?????? 摘要：在大型變壓器空栽沖擊過程中，由于勵(lì)磁涌流和負(fù)序電壓的存在，如果定值整定不得當(dāng)，會(huì)導(dǎo)致差動(dòng)保護(hù)，復(fù)壓過流保護(hù)等誤動(dòng)作，影響設(shè)備的正常運(yùn)行。為了保證定值整定的正確性，在此通過對(duì)勵(lì)磁涌流產(chǎn)生的原因和特點(diǎn)進(jìn)行理論分析，結(jié)合變壓器沖擊過程中實(shí)際數(shù)據(jù)以及大型變壓器沖擊過程中由于定值整定不合理造成保護(hù)誤動(dòng)作的實(shí)例，對(duì)變壓器沖擊過程中相關(guān)定值整定的原則進(jìn)行了探討。在定值的整定過程中要考慮勵(lì)磁涌流的幅值、諧波含量和衰減時(shí)間以廈負(fù)序電壓的幅值和衰減時(shí)間的影響。

　　關(guān)鍵詞：勵(lì)磁涌流;復(fù)壓過流保護(hù);定值整定;差動(dòng)保護(hù);變壓器沖擊

　　引言

　　新投入運(yùn)行的變壓器，除按交接試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)做一些必需的試驗(yàn)及保護(hù)、二次方面的試驗(yàn)外，在正式投入前，通常都要做空載全電壓合閘沖擊試驗(yàn)。做空載合閘沖擊試驗(yàn)的目的是：檢查變壓器的相關(guān)保護(hù)是否誤動(dòng)。帶電投入空載變壓器時(shí)，會(huì)產(chǎn)生勵(lì)磁涌流，其值可達(dá)6～8倍額定電流。勵(lì)磁涌流開始衰減較快，一般經(jīng)0.5～1 s即可減至0.25～0.5倍額定電流，但全部衰減完畢時(shí)間較長(zhǎng)，中小變壓器約幾秒，大型變壓器可達(dá)10～20 s，故勵(lì)磁涌流衰減初期，往往使差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)，造成變壓器不能投入。因此，空載沖擊合閘時(shí)，在勵(lì)磁涌流作用下，可對(duì)差動(dòng)保護(hù)的接線、特性、定值進(jìn)行實(shí)際檢查，并作出該保護(hù)可否投入的評(píng)價(jià)和結(jié)論。

　　1 勵(lì)磁涌流產(chǎn)生的原因

　　1.1 勵(lì)磁涌流產(chǎn)生的機(jī)理

　　以單相變壓器為例，說明其空投時(shí)勵(lì)磁涌流產(chǎn)生的機(jī)理。

　　忽略變壓器及合閘回路電阻的影響，且電源電壓的波形為正弦波，則空投瞬間變壓器鐵心中的磁通與外加電壓的關(guān)系為：

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　　式中：N為變壓器空投側(cè)繞組的匝數(shù);φ為鐵心中的磁通;Um為電源電壓的幅值;α為合閘角;ω為角速率，當(dāng)頻率為50 Hz時(shí)，ω=314。

　　考慮電源回路及變壓器繞組的有效電阻及損耗，由式(1)求解可得：

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　　式中：

;T為時(shí)間常數(shù)，與合閘回路的損耗及感抗有關(guān)。式(2)中的第一項(xiàng)為磁通的強(qiáng)迫分量;第二項(xiàng)為磁通的自由分量或衰減分量。

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　　由式(2)可以看出，在空投變壓器的瞬間，鐵心中的磁通由三部分組成，即強(qiáng)迫磁通φmcos(ωt+α)、剩磁通φs及決定于合閘角α的磁通φmcosα。根據(jù)式(2)及不考慮自由分量或衰減分量，并設(shè)合閘角α=0，剩余磁通φs=0.9φm時(shí)，在合閘瞬間變壓器鐵心中的綜合磁通變化曲線如圖1所示。在圖1中，曲線①為外加電壓波形;曲線②為鐵心中的強(qiáng)迫磁通(或穩(wěn)定磁通)波形;曲線③為空投變壓器時(shí)鐵心中的綜合磁通波形。

