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摘要：针对城市轨道交通变电所变压器投运时继电保护装置的误动，根据现场的故障录波和数据，判断出误动是由二次保护装置没有正确进行励磁涌流闭锁造成。探讨了不同厂家分别在110kV油式主变压器和35kV干式变压器电流保护中利用不同的方式避免误动的合理性，并提出减少涌流误动的措施。
关键词：变压器；励磁涌流；二次谐波；保护误动
0 引言
现阶段变压器保护主要面临两个问题：一是正确鉴别励磁涌流和内部短路故障，二是正 确区别内部故障和区外故障。由于励磁涌流的复杂性，在变压器空投或变压器区外故障切除时，以及由于CT饱和、无功补偿用的并联电容或者高压电缆分布电容的存在，变压器在内部故障时也存在很大的励磁涌流。目前电流型保护在识别励磁涌流并可靠闭锁方面存在不少问题，由于定值设定、制动模式选择上的差异造成多次保护误动。本文分析了城市轨道交通变电所两起励磁涌流造成的保护误动，以及不同厂家在变压器保护方面如何有效闭锁合闸涌流引起的保护动作，减少涌流误动。
某年3月29日04时33分42秒，电力调度在恢复送电时35kV GIS 322断路器零序保护跳闸，并联跳324断路器。现场收集了故障信息。
1）SCADA车站级监控系统PC机报文：
04:33:42:370322馈线零序过流保护动作。04:33:42:375324馈线柜另一组来的联跳。
04:33:42:380322馈线柜故障总信号动作。04:33:42:485322馈线柜另一组来的联跳。
2）322馈线柜保护装置报警：零序保护动作灯亮；Alarm 指示灯亮；Alarm 指示灯亮；对侧35kV断路器联跳本侧灯亮。
3）324馈线柜保护装置报警：Alarm 指示灯亮；对侧35kV断路器联跳本侧灯亮。
整流机组额定容量为3450kW。检查H24柜接线及322断路器Ref 542本体进行常规检查；检查H24柜到RT1#、RT1#至整流器的电缆及RT1本体进行外观检查；检查1#整流器进行相关外观检查；检查整流变温控器等均未发现异常。
零序保护的电流电压波形趋势明显不同，图6是典型的单相接地故障波，有以下特征：故障相电压明显降低不足原值的10%,明显高于其它相电流, 同样零序电流明显升高,而零序电流和故障相电流幅值相角趋势基本一致。而励磁涌流具有以下特点：
1）涌流含有数值很大的高次谐波分量(主要是二次和三次谐波)，因此励磁涌流的变化曲线为尖顶波。
2）励磁涌流的衰减常数与铁芯的饱和程度有关。饱和越深，电抗越小，衰减越快。因此，在开始瞬间衰减很快，以后逐渐减慢，经0.5 ~1s后其值不超过( 0. 2 5~ 0. 5) IN。
3）励磁涌流的数值很大，最大可达额定电流的8~ 10倍。
4）波形完全偏离时间轴的一侧, 并且出现间断角。涌流越大, 间断角越小。
综上分析，本次合闸送电发生零序保护动作跳闸出口为保护误动，并不存在真正的故障，是典型的变压器励磁涌流引起保护误动。
2 减少涌流误动的措施
针对变压器励磁涌流的判别，各界均有许多方法，如电流波形特征识别法、等值电路参数法、变压器回路法、磁通特性识别法、功率差动法等等。其中基于波形特征识别法的二次谐波制动原理在实际的工程中广泛应用。
2.1 二次谐波制动原理
目前主流保护如ABB、南瑞、GE保护等在二次谐波制电力系统保护与控制动原理都卓有成效。如ABB 2008版的继电保护装置Ref542plus的测量模式为涌流谐波保护功能评估二次谐波与基频电流之间的比值。所示：
