浅谈变压器励磁涌流识别方法的原理及展望

涂惠香

（哈尔滨变压器有限责任公司，黑龙江 哈尔滨 150070）

1 引言

变压器是电力系统中极其重要的电气设备，它担负着电能的传输和电压变换的重要作用。变压器保护对于提高电力系统运行的稳定性、安全性具有重要的意义。寻求一个安全、可靠、灵敏的变压器保护方案，一直是国内外电力系统学者们研究的热点问题[1-3]。

变压器空载合闸时，由于受到铁芯磁路饱和的影响可能出现很大的冲击电流即励磁涌流。在情况严重时，励磁涌流会超过额定电流的许多倍，如不采取适当的措施，则可能引起变压器开关跳闸，变压器不能顺利地投入电网工作。

长期以来，差动保护一直被认为是电力变压器最完善的主保护，但是由于变压器自身的特点，使得变压器差动保护还有着一些困难和欠缺的地方。变压器具有两个及多个电压等级，构成差动保护的所用电流互感器的参数各不相同，变压器每相原、副边电流之差（正常运行时的励磁涌流）将作为差动保护不平衡电流的一种来源。在变压器空载突然合闸时，或者变压器外部短路故障被切除后端电压恢复时，暂态励磁涌流的大小可与短路电流相比拟，在这么大的不平衡电流，要求差动保护不误动，是个相当复杂困难的技术问题[1]。当前变压器差动保护中最关键和最困难的问题仍然是如何防止励磁涌流所导致的误动作，使其在励磁情况下能够可靠地动作。这对差动保护有两方面的要求，即防止外部短路时不平衡电流以及防止励磁涌流所致的误动作，研究涌流产生的机理和涌流特性对防止励磁涌流引起差动保护误动至关重要。

2 励磁涌流识别方法的原理简述及现状

目前鉴别励磁涌流的方法较为成熟的方法主要是基于间断角原理和二次谐波制动原理。国内设计生产的变压器差动保护装置也主要是基于以上原理。此外，还有波形对称原理，波形叠加原理、波形相关性分析法、波形拟合法这些利用波形特征来识别变压器励磁涌流的方法。最近，电压制动原理、等值电路原理、磁特性原理等也有应用和研究。

随着人们研究领域逐渐扩大，研究的层次逐渐加深，产生很多新兴的学科。这些学科为科学研究提供了新的手段。将模糊判据、人工神经网络方法运用到变压器励磁涌流的识别中也是研究的热点之一。

2.1 间断角原理

间断角原理是基于励磁涌流波形中有较大的间断这个特征实现其鉴别的，以准确测量间断角的大小为基础的。

其优点是利用了励磁涌流本身明显的波形特点，能够清楚的区分变压器励磁涌流和内部故障电流；一般采用分相涌流判别方法，在变压器内部故障时能迅速跳闸；具备一定的过励磁能力。但是，用微机保护实现间断角原理有以下难点：

励磁涌流在变压器一次侧有明显的间断角，由于受到CT饱和的影响进入差动继电器的二次涌流已大大丧失这种特性，利用起来将增加装置的复杂性。

测量间断角需要很高的采样率，这对计算机硬件又提出了更高的要求。

由于以上原因使得该原理在实际变压器微机保护的应用中受到限制，效果并不是很理想，而且硬件复杂和成本较高，在实用化过程中要着进一步经济技术分析和现场考验。

2.2 二次谐波制动原理

在变压器励磁涌流中含有较大的偶次谐波分量，其中二次谐波分量最大：当电流信号中二次谐波的含量超过阈值，即判断是励磁涌流。该原理不仅在常规保护中有较多运行经验，而且在微机保护中容易实现，故在国内外变压器实际投入运行中得到广泛的应用。但原理有以下缺陷：

