励磁涌流导致220 kV主变压器差动保护误动作分析

王 佼，刘 钊，杨 彬，高 岩

(国网河北省电力公司保定供电分公司，河北 保定 071000)



励磁涌流导致220 kV主变压器差动保护误动作分析

王 佼，刘 钊，杨 彬，高 岩

(国网河北省电力公司保定供电分公司，河北 保定 071000)

介绍了一起由于空载合闸引起励磁涌流导致某220 kV变压器差动保护误动的故障情况，从保护定值检查、保护动作报文查检、保护动作分析等方面分析故障产生的原因，提出应对措施，对防止差动保护误动和提高冲击合闸成功率提供了参考。

励磁涌流；差动保护；二次谐波；误动

差动保护是变压器的主保护，其存在的主要问题是在空载合闸或外部故障切除后的电压恢复过程中产生很大的励磁涌流，能够达到额定电流的6～8倍[1]，有可能导致差动保护误动作[2]。在实际现场中，变压器差动保护主要采用二次谐波原理和间断角原理来识别励磁涌流。但由于变压器铁芯多采用冷轧硅钢片，铁芯的饱和磁通倍数由1.4降低至1.2～1.3，使得涌流中二次谐波的含量有时低至10%以下[3]，这使得基于二次谐波原理的差动保护时有误动，对电力系统的稳定运行和设备的安全造成很大的影响。

1 电网运行方式

某220 kV变电站220 kV母线并列运行，110 kV母线并列运行，220 kV开关243、244、202位于合位，110 kV开关143、149位于合位，其余开关均为分位。3号主变压器为热备用状态，即将闭合开关213对3号主变压器进行充电。

2 故障现象

2015年7月1日01:02:01，例行试验工作结束后，运维人员闭合213开关对3号主变压器进行充电，220 kV变电站3号主变压器保护A、保护B纵差比例差动保护动作出口(V相，105 ms，1.95Ie)，跳开213、113、513开关(113、513起始位置为分位)，操作箱“跳A”“跳B”“跳C”指示灯均点亮。2015年7月1日03:24:00，利用213开关再次对3号主变压器充电，213开关顺利闭合。

3 故障检查与分析

3.1 保护定值检查

查看装置定值得知，纵差比例差动启动值0.5Ie；3号主变压器保护A“涌流闭锁方式控制字”为“0”，装置利用谐波原理识别励磁涌流；3号主变压器保护B“涌流闭锁方式控制字”为“1”，装置利用波形判别原理识别励磁涌流。

3.2 保护动作报文检查

故障发生后，3号变压器保护装置差流情况为：保护A的最大二次差电流为1.952Ie；保护B的最大二次差电流1.945Ie。保护动作报文见表1。

表1 保护动作报文

时间/ms3号主变压器保护A(RCS978GED)3号主变压器保护B(RCS978GED)0保护启动保护启动105纵差比例差动;跳高压侧开关;跳中压侧开关;跳低压侧1分支纵差比例差动;跳高压侧开关;跳中压侧开关;跳低压侧1分支

3.3 保护动作分析

2015年7月1日01:02:01 3号主变压器保护A和保护B装置中记录了波形，发现3号主变压器保护装置中纵差U相差流波形和纵差W相差流波形特点：三相电流波形均偏于时间轴一侧；波形是间断的，存在间断角；二次谐波分量较高。

3.3.1 保护A动作分析

3号主变压器保护A使用南瑞继保公司的RCS-978型变压器保护装置。该保护装置通过计算U、V、W三相差流中二次谐波和三次谐波的含量来区分内部故障和励磁涌流，判别条件如下。

(1)

式中：I2nd为各相差流中的二次谐波含量；I3rd为各相差流中的三次谐波含量；I1st为对应相差流中的基波含量；K2xb为二次谐波制动系数，可整定，推荐整定为0.1～0.2；K3xb为三次谐波制动系数，固定值，整定为0.2。

该220 kV变电站的故障录波器为ZH-3型故障录波分析装置。调出3号主变压器保护A动作时多通道谐波分析表格，如表2所示。

从表2可以看出，纵差比例差动保护动作时，V相二次谐波含量为14.98%，低于15%；而U、W两相二次谐波所占比例分别为53.55%和21.48%，大于15%。南瑞继保RCS978型主变压器保护装置内部算法表明：当只有单相二次谐波百分比低于定值，且差流(保护启动至保护动作区间V相差流在1.7Ie以上)大于纵差比例差动启动值0.5Ie时，从保护启动开始算起100 ms保护动作。保护装置A纵差比例差动实际动作时间为105 ms。

3.3.2 保护B动作分析

3号主变压器保护B采用波形畸变原理来区分内部故障和励磁涌流。内部故障时，变压器差流近似为正弦波。而在变压器涌流中，由于存在大量的高次谐波，导致波形间断甚至发生畸变。保护装置采用内部算法识别出波形畸变，就能正确区分内部故障和励磁涌流。变压器发生内部故障时，式(2)成立。

表2 故障录波谐波分析

相别基波分量直流分量2次谐波3次谐波4次谐波5次谐波3号主变压器高压侧合并单元A保护电流U相10.230A∠143.27°0.173A;75.43%0.121A;52.55%0.055A;24.06%0.029A;12.56%0.030A;12.97%3号主变压器高压侧合并单元A保护电流U相20.230A∠143.32°0.173A;75.17%0.121A;52.31%0.055A;23.85%0.029A;12.46%0.030A;13.01%3号主变压器高压侧合并单元A保护电流V相10.383A∠13.55°-0.427A;-111.49%0.057A;14.98%0.035A;9.17%0.017A;4.40%0.015A;3.97%3号主变压器高压侧合并单元A保护电流V相20.382A∠13.59°-0.427A;-111.78%0.058A;15.13%0.035A;9.26%0.018A;4.58%0.015A;3.98%3号主变压器高压侧合并单元A保护电流W相10.328A∠-110.41°0.334A;101.99%0.070A;21.48%0.024A;7.18%0.004A;1.26%0.004A;1.37%

