浅析一起励磁涌流引起的厂高压变压器差动保护误动（发表2016年6月燃气轮机发电技术）

浅析一起励磁涌流引起的厂高压变压器

差动保护误动

周 建，吴大清，余耀坤1，张石凯1

1

2

（1.华能金陵燃机热电有限公司，江苏 南京 210034

2.华能金陵电厂，江苏 南京 210034）

摘要：结合某燃气轮机电厂1号厂高压变压器发生一起因励磁涌流引起的差动保护误动故障，对励磁涌流的产生机理、变压器差动保护误动作的诱因、变压器防励磁涌流等方面进行了分析,并就如何躲开励磁涌流的影响进行了探讨。

关键词：厂高压变压器；差动保护；励磁涌流；二次谐波制动

0 引言

华能金陵燃机热电有限公司一期工程安装2

台燃气-蒸汽联合循环机组，它由MS9001FA型燃气轮机、D10 型三压、一次中间再热、单轴、双缸双排汽、冲动式无抽汽纯凝式汽轮机，390H型全氢冷发电机和武汉锅炉股份有限公司制造的三压、一次中间再热、卧式、无补燃、自然循环余热锅炉组成。燃气轮机、蒸汽轮机和发电机刚性地串联在一根长轴上，燃气轮机采用冷端输出功率，机组采用发电机变压器组单元接线方式，发电机变压器组保护采用GE公司UR系列微机保护，UR系列微机保护作为最新一代的微机型保护, 因其原理上的先进性、出众的性能以及稳定的可靠性,在国内外的大型机组中得到了较为广泛的应用。

2 变压器差动保护误动的诱因

由于变压器差动保护两侧电流互感器的电压等级、变比、容量以及铁芯饱和特性等均不一致, 使两侧的差动回路的稳态和暂态不平衡电流都有一定差异。变压器稳态运行时的励磁电流将作为变压器差动保护不平衡电流的一种来源；而当变压器突然被励磁或外部故障切除后恢复供电时都可能产生变压器的励磁电流的大小可达变压器额定电流的6-8倍。这是变压器差动保护要应对的另一种不平衡电流。通过采取一系列技术手段，变压器差动保护能躲过第一种不平衡电流、更主要的是也能躲过第二种不平衡电流。即在这两种非故障但不正常工况下不误动。

在有多台变压器的中性点直接接地系统中,其中一台中性点接地变压器空载合闸时出现励磁涌流,此时,与之并联运行的其它中性点接地变压器中也将出现浪涌电流,这个电流被称之为“和应涌流”， 和应涌流通过变压器的接地中性点构成回路,这个电流只在变压器的一侧流通。大容量变压器空载合闸的暂态过程持续期长,和应涌流缓慢增长,其它运行变压器的差动保护有可能在其合闸较长时间之后,由于和应涌流造成误动作。

1 变压器励磁涌流产生机理

变压器空载投运时，由于励磁涌流引起变压器差动保护误动作时常发生。变压器产生励磁涌流的原因是变压器铁心的严重饱和及励磁阻抗的大幅度降低等因素所导致的。当变压器一次侧加上电压U后，电流和磁通都不可能瞬间趋于稳定，而必须有一个过渡过程才能达到稳定状态。当电压瞬时值为零时投入变压器，铁心中的磁通Φ应落后电压U 90°达到最大值-Φm值。此时铁心严重饱和，励磁涌流达到最大值,约为其额定电流的6-8倍。而当电压U为最大值时投入变压器时,铁心中的磁通为零，就不会出现励磁涌流，只有正常励磁电流。所以最严重的励磁涌流是发生在电压U为零时合闸的瞬间。但对于三相电力变压器而言，无论何时合闸，至少有两相会出现不同程度的励磁涌流。

3 变压器差动保护防励磁涌流原理

变压器差动保护需要解决的主要问题就是既能可靠的躲过变压器的励磁涌流，又能准确灵敏地反应变压器的内部故障。在变压器励磁涌流波形中除基波和非周期电流外,高次谐波电流以二次谐波为最大,波形出现间断角,这个二次谐波电流是变压器励磁涌流的最明显的特性, 因为在其它工况下很少有偶次谐波发生,在变压器内、外部故障的短路电流中也会出现二次谐波分量, 但二

次谐波分量所占比例较小,一般不会出现波形间断。其它分量,如三次谐波、直流分量等均非励磁涌流所独有,在其它工况下均可能出现，所以都不适于用来作为制动。目前工程应用中主要利用励磁涌流的二次谐波分量构成二次谐波制动的变压器差动保护,使之能有效地躲过励磁涌流的影响,通常对各相差流分别求取二次谐波对基波的比值,即二次谐波比来实现制动。某厂1号厂高压变压器T60保护装置差动保护二次谐波制动方式为per phase（按相制动），二次谐波制动系数取0.15。

4 励磁涌流引起差动保护误动的案例分析

4.1 故障现象

某电厂在利用220 kV线路的一断路器合闸向其1号主变压器、1号厂高压变压器进行倒送电操作时，该断路器一合闸即跳闸。在这一瞬间，该线路的两套线路保护装置（南瑞RCS931A和南自PSL603G）均记录下如下保护启动：1号厂高压变压器T60保护装置B、C相差动保护动作；220 kV线路断路器失灵保护启动。 4.2 现场检查分析及处理

