如圖1所示。
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圖1 單相變壓器空載合閘時(shí)鐵芯磁通的變化波形
由圖1可以看出鐵芯中磁通峰值出現(xiàn)在合閘后經(jīng)過半個(gè)周期，達(dá)到2.9m。
Φ P2 Φ
Φb P1 L
Φs
0 0
(a) i θ1θ2 θ3 θ4 ωt
ωt (b)
(a)鐵芯磁化曲線
θ4 (b)空載合閘鐵芯磁通
θ3 (c)勵(lì)磁涌流的變化曲線
θ2
θ1
0
(c) i
圖2 單相變壓器的空載合閘勵(lì)磁涌流
圖2中變壓器磁化曲線可近似看作由直線0-P1，和P1-P2所組成的折線，P1點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的磁通
b為飽和磁通。
變壓器正常運(yùn)行時(shí)，鐵芯未飽和，產(chǎn)生的勵(lì)磁涌流很小，不到額定電流的8%�？蛰d合閘或切除外部故障時(shí)，特別是在電壓為零的時(shí)刻合閘時(shí)，由于變壓器內(nèi)部的繞組和鐵芯是儲(chǔ)存磁場(chǎng)能量的元件，因此變壓器空載合閘的瞬間，電流從零開始到建立起空載電流，即變壓器的磁場(chǎng)能從零開始到具有正常的磁場(chǎng)能，使能量發(fā)生了變化。由于電路的能量不能突變，需要經(jīng)歷一個(gè)過渡過程，然后才能到穩(wěn)定空載運(yùn)行狀態(tài)�？蛰d合閘過程主要表現(xiàn)為變壓器磁通變化的過渡過程，在過渡過程中得電流稱為勵(lì)磁涌流。由于剩磁以及磁通暫態(tài)特性，勵(lì)磁電流將會(huì)急劇增加，可達(dá)正�？蛰d電流的50-80倍，從而形成勵(lì)磁涌流。
1.2變壓器勵(lì)磁涌流的特點(diǎn)：
1.2.1.勵(lì)磁涌流只出現(xiàn)在變壓器空載合閘的一側(cè)。
1.2.2.勵(lì)磁涌流含有大量的直流分量、基波分量和高次諧波分量，主要是二次和三次諧波，因此勵(lì)磁涌流的變化曲線為尖頂波
1.2.3.包含有大量的非周期分量，其波形偏向時(shí)間軸的一側(cè).
1.2.4.波形之間出現(xiàn)間斷，一個(gè)周期中有很大的間斷角。
1.2.5.勵(lì)磁電流會(huì)隨時(shí)間衰減。
2.勵(lì)磁涌流對(duì)變壓器差動(dòng)保護(hù)的影響
變壓器正常和外部故障時(shí)，其原、副邊側(cè)流入和流出的一次電流之和等于零，差動(dòng)保護(hù)繼電器不動(dòng)作。變壓器內(nèi)部發(fā)生故障時(shí)，連接變壓器各側(cè)的電源都向變壓器供給短路電流，各側(cè)提供的短路電流之和，流人差動(dòng)保護(hù)繼電器，繼電器動(dòng)作，瞬時(shí)切除故障。由于變壓器勵(lì)磁涌流與內(nèi)部短路電流有一定的相似性，對(duì)于差動(dòng)回而言，都是不平衡電流，可能會(huì)引起差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)作。
變壓器差動(dòng)保護(hù)中出現(xiàn)不平衡電流的原因有很多方面，而其中以變壓器空載合閘時(shí)或外部故障被切除后恢復(fù)供電時(shí)所產(chǎn)生的勵(lì)磁涌流的影響最為嚴(yán)重。這是由于一方面勵(lì)磁電流的大小將達(dá)到變壓器額定電流的幾倍或者幾十倍；另一方面勵(lì)磁涌流流過變壓器的電源側(cè)，而負(fù)荷側(cè)因開路并沒有電流。勵(lì)磁涌流將流入差動(dòng)回路，若差動(dòng)保護(hù)不能躲過這一電流，就會(huì)誤動(dòng)作。
