变压器空充引起主变跳闸的判断及处理

变压器空充引起主变跳闸的判断及处理

齐绩

深圳供电局有限公司广东深圳518000

摘要：针对主变空充时励磁涌流引起微机差动保护误动这一情况，从保护装置原理及主变性能等方面分析微机差动保护误动的原因，提出了减少该类事件的建议，同时还提出如何识别空投变压器是否存在故障的方法，以避免延误主变的恢复送电

关键词：空充主变；差动保护；励磁涌流；误动

1变压器差动保护防止励磁涌流的原理及存在问题

1.1基本原理

变压器差动保护是变压器的主保护，它是通过比较变压器各侧二次电流的幅值和相位后动作对变压器进行保护。正常运行时，差流几乎为零，保护不动作。在变压器内部故障时，差流超过定值，保护无延时动作并跳闸。当空投变压器时，变压器的励磁涌流可能使差流超过定值，但励磁涌流是变压器正常操作或运行时出现的现象，变压器保护不应该动作。因此为了区别励磁涌流和短路，继电保护装置利用励磁涌流的特点，制作了不同原理的变压器差动保护。

1.2微机差动保护在主变空充时误动作跳闸原因分析

微机差动保护在主变空充时误动的主要原因是不能及时识别出主变的空充状态而闭锁保护出口。微机差动保护现在所采用的励磁涌流闭锁方式（如二次谐波闭锁原理、波形判别闭锁原理等）还不十分可靠，容易引起误动或拒动，现以二次谐波闭锁原理为例，分析如下：

变压器的励磁涌流中的二次谐波含量与空载合闸初相角、电源电压、系统阻抗、铁芯型式、饱和磁通、剩磁的大小和方向、三相绕组接线方式等因素有关。继电保护领域的专家、学者经过大量理论分析计算和试验，得出：在一般情况下，空充变压器时，总有一相的二次谐波含量大于15%的结论。因此，在《大机组继电保护整定导则》中给出了二次谐波制动系数整定范围为15%～20%。然而由于大型变压器采用了磁化特性较“硬”的铁芯材料，在主变空充的情况下差电流中的谐波含量要低于传统的变压器，在不同合闸条件下的二次谐波成分可以减小到10％以下[1]，这种情况下主变差动保护有时因空投操作而误动是难已避免的。目前，各类国产微机主变差动保护制造厂家在励磁涌流制动逻辑方面一般提供2种选择：1）二次谐波一相制动闭锁三相；2）二次谐波分相制动。对于1）方案，空投变压器，当内部一相绕组存在匝间短路故障时，故障相电流具有内部短路电流的特征，差动保护应动作，但另两个健全相的电流却是空载合闸励磁涌流性质，后者使差动保护三相全被制动，一直到涌流衰减到不满足差动保护闭锁条件，故障相差动保护才能动作。而大型变压器的励磁涌流衰减是很慢的，它的衰减时间常数是由数值相当大的变压器励磁涌流电抗所决定[3]。故改为采用2）方案，该方案有利用加快变压器区内故障的差动保护动作速度，尤其是空投主变时发生内部故障。但由前所述，采用此种方案对于防止空投主变励磁涌流误动却不十分可靠。微机差动保护最小动作电流整定值较小，且微机保护动作速度明显高于传统的电磁型保护，可达到20～40ms。这样，只要主变合闸涌流的前几个周波的数值达到差动动作门槛值，且二次谐波含量低于15%，波形对称度好，就会造成比例差动保护的出口跳闸。