保护功能将保持在启动状态，直到对于至少有一相，上述条件（不包括稳定状态）为真为止。
图6. 检测涌流过程的电流-时间特性曲线
在60毫秒窗口内检测到涌流，后检测到涌流结束条件且在保护闭锁时间截止前释放闭锁
2.2 合理设置保护定值
对于城市轨道交通，各车站35kV动力变压器及整流变压器馈线保护装置电流速断保护的动作电流应躲开空载投入变压器时的励磁涌流，一般动作电流应大于变压器额定电流的5~8倍。以容量为4000kVA的整流变压器为例：整定值Iset = 8IN = 8*66 = 528A。
2.3 合理设计变压器内部结构
励磁涌流的大小及其不良影响都与变压器的内部结构紧密相关，因此厂家在制造变压器时，除了满足其他技术经济指标之外，应在变压器内部结构适当采取降低励磁涌流及其不良影响的措施。主要方面如下：
1）使用剩磁较小的铁芯材料及铁芯制造工艺；2）适当降低铁芯磁通密度的工作点或加大铁芯面积；
3）铁芯夹紧力考虑励磁涌流冲击的足够裕度；4）加大绕组匝间及对地的绝缘强度等。
2.4 工程设计
1）在各侧配置参数匹配及特性较好的避雷器保护变压器的主绝缘；
2）配置性能较好断路器，防止断开励磁涌流时断口电弧重燃，造成多次过电压冲击，容量
大的变压器高压侧考虑配置带预合过渡电阻的断路器，抑制励磁涌流的幅值；
3）配置有较好励磁涌流闭锁性能的变压器保护；4）变压器各侧使用励磁特性较好的CT。
3 结束语
二次谐波制动的变压器差动保护应用效果是肯定的，对于二次谐波制动原理来说，合理采用二次谐波制动模式和二次谐波制动比定值，可以改善变压器空载合闸误动或变压器內部故障延时动作，但由于实际励磁涌流的复杂性，无论采用那一种判据，均存在这方面或那方面的不足。因此实际应用中，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，并在设计阶段就从变压器内部结构、保护定值、工程时期就合理整定，提高变压器保护的综合性能。
注：文章中涉及的公式和图表请用PDF格式打开
关键词：变压器；励磁涌流；二次谐波；保护误动
0 引言
现阶段变压器保护主要面临两个问题：一是正确鉴别励磁涌流和内部短路故障，二是正 确区别内部故障和区外故障。由于励磁涌流的复杂性，在变压器空投或变压器区外故障切除时，以及由于CT饱和、无功补偿用的并联电容或者高压电缆分布电容的存在，变压器在内部故障时也存在很大的励磁涌流。目前电流型保护在识别励磁涌流并可靠闭锁方面存在不少问题，由于定值设定、制动模式选择上的差异造成多次保护误动。本文分析了城市轨道交通变电所两起励磁涌流造成的保护误动，以及不同厂家在变压器保护方面如何有效闭锁合闸涌流引起的保护动作，减少涌流误动。
某年3月29日04时33分42秒，电力调度在恢复送电时35kV GIS 322断路器零序保护跳闸，并联跳324断路器。现场收集了故障信息。
1）SCADA车站级监控系统PC机报文：
04:33:42:370322馈线零序过流保护动作。04:33:42:375324馈线柜另一组来的联跳。
04:33:42:380322馈线柜故障总信号动作。04:33:42:485322馈线柜另一组来的联跳。
2）322馈线柜保护装置报警：零序保护动作灯亮；Alarm 指示灯亮；Alarm 指示灯亮；对侧35kV断路器联跳本侧灯亮。
3）324馈线柜保护装置报警：Alarm 指示灯亮；对侧35kV断路器联跳本侧灯亮。
整流机组额定容量为3450kW。检查H24柜接线及322断路器Ref 542本体进行常规检查；检查H24柜到RT1#、RT1#至整流器的电缆及RT1本体进行外观检查；检查1#整流器进行相关外观检查；检查整流变温控器等均未发现异常。