由于采用“或”门制动，因此会出现故障变压器空投时，非故障相闭锁故障相的现象，导致变压器保护延时动作。

由于变压器合闸的时间，变压器剩磁等不确定因素对励磁涌流的影响，很难选择合适的制动比K。

在正常工况下，大容量的变压器内部短路电流的二次谐波含量约为7%，而在有串补电容的高压系统及高压电缆变压器的短路电流中,二次谐波含量可能高达15%～20%，这对二次谐波制动原理提出了新的挑战。

2.3 波形对称原理

波形对称原理是根据电流波形进行分析来识别励磁涌流和内部短路电流，即首先将流入继电器的差流进行微分，对微分后差流的前半波与后半波作对称比较，根据比较的结果去判断是否发生了励磁涌流。

由于励磁涌流的波形中含有间断角，使得励磁涌流在一个周波波形的前半周与后半周存在不对称性；而大量研究表明，变压器内部故障时的电流一个周波波形的前半周与后半周是几乎对称的。

在此基础上，又提出波形相关性分析法、波形拟合法等，其基本原理是大致相同的，实际上都是间断角原理的推广。但它比间断角原理容易实现，克服了间断角原理对微机保护硬件要求高的缺点。

2.4 电压制动原理

电压制动原理提出利用变压器的端口电压作为识别变压器励磁涌流和内部短路电流的辅助判据。当变压器发生短路时，伴随有电压的降低；当变压器出现励磁涌流时，电压不会降低，有时还会升高。

分析和实验表明，电压制动原理的应用与系统阻抗的大小关系密切相关。同时，当变压器低压侧装有无功补偿装置时，发生短路时的端口电压不会瞬时降低，此时会影响辅助判据的准确性和保护的速动性。

2.5 等值电路原理

等值电路原理是一种基于变压器导纳型等值电路的励磁涌流判别方法。该方法是通过检测对地导纳的参数变化，鉴别变压器的内部故障。铁芯线圈的漏抗和空芯线圈的漏抗接近，故此时变压器等值导纳参数的互导纳与变压器的铁芯饱和程度无关。铁芯未饱和时，变压器各侧对地导纳几乎为零；当铁芯饱和时，变压器各侧对地导纳明显增大；当铁芯严重饱和时，变压器各侧对地导纳几乎与空芯变压器的对地导纳一致，且是一个不为零的常量。

该方法在求取对地导纳时需要先获取变压器漏感参数，这一点在实际运用中存在一定的困难。

3 发展和展望

前述的方法都是对变压器的模型进行研究，但事实上，由于变压器参数不易确定，系统运行方式的随机性，以及变压器本身的严重非线性，建立一个精确的数学模型是很困难的。近代，随着人们研究的领域逐渐扩大，研究的层次逐渐加深，产生了很多新兴的学科。

变压器空载合闸的励磁涌流的问题本身很复杂，国内外学者的理论研究和数值仿真，无不在或多或少的假设和简化条件下进行，难免在某些情况下失真。正是这种情况下，模糊的处理方法就特别显出它的科学性和有效性。

模糊数学借助于隶属度的概念，达到对人脑一定程度的模拟，具有处理模糊现象的能力。

将这一原理应用在变压器主保护中，为识别励磁涌流和内部短路电流，选定四个特征量，即二次谐波含量、铁芯磁通大小、电流波形的对称度以及电压的高低。

人工神经网络是人工智能较为突出的一种。人工神经网络的特点在于其并行计算能力和高度的非线性。

这些新的方法尚处于探索阶段，离实用还有一定的距离。由于变压器运行条件的复杂性和故障类型的多样性，要完美地解决这些存在的问题，需要探索一些新的理论和方法。

[1]王维俭.电气主设备继电保护原理与应用[M].中国电力出版社，1998.

[2]王维俭，侯炳蕴.大型机组继电保护理论基础[M].中国电力出版社，1988.

[3]王祖光.间断角原理的变压器差动保护[J].电力系统自动化，1979.3（1）.