变压器纵差动保护的励磁涌流

变压器纵差动保护的励磁涌流

一、微机型变压器纵差动保护遇到的问题

微机实现变压器纵差动保护，除应满足继电保护的要求外，应解决好如下几个问题。

（1）正确识别励磁涌流和内部短路故障时的短路电流。变压器空载合闸或外部短路故障切除电压突然恢复时，变压器有很大的励磁电流即励磁涌流通过，因该励磁涌流仅在变压器的一侧流通，故流入差动回路。变压器内部短路故障时，差动回路通过的是很大的短路电流。显然，作为纵差动保护，励磁涌流作用下保护不应动作，短路电流作用下保护应可靠动作。为此，应正确识别励磁涌流和短路电流。

（2）应解决好区外短路故障时差动回路中的不平衡电流和保护灵敏度间的矛盾。区外短路故障时，由于纵差动保护各侧电流互感器变比不匹配、有载调压变压器分接头的改变、电流互感器误差特别是暂态误差的影响，差动回路中流过数值不小的不平衡电流，为保证纵差动保护不误动作，动作电流应高于区外短路故障时的最大不平衡电流，这势必要影响内部短路故障时保护的灵敏度。作为纵差动保护，既要保证区外短路故障差动回路流过最大不平衡电流时不发生误动作，又要在内部短路故障时保证一定的灵敏度。

（3）外部短路故障切除电压突然恢复的暂态过程中，应保证纵差动保护不发生误动作。应当注意，在这个暂态过程中，一方面变压器存在励磁涌流，励磁涌流的非周期分量将使一侧电流互感器（励磁涌流仅在变压器一侧流通）的误差特别是角误差增大;另一方面变压器负载电流的存在。这两方面的因素导致差动回路不平衡电流的增大，微机型变压器纵差动保护在这种情况下不应误动作。

（4）电流互感器饱和不应影响纵差动保护的正确动作。特别是在保护区外短路故障时，一侧电流互感器的饱和导致差动回路电流增大，同时使继电器制动电流减小。若不采取措施，很容易使纵差动保护发生误动作。

此外，还应注意变压器内部短路故障时一侧电流流出以及内部短路故障时二次谐波含量较高等对纵差动保护带来的影响。

二、变压器励磁涌流的特点

正常运行时变压器的励磁电流很小，通常只有变压器额定电流的3%～6%或更小，所以差动保护回路的不平衡电流也很小。外部短路时，由于系统电压下降，变压器的励磁电流也不大，故差动回路的不平衡电流也较小。所以在稳态运行情况下，变压器的励磁电流对差动保护的影响可略去不计。但是，在电压突然增加的特殊情况下，例如在空载投入变压器或外部故障切除后恢复供电等情况下，就可能产生很大的变压器励磁电流。这种暂态过程中变压器励磁电流通常称为励磁涌流。由于励磁涌流的存在，将使差动保护误动作，所以微机差动保护装置必须采取相应对策防止差动保护误动作。

三相变压器的励磁涌流与合闸时电源电压初相角、铁芯剩磁、饱和磁通密度、系统阻抗等有关，而且直接受三相绕组的接线方式和铁芯结构形式的影响。此外，励磁涌流还受电流互感器接线方式及其特性的影响。分析和实践均表明∶在Y，dl1或Y，d11 接线的变压器励磁涌流中，差动回路中有一相电流呈对称性涌流，另两相呈非对称性涌流，其中一相为正极性，另一相为负极性。同时，在励磁涌流中，除基波和非周期电流外，含有明显的二次谐波和偶次谐波，以二次谐波为最大，这个二次谐波电流是变压器励磁涌流的最明显特征，因为在其他工况下很少有偶次谐波发生。二次谐波的含量在一般情况下不会低于基波分量的15%，而短路电流中几乎不含有二次谐波分量。励磁涌流有如下两大特点。

（1）励磁涌流幅值大且衰减，含有非周期分量电流。对中小型变压器励磁涌流可达额定电流的10倍以上，且衰减较快;对大型变压器，一般不超过额定电流的4.5倍，衰减慢，有时可达 1min。当合闸初相角改变时，对各相励磁涌流的影响不同。

（2）波形呈间断特性。如图6-15所示为短路电流与励磁涌流波形，由图可见，短路电流波形连续，正半周、负半周的波宽θ_w=180°，波形间断角θ_j几乎为0°，如图6-15（a）所示波形。励磁涌流波形如图6-15（b）、（c）所示，其中图 6-15（b）为对称性涌流，波形不连续出现间断，在最严重情况下有