零序保护的电流电压波形趋势明显不同，图6是典型的单相接地故障波，有以下特征：故障相电压明显降低不足原值的10%,明显高于其它相电流, 同样零序电流明显升高,而零序电流和故障相电流幅值相角趋势基本一致。而励磁涌流具有以下特点：
1）涌流含有数值很大的高次谐波分量(主要是二次和三次谐波)，因此励磁涌流的变化曲线为尖顶波。
2）励磁涌流的衰减常数与铁芯的饱和程度有关。饱和越深，电抗越小，衰减越快。因此，在开始瞬间衰减很快，以后逐渐减慢，经0.5 ~1s后其值不超过( 0. 2 5~ 0. 5) IN。
3）励磁涌流的数值很大，最大可达额定电流的8~ 10倍。
4）波形完全偏离时间轴的一侧, 并且出现间断角。涌流越大, 间断角越小。
综上分析，本次合闸送电发生零序保护动作跳闸出口为保护误动，并不存在真正的故障，是典型的变压器励磁涌流引起保护误动。
2 减少涌流误动的措施
针对变压器励磁涌流的判别，各界均有许多方法，如电流波形特征识别法、等值电路参数法、变压器回路法、磁通特性识别法、功率差动法等等。其中基于波形特征识别法的二次谐波制动原理在实际的工程中广泛应用。
2.1 二次谐波制动原理
目前主流保护如ABB、南瑞、GE保护等在二次谐波制电力系统保护与控制动原理都卓有成效。如ABB 2008版的继电保护装置Ref542plus的测量模式为涌流谐波保护功能评估二次谐波与基频电流之间的比值。所示：
保护功能将保持在启动状态，直到对于至少有一相，上述条件（不包括稳定状态）为真为止。
图6. 检测涌流过程的电流-时间特性曲线
在60毫秒窗口内检测到涌流，后检测到涌流结束条件且在保护闭锁时间截止前释放闭锁
2.2 合理设置保护定值
对于城市轨道交通，各车站35kV动力变压器及整流变压器馈线保护装置电流速断保护的动作电流应躲开空载投入变压器时的励磁涌流，一般动作电流应大于变压器额定电流的5~8倍。以容量为4000kVA的整流变压器为例：整定值Iset = 8IN = 8*66 = 528A。
2.3 合理设计变压器内部结构
励磁涌流的大小及其不良影响都与变压器的内部结构紧密相关，因此厂家在制造变压器时，除了满足其他技术经济指标之外，应在变压器内部结构适当采取降低励磁涌流及其不良影响的措施。主要方面如下：
1）使用剩磁较小的铁芯材料及铁芯制造工艺；2）适当降低铁芯磁通密度的工作点或加大铁芯面积；
3）铁芯夹紧力考虑励磁涌流冲击的足够裕度；4）加大绕组匝间及对地的绝缘强度等。
2.4 工程设计
1）在各侧配置参数匹配及特性较好的避雷器保护变压器的主绝缘；
2）配置性能较好断路器，防止断开励磁涌流时断口电弧重燃，造成多次过电压冲击，容量
大的变压器高压侧考虑配置带预合过渡电阻的断路器，抑制励磁涌流的幅值；
3）配置有较好励磁涌流闭锁性能的变压器保护；4）变压器各侧使用励磁特性较好的CT。
3 结束语
二次谐波制动的变压器差动保护应用效果是肯定的，对于二次谐波制动原理来说，合理采用二次谐波制动模式和二次谐波制动比定值，可以改善变压器空载合闸误动或变压器內部故障延时动作，但由于实际励磁涌流的复杂性，无论采用那一种判据，均存在这方面或那方面的不足。因此实际应用中，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，并在设计阶段就从变压器内部结构、保护定值、工程时期就合理整定，提高变压器保护的综合性能。
注：文章中涉及的公式和图表请用PDF格式打开