姚東曉，鄧茂軍，倪傳坤，王立德，馬和科，呂利娟，黃繼東

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變壓器多側勵磁涌流產(chǎn)生機理及對差動快速動作區(qū)影響研究

姚東曉1，鄧茂軍1，倪傳坤1，王立德2，馬和科1，呂利娟1，黃繼東1

(1.許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000；2.國網(wǎng)湖南省電力公司檢修公司，湖南 長沙 410000)

多側勵磁涌流特征類似區(qū)內(nèi)故障，容易造成變壓器差動保護快速動作區(qū)誤動作。研究了兩種多側勵磁涌流產(chǎn)生的機理并分析了其對不同類型差動保護快速動作區(qū)的影響。第一，變壓器高壓側空投致鐵芯飽和時高壓側和低壓繞組中均產(chǎn)生勵磁涌流的機理及其對分相差快速動作區(qū)的影響；第二，自耦變區(qū)外故障切除致鐵心飽和時高、中壓側及低壓繞組均出現(xiàn)勵磁涌流的機理及其對縱差快速動作區(qū)的影響?；趯煞N勵磁涌流產(chǎn)生機理及特征的分析，提出分相差不宜配置快速動作區(qū)，而縱差快速動作區(qū)判據(jù)也應采取防誤措施，并提出了具體防誤方案。經(jīng)多次實驗驗證，該方案可有效防止縱差快速動作區(qū)誤動作。

變壓器；多側勵磁涌流；差動保護；快速動作區(qū)；恢復性涌流；區(qū)內(nèi)故障

0 引言

勵磁涌流是引起變壓器差動保護誤動作的重要因素之一。經(jīng)過長期的研究完善，勵磁涌流的判別方法越來越成熟[1-8]，已很少出現(xiàn)因勵磁涌流判據(jù)問題導致差動保護誤動作的情況。然而，對一些快速差動保護，由于勵磁涌流判據(jù)開放較慢，一般需要20 ms左右，不宜經(jīng)勵磁涌流閉鎖，比如差動速斷保護、差動快速動作區(qū)。差動速斷保護定值門檻高，整定時考慮躲避勵磁涌流，因此不易出現(xiàn)勵磁涌流導致的誤動。而差動保護快速動作區(qū)定值門檻不足以躲避勵磁涌流，雖然其判據(jù)本身具有抗單側勵磁涌流功能，但對多側勵磁涌流，仍存在誤動作可能。

本文研究了多側勵磁涌流產(chǎn)生的原理，并分析了兩種產(chǎn)生多側勵磁涌流的情況及對差動快速動作區(qū)的影響。首先介紹了差動保護快速動作區(qū)的動作方程和條件，然后對多側勵磁涌流產(chǎn)生的原理進行了詳細分析，通過建立變壓器在空投和區(qū)外故障切除時的等值電路，詳細研究了變壓器在空投和區(qū)外故障切除時出現(xiàn)多側勵磁涌流的機理，得出分相差動保護不宜配置快速動作區(qū)，而縱差保護快速動作區(qū)也要考慮防誤措施，提出了具體防誤方案，經(jīng)過多次動模及數(shù)模仿真實驗驗證，該方案可有效防止多側勵磁涌流縱差快速動作區(qū)誤動作。

1 ?差動保護快速動作區(qū)條件

差動保護快速動作區(qū)動作方程如式(1)。

差動保護快速動作區(qū)邏輯如圖1所示。在區(qū)內(nèi)外故障同步識別邏輯判為區(qū)內(nèi)故障的情況下，若同時差流滿足快速動作區(qū)特性方程，經(jīng)短延時，差動保護快速動作區(qū)動作。其中可設為5 ms。

2 ?變壓器多側勵磁涌流產(chǎn)生原理分析

變壓器在空投或區(qū)外故障切除時，若鐵芯磁密過高，便會出現(xiàn)勵磁涌流。磁密計算如式(2)。

變壓器空投時，在系統(tǒng)阻抗、變壓器結構、繞組物理參數(shù)一定的情況下，剩磁和合閘角的組合關系決定了勵磁涌流的大?。喝羰４泡^大，且合閘角在系統(tǒng)電壓過零點附近，同時磁通變化方向與剩磁方向一致時，會導致鐵芯磁密過高而嚴重飽和，產(chǎn)生較大勵磁涌流。在變壓器區(qū)外故障切除時，決定勵磁涌流大小的因素主要為故障合閘角及故障切除角。若故障合閘角在系統(tǒng)電壓過零點附近，此時相當于變壓器鐵芯中含較大剩磁；由于斷路器切除故障必須在電流過零點切除，因此故障切除角往往在±90o附近，若故障切除后磁通變化方向與剩磁方向一致，可導致鐵芯磁密過高而飽和。