θ_w.max =120°,θ_j.min=50.8°

如图6-15（c）所示为非对称性涌流，波形偏于时间轴一侧，波形同样不连续出现间断，最严重情况下有

θ_w.max= 155.4°,θ_j.min= 80°

显然，检测差动回路电流波形的θ_w、θ_j可判别出是短路电流还是励磁涌流。通常取θ_w.set=140°、θ_j.set=65°，即θ>65°判为励磁涌流;θ≤65°同时θw≥140°，判为内部故障时的短路电流。

三、变压器励磁涌流的识别方法

1.二次谐波电流制动

测量纵差动保护中三相差动电流中的二次谐波含量识别励磁涌流。判别式为

I_d2φ>K_2φI_dφ 

式中∶I_d2φ为差动电流中的二次谐波电流;K_2φ为二次谐波制动系数;I_dφ为差动电流，其中i_dφ为差动电流采样值;N为每周采样点数。

当式（6-35）满足时，判为励磁涌流。闭锁纵差动保护;当式（6-35）不满足时，开放纵差动保护。为加快保护动作时间，二次谐波电流和差动电流的计算窗口可取10ms。

式（6-31） 中的I_dφ也可用差动电流中的基波分量I_dφ1代替，同样可识别励磁涌流和故障电流。

二次谐波电流制动原理因判据简单，在电力系统的变压器纵差动保护中获得了普遍应用。但随着电力系统容量增大、电压等级提高、变压器容量增大，应注意如下问题。

（1）当系统带有长线路或用电缆线连接变压器时，变压器内部短路故障差动电流中的二次谐波含量可能较高，将引起二次谐波制动的纵差动保护拒动或延时动作。

采用差动电流速断保护可部分解决这一问题;或者当电压低于70%额定电压时解除二次谐波的制动，也可使这一问题得到改善;采用制动电流I_res、差动电流I_d间比值小于某一值时解除二次谐波制动的措施，同样可改善这一问题。解除二次谐波制动的动作式为

I_res<KI_d

式中∶I_res为制动电流，见式（6-16）;I_d为差动电流，见式（6-14）;K为系数，K可取30%。

当变压器低压侧存在并联补偿电容时，内部短路故障在某些情况下也会产生二次谐波电流，同样对二次谐波制动的纵差动保护发生影响。

内部短路故障电流互感器饱和时，二次电流中的二次谐波同样要起到制动作用。

（2）对某些大型变压器，变压器的工作磁通φ_m幅值）与铁芯饱和磁通φ_sat之比有时取得较低，这导致励磁涌流中的二次谐波含量降低，影响对励磁涌流的识别，保护可能发生误动。

关于二次谐波制动的方式通常有以下几种。

1）谐波比最大相制动方式。谐波比最大相制动方式判别式为

其中，I_da2、I_db2、I_dc2和I_da1、I_db1、I_dc1分别是三相差动电流中的二次谐波和基波。可以看出，此种制动方式是取出满足差动动作条件的I_dφ2/Idφ1最大值（并非任意时刻取最大），对三相差动实现制动。虽然这种制动方式不能克服二次谐波制动原理上的缺陷，但对励磁涌流的识别较可靠，因为在三相的励磁涌流中总有一相的I_dφ2/Idφ1＞K₂满足；不足之处是带有故障的变压器合闸时，非故障相的二次谐波对故障相也实现制动，导致纵差动保护延迟动作，大型变压器因励磁涌流衰减慢，此缺陷尤为突出。

2）按相制动方式。按相制动方式判别式为

I_d2/max{I_da1,I_db1,I_dc1}＞K2

即利用差动电流最大相（基波）中的二次谐波与基波比值构成制动。

由于考虑了三相差动电流基波大小对谐波比的影响，在很大程度上改善了最大相制动在带有故障的变压器合闸时保护动作延迟的不足;但是，在变压器三相励磁涌流中，可能出现两相励磁涌流中的二次谐波含量较低，并且基波电流最大相并不能完全表示该相的I_d2/I_dφ1最大，因此有时不能正确识别励磁涌流。这种制动方式，制动比K₂的设定不宜偏大。注意，，这里按相制动不是分相制动。

3）综合相制动方式。综合相制动是采用三相差动电流中二次谐波的最大值与基波最大值之比构成制动，表示式为

其中参数同式（6-37）。可以看出，识别励磁涌流时，不仅考虑了差动电流中基波大小对谐波比选取的影响，而且考虑了三相谐波比的大小。因此，可较好地识别励磁涌流。在此前提下提高了保护的速动性，当带有故障的变压器合闸时，迅速使谐波比减小，开放保护，故障迅速可切除。

综合相制动方式较好地结合了最大相制动和按相制动的优点，同时又弥补了两者的缺陷。很自然，最大相制动方式的K。定值与传统的二次谐波制动定值没有什么两样，一般选取15%～20%;综合相制动方式的K₂定值要小于此值，一般可取15%～17%。

