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摘要：针对一起220 kV变电站主变压器在送电空充时发生励磁涌流引起的保护动作过程展开分析，确定为变压器采用二次谐波制动原理的主一保护和采用波形识别原理的主二保护励磁涌流判别结果不同，导致保护动作不同，可为发生同类故障时运维同行快速分析原因提供参考。
关键词：主变压器;励磁涌流;二次谐波;波形识别
0 引言
变压器励磁涌流是由于铁芯的磁饱和产生的，当变电站的主变压器空载充电时，由于主变高、低压绕组的电压突然增加，在合闸后的1/4周期内励磁涌流迅速增大，持续数个周波后开始减弱，其最大值可达几倍至十几倍的额定电流[1]。目前，在实际的220 kV变电站中，主变保护厂家应用比较多的励磁涌流识别技术主要有以下两种：
（1）二次谐波制动法：即利用傅里叶变换，将波形分解成基波和谐波，由于其中二次谐波的含量较高，可将差流中的基波分量与二次谐波分量进行对比，以区分励磁涌流和故障电流。若二次谐波占比较大，则可以判定为励磁涌流[2]。这种方法的缺点是，由于各主变制造工艺和材料的不同，二次谐波含量差别大，因此二次谐波制动比很难选取。
（2）波形对称法：通过比较差流中一个半个周期内前后两个半波之间是否对称来判别励磁涌流[3]。虽然励磁涌流波形具有一定的规律，但实际判断时，可能出现的波形涌流特征不是非常明显，这时就会发生误判。
由于励磁涌流在变压器实际启动充电过程中很容易引起保护装置误动作，而220 kV及以上电压等级的主变对供电可靠性要求很高，因此，分析不同的励磁涌流保护原理在实际应用中导致的动作结果具有十分重要的意义。
1 原理与设计
1.1 差动保护原理
为了便于分析，本节以YD11接线的主变为例进行阐述。由于变压器高、低压侧绕组接法不一样，通常高压侧为Y接法，低压侧为△接法，因此，需要由软件调整主变高、低压侧电流的相位来达到效果。主流采用的方法是用△→Y变换来调整两侧差流的平衡，这样调整以后，可以更加方便地对涌流和故障进行区分[4]。对于Y0/△-11的接线，各侧电流做如下变换：
1.2 励磁涌流判别
1.2.1 二次谐波制动
保护装置采用三相差动电流中二次谐波、三次谐波的含量来识别励磁涌流，判别方程如下：
若三相中某一相的差动电流二、三次谐波大于整定值时，该差流即认为是励磁涌流，那么这一相的比率差动元件将被可靠闭锁。
1.2.2 波形识别原理
这种方法是通过三相差流的波形发生畸变的程度来判别励磁涌流。在发生故障时，主变两侧流过的差流是未发生畸变的正弦波;而当空充主变发生励磁涌流时，差流中含有非常多的谐波分量，这时波形不是对称的正弦波，而是发生了畸变，是间断、不对称的。利用正弦波的对称原理，即可识别出励磁涌流。故障时，有如下表达式成立：
当某一相不满足以上表达式时，这一相的差动电流就被判别为励磁涌流，那么这一相的比率差动元件将被可靠闭锁。
2 某站变压器差动保护动作过程分析
某220 kV变电站#1主变压器的本体型号为SFPSZ9-H-120000/220，生产厂家为ABB公司，容量为120 MVA。#1主变压器差动保护按照规程采用双重化配置，分别为A、B两套保护装置。其中A套保护装置使用的励磁涌流判据为二次谐波制动原理，B套保护装置使用的励磁涌流判据为波形识别原理。
2.1 保护动作过程
2020-11-02T22：48，220 kV某站空充#1主变，#1主变保护B差动保护动作出口跳主变变高开关。
保护录波图显示，#1主变变高开关2201合闸空充时，#1主变励磁涌流导致#1主变保护B“比率差动”动作，跳三侧开关，最大纵差电流为1.35 A（1.73Ie），故障相别为B相，动作时间为102 ms。差动保护动作跳2201开关。
现场检查一次设备：#1主变本体无异常，油温、油位均正常，无瓦斯气体，两侧跳线及变低母线桥无异常;#1主变变高2201开关、#1主变变中1101开关及#1主变501开关无异常。
现场检查二次设备：#1主變差动保护“运行”绿灯常亮，表示装置运行正常;保护动作红灯常亮，表示#1主变保护动作;无装置故障。
综上所述，某站#1主变一次设备正常，二次设备正常。
2.2 故障原因分析