為分析鐵芯飽和時多側勵磁涌流產(chǎn)生的原理，首先分析兩側均有電源的雙繞組變壓器產(chǎn)生多側勵磁涌流的情況。雙繞組變壓器A相等值電路如圖2所示。

圖2 兩側均有電源的雙繞組變壓器等值電路

根據(jù)圖2等值電路，可計算出勵磁阻抗兩端的電動勢為

(4)

式(5)中等號右邊不為0，且所有阻抗的阻抗角均基本相同，若同時與相位相同，根據(jù)式(3)，相位也必然與和相同，而且隨著變小而降低，若降低到小于和，則導致與相位相同，此時會造成高、低壓側產(chǎn)生同相位的勵磁涌流。

3 ?空投主變高壓側多側勵磁涌流產(chǎn)生機 理及對分相差快速動作區(qū)影響分析

3.1 空投主變多側產(chǎn)生勵磁涌流的機理

以Y/D11接線形式的變壓器為例，在空投主變高壓側時，由于除高壓側外其他側開關均處于斷開狀態(tài)，只有高壓側和低壓側三角繞組有電流回路。我們以主變A相為例進行分析?？胀稌r，主變A相等值電路如圖3所示，低壓側A相等效電源的合成相量圖如圖4所示。

某500?kV變電站在空投主變(自耦變)高壓側時，高壓側和低壓繞組中均出現(xiàn)了勵磁涌流，如圖5所示。

圖5 空投電流電壓波形

根據(jù)現(xiàn)場變壓器參數(shù)，主變高壓側額定電流(即分相差動基準電流)為0.206 A，高壓側平衡系數(shù)為1，低壓繞組平衡系數(shù)為0.114 5。

根據(jù)第1節(jié)差動電流與制動電流的計算公式，得到空投時分相差動電流與制動電流如圖6所示。

考察A相的差動電流和制動電流，采用傅里葉變換后，A相差流有效值為0.276?A左右，制動電流有效值為0.226?A左右，滿足分相差快速動作區(qū)動作方程。同時由于涌流為純差流，區(qū)內(nèi)外故障同步識別邏輯應判為區(qū)內(nèi)，因此滿足分相差快速動作區(qū)條件。

圖6 分相差流和制動電流

4 ?區(qū)外故障切除致多側涌流機理及對縱差快速動作區(qū)影響分析

4.1 區(qū)外故障切除致多側勵磁涌流機理

330 kV以上變壓器一般以自耦變?yōu)橹鳎涓?、中壓側一般均有電源接入。?繞組自耦變?yōu)槔?，分析其在區(qū)外故障切除過程中，勵磁涌流的分布情況。圖7為自耦變區(qū)外故障時系統(tǒng)的簡化模型，故障類型為高壓側區(qū)外三相對稱故障。

圖7 自耦變區(qū)外故障系統(tǒng)簡化模型

圖7中，高壓側和中壓側均有電源，hs、ms分別為高壓側和中壓側的系統(tǒng)阻抗。

[10]邢悅，詹奕嘉：《國際關系：理論、歷史與現(xiàn)實》，復旦大學出版社，2008年10月第1版，第84頁.

高壓側三相短路故障后，低壓繞組電流很小，可以認為無流，自耦變可從中壓側出線端分解開[9]，形成一個雙繞組變壓器，其等值電路如圖8所示。

圖8 高壓側區(qū)外三相故障時自耦變等效電路

由圖8可推導出勵磁電動勢，如公式(7)。

由于故障時勵磁阻抗遠大于串聯(lián)繞組漏阻抗[10]，公式(7)可簡化為

(8)

故障切除后，高、中壓側電壓恢復。此時自耦變等效電路如圖9所示。

圖9 故障切除后自耦變等值電路

Fig. 9 Autotransformer equivalent circuit after fault cutting off

4.2 多側勵磁涌流對縱差快速動作區(qū)影響分析

在500 kV自耦變動模實驗中，模擬自耦變高壓側區(qū)外三相故障，故障切除時，高壓側、中壓側及低壓繞組均產(chǎn)生了恢復性涌流，驗證了以上分析的正確性。實驗模型與圖5相同，模型中主變高壓側額定電流(即分相差動基準電流)為0.923?7?A，高壓側平衡系數(shù)為1，中壓側平衡系數(shù)為0.968?？v差保護差流計算采用了星轉角運算，即將星側的電氣量等效折算到角側。對低壓側三角形11點接線形式，高、中壓側星轉角折算如式(9)。

