技能培训 变压器励磁涌流及鉴别方法

技能培训 变压器励磁涌流及鉴别方法

• 6.3.1 单相变压器的励磁涌流 变压器的额定磁通----指变压器运行电压等于额定电压时，铁芯中产生 的磁通。 用标么值表示时，电压和磁通之间的关系为： 设变压器在t=0时刻空载合闸时，加在变压器上的电压为 u=Umsin(wt+α)，解式（6-43）的微分方程，得： -Φmcos(wt+α)----稳态磁通分量，其中Φm=Um/w； Φ(0)----自由分量，如计及变压器的损耗，应该是衰减的非周期分量， 这里没有考虑损耗，所以是直流分量。 由于铁芯的磁通不能突变，可求得： Φr----变压器铁芯的剩磁，其大小和方向与变压器切除时刻的电压（磁 通）有关。 (6 43)du dt    (0)cos( ) (6 44)m t       (0) cos( ) (6 45)m r     6.3 变压器励磁涌流及鉴别方法 变压器稳态运行时：铁芯不会饱和； 变压器空载合闸后的暂态过程中： 最严重的情况是在电压过零时刻（α=0）合闸， 最大值为 2Φm+Φr，远大于Φsat，造成变压器的严重饱和。 在励磁涌流分析中，通常用θ=wt+α来代替时间，这样 是 以2π为周期变化的。在（0，2π）周期内，θ1<θ<2π-θ1时发 生饱和，而θ=π时饱和最严重。令Φ=Φsat，由图6-12可得： 1 1 coscos( ),0 , (6 46)m r sat m Arc           Φ(0)可能使 大于饱和磁通Φsat 图6-12 变压器铁芯饱和 合闸半个周期（wt=π）后 达到 最大值，即Φ=2Φmcosα+Φr 若铁芯剩磁Φr>0， cosα>0     如图6-13所示： 铁芯不饱和时----磁化曲线的斜率 很大，励磁电流iμ近似为零； 铁芯饱和后-----磁化曲线的斜率Lμ 很小，iμ大大增加，形成励磁涌流。 在（0，2π）周期内： 励磁涌流的波形如图6-14所示，波形完全偏离时间轴一侧， 且是间断的。波形间断的宽度称为励磁涌流的间断角θJ，显 然： 1 1 1 1 1 0,0 , , 2 (6 47) (cos cos ) / , 2m or i L                       图6-13 12 (6 48)J   图6-14 励磁涌流中除了基波分量外，还存在大量的非周期分量和谐 波分量。由于励磁涌流是周期函数，可以展开成傅氏级数： 将式（6-47）代入式（6-50），就可计算出非周期分量和各 次谐波分量。通常关心的是励磁涌流中非周期分量和高次谐 波分量的含量（即它们与基波分量的相对大小）。显然，在 上述简化的饱和特性的前提下，它们只与间断角有关，与励 磁涌流幅值无关。 0 1 ( sin cos )(6 49) 2 n n n bi a n b n         2 2 0 0 1 1sin , cos , (6 50)n e n ea i n d b i n d             0 0 2 2 1 1 1 2 2 / 2 n n n I b I a b I a b         非周期（直流）分量为： 基波分量为： 高次谐波分量为： 综合上面的分析，单相变压器励磁涌流有以下特点： 1. 在变压器空载合闸时，涌流是否产生以及涌流的大小与合闸 角有关，合闸角α=0和α=π时励磁涌流最大。 2. 波形完全偏离时间轴的一侧，并且出现间断。涌流越大，间 断角越小。 3. 含有很大成分的非周期分量，间断角越小，非周期分量越大。 4. 含有大量的高次谐波分量，而以二次谐波为主。间断角越小， 二次谐波也越小。 非周期分量 基波 二次谐波 三次谐波 四次谐波 θJ=108° 76.8 100 13.2 7.8 2.8 θJ=150° 69.2 100 28.8 7.5 3.5 θJ=180° 63.7 100 42.4 0.0 8.5 表6-1：不同间断角下的谐波含量 • 6.3.2 三相变压器励磁涌流的特征 对于Y，d11接线方式的三相变压器，引入每相差动保护的 电流是两个变压器绕组电流之差，其励磁涌流也应该是两个 绕组励磁涌流的差值，即： 下面结合一个算例来说明它们的特点。 