#1主变在恢复送电过程中，空充主变时产生励磁涌流，励磁涌流最大值A相660 A（1.1 A）、B相828 A（1.38 A）、C相714 A（1.19 A）;#1主变保护B测得B相差流1.35 A（1.73Ie），大于差动整定定值0.5Ie;主变保护B差动保护动作，快速切除变高2201开关。
由主变动作电流故障录波图（图1）可以看出，本次B相励磁涌流没有出现明显的波形畸变、间断，谐波分量小，涌流特征不明显。
主变保护A采用二次谐波复合逻辑制动原理。在差流涌流特征不明显的情况下检查原始电流的涌流特征，励磁涌流闭锁元件正确闭锁，差动保护不动作。
而另外一套主变保护B采用波形识别分相制动原理。主变保护B各相差流波形识别特征值与识别门槛（虚线）分别如图2所示，启动后5 ms，B相差流的波形识别特征值最低接近0.1 A，小于识别门槛0.8 A。由于保护自适应地采用浮动的励磁涌流门槛，空投初期比例差动保护未动作。
随时间推移，装置内部的增强闭锁判据逐渐开放，B相差流的波形识别特征值仍然小于识别门槛，励磁涌流闭锁元件开放，最终导致B相比例差动元件动作跳闸。
2.3 本次主变保护动作结果
由于主变空投过程中，B相差流的波形畸变度一直低于门槛值，纵差保护动作跳闸。鉴于本次励磁涌流出现的特征及特点，判断为主变保护A套保护正确不动作，主变保护B套保护正确动作。#1主变保护B差动保护采用波形畸变识别励磁涌流，而B相波形畸变不明显导致制动失败，保护跳闸。
3 结语
本文分析了变压器差动保护基本原理以及常见的两种励磁涌流判据基本原理。通过一起典型的变压器励磁涌流误动事件说明了双重化配置的两套主变保护在发生励磁涌流时，由于各自投入的励磁涌流判据动作原理不同，在实际运行时，特殊情况下会出现两套主变保护动作结果不一致的情况。本文的分析对实际运维检修过程中遇到该种情况有着重要的指导作用。
[参考文献]
[1] 张保会，尹项根.电力系统继电保护[M].2版.北京：中国电力出版社，2010.
[2] 孔硕颖.变压器励磁涌流分析与抑制方法研究[D].南京：东南大学，2018.
[3] 顾春阳，王爱元，李健，等.一种有效抑制变压器空载合闸励磁涌流的方法[J].变压器，2015，52（11）：33-36.
[4] 唐菊生.基于二次谐波制动的变压器差动保护的研究[D].淮南：安徽理工大学，2018.
收稿日期：2021-05-10
作者简介：刘仲钦（1989—），男，广东广州人，硕士研究生，工程师，研究方向：电力系统继电保护。
关键词：主变压器;励磁涌流;二次谐波;波形识别
0 引言
变压器励磁涌流是由于铁芯的磁饱和产生的，当变电站的主变压器空载充电时，由于主变高、低压绕组的电压突然增加，在合闸后的1/4周期内励磁涌流迅速增大，持续数个周波后开始减弱，其最大值可达几倍至十几倍的额定电流[1]。目前，在实际的220 kV变电站中，主变保护厂家应用比较多的励磁涌流识别技术主要有以下两种：
（1）二次谐波制动法：即利用傅里叶变换，将波形分解成基波和谐波，由于其中二次谐波的含量较高，可将差流中的基波分量与二次谐波分量进行对比，以区分励磁涌流和故障电流。若二次谐波占比较大，则可以判定为励磁涌流[2]。这种方法的缺点是，由于各主变制造工艺和材料的不同，二次谐波含量差别大，因此二次谐波制动比很难选取。
（2）波形对称法：通过比较差流中一个半个周期内前后两个半波之间是否对称来判别励磁涌流[3]。虽然励磁涌流波形具有一定的规律，但实际判断时，可能出现的波形涌流特征不是非常明显，这时就会发生误判。
由于励磁涌流在变压器实际启动充电过程中很容易引起保护装置误动作，而220 kV及以上电压等级的主变对供电可靠性要求很高，因此，分析不同的励磁涌流保护原理在实际应用中导致的动作结果具有十分重要的意义。
1 原理与设计
1.1 差动保护原理
为了便于分析，本节以YD11接线的主变为例进行阐述。由于变压器高、低压侧绕组接法不一样，通常高压侧为Y接法，低压侧为△接法，因此，需要由软件调整主变高、低压侧电流的相位来达到效果。主流采用的方法是用△→Y变换来调整两侧差流的平衡，这样调整以后，可以更加方便地对涌流和故障进行区分[4]。对于Y0/△-11的接线，各侧电流做如下变换：
1.2 励磁涌流判别
1.2.1 二次谐波制动
保护装置采用三相差动电流中二次谐波、三次谐波的含量来识别励磁涌流，判别方程如下：
若三相中某一相的差动电流二、三次谐波大于整定值时，该差流即认为是励磁涌流，那么这一相的比率差动元件将被可靠闭锁。