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　　可以看出，當(dāng)初始合閘角等于0°，變壓器鐵心中的剩余磁通φs=0.9時(shí)，鐵心中的最大磁通達(dá)2.9φm，從而使變壓器鐵心嚴(yán)重飽和，勵(lì)磁電流猛增，即產(chǎn)生所謂勵(lì)磁涌流。

　　1.2 影響勵(lì)磁涌流大小的因素

　　由式(2)可以看出，空投變壓器時(shí)，鐵心中磁通的大小與φm，cosα及φs有關(guān)，而勵(lì)磁涌流的大小與鐵心中磁通的大小有關(guān)。磁通越大，鐵心越飽和，勵(lì)磁涌流就越大。因此，影響勵(lì)磁涌流大小的因素主要有：

　　(1)電源電壓。變壓器合閘后，鐵心中強(qiáng)迫磁通的幅值φm=Um/Nω。因此，電源電壓越高，φm越大，勵(lì)磁涌流越大。

　　(2)合閘角α。當(dāng)合閘角α=0時(shí)，φm=ωsα最大，勵(lì)磁涌流大;而當(dāng)α=90°，φmcosα等于零，勵(lì)磁涌流較小;

　　(3)剩磁Bs

　　合閘之前，變壓器鐵心中的剩余磁通越大，勵(lì)磁涌流就越大。另外，當(dāng)剩余磁通Bs的方向與合閘之后φmcosα的方向相同時(shí)，勵(lì)磁涌流就大，反之亦反。

　　此外，勵(lì)磁涌流的大小，尚與變壓器的結(jié)構(gòu)、鐵心材料及設(shè)計(jì)的工作磁密度有關(guān)。變壓器的容量越小，空投時(shí)勵(lì)磁涌流與其額定電流之比就越大。

　　2 變壓器沖擊過程中的波形分析

　　2.1 變壓器沖擊時(shí)的實(shí)際數(shù)據(jù)

　　以華東地區(qū)某電廠為例，沖擊變壓器時(shí)，實(shí)錄了5組沖擊電流波形，選擇一組典型的沖擊波形如圖2所示。5次沖擊的數(shù)據(jù)記錄如表1～5所示。該變壓器的參數(shù)如表6所示。

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　　2.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

　　(1)勵(lì)磁涌流波形是間斷的，且間斷角很大，一般大于150°，由于波形間斷，使其在一個(gè)周期內(nèi)正半波與負(fù)半波不對(duì)稱，所以采用波形識(shí)別的方法進(jìn)行閉鎖差動(dòng)保護(hù)能很好地防止變壓器沖擊過程中差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng);

　　(2)勵(lì)磁涌流中含有很大的二次諧波分量，用諧波分析儀進(jìn)行測(cè)量分析，不同時(shí)刻涌流中二次諧波分量與基波分量的百分比大于30%，有的達(dá)40%，甚至更大，但是二次諧波衰減很快，部分情況下，基波還沒有衰減到差動(dòng)啟動(dòng)值的情況下，B相的二次諧波含量已經(jīng)達(dá)到15%以下;

　　(3)勵(lì)磁涌流最大出現(xiàn)在第四次沖擊時(shí)的C相，超過差動(dòng)保護(hù)的啟動(dòng)值，二次諧波占基波比值最大的出現(xiàn)在第五次沖擊時(shí)的B相，最大達(dá)到39%;

　　(4)勵(lì)磁涌流衰減的最長(zhǎng)時(shí)間為8 015 ms。

　　3 變壓器沖擊過程中的保護(hù)定值整定的探討

　　3.1 變壓器差動(dòng)保護(hù)諧波制動(dòng)