變壓器是由磁路來聯(lián)接各電路的，由于磁路是非線性的，并且具有較大的分散性，所以采取制動(dòng)措施雖然能有效避免誤動(dòng)情況，但并不能適用所有可能的情況。若增大動(dòng)作值或制動(dòng)范圍，則變壓器發(fā)生內(nèi)部故障時(shí)差動(dòng)保護(hù)拒動(dòng)的可能性增大；而減小動(dòng)作值或制動(dòng)范圍時(shí)，雖然增大了靈敏度，使得差動(dòng)保護(hù)在空載合閘或外部故障切除后恢復(fù)供電等情況下誤動(dòng)的可能性增大。由于勵(lì)磁涌流所導(dǎo)致的變壓器差動(dòng)保護(hù)不能正確動(dòng)作的原因可以概括為:可能誤動(dòng)的情況、可能拒動(dòng)或延緩動(dòng)作的情況。
2.1誤動(dòng)的情況
變器空載投入電網(wǎng)時(shí)，由于接入相的初相角不同，各相中產(chǎn)生勵(lì)磁涌流的情況也不相同。勵(lì)磁涌流中的二次諧波含量主要與合閘角、鐵芯中的剩磁、鐵芯結(jié)構(gòu)材料及系統(tǒng)阻抗等有關(guān)。變壓器勵(lì)磁特性發(fā)生變化，使得涌流中二次諧波含量降低，從而引起差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)作；在實(shí)際中會(huì)發(fā)生電流互感器傳變引起的間斷角變形問題。當(dāng)電流互感器飽和時(shí)，在涌流間斷角區(qū)域?qū)a(chǎn)生反向電流，飽和越嚴(yán)重則反向電流越大，使得涌流間斷角消失，將使變壓器差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)，
2.2延緩動(dòng)作的情況
2.2.1.變壓器差動(dòng)保護(hù)應(yīng)滿足以下兩點(diǎn)要求：
�。�1）變壓器發(fā)生任何形式的勵(lì)磁涌流和過勵(lì)磁應(yīng)可靠不動(dòng)作。
�。�2）在任何情況下，當(dāng)變壓器內(nèi)部發(fā)生短路性質(zhì)的故障(包括高阻接地及匝間接地)時(shí)變壓器差動(dòng)保護(hù)應(yīng)快速動(dòng)作跳閘。
2.2.2.對(duì)于采用二次或更高次諧波制動(dòng)的變壓器差動(dòng)保護(hù)，由于超高壓遠(yuǎn)距離輸電線路或超高壓電纜對(duì)地電容、大容量的無功補(bǔ)償電容，使變壓器內(nèi)部短路時(shí)，如果電流互感器飽和而使短路電流波形發(fā)生畸變，短路電流中也含有接近二次或四次的諧波電流，從而使涌流元件誤判斷為勵(lì)磁涌流，致使差動(dòng)保護(hù)拒動(dòng)或延遲動(dòng)作，嚴(yán)重?fù)p壞變壓器。當(dāng)內(nèi)部已有故障的變壓器空載投入時(shí)，由于差動(dòng)保護(hù)的對(duì)勵(lì)磁涌流的制動(dòng)作用，也會(huì)使保護(hù)延緩動(dòng)作。
總之，由于勵(lì)磁涌流的存在，差動(dòng)保護(hù)在變壓器中的應(yīng)用，總是存在著不可避免的局限性。
3.解決方法：