(2)

式中：S为变压器差流的全周积分值；S+为变压器差流半周前瞬时值与变压器差流瞬时值之和的全周积分值；kb是某一固定常量；St是门槛定值。当三相差流有一相不满足式(2)，即被判为变压器涌流，同时闭锁该相差动保护。

由录波分析可知，纵差V相电流二次谐波畸变、间断、不对称特征不明显。V相差流波形对称，接近正弦波，其动作判据与采用二次谐波制动原理相同，即从保护启动开始算起展宽100 ms保护动作。故V相比率差动元件闭锁失去作用导致比率差动动作出口。

3.4 分析结论

保护装置厂家和现场检修人员对动作录波波形进行波形再现试验，用同型号的主变压器保护装置和最新“六统一”的主变压器保护装置均做了试验，试验结果与本站保护装置动作情况一致。

此次故障原因是变压器励磁特性发生变化，主变空载合闸产生了极为特殊的三相励磁涌流(V相励磁涌流二次谐波含量降低，接近正弦波)，引起涌流判别元件开放，导致保护装置误动作。

4 应对措施

目前，投运的微机变压器保护大都采用基于波形特征的方法来鉴别励磁涌流，如二次谐波制动原理和间断角原理，但其都具有一定的局限性。采用现代最新的智能信息处理技术、信息融合技术与差动保护原理相结合，可以更准确、更快速的识别变压器励磁涌流。目前，国内外根据励磁涌流与内部短路电流的差别，找到了很多的方法，提出了诸多基于小波理论、分形理论、模糊理论的变压器励磁涌流识别新方法，推进了变压器励磁涌流识别方法的研究，使其进入一个新的水平。

现场实际中可以采取以下应对措施，解决变压器空载合闸时差动保护误动问题。

a. 采用同步合闸技术，选择适当相位角进行合闸，以减小励磁涌流。控制三相的合闸时刻，使铁芯中的磁通在空载合闸时不发生突变，避免铁芯磁通饱和，从而有效的抑制励磁涌流。合闸时刻与铁芯中的剩磁有关，由于剩磁有着多种分布形式，相应的也有不同的合闸策略。合闸控制策略最佳时，励磁涌流的幅值可以削减98%。

b. 适当降低谐波闭锁涌流定值。对于现代大型变压器，剩磁较大并且饱和点低，空载合闸时励磁涌流二次谐波含量可能低至10%以下。因此，可以将二次谐波闭锁定值由经验值15%适当降低，从而提高差动保护空载合闸后的动作成功率。

c. 现场采用的是分相制动原理，他是三相与门制动，防拒动性能较好，但如果空投时出现某一相二次谐波含量较低或对称性涌流就会误动。所以，建议可以考虑采用谐波比最大相制动原理，防止误动性能较好。

d. 变压器绕组直阻测试时造成铁芯剩磁，也是导致空载合闸时励磁涌流增大的一个重要原因。建议对变压器高压试验项目进行调整并对绕组直阻测试方法进行优化，同时在进行绕组直阻测试后进行退磁。

e. 励磁涌流的产生是由多方面的因素造成的，提高辨别励磁涌流识别的准确性难度较大，建议采用励磁涌流抑制器从根本上抑制励磁涌流的产生。励磁涌流抑制器通过精确控制外加电压的相位角，能够实现偏磁与剩磁互消，从而有效地抑制励磁涌流的产生。

5 结束语

变压器在空载合闸投入电网时会产生幅值相当大的励磁涌流，以上介绍了一起空载合闸引起励磁涌流导致变压器差动保护误动作故障情况，分析了误动原因并给出了应对措施。随着信息处理技术的发展，变压器励磁涌流识别方法将会进一步改进、完善，变压器差动保护误动也将能够更好地得到解决。

[1] 宋 晓，李 平，徐公林，等．基于递归定量特征的变压器励磁涌流识别[J]．中南大学学报(自然科学版)，2013，44(5)：1932-1937．

[2] 张炳达，黄 杰．基于差分双正交小波熵的变压器励磁涌流识别算法[J]．电力系统保护与控制，2014，42(18)：9-13.

[3] 陈 艳．变压器差动保护误动的仿真与识别励磁涌流新方法的研究[D]．成都：西南交通大学，2005.

本文责任编辑：丁 力

Misoperation of 220 kV Transformer Differential Protection Caused by Excitation Surge Current

Wang Jiao,Liu Zhao,Yang Bin,Gao Yan

(State Grid Hebei Electric Power Corporation Baoding Power Supply Branch，Baoding 071000，China)

A misoperation of a 220kV transformer differential protection caused by excitation surge current induced by no-load switching-in is introduced.Causes of this misoperation are identified.In addition,preventive methods and operational suggestions to avoid the malfunction under inrush conditions are proposed which have theoretical values for improving the reliability of differential protection of transformers.

excitation surge current;differential protection;second harmonic;malfunction

2016-11-18

王 佼(1987-)，男，工程师，主要从事继电保护及高压电气试验工作。

TM723

B

1001-9898(2017)03-0037-03