计算条件： 三相剩磁： 三相合闸角： 经计算，iμ.A， iμ.B， iμ.C的波形图如6-17（a）所示， iμ.A.r， iμ.B.r， iμ.C.r的波形分别如图6-17（b）、（c）和（d）所示。 . . . . . . . . . . . ., ,A r A B B r B C C r C Ai i i i i i i i i              . . . 1.1, 1.15; 0.7, 0.7; 0, 4 / 3, 2 / 3; m sat r A r B r C A B C                   图6-17：三相变压器励磁涌流波形 注意iμ.A，iμ.B，iμ.C 最大值出现的时刻： iμ.A：正向涌流，在 wt=π时达到最大值； iμ.B：反向涌流，在 wt=2π/3（即wt+αB=2π） 时达到最大值； iμ.C：反向涌流，在 wt=4π/3时达到最大值； iμ.A，iμ.B，iμ.C的间断角 和二次谐波分别为： 78.6°，49.6°， 78.6°和14.8%， 37.6%，14.8%。 结合上面的算例，对于一般情况，三相变压器励磁涌流有以 下特点： 1. 由于三相电压之间有120°（2π/3弧度）的相位差，因而 三相励磁涌流不会相同，任何情况下空载投入变压器，至少 在两相中要出现不同程度的励磁涌流。 2. 某相励磁涌流（iμ.B.r）可能不再偏于时间轴的一侧，变 成了对称性涌流。其它两相仍为偏于时间轴一侧的非对称性 涌流。对称性涌流的数值比较小。非对称性涌流仍含有大量 非周期分量，但对称性涌流中无非周期分量。 3. 三相励磁涌流中有一相或两相二次谐波含量比较小，但至 少有一相比较大。 4. 励磁涌流的波形仍然是间断的，但间断角显著减小，其中 又以对称性涌流的间断角最小。但对称性涌流有另外一个特 点：励磁涌流的正向最大值与反向最大值之间的相位相差 120°。这个相位差称为“波宽”，显然稳态故障电流的波宽 为180°。 • 6.3.3 防止励磁涌流引起误动的方法 • 1 采用速饱和中间变流器 励磁涌流中含有大量的非周期分量，所以可以采用速饱和中 间变流器来防止差动保护误动。对于Y，d11接线方式的三相 变压器，常常有一相是对称性涌流，没有非周期分量，中间 变流器不能饱和，只能通过差动继电器的动作电流来躲过。 考虑到对称性涌流的幅值比较小，整定计算时，在式（6-27 ）Iset=KrelKuIn中取Ku=1。 缺点：速饱和原理的纵差动保护动作电流大、灵敏度低。并 且在变压器内部故障时，会因非周期分量的存在而延缓保护 的动作，已逐渐淘汰。 • 2 二次谐波制动的方法 二次谐波制动----根据励磁涌流中含有大量二次谐波分量的特 点，当检测到差电流中二次谐波含量大于整定值时就将差动 继电器闭锁，以防止励磁涌流引起的误动。 二次谐波制动的差动保护----采用二次谐波制动方法的保护。 二次谐波制动元件的动作判据： I1，I2----分别为差动电流中的基波分量和二次谐波分量的幅 值。 K2----二次谐波制动比，按躲过各种励磁涌流下最小的二次 谐波含量整定，整定范围通常为K2=15%~20%，具体数值据 现场空载合闸试验或运行经验确定。 “三相或门制动”方案----三相差动电流中只要有一相的二次谐 波含量超过制动比K2，就将三相差动继电器全部闭锁。 2 2 1I K I 差动电流速断保护： 为加快内部严重故障 时纵差动保护动作速 度，往往再增加一组不 带二次谐波制动的差动继电器，称差动电流速断保护。差动电 流速断保护按躲过最大励磁涌流速定，即取Kμ=4~8。 由于动作电流I’set.r很大，故采用不带制动特性的差动继电器。 变压器内部故障时， 测量电流中的暂态分量也 可能存在二次谐波。若二 次谐波含量超过制动比K2， 差动保护也将闭锁，一直 等到暂态分量衰减后才能 动作。电流互感器饱和也 会在二次电流中产生二次 谐波。电流互感器饱和越 严重，二次谐波含量越大。 