考虑变压器励磁涌流影响的保护整定

摘要：在大型变压器空栽冲击过程中，由于励磁涌流和负序电压的存在，如果定值整定不得当，会导致差动保护，复压过流保护等误动作，影响设备的正常运行。为了保证定值整定的正确性，在此通过对励磁涌流产生的原因和特点进行理论分析，结合变压器冲击过程中实际数据以及大型变压器冲击过程中由于定值整定不合理造成保护误动作的实例，对变压器冲击过程中相关定值整定的原则进行了探讨。在定值的整定过程中要考虑励磁涌流的幅值、谐波含量和衰减时间以厦负序电压的幅值和衰减时间的影响。
关键词：励磁涌流；复压过流保护；定值整定；差动保护；变压器冲击

0 引言
新投入运行的变压器，除按交接试验标准做一些必需的试验及保护、二次方面的试验外，在正式投入前，通常都要做空载全电压合闸冲击试验。做空载合闸冲击试验的目的是：检查变压器的相关保护是否误动。带电投入空载变压器时，会产生励磁涌流，其值可达6～8倍额定电流。励磁涌流开始衰减较快，一般经0．5～1 s即可减至0．25～0．5倍额定电流，但全部衰减完毕时间较长，中小变压器约几秒，大型变压器可达10～20 s，故励磁涌流衰减初期，往往使差动保护误动，造成变压器不能投入。因此，空载冲击合闸时，在励磁涌流作用下，可对差动保护的接线、特性、定值进行实际检查，并作出该保护可否投入的评价和结论。

1 励磁涌流产生的原因
1．1 励磁涌流产生的机理
以单相变压器为例，说明其空投时励磁涌流产生的机理。
忽略变压器及合闸回路电阻的影响，且电源电压的波形为正弦波，则空投瞬间变压器铁心中的磁通与外加电压的关系为：

式中：N为变压器空投侧绕组的匝数；φ为铁心中的磁通；Um为电源电压的幅值；α为合闸角；ω为角速率，当频率为50 Hz时，ω=314。
考虑电源回路及变压器绕组的有效电阻及损耗，由式(1)求解可得：


式中：；T为时间常数，与合闸回路的损耗及感抗有关。式(2)中的第一项为磁通的强迫分量；第二项为磁通的自由分量或衰减分量。
由式(2)可以看出，在空投变压器的瞬间，铁心中的磁通由三部分组成，即强迫磁通φmcos(ωt+α)、剩磁通φs及决定于合闸角α的磁通φmcosα。根据式(2)及不考虑自由分量或衰减分量，并设合闸角α=0，剩余磁通φs=0．9φm时，在合闸瞬间变压器铁心中的综合磁通变化曲线如图1所示。在图1中，曲线①为外加电压波形；曲线②为铁心中的强迫磁通(或稳定磁通)波形；曲线③为空投变压器时铁心中的综合磁通波形。

可以看出，当初始合闸角等于0°，变压器铁心中的剩余磁通φs=0．9时，铁心中的最大磁通达2．9φm，从而使变压器铁心严重饱和，励磁电流猛增，即产生所谓励磁涌流。
1．2 影响励磁涌流大小的因素
由式(2)可以看出，空投变压器时，铁心中磁通的大小与φm，cosα及φs有关，而励磁涌流的大小与铁心中磁通的大小有关。磁通越大，铁心越饱和，励磁涌流就越大。因此，影响励磁涌流大小的因素主要有：
(1)电源电压。变压器合闸后，铁心中强迫磁通的幅值φm=Um／Nω。因此，电源电压越高，φm越大，励磁涌流越大。
(2)合闸角α。当合闸角α=0时，φm=ωsα最大，励磁涌流大；而当α=90°，φmcosα等于零，励磁涌流较小；
(3)剩磁Bs
合闸之前，变压器铁心中的剩余磁通越大，励磁涌流就越大。另外，当剩余磁通Bs的方向与合闸之后φmcosα的方向相同时，励磁涌流就大，反之亦反。
此外，励磁涌流的大小，尚与变压器的结构、铁心材料及设计的工作磁密度有关。变压器的容量越小，空投时励磁涌流与其额定电流之比就越大。

2 变压器冲击过程中的波形分析
2．1 变压器冲击时的实际数据
以华东地区某电厂为例，冲击变压器时，实录了5组冲击电流波形，选择一组典型的冲击波形如图2所示。5次冲击的数据记录如表1～5所示。该变压器的参数如表6所示。

2．2 实验数据分析
(1)励磁涌流波形是间断的，且间断角很大，一般大于150°，由于波形间断，使其在一个周期内正半波与负半波不对称，所以采用波形识别的方法进行闭锁差动保护能很好地防止变压器冲击过程中差动保护误动；
(2)励磁涌流中含有很大的二次谐波分量，用谐波分析仪进行测量分析，不同时刻涌流中二次谐波分量与基波分量的百分比大于30％，有的达40％，甚至更大，但是二次谐波衰减很快，部分情况下，基波还没有衰减到差动启动值的情况下，B相的二次谐波含量已经达到15％以下；
(3)励磁涌流最大出现在第四次冲击时的C相，超过差动保护的启动值，二次谐波占基波比值最大的出现在第五次冲击时的B相，最大达到39％；
(4)励磁涌流衰减的最长时间为8 015 ms。

