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变压器励磁涌流对差动保护的影响及解决方法【摘要】当变压器空载投入或外部故障切除后，由于电压的恢复，出现很大的励磁电流，其值可达6-8倍的额定电流这种暂态过程中出现的励磁电流称为励磁涌流励磁涌流是另一种形式的暂态不平衡电流，它经变压器电源侧电流互感器传到二次侧，如流入差动回路，往往会导致差动保护误动作这就需要分析励磁涌流产生的原因、励磁涌流对变压器差动保护的影响、对变压器励磁涌流的抑制及差动保护的改进方法进行探讨论文关键词：变压器,差动保护,励磁涌流引言随着电力工业的飞速发展，超高压、大容量和远距离输电越来越普遍，大型电力变压器在电力系统中的地位越来越突出，对电力变压器的保护提出了更高的要求变压器差动保护是按循环电流原理构成的，是用来反应变压器绕组、引出线及套管上的各种短路故障的主保护，它能否正确动作对整个电力系统的安全稳定运行具有非常重要的实际意义差动保护动作主要受变器的接线组别、变压器分接头调节导致的变比改变、差动保护电流互感器的接线方式、变压器励磁涌流等因素的影响通过注意CT接线和在差动保护装置中的变比补偿和矢量补偿等方法，前三项通常可以得到较好的解决对于励磁涌流产生的影响，差动保护装置中虽然也有相应的闭锁，但实际应用中效果并不理想。

主要问题是差动保护在对励磁涌流进行判断的时候变压器励磁涌流会对差动保护产生影响，不能准确区分励磁涌流和内部故障电流，造成保护装置误动作，因此，需要分析励磁涌流产生的原因、励磁涌流对变压器差动保护的影响，从而采取制动措施抑制变压器的励磁涌流，对差动保护进行改进1.变压器励磁涌流的产生及特点：变压器的差动保护作为变压器的主保护，需要面对变压器特有的励磁涌流问题要保证差动保护的选择性与灵敏性，就必须躲过变压器外部故障时最大不平衡电流，正确的识别空载合闸励磁涌流和内部短路故障电流1.1变压器励磁涌流的产生：励磁涌流是变压器在空载合闸投入电网或外部故障切除后电压恢复时，在变压器线圈内所引起的冲击电流下面以单相变压器为例分析励磁涌流的产生在忽略变压器及合闸回路电阻的影响前提下，电源电压的波形为正弦波，则空载合闸瞬间变压器铁芯中的磁通与外加电压的关系为： （1）其中，N为变压器空载合闸侧绕组的匝数； 为铁芯中的磁通；Um为电源电压幅值；ω为角速度，当频率为50Hz时，ω=314；ω为空载合闸时电源电压的合闸角由(1)式变形、积分可得： （2）式中，C为积分常数，由合闸时铁芯剩磁决定当t=0时 （3）式中，Φs 为合闸前铁芯中的剩磁.将(3)式代人(2)式，并考虑到合闸回路(主要为变压器绕组)的阻抗及损耗得： （4）式中，;τ为衰减时间常数，；R为与合闸回路电阻；L为合闸回路电感。

式(4)中，第一项为磁通的强迫分量，第二项为磁通的自由分量根据式(4)，若不考虑自由分量的衰减并设合闸角，剩磁 ，在合闸瞬间变压器铁芯中的综合磁通变化如图1所示                      Φs         2π     图1 单相变压器空载合闸时铁芯磁通的变化波形由图1可以看出铁芯中磁通峰值出现在合闸后经过半个周期，达到2.9m。

 Φ P2 Φ Φb  P1  LΦs0  0(a) i θ1θ2 θ3 θ4 ωtωt (b)(a)铁芯磁化曲线θ4 (b)空载合闸铁芯磁通θ3 (c)励磁涌流的变化曲线θ2θ10(c) i图2 单相变压器的空载合闸励磁涌流图2中变压器磁化曲线可近似看作由直线0-P1，和P1-P2所组成的折线，P1点所对应的磁通b为饱和磁通变压器正常运行时，铁芯未饱和，产生的励磁涌流很小，不到额定电流的8%空载合闸或切除外部故障时，特别是在电压为零的时刻合闸时，由于变压器内部的绕组和铁芯是储存磁场能量的元件，因此变压器空载合闸的瞬间，电流从零开始到建立起空载电流，即变压器的磁场能从零开始到具有正常的磁场能，使能量发生了变化由于电路的能量不能突变，需要经历一个过渡过程，然后才能到稳定空载运行状态空载合闸过程主要表现为变压器磁通变化的过渡过程，在过渡过程中得电流称为励磁涌流由于剩磁以及磁通暂态特性，励磁电流将会急剧增加，可达正常空载电流的50-80倍，从而形成励磁涌流1.2变压器励磁涌流的特点：1.2.1.励磁涌流只出现在变压器空载合闸的一侧1.2.2.励磁涌流含有大量的直流分量、基波分量和高次谐波分量，主要是二次和三次谐波，因此励磁涌流的变化曲线为尖顶波1.2.3.包含有大量的非周期分量，其波形偏向时间轴的一侧.1.2.4.波形之间出现间断，一个周期中有很大的间断角。