正常運(yùn)行中的變壓器的勵(lì)磁涌流只流過變壓器的高壓側(cè)，數(shù)值很小，可以用定值躲過。但變壓器在空載合閘時(shí)或外部故障被切除后，電壓恢復(fù)時(shí)的勵(lì)磁涌流的數(shù)值非常大，不可能用定值躲過。為了防止勵(lì)磁涌流的影響，對(duì)差動(dòng)保護(hù)進(jìn)行改進(jìn)，將勵(lì)磁涌流與內(nèi)部故障電流區(qū)分開來。在出現(xiàn)勵(lì)磁涌流時(shí)將差動(dòng)保護(hù)閉鎖，采取制動(dòng)的辦法。根據(jù)勵(lì)磁涌流波形的特點(diǎn)，采用波形識(shí)別法進(jìn)行制動(dòng)。常用的方法有：二次諧波制動(dòng)法、間斷角原理制動(dòng)法、波形對(duì)稱原理法。新型微機(jī)變壓器差動(dòng)保護(hù)采用磁通原理制動(dòng)法。
3.1.二次諧波制動(dòng)法。
通過檢測(cè)三相差動(dòng)電流中二次諧波含量的大小，利用差動(dòng)電流中的二次諧波與基波模值比(二次諧波制動(dòng)比)，來判斷是否存在勵(lì)磁涌流，從而達(dá)到及時(shí)閉鎖差動(dòng)保護(hù)、防止保護(hù)誤動(dòng)的目的。二次諧波的制動(dòng)系數(shù)一般取0.15-0.2。如：南京南瑞繼電保護(hù)電氣有限公司生產(chǎn)的RCS-9671C型、RCS-978型、CSC-326型變壓器差動(dòng)保護(hù)。
3.2.間斷角原理制動(dòng)法。
對(duì)于變壓器的勵(lì)磁涌流，無論是偏向時(shí)間軸一側(cè)的非對(duì)稱性涌流，還是對(duì)稱性涌流，都會(huì)呈現(xiàn)明顯的間斷特征。利用勵(lì)磁涌流波形有較大間斷角的特征，通過檢測(cè)差流間斷角的大小實(shí)現(xiàn)鑒別涌流的目的。通常要求間斷角為60-65度。如：南京南瑞繼電保護(hù)電氣有限公司生產(chǎn)的RCS-9673C型變壓器差動(dòng)保護(hù)。
3.3.波形對(duì)稱原理制動(dòng)法。
利用差電流的前半波與后半波進(jìn)行對(duì)稱比較，根據(jù)比較的結(jié)果去判斷是否發(fā)生了勵(lì)磁涌流。如：南京南瑞繼電保護(hù)電氣有限公司生產(chǎn)的RCS-9673C型、RCS-978型變壓器差動(dòng)保護(hù)。
目前，吳忠電網(wǎng)220kV及以上主變壓器差動(dòng)保護(hù)按雙套配置。一套為二次諧波比率制動(dòng)原理的差動(dòng)保護(hù)，一套為波形對(duì)稱原理的差動(dòng)保護(hù)。變壓器差動(dòng)保護(hù)中，CT斷線采用閉鎖差動(dòng)保護(hù)并告警。110kV主變壓器差動(dòng)保護(hù)均采用二次諧波比率制動(dòng)原理的差動(dòng)保護(hù)。變壓器差動(dòng)保護(hù)中，CT斷線采用閉鎖差動(dòng)保護(hù)并告警。
4.結(jié)論：
對(duì)于高壓電網(wǎng)中的大型變壓器，力求簡(jiǎn)化后備保護(hù)，實(shí)現(xiàn)雙重主保護(hù)。即配置兩套差動(dòng)保護(hù)，并采用不同的原理來實(shí)現(xiàn)。如：一套是二次諧波制動(dòng)原理的，另一套是間斷角制動(dòng)原理的。差動(dòng)保護(hù)二次諧波制動(dòng)比取15％一20％。有些廠家的保護(hù)裝置，在采用二次諧波制動(dòng)法的同時(shí)，還采用五次諧波制動(dòng)法，其原理與二次諧波制動(dòng)法相同，五次諧波制動(dòng)比通常取30％一50％。另外，還有很多新的判別方法，如利用尖頂波特征法、磁通特性識(shí)別法、勵(lì)磁阻抗變化法等等�？傊喾N方法的結(jié)合將會(huì)越來越多的投入應(yīng)用，在解決勵(lì)磁涌流對(duì)差動(dòng)保護(hù)影響方面起到作用。
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