3 变压器冲击过程中的保护定值整定的探讨
3．1 变压器差动保护谐波制动
变压器冲击过程中，由于励磁涌流的存在，会导致变压器差流超过启动值，差动保护启动。为了在变压器空投或故障切除后恢复供电时保护不误动，现在的保护装置中常采用“或”门方式闭锁，选取三相电流中最大二次谐波含量闭锁差动保护。制动关系如下：

式中：I1A，I1B，I1C为A，B，C三相差流；I2A，I2B，I2C为A，B，C三相差流中二次谐波的含量。在现场所下的变压器差动保护谐波制动定值当中，很多情况下给出的制动定值是经验值20％。结合多个大型变压器的空投试验数据发现，很多情况下二次谐波成分并不是很高，尤其是在励磁涌流的衰减过程中，存在基波没有衰减到差动保护定值以下，而二次谐波含量已经小于20％的情况，这种情况下制动不起作用，差动保护会误动作。结合现场的经验，认为二次谐波制动的定值升压变采用16％比较好，降压变采用15％较好，最好结合空投时实际的录波波形再整定。整定的原则是：谐波制动的定值整定时要结合主变的冲击波形，保证主变差流在主变差动动作定值的范围内时，二次谐波的值必须要超过谐波制动的定值。
3．2 变压器差动保护中的差动速断定值
变压器差动速断定值，一般按照变压器额定电流的5～8倍整定，通常只考虑躲过变压器区外最大短路故障不平衡电流。并且在现场所下的差动保护高定值中，通常为了提高灵敏度，计算所得的定值偏小，而在实际过程中往往冲击时励磁涌流电流达到或者接近改定值，容易造成误动作。例如北方某电站，在变压器冲击过程中，保护跳闸，后经检查发现，是差动速断动作。开始怀疑是变压器内部存在故障，后经检查发现变压器本体及外部接线无放电痕迹，油样检查无异常，内部也无放电现象，这个可能性也被排除。之后通过分析变压器冲击时录波文件发现分析原因，冲击电流录波显示最大值达到12．786 A，而原中调下的差动速断定值为12 A，冲击过程中的励磁涌流超过差动速断定值，导致变压器差动保护误动作。后经与中调联系，将定值改为15 A，再进行主变冲击试验未发生保护误动，送电成功，但已经超过预定的送电时间8小时，造成了不小的经济损失。变压器的差动速断保护定值整定不仅仅要考虑躲过变压器区外最大短路故障不平衡电流，而且要考虑躲过变压器空载合闸时的最大励磁涌流。不同的变压器差别比较大，大型发变组(360～1 200 MVA)通常采用3～4倍的额定电流，25 MVA高压启动／备用变压器6～7倍的额定电流。但也不能一概而论，可以根据现场的实际情况适当提高一点。
3．3 变压器冲击过程中复压过流保护的整定
复压过流的过流定值通常按照躲过变压器高压侧额定电流整定，负序电压的定值通常按躲过正常运行时的最大不平衡电压整定，时间通常按照大于相邻后备保护的动作时限，而没有考虑到励磁涌流的影响和冲击时不平衡电压的影响。变压器复压过流保护整定中，由于存在负序电压和低电压的闭锁条件，通常过流的定值取得较小，复压过流保护的灵敏度较高。
在现场，变压器复压过流保护的闭锁电压通常取自变压器高压侧电压，而厂变和起备变通常取变压器的低压侧电压作为复压过流保护的闭锁电压。由于变压器复压过流保护的电压取自低压侧系统的进线TV，即变压器次级侧电压，因此在变压器空载冲击合闸时由于三相磁通密度的不一致，再加上变压器三相剩磁的影响，使得变压器三相的励磁涌流饱和程度不一样。因而造成变压器次级侧的空载电压在冲击后的一段时间内出现不平衡电压，即在变压器空载合闸的暂态过程中出现了负序电压。负序电压存在的时间取决于变压器暂态过程的持续时间，由上述变压器冲击过程数据分析可知，励磁涌流的最长衰减时间达到了6s。
内蒙某电厂在起备变送电过程中共进行了三次冲击，前两次冲击发生了保护未见异常，而第三次发生了复压过流保护动作。从故障时的录波文件如图3所示，通过专用软件分析可知，当变压器冲击时，变压器的三相电压并不平衡，电压UA的最大值是75 V，衰减0．5 s后的最大值是65 V，负序电压在0．5 s后才衰减到5 V以下，而此时励磁涌流为0．7 A，还大于复压过流的电流定值0．7 A。起备变的复压过流的定值为按常规计算的负序电压4．6 V，电流定值为0．6 A，延时为0．4 s。因此造成了起备变跳闸。