　　變壓器沖擊過程中，由于勵(lì)磁涌流的存在，會(huì)導(dǎo)致變壓器差流超過啟動(dòng)值，差動(dòng)保護(hù)啟動(dòng)。為了在變壓器空投或故障切除后恢復(fù)供電時(shí)保護(hù)不誤動(dòng)，現(xiàn)在的保護(hù)裝置中常采用“或”門方式閉鎖，選取三相電流中最大二次諧波含量閉鎖差動(dòng)保護(hù)。制動(dòng)關(guān)系如下：

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　　式中：I1A，I1B，I1C為A，B，C三相差流;I2A，I2B，I2C為A，B，C三相差流中二次諧波的含量。在現(xiàn)場(chǎng)所下的變壓器差動(dòng)保護(hù)諧波制動(dòng)定值當(dāng)中，很多情況下給出的制動(dòng)定值是經(jīng)驗(yàn)值20%。結(jié)合多個(gè)大型變壓器的空投試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，很多情況下二次諧波成分并不是很高，尤其是在勵(lì)磁涌流的衰減過程中，存在基波沒有衰減到差動(dòng)保護(hù)定值以下，而二次諧波含量已經(jīng)小于20%的情況，這種情況下制動(dòng)不起作用，差動(dòng)保護(hù)會(huì)誤動(dòng)作。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為二次諧波制動(dòng)的定值升壓變采用16%比較好，降壓變采用15%較好，最好結(jié)合空投時(shí)實(shí)際的錄波波形再整定。整定的原則是：諧波制動(dòng)的定值整定時(shí)要結(jié)合主變的沖擊波形，保證主變差流在主變差動(dòng)動(dòng)作定值的范圍內(nèi)時(shí)，二次諧波的值必須要超過諧波制動(dòng)的定值。

　　3.2 變壓器差動(dòng)保護(hù)中的差動(dòng)速斷定值

　　變壓器差動(dòng)速斷定值，一般按照變壓器額定電流的5～8倍整定，通常只考慮躲過變壓器區(qū)外最大短路故障不平衡電流。并且在現(xiàn)場(chǎng)所下的差動(dòng)保護(hù)高定值中，通常為了提高靈敏度，計(jì)算所得的定值偏小，而在實(shí)際過程中往往沖擊時(shí)勵(lì)磁涌流電流達(dá)到或者接近改定值，容易造成誤動(dòng)作。例如北方某電站，在變壓器沖擊過程中，保護(hù)跳閘，后經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，是差動(dòng)速斷動(dòng)作。開始懷疑是變壓器內(nèi)部存在故障，后經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)變壓器本體及外部接線無放電痕跡，油樣檢查無異常，內(nèi)部也無放電現(xiàn)象，這個(gè)可能性也被排除。之后通過分析變壓器沖擊時(shí)錄波文件發(fā)現(xiàn)分析原因，沖擊電流錄波顯示最大值達(dá)到12.786 A，而原中調(diào)下的差動(dòng)速斷定值為12 A，沖擊過程中的勵(lì)磁涌流超過差動(dòng)速斷定值，導(dǎo)致變壓器差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)作。后經(jīng)與中調(diào)聯(lián)系，將定值改為15 A，再進(jìn)行主變沖擊試驗(yàn)未發(fā)生保護(hù)誤動(dòng)，送電成功，但已經(jīng)超過預(yù)定的送電時(shí)間8小時(shí)，造成了不小的經(jīng)濟(jì)損失。變壓器的差動(dòng)速斷保護(hù)定值整定不僅僅要考慮躲過變壓器區(qū)外最大短路故障不平衡電流，而且要考慮躲過變壓器空載合閘時(shí)的最大勵(lì)磁涌流。不同的變壓器差別比較大，大型發(fā)變組(360～1 200 MVA)通常采用3～4倍的額定電流，25 MVA高壓啟動(dòng)/備用變壓器6～7倍的額定電流。但也不能一概而論，可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況適當(dāng)提高一點(diǎn)。