2识别空投变压器是否存在故障的方法

2.1励磁涌流的特点

1、包含有很大成分的非周期分量，往往使涌流偏于时间轴的一侧。

2、包含大量的高次谐波分量，并以二次、三次谐波为主。往往使励磁涌流

波形中出现间断和不对称。

3、空充时三相电压基本不变、基本无零序电压和零序电流。

4、励磁涌流的衰减快慢由时间常数L/R决定，小型变压器电阻较大，电抗较小，

衰减较快，约几个周期可达稳态；大型变压器，电阻较小，电抗较大，衰减较慢，

有可能延续20s才达到稳态。

5、励磁涌流的数值很大，最大可达额定电流的6到8倍。

2.2励磁涌流的识别

1、识别原理（以南瑞继保RCS-978主变保护为例）

A.谐波含量识别

励磁涌流时，波形中包含大量的高次谐波分量，主要以二次、三次谐波为主。

其中I2nd、I3rd分别为每相差动电流中的二次和三次谐波，I1st为对应相的差流

基波，K2xb、K3xb分别为二次谐波和三次谐波制动系数整定值。一般整定为0.15。

B波形畸变识别

故障时，差流基本上是工频正弦波。而励磁涌流时，有大量的谐波分量存在，

波形发生畸变，间断，不对称。利用算法识别出这种畸变，即可识别出励磁涌流。

故障时，有如下表达式成立：

其中S是差动电流的全周积分值，S+是“差动电流的瞬时值+差动电流半周前的

瞬时值”的全周积分值，Kb是某一固定常数，St是门槛定值。

装置设有‘涌流闭锁方式控制字’供用户选择差动保护涌流闭锁原理。

当‘涌流闭锁方式控制字’为‘0’时，装置利用谐波原理识别涌流；

当‘涌流闭锁方式控制字’为‘1’时，装置利用波形判别原理识别涌流。

2.3主流厂商原理对比

1）分相闭锁式

南瑞继保主变保护采用分相闭锁的方式即某一相判别为励磁涌流时，

只闭锁该相比率差动元件。同时厂家建议正常运行时将“涌流浮动门槛退出”

控制字置0，保护定检调试时置1；

2）三相或闭锁式

其它大部分厂家采用三相“或”闭锁方式，只要某一相判别为励磁涌流时，

就闭锁三相比率差动元件

由于三相励磁涌流中，可能有一相励磁涌流特征不明显，采样分相闭锁方式

的保护在空充时误动的概率较大。但是空充于故障主变时，分相闭锁的方式能

够较快切除故障。三相“或”闭锁方式的优缺点正好相反。

3.现场判断涌流与故障

保护厂家根据大量现场反馈总结以下经验，当变压器空投差动保护动作时，从保护装置及故障录波装置中的录波数据读取差动电流及电压等相关波形后，可以从以下几个方面观察变压器是否存在内部故障：

1、电压是否有明显的跌落或者波形畸变，如果存在，变压器故障的可能性较大。

2、差电流中的二次谐波含量在空充情况下是否随着时间推移有所增加，如果增加，一般为正常变压器空充。（一般认为励磁涌流中基波的衰减速度比二次谐波快，所以二次谐波比重增加，内部故障时随着故障趋于稳定，二次谐波会衰减）

3、三相励磁涌流的幅值差异是否较大，如果是，则发生的故障可能性较大。

4、涌流的幅值是否较大，如果是，则发生故障的可能性较大。

5、非电量保护动作，可判断为主变内部故障。

根据故障录波器中的电压、电流波形判断，若得分达到6分，

则可判断何种故障类型。若得分小于6分，则需专业人员判断。

4改进措施及建议

1）降低二次谐波制动系数是较为有效的方法，国内目前一般取二次谐波占基波分量的15%～20%作为二次谐波制动系数，但通过查阅相关资料，国外取值要低得多，一般在10%以下。因此，如何根据主变空充实际涌流大小来确定二次谐波制动系数，还需要好好研究；

2）对目前已运行的国产主变微机保护装置，建议利用微机保护可设置多套保护定值的特点，采用设置两套保护定值的方法来减少空投涌流对于差动保护的影响。具体做法是：在主变合闸冲击前，启用1套临时保护定值，该定值中可适当提高差动保护的门槛值（如1.0～1.3Ie）和适当降低二次谐波闭锁涌流定值（如10%左右），以增加躲避涌流的可靠性和对涌流判断的灵敏度。相应将冲击侧（为主变高压侧）后备保护定值降低（如将复合电压闭锁过流保护整定为0.6～1.0Ie；时间降低为0.3～0.5s），同时，解除复合电压闭锁逻辑，以增大后备保护反映主变内部故障的灵敏性和快速性，待主变冲击正常后，带负荷前再启用正常保护定值。

5结束语

从变压器差动原理来看，空投变压器时励磁涌流引起差动保护误动这一问题还没有根本解决，那么作为电力系统的继电保护工作者，在目前状况下，对差动保护动作的正确性要做出快速的分析和判断，使保护误动的电气设备尽快投入运行；主变差动保护的难点在于如何识别励磁涌流和内部故障电流，目前国内外各保护厂家均以励磁涌流波形特征为依据来防止空投时保护误动，都存在误动的可能。特别对于南瑞继保主变保护采用按相闭锁的方式（即三相差流均具备涌流特征才闭锁保护），其空充时误动的概率比较大。如空充主变时差动保护动作，应根据保护动作报告、故障录波图、非电量信号等综合判断，推断主变内部是否有故障。以便及时恢复送电。。

参考文献：

[1]王维俭.发电机变压器继电保护应用［M］.北京：中国电力出版社，1998.

[2]DL／T684－1999.大型发电机变压器继电保护整定计算导则［S］.

[3]国家电力调度通信中心.国家电网公司继电保护培训教材.北京：中国电力出版社，2009.