图6-16：二次谐波制动差动保护逻辑框图 二次谐波制动 Iφ.r>Iφ.set.r（φ=A，B，C）表示相带有制动特性的差动继电器； Iφ2>K2Iφ1（φ=A，B，C）表示相的二次谐波制动元件；与H2、 H4以及非门一起构成了三相或门制动的二次谐波制动方案。 二次谐波制动的优点： 原理简单、调试方便、灵敏度高，在变压器纵差动保护中获得 了非常广泛的应用。 缺点： 在具有静止无功补偿装置等电容分量比较大的系统，故障暂态 电流中有比较大的二次谐波含量，差动保护的速度会受到影响 。若空载合闸前变压器已经存在故障，合闸后故障相为故障电 流，非故障相为励磁涌流，采用三相或门制动的方案时，差动 保护必将被闭锁。由于励磁涌流衰减很慢，保护的动作时间可 能会长达数百毫秒。 • 3 间断角鉴别的方法 间断角鉴别----励磁涌流的波形中会出现间断角，而变压器内 部故障时流入差动继电器的稳态差电流是正弦波，不会出现 间断角。间断角鉴别的方法就是利用这个特征鉴别励磁涌流 和故障电流，即通过检测差电流波形是否存在间断角，当间 断角大于整定值时将差动保护闭锁。 动作判据：间断角判据，波宽判据。 间断角判据：间断角的整定值一般取65°。当检测到间断角 大于65°时将差动保护闭锁。对于Y，d11接线方式的三相变 压器，非对称涌流的间断角比较大，间断角闭锁元件能够可 靠的动作，并有足够的裕量；而对称性涌流的间断角有可能 小于65°。进一步减小整定值并不是好方法，因为整定值太 小会影响内部故障时的灵敏度和动作速度。 波宽判据：由于对称性涌流的波宽为120°，而故障电流（正 弦波）的波宽为180°，因此在间断角判据基础上再增加一个 反应波宽的辅助判据，在波宽小于140°（有20°的裕量）时 也将差动保护闭锁。 电流互感器饱和会造成二次侧电流 间断角的“消失”。这个现象可用右 图6-17所示的电流互感器等效电路 来说明。一次侧的励磁涌流可看成 是一个恒流源，显然电流互感器的励磁电流iμ落后于i。 图6-18：间断角的检测方法 （a）对图6-18（a）所示的励磁涌流i，在i下降 到0的时刻iμ>0。 （b）由于电感电流不能突变，i进入间断区后iμ 通过电流互感器的负载电阻续流，其结果是二 次侧测量到的励磁涌流i2在间断区出现了相当大 的反向涌流，间断角消失，如图6-18（b）所示。 （c）反向涌流是按二次回路时间常数衰减的非 周期分量，变化比较慢。图6-18（c）示的i’2是 对i2进行微分后的绝对值|i’2|的波形。反向涌流 经微分后，间断角又得到“恢复”。故可在|i’2|的 波形里测量间断角。 ε是动作门槛，必须大于i’2中残余的反向涌流的 变化率，当|i’2|<ε的持续时间超过65°/ω （ω=314是常数）时，间断角闭锁元件动作。 间断角原理的优点：由于采用按相闭锁的方法，在变压器合闸 于内部故障时，能够快速动作。 缺点：对于其它内部故障，暂态高次谐波分量会使电流波形畸 变（微分后畸变更加严重）。畸变会影响电流的波宽。若波形 畸变很严重导致波宽小于整定值，差动保护也将暂时闭锁而造 成动作延缓。 变压器的过励磁----对于有些工况，例如超高压远距离输电线路 由于突然失去负荷而造成变压器的过电压时，会造成铁芯饱和 ，使励磁电流大大增加。 变压器过励磁时铁芯的饱和是对称的，励磁电流没有间断现象，也没有偶 次谐波分量。对于有可能产生过励磁的大型变压器，通常根据过励磁引起 的励磁电流中含有大量五次谐波分量的特征，采用五次谐波制动的方法， 来防止纵差动保护的误动，其实现方法与二次谐波制动方法类似。 图6-18（d）的|i’k|是变压器内部故障电流经微分后的波形，虽然没有间断角， 但|i’k|<ε的部分却被误测为“间断角”。显然|i’k|越小，间断角也越大，在|i’k|较 小时将差动保护误闭锁。为提高灵敏度，可采用浮动门槛，即取ε=KI’m2。其 中I’m2为|i’k|的幅值；K为比例系数，必须大于反向涌流最大值与I’m2的比值。 一般取K=0.25（厂家固定）。若i’2为正弦波，则间断角θk=2arcsin(K)=29°。 θk与电流大小无关，并且远小于65°，不会影响差动保护的灵敏度。