(包头供电局 修试所，内蒙古 包头 014030)
摘 要：文章分析了变压器励磁涌流产生的原因、励磁涌 流的特点、对差动保护的影响，针对目前采用的几种励磁涌流制动差动保护的方案进行了比 较、分析，提出了一种改进的制动方案 。
关键词：变压器；差动保护；励磁涌流；二次谐波制动
中图分类号：TM401 文献标识码：B 文章编 号：1007—6921(2008)15—0118—03
1 引言
随着现代电网输电电压的不断提高，输电距离和输电容量的不断增大，大容量变压器的应用 日益广泛，对变压器保护的可靠性和速动性提出了更高的要求。无论是常规保护，还是微机 保护，励磁涌流判别一直是变压器差动保护中的关键问题。本文分析了励磁涌流的产生原因 和特点，比较了目前采用的几种励磁涌流闭锁差动保护的原理，着重论述了变压器空投于故 障时励磁涌流对差动保护动作影响。
2 励磁涌流产生的原因和特点
变压器励磁涌流的产生根源是：变压器一侧的电压突然增大（△U），电压突变量与剩磁同 相叠加造成变压器铁芯饱和所引起的。变压器空载合闸时，合闸侧电压突然升高，外部故障 切除后，切除故障侧电压突然升高，这两种情况下均可能出现很大的励磁涌流。具体过程为 ：在稳态工作情况下，变压器铁芯中的磁通应滞后于外加电压90°，如果空载合闸时，正好 在电压瞬时值u=0时接通电路，则铁芯中应该具有磁通-фm。但是由于铁芯中的磁通不能突 变，因此将出现一个非周期分量的磁通，其幅值为+фm。这样在经过半个周期后，铁芯中的 磁通就达到2фm。如果铁芯中还有剩余磁通фs,则总磁通将为2фm +фs。此时变压器的铁 芯严重饱和，励磁电流将剧烈增大，最大可达额定电流的6∽8倍。这种励磁电流就称为变压 器的励磁涌流。
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励磁涌流的大小和衰减时间，与外加电压的相位、铁芯中剩磁的大小和方向、电源容量的大 小、回路的阻抗以及变压器容量的大小和铁心的性质等都有关系。例如，正好在电压瞬时值 为最大时合闸，就不会出现励磁涌流，而只有正常时的励磁电流。对三相变压器而言，无论 在任何瞬间合闸，至少有两相要出现程度不同的励磁涌流。
励磁涌流中，含有大量高次谐波和非周期分量，除基波和非周期分量外，高次谐波电流以二 次谐波为最大。二次谐波电流是变压器励磁涌流最明显的特征，因为在其他工况下很少有偶 次谐波发生。图1为变压器典型的励磁涌流一次波形，图2为变压器典型的单相短路故障电流 ，比较可知，励磁涌流的一次波形具有明显的间断角，这也是涌流的一个显著特点。
3 变压器差动保护防止励磁涌流误动的措施
励磁涌流幅值大，可以与短路电流相比拟，变压器差动保护如果不采取一些措施来躲过励磁 涌流的话，就有可能误动。防止涌流误动，最主要的的是如何识别涌流、利用涌流中的一些 特性来构成差动保护的闭锁条件，所以找到准确、可靠的闭锁判据是最关键的问题。
目前国外常采用利用涌流中的二次谐波来构成差动保护的闭锁或制动条件，国内的变压器保 护也以二次谐波制动为主，除此之外，还有利用识别涌流中的间断角来闭锁差动保护。近年 来又有一些新的措施，例如通过识别涌流波形的对称性来实现闭锁差动保护、基于变压器磁 通特性或基于智能理论如人工神经网络来识别涌流并闭锁差动保护等。本文简要介绍一下我 国常采用的二次谐波制动原理和间断角原理。
间断角原理就是利用短路电流波形连续变化，而励磁涌流波形具有明显的间断角特征作为鉴 别涌流的判据。该方法虽然简单直接，但是以精确测量间断角为基础的，而间断角的测量必 须考虑CT传变对励磁涌流的影响，尤其是CT饱和后对二次电流波形的影响。图3为CT饱和后 二次侧励磁涌流的波形，可见CT饱和后，经过CT传变的二次侧涌流间断角会发生畸变，甚至 消失。所以必须采取措施来恢复间断角，这增加了保护硬件的复杂性，同时还受到采样率、 采样精度的影响及硬件的限制，因此这种原理在变压器差动保护中的应用效果曾不十分理想 。但是随着人们在这方面的研究的深入细致和进行了大量的试验工作，有一些新的恢复间断 角的算法被提出来，如积分法、分段函数法恢复间断角等，改进后应用效果还比较理想。