4）分相制动方式。分相制动方式表示式为（φ=a，b，c）

即本相涌流判据只对本相保护实现制动，取三相差动电流中二次谐波的最大值与该相基波之比构成制动。

由于取出了三相差动电流中二次谐波的最大值，所以识别励磁涌流性能较好，当带有故障的变压器合闸时，故障相的I_dφ1增大，开放本相的保护将故障切除。但是应当看到，当故障并不十分严重，非故障相差动电流中二次谐波含量较大时，故障相保护仍然不能开放。

另外需要说明，虽然涌流的三次谐波成分仅次于二次谐波成分，但是因为在其他工况下三次谐波经常出现，特别是内部短路电流很大时将有很显著的三次谐波成分，因此三次谐波不能作为涌流的特征量来组成差动保护的制动或闭锁部分。

同时，励磁涌流中经常也含有很大的直流分量，但是直流分量并非励磁涌流独有，在内部短路的暂态过程中也有，若以直流分量作为差动保护的制动量，则内部短路时势必延缓动作速度，何况三相涌流中往往有一相为周期性电流，即它不含直流分量，这时还必须增大差动保护的动作电流来躲过这种周期性电流，使保护的灵敏度隆低。因此直流分量不宜作为差动保护的制动量。

2.偶次谐波电流制动

偶次谐波电流制动与二次谐波电流制动的工作原理相似，但偶次谐波制动对励磁涌流的识别有较高的灵敏度。目前，偶次谐波电流制动也有较多的应用。

设滤除非周期分量后差动电流可表示为

i_d（t）=I_mksin（k_ω1t＋α），其中k=1、2、3、…为各次谐波系数，ω1=2_πf₁，则有

式中∶K_k为偶次谐波制动系数;S_T为门槛定值，S_T=αT_s

常数，I_2N为额定二次电流;S为i_d（n-N/2）的全周积分值，即差动电流的幅值，i_d（n-N/2）为差动电流半周前的瞬时值，N为每周期采样点数。

当式（6-44a）满足时，判为励磁涌流，闭锁纵差动保护;当式（6-44a）不满足时，判为故障电流，开放纵差动保护。式（6-44b）是防止S和S_k都很小时式（6-44a）误判。由于识别励磁涌流的灵敏度得到提高，故偶次谐波可采用分相制动方式。

3.判别电流间断角识别励磁涌流判别电流间断角识别励磁涌流的判据为

θ₁>65°,θ_w<140°

只要θ₁>65°就判为励磁涌流，闭锁纵差动保护;而当θ_j≤65°且θ_w≥140°时，则判为故障电流，开放纵差动保护。可见，对于非对称性励磁涌流，能够可靠闭锁纵差动保护;对于对称性励磁涌流，虽θ_j.min=50.8°<65°，但 θ_w.max=120°≤140°，同样也能可靠闭锁纵差动保护。

励磁涌流的一次波形具有明显的间断角特性，但进入差动元件的励磁涌流的二次波形在很多情况下丧失了这种特性。差动保护可利用间断角特性作为涌流制动量，但是差动保护要利用间断角特性作为涌流制动量，在处理上要求较高且较为复杂。

虽然上述判据直接、简单，但这是建立在精确测量θj、θw基础上的。考虑到电流互感器在饱和状态下会使传变后的二次电流间断角发生变化甚至可能消失（需采取措施恢复），测量6;和0、要求的采样频率高（大于3600Hz），导致对硬件要求高，同时精确测量的θ_j∶和θ_w要求有合理的门槛（实际是浮动门槛）。在实际使用中并不多。

除以上介绍的几种识别涌流的基本方法外，目前还有一些新技术。如检测波形对称识别励磁涌流、用模糊神经网络原理识别励磁涌流、用小波算法识别励磁涌流等。这些新方法一定会对微机差动保护的涌流制动性能的提高有促进作用，但是目前还没有实现上述新方法的微机差动保护装置可供实际工程中广泛使用。

四、变压器纵差动保护的逻辑

1.励磁涌流制动的纵差动保护动作逻辑

考虑到现代大型变压器多采用冷轧硅钢片，饱和磁通密度与额定磁通密度之比较小，而剩磁可能较大，使进入差动元件的某一相涌流的二次谐波成分非常小，但是另外的两相或一相将超过20%，因此目前主要采用三相"或"方式的二次谐波制动方案。二次谐波制动比以15%～20%为宜，如图6-16所示。特别应该指出的是∶三相独立的二次谐波制动方式，即使将二次谐波制动比降低到7.5%也不能认为是可靠的。

2.间断角制动的纵差动保护动作逻辑

采用间断角特性作为涌流判据的波形比较制动差动保护逻辑如图6-17所示。波形比较一般采用按相制动方式。