随后，现场电气一次人员对1号厂高压变压器及其高低压侧套管、低压侧共箱封闭母线进行了全面检查，未见异常。高压侧对地绝缘电阻为50 000 MΩ、低压侧对地绝缘电阻2 500 MΩ，气体继电器内无气体、变压器油样分析合格，各项检查全部合格。对1号厂高压变压器保护也进行了全面检查，具体检查内容如下：

（1）全面检查1号厂高压变压器保护电流二次回路完整性和回路绝缘，检查结果良好。

（2）对1号厂高压变压器高、低压侧TA进行了校验，其伏安特性、直流电阻等均正常。

（3）对1号厂高压变压器T60保护装置各模拟量通道进行了采样检查，采样方法正确、数值准确，通道平衡度良好。

（4）对1号厂高压变压器T60保护装置差动保护动作值和谐波制动功能进行了校验，装置动作正常，制动功能良好。

电气二次人员利用T60波形分析软件对1号厂高压变压器电流波形进行分析，具体波形如图1所示。

图1 1号厂高压变压器高压侧三相电流波形

由图1可见，1号厂高压变压器高压侧出现了较大的励磁涌流，其中A相励磁涌流的不对称性相对较弱，B、C相励磁涌流波形完全偏于时间轴一侧，为标准的非对称性励磁涌流，而非变压器内部绕组及其引出线上发生的各种相间短路故障和变压器单相匝间短路故障的电流波形，因1号厂高压变压器联接方式为Dyn-1，对于该变压器差动保护而言，D侧无需进行相位校正，且励磁涌流只在变压器一侧流过，因此1号厂高压变压器高压侧的电流即为差流。

为进一步分析故障原因，有关人员利用

Matlab软件读取了录波数据，进行差动保护谐波制动分析。故障期间，1号厂高压变压器高压侧三相电流原始波形、1号厂高压变压器高压侧三相电流二次谐波图形分别如图2、如图3所示。

图2 1号厂高压变压器高压侧三相电流原始波形

图3 1号厂高压变压器高压侧三相电流二次谐波

1号厂高压变压器T60保护装置差动保护二次谐波制动系数为0.15。从图3可见，B、C相均有一段时间的二次谐波制动系数低于0.15，满足开放条件，而A相二次谐波制动系数比较高，不满足保护开放条件，与图1保护装置记录的二次谐波制动的特性相吻合。1号厂高压变压器T60保护装置差动保护二次谐波制动方式为per phase（按相制动）,在差流满足动作条件的情况下，哪一相谐波制动开放哪一相差动保护就动作直至出口跳闸。根据以上分析，厂高压变压器的B、C相差动保护动作并导致相关断路器跳闸。在此项操作中所出现的故障，显然不是由于1号厂高压变压器两侧电流互感器的电压等级、变比、容量、铁芯饱和特性不一致、二次回路的异常等因素所造成的，而是一起典型的由于励磁涌流而引起差动保护误动作，保护装置的故障录波为这一推断提供了强有力的佐证。

5 防止差动保护误动的改进建议

由于二次谐波制动原理中二次谐波制动系数

取值较难从理论上计算推导，现阶段仍依靠一些工程经验取值。目前，我国《大型发电机变压器继电保护整定计算导则DLT684-1999》中关于二次谐波制动系数的整定建议値为15%-20%，对于现代大型变压器，若其铁芯饱和点提前，则变压器空载合闸时励磁涌流中二次谐波制动系数常低至15%以下，由此可能导致变压器差动保护误动。为提高变压器差动保护抗励磁涌流的能力，某厂人员经与GE电气技术人员商议将差动保护二次谐波制动方式由按相制动（per phase）修改为按平均值制动（Average），且将制动系数由0.15下降为

0.12。同时，当三相二次谐波平均值超过制动门槛值时闭锁三相差动保护，即此时差动保护不动作。

如上所述，变压器空载合闸时励磁涌流的大小与合闸相位角有关。因此，选择合适的合闸相位角合闸，可减少甚至消除励磁涌流，从而减少差动保护误动的可能性。当然，三相电力变压器相对单相变压器而言，其减小或消除励磁涌流要困难一些。近年来国内外已有些文献针对三相电力变压器抑制励磁涌流的控制合闸相位角等方法进行的研究分析，称摸索到了一些规律，且这些规律已为实验所验证，让人们看到了这方面的一丝曙光，但其距离实际工程应用尚待时日。

6 结语

二次谐波制动的变压器差动保护应用效果是肯定的。但是就二次谐波制动原理来说。无论采用哪一种判据，均存在不足。因此在实际应用中。应该寻找新的原理和依靠辅助判据来弥补二次谐波制动原理的不足。比如在传统二次谐波制动的基础上增加相位特征判据。根据基波与二次谐波之间的相位关系自适应调整二次谐波制动比，充分利用励磁涌流的幅值和相位信息，以提高变压器保护的综合性能。

参考文献：

[1]向阳，霍永锋，吴世和．变压器二次谐波闭锁比例制定差动保护[J].大众用电，2005(10):34—35． [2]邵德军．改进型二次谐波励磁涌流制动方法[J].电网技术。2006(24):84—88．

[3]张亮峰．GE发变组差动保护的特点及理论分析.湖南电力.2005.

作者简介：

周建（1982-），男，江苏盐城人，工程师，华能金陵燃机热电有限公司运行值长，从事燃气轮机运行管理工作,目前就读于南京理工大学电气工程及其自动化在职研究生。Email：zj20057010@163.com联系电话：13913996338 吴大清（1983-），男，江苏盐城人，工程师，华能金陵电厂继电保护专业班长，从事继电保护检修管理工作。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/x0ew.html