　　3.3 變壓器沖擊過程中復(fù)壓過流保護(hù)的整定

　　復(fù)壓過流的過流定值通常按照躲過變壓器高壓側(cè)額定電流整定，負(fù)序電壓的定值通常按躲過正常運(yùn)行時(shí)的最大不平衡電壓整定，時(shí)間通常按照大于相鄰后備保護(hù)的動(dòng)作時(shí)限，而沒有考慮到勵(lì)磁涌流的影響和沖擊時(shí)不平衡電壓的影響。變壓器復(fù)壓過流保護(hù)整定中，由于存在負(fù)序電壓和低電壓的閉鎖條件，通常過流的定值取得較小，復(fù)壓過流保護(hù)的靈敏度較高。

　　在現(xiàn)場(chǎng)，變壓器復(fù)壓過流保護(hù)的閉鎖電壓通常取自變壓器高壓側(cè)電壓，而廠變和起備變通常取變壓器的低壓側(cè)電壓作為復(fù)壓過流保護(hù)的閉鎖電壓。由于變壓器復(fù)壓過流保護(hù)的電壓取自低壓側(cè)系統(tǒng)的進(jìn)線TV，即變壓器次級(jí)側(cè)電壓，因此在變壓器空載沖擊合閘時(shí)由于三相磁通密度的不一致，再加上變壓器三相剩磁的影響，使得變壓器三相的勵(lì)磁涌流飽和程度不一樣。因而造成變壓器次級(jí)側(cè)的空載電壓在沖擊后的一段時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)不平衡電壓，即在變壓器空載合閘的暫態(tài)過程中出現(xiàn)了負(fù)序電壓。負(fù)序電壓存在的時(shí)間取決于變壓器暫態(tài)過程的持續(xù)時(shí)間，由上述變壓器沖擊過程數(shù)據(jù)分析可知，勵(lì)磁涌流的最長(zhǎng)衰減時(shí)間達(dá)到了6s。

　　內(nèi)蒙某電廠在起備變送電過程中共進(jìn)行了三次沖擊，前兩次沖擊發(fā)生了保護(hù)未見異常，而第三次發(fā)生了復(fù)壓過流保護(hù)動(dòng)作。從故障時(shí)的錄波文件如圖3所示，通過專用軟件分析可知，當(dāng)變壓器沖擊時(shí)，變壓器的三相電壓并不平衡，電壓UA的最大值是75 V，衰減0.5 s后的最大值是65 V，負(fù)序電壓在0.5 s后才衰減到5 V以下，而此時(shí)勵(lì)磁涌流為0.7 A，還大于復(fù)壓過流的電流定值0.7 A。起備變的復(fù)壓過流的定值為按常規(guī)計(jì)算的負(fù)序電壓4.6 V，電流定值為0.6 A，延時(shí)為0.4 s。因此造成了起備變跳閘。

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　　沖擊過程中負(fù)序電壓和勵(lì)磁涌流的存在，衰減時(shí)間還比較長(zhǎng)，與變壓器本身的設(shè)計(jì)特性與制造工藝有關(guān)，并不能說明該變壓器存在故障點(diǎn)。為保證啟備變的安全運(yùn)行，后又將變壓器的后備保護(hù)復(fù)壓過流延時(shí)定值由0.4 s改為0.6 s，后對(duì)變壓器又進(jìn)行3次沖擊合閘，均正常。所以在變壓器復(fù)壓過流定值的整定過程中，除了考慮到常規(guī)因素，還要考慮勵(lì)磁涌流和負(fù)序電壓的存在，以及衰減的時(shí)間的影響，負(fù)序電壓整定大一點(diǎn)，時(shí)間適當(dāng)?shù)拈L(zhǎng)一些，還是有必要的。

　　4 結(jié)語

　　變壓器定值的整定計(jì)算過程中，不僅要遵循理論計(jì)算和經(jīng)驗(yàn)，也要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)一次設(shè)備的具體情況，這樣次級(jí)保護(hù)裝置才能有效的保護(hù)一次設(shè)備的正常運(yùn)行。