现代大型变压器铁芯多采用冷轧硅钢片，Bs/Be比较小，而剩磁可能较大，使进入差动继电 器的某一相涌流的二次谐波成分将非常小，但是另外两相或一相将超过20%。因此，国内外 常采用二次谐波构成差动保护的闭锁条件来防止涌流误动。二次谐波制动目前也有几种方案 ，最常用的是三相“或”的闭锁方式，只要判断出一相差流中的二次谐波的含量满足涌流制 动的条件，即闭锁三相，使保护不能出口。这种原理的保护在现场应用的效果还是比较理想 ，基本能够有效的区别变压器真正故障和空载合闸或外部故障切除后电压恢复时的涌流。
涌流中的三次谐波成分也比较大，仅次于二次谐波，但是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，因为在其他工况下三次谐波电流经常出现，特别是内部短 路电流很大时也有很显著的三次谐波成分。涌流中含量很大的直流分量也不能作为涌流的特 征量来组成差动保护的制动或闭锁部分，因为直流分量也并非涌流独有的特征，变压器内部 短路的暂态过程中也有大量的直流分量。如果以直流分量来构成差动保护的闭锁条件的话， 变压器内部短路时势必会延缓保护的动作速度，并且三相涌流中往往有一相为周期性电流， 即它不含有直流分量，这时还必须增大差动保护的动作电流来躲过这种周期性涌流，这又使 保护的灵敏度降低。所以三次谐波和直流分量都不能作为防止涌流误动的措施。
4 一种改进的二次谐波制动原理
我们常用的二次谐波制动方案，在变压器空投于故障时，由于一相或两相差流中存在励磁涌 流，会闭锁差动保护的动作出口，只有等涌流衰减到一定程度后才重新开放差动保护，而涌 流的衰减往往比较慢，这样势必延缓了保护的动作时间，对变压器这种大型的电力设备的安 全运行是不利的。当空载合闸时相电流中存在对称涌流时，也有可能由于差流中判不出谐波 而使差动保护误动，这在现场也是不允许的。
基于上述的二次谐波制动原理可能引起保护误动和拒动的考虑，继电保护工作者提出了这样 一种改进的制动方案，具体的程序流程图见图 4。由流程图可以看出，当一相差流大于起动 门槛后，先判差流中二次谐波是否满足制动条件，若不满足的话，再判与该相差流有关的两 个相电流中的二次谐波是否满足制动条件。由于微机差动保护的各侧CT均可按Y形接入，降 压变压器高压侧合闸时可以在差动电流和相电流中都可以检测到谐波分量，采用这种制动方 案后，即使在出现对称涌流时也能闭锁保护。
变压器内部故障时，单相故障电流经Y/△变换后，将反映在两相差流中。根据这个特点二次 谐波制动方案可以改进为在变压器无故障时采用“或”闭锁方式，而在空投于故障变压器时 ，根据涌流和故障电流在三相差流中的反映，自动转换为分相制动方式。图5为该原理的出 口逻辑。分析原理图和出口逻辑可知，采用这样的制动方案，既可保证空投或电压恢复时涌 流制动的可靠，又保证了空投于故障变压器时的灵敏动作。
5 结束语
变压器差动保护中，解决涌流制动问题是一个关键。为满足电力系统不断发展的需要，近十 多年国内外学者对变压器保护的原理从各方面进行了深入的研究和试验，提出了许多不同的 方案。其中大多数进行的动摸试验和仿真证明具有较高的灵敏度和可靠性，但离微机保护的 实现还有一段距离。而原来已用于实际的一些方法随着电力系统的发展也面临着新的考验。 因此，为适应未来电力系统的发展要求，尽快研制出新原理的微机变压器保护已成为一个非 常现实和迫切的要求。
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