1.2.2 波形识别原理
这种方法是通过三相差流的波形发生畸变的程度来判别励磁涌流。在发生故障时，主变两侧流过的差流是未发生畸变的正弦波;而当空充主变发生励磁涌流时，差流中含有非常多的谐波分量，这时波形不是对称的正弦波，而是发生了畸变，是间断、不对称的。利用正弦波的对称原理，即可识别出励磁涌流。故障时，有如下表达式成立：
当某一相不满足以上表达式时，这一相的差动电流就被判别为励磁涌流，那么这一相的比率差动元件将被可靠闭锁。
2 某站变压器差动保护动作过程分析
某220 kV变电站#1主变压器的本体型号为SFPSZ9-H-120000/220，生产厂家为ABB公司，容量为120 MVA。#1主变压器差动保护按照规程采用双重化配置，分别为A、B两套保护装置。其中A套保护装置使用的励磁涌流判据为二次谐波制动原理，B套保护装置使用的励磁涌流判据为波形识别原理。
2.1 保护动作过程
2020-11-02T22：48，220 kV某站空充#1主变，#1主变保护B差动保护动作出口跳主变变高开关。
保护录波图显示，#1主变变高开关2201合闸空充时，#1主变励磁涌流导致#1主变保护B“比率差动”动作，跳三侧开关，最大纵差电流为1.35 A（1.73Ie），故障相别为B相，动作时间为102 ms。差动保护动作跳2201开关。
现场检查一次设备：#1主变本体无异常，油温、油位均正常，无瓦斯气体，两侧跳线及变低母线桥无异常;#1主变变高2201开关、#1主变变中1101开关及#1主变501开关无异常。
现场检查二次设备：#1主變差动保护“运行”绿灯常亮，表示装置运行正常;保护动作红灯常亮，表示#1主变保护动作;无装置故障。
综上所述，某站#1主变一次设备正常，二次设备正常。
2.2 故障原因分析
#1主变在恢复送电过程中，空充主变时产生励磁涌流，励磁涌流最大值A相660 A（1.1 A）、B相828 A（1.38 A）、C相714 A（1.19 A）;#1主变保护B测得B相差流1.35 A（1.73Ie），大于差动整定定值0.5Ie;主变保护B差动保护动作，快速切除变高2201开关。
由主变动作电流故障录波图（图1）可以看出，本次B相励磁涌流没有出现明显的波形畸变、间断，谐波分量小，涌流特征不明显。
主变保护A采用二次谐波复合逻辑制动原理。在差流涌流特征不明显的情况下检查原始电流的涌流特征，励磁涌流闭锁元件正确闭锁，差动保护不动作。
而另外一套主变保护B采用波形识别分相制动原理。主变保护B各相差流波形识别特征值与识别门槛（虚线）分别如图2所示，启动后5 ms，B相差流的波形识别特征值最低接近0.1 A，小于识别门槛0.8 A。由于保护自适应地采用浮动的励磁涌流门槛，空投初期比例差动保护未动作。
随时间推移，装置内部的增强闭锁判据逐渐开放，B相差流的波形识别特征值仍然小于识别门槛，励磁涌流闭锁元件开放，最终导致B相比例差动元件动作跳闸。
2.3 本次主变保护动作结果
由于主变空投过程中，B相差流的波形畸变度一直低于门槛值，纵差保护动作跳闸。鉴于本次励磁涌流出现的特征及特点，判断为主变保护A套保护正确不动作，主变保护B套保护正确动作。#1主变保护B差动保护采用波形畸变识别励磁涌流，而B相波形畸变不明显导致制动失败，保护跳闸。
3 结语
本文分析了变压器差动保护基本原理以及常见的两种励磁涌流判据基本原理。通过一起典型的变压器励磁涌流误动事件说明了双重化配置的两套主变保护在发生励磁涌流时，由于各自投入的励磁涌流判据动作原理不同，在实际运行时，特殊情况下会出现两套主变保护动作结果不一致的情况。本文的分析对实际运维检修过程中遇到该种情况有着重要的指导作用。
[参考文献]
[1] 张保会，尹项根.电力系统继电保护[M].2版.北京：中国电力出版社，2010.
[2] 孔硕颖.变压器励磁涌流分析与抑制方法研究[D].南京：东南大学，2018.
[3] 顾春阳，王爱元，李健，等.一种有效抑制变压器空载合闸励磁涌流的方法[J].变压器，2015，52（11）：33-36.
[4] 唐菊生.基于二次谐波制动的变压器差动保护的研究[D].淮南：安徽理工大学，2018.
收稿日期：2021-05-10
作者简介：刘仲钦（1989—），男，广东广州人，硕士研究生，工程师，研究方向：电力系统继电保护。