經(jīng)如上折算算法后，縱差差動電流和制動電流如圖10所示。

圖10 縱差差動電流及制動電流

在故障切除后35~55 ms，縱差B相差動電流為1.282 A左右，制動電流為1.066 A左右，滿足快速動作區(qū)特性方程。同時由于區(qū)外故障持續(xù)時間內(nèi)差流很小，區(qū)外故障標志的差流保持邏輯無效。在190 ms后故障切除時產(chǎn)生較大恢復性涌流，且遠大于負荷電流，區(qū)內(nèi)外故障識別邏輯識別為區(qū)內(nèi)故障，因此能夠滿足縱差快速動作區(qū)條件。

5 ?防止差動快速動作區(qū)誤動的措施研究

設置差動快速動作區(qū)的目的是在發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時快速切除故障，其動作時間短，一般為10~20 ms。做為一般動作區(qū)的補充，首先應保證快速動作區(qū)的可靠性和快速性，不考慮區(qū)外轉區(qū)內(nèi)等復雜故障時靠快速動作區(qū)切除故障。基于此原則，可以從限制快速動作區(qū)投入條件來解決多側勵磁涌流可能導致的誤動作問題。

分相差由于計入低壓繞組電流，而鐵芯飽和時，低壓繞組中往往會產(chǎn)生勵磁環(huán)流，因此分相差快速動作區(qū)在主變空投時及恢復性涌流時均易誤動作，不宜設置快速動作區(qū)。

而縱差保護未計入低壓繞組電流，在主變空投時，只有空投側有電流，差動電流與制動電流相等，因此不會誤動作；但是在區(qū)外故障切除多側產(chǎn)生較大恢復性涌流時，仍然存在誤動作可能。為防止多側恢復性涌流導致誤動作，縱差快速動作區(qū)可考慮僅在保護啟動30 ms內(nèi)投入，且在區(qū)內(nèi)外同步識別邏輯識別為區(qū)外故障時直接閉鎖縱差快速動作區(qū)12 s，長時間退出縱差快速動作區(qū)，以保證區(qū)外故障切除時快速動作區(qū)處于退出狀態(tài)。改進后邏輯經(jīng)多次動模及數(shù)模實驗驗證，能夠可靠防止縱差快速動作區(qū)誤動作。

6 ?結語

本文通過研究變壓器空投及區(qū)外故障切除時多側產(chǎn)生勵磁涌流的原理及特征，得出多側勵磁涌流可能造成差動電流大于制動電流，從而滿足差動保護快速動作區(qū)特性方程，導致差動保護快速動作區(qū)誤動作。用Matlab軟件分析現(xiàn)場故障波形，與分析結論完全一致，驗證了分析方法的正確性。

分析得出分相差動保護因低壓繞組在鐵芯飽和時往往會產(chǎn)生勵磁環(huán)流，不宜配置快速動作區(qū)。而縱差保護因未使用低壓繞組電流，可對縱差快速動作區(qū)增加防誤方案，并提出了具體改進措施，經(jīng)多次數(shù)模及動模實驗檢驗，該方案可有效防止縱差快速動作區(qū)誤動作。

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(編輯 葛艷娜)

Transformer's multi-side inrush current generation mechanism and its influence on the differential protection's fast action zone

YAO Dongxiao1, DENG Maojun1, NI Chuankun1, WANG Lide2, MA Heke1, Lü Lijuan1, HUANG Jidong1

(1. XJ Electric Co., Ltd., Xuchang 461000, China; 2. Maintenance Company of State Grid Hunan Electric Power Corporation, Changsha 410000, China)

Multiple sides' inrush currents of transformer are similar to inside fault currents, which is likely to cause the differential protection's fast action zone malfunction. This paper studies two multi-side inrush current's mechanism and analyzes the effects on two different types of differential protection fast action zones. First, the inrush current's mechanism generated from high-side and low-side windings when closing the high-side breaker without load led to core saturation and its effect on phase differential protection fast action zone; second, the inrush current's mechanism generated from high-side, mid-side and low-side windings when cutting off the outside region fault led to core saturation and its effect on longitudinal differential protection fast action zone. Based on the analysis of two inrush current generation mechanism and characteristics, it puts out that the winding differential protection should not deploy fast action zone, and the longitudinal differential protection's fast action zone should add error prevention measures. And it puts forward specific improvement program which has been proven to prevent malfunction in many experiments.

transformer; multi-side inrush current; differential protection; fast action zone; restorative surge; fault zone

10.7667/PSPC150874

2015-07-25；

2015-12-20

姚東曉(1982-)，男，通信作者，碩士，工程師，主要研究方向為繼電保護；E-mail：yaodongxiao1@163.com 鄧茂軍(1975-)，男，碩士，高級工程師，研究方向為繼電保護； 倪傳坤(1980-)，男，碩士，高級工程師，研究方向為繼電保護。