1.2.5.励磁电流会随时间衰减2.励磁涌流对变压器差动保护的影响变压器正常和外部故障时，其原、副边侧流入和流出的一次电流之和等于零，差动保护继电器不动作变压器内部发生故障时，连接变压器各侧的电源都向变压器供给短路电流，各侧提供的短路电流之和，流人差动保护继电器，继电器动作，瞬时切除故障由于变压器励磁涌流与内部短路电流有一定的相似性，对于差动回而言，都是不平衡电流，可能会引起差动保护误动作变压器差动保护中出现不平衡电流的原因有很多方面，而其中以变压器空载合闸时或外部故障被切除后恢复供电时所产生的励磁涌流的影响最为严重这是由于一方面励磁电流的大小将达到变压器额定电流的几倍或者几十倍；另一方面励磁涌流流过变压器的电源侧，而负荷侧因开路并没有电流励磁涌流将流入差动回路，若差动保护不能躲过这一电流，就会误动作变压器是由磁路来联接各电路的，由于磁路是非线性的，并且具有较大的分散性，所以采取制动措施虽然能有效避免误动情况，但并不能适用所有可能的情况若增大动作值或制动范围，则变压器发生内部故障时差动保护拒动的可能性增大；而减小动作值或制动范围时，虽然增大了灵敏度，使得差动保护在空载合闸或外部故障切除后恢复供电等情况下误动的可能性增大。

由于励磁涌流所导致的变压器差动保护不能正确动作的原因可以概括为:可能误动的情况、可能拒动或延缓动作的情况2.1误动的情况变器空载投入电网时，由于接入相的初相角不同，各相中产生励磁涌流的情况也不相同励磁涌流中的二次谐波含量主要与合闸角、铁芯中的剩磁、铁芯结构材料及系统阻抗等有关变压器励磁特性发生变化，使得涌流中二次谐波含量降低，从而引起差动保护误动作；在实际中会发生电流互感器传变引起的间断角变形问题当电流互感器饱和时，在涌流间断角区域将产生反向电流，饱和越严重则反向电流越大，使得涌流间断角消失，将使变压器差动保护误动，2.2延缓动作的情况2.2.1.变压器差动保护应满足以下两点要求：（1）变压器发生任何形式的励磁涌流和过励磁应可靠不动作2）在任何情况下，当变压器内部发生短路性质的故障(包括高阻接地及匝间接地)时变压器差动保护应快速动作跳闸2.2.2.对于采用二次或更高次谐波制动的变压器差动保护，由于超高压远距离输电线路或超高压电缆对地电容、大容量的无功补偿电容，使变压器内部短路时，如果电流互感器饱和而使短路电流波形发生畸变，短路电流中也含有接近二次或四次的谐波电流，从而使涌流元件误判断为励磁涌流，致使差动保护拒动或延迟动作，严重损坏变压器。

当内部已有故障的变压器空载投入时，由于差动保护的对励磁涌流的制动作用，也会使保护延缓动作总之，由于励磁涌流的存在，差动保护在变压器中的应用，总是存在着不可避免的局限性3.解决方法：正常运行中的变压器的励磁涌流只流过变压器的高压侧，数值很小，可以用定值躲过但变压器在空载合闸时或外部故障被切除后，电压恢复时的励磁涌流的数值非常大，不可能用定值躲过为了防止励磁涌流的影响，对差动保护进行改进，将励磁涌流与内部故障电流区分开来在出现励磁涌流时将差动保护闭锁，采取制动的办法根据励磁涌流波形的特点，采用波形识别法进行制动常用的方法有：二次谐波制动法、间断角原理制动法、波形对称原理法新型微机变压器差动保护采用磁通原理制动法3.1.二次谐波制动法通过检测三相差动电流中二次谐波含量的大小，利用差动电流中的二次谐波与基波模值比(二次谐波制动比)，来判断是否存在励磁涌流，从而达到及时闭锁差动保护、防止保护误动的目的二次谐波的制动系数一般取0.15-0.2如：南京南瑞继电保护电气有限公司生产的RCS-9671C型、RCS-978型、CSC-326型变压器差动保护3.2.间断角原理制动法对于变压器的励磁涌流，无论是偏向时间轴一侧的非对称性涌流，还是对称性涌流，都会呈现明显的间断特征。

利用励磁涌流波形有较大间断角的特征，通过检测差流间断角的大小实现鉴别涌流的目的通常要求间断角为60-65度如：南京南瑞继电保护电气有限公司生产的RCS-9673C型变压器差动保护3.3.波形对称原理制动法利用差电流的前半波与后半波进行对称比较，根据比较的结果去判断是否发生了励磁涌流如：南京南瑞继电保护电气有限公司生产的RCS-9673C型、RCS-978型变压器差动保护目前，吴忠电网220kV及以上主变压器差动保护按双套配置一套为二次谐波比率制动原理的差动保护，一套为波形对称原理的差动保护变压器差动保护中，CT断线采用闭锁差动保护并告警110kV主变压器差动保护均采用二次谐波比率制动原理的差动保护变压器差动保护中，CT断线采用闭锁差动保护并告警4.结论：对于高压电网中的大型变压器，力求简化后备保护，实现双重主保护即配置两套差动保护，并采用不同的原理来实现如：一套是二次谐波制动原理的，另一套是间断角制动原理的差动保护二次谐波制动比取15％一20％有些厂家的保护装置，在采用二次谐波制动法的同时，还采用五次谐波制动法，其原理与二次谐波制动法相同，五次谐波制动比通常取30％一50％另外，还有很多新的判别方法，如利用尖顶波特征法、磁通特性识别法、励磁阻抗变化法等等。

总之，多种方法的结合将会越来越多的投入应用，在解决励磁涌流对差动保护影响方面起到作用参考文献1.贺家李．电力系统继电保。