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一起因勵磁涌流導(dǎo)致的主變差動保護(hù)動作分析與防范措施

文檔作者：劉剛１葉朝俐２鄒毅１陳哲１張永生１文檔來源：１．溪洛渡水力發(fā)電廠２．中國三峽集團(tuán)公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時間： 2025年11月02日
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２０１８ 年第１ 期
２０１８ Ｎｕｍｂｅｒ １
水電與新能源
ＨＹＤＲＯＰＯＷＥＲ ＡＮＤ ＮＥＷ ＥＮＥＲＧＹ
第３２ 卷
Ｖｏｌ．３２
ＤＯＩ： １０．１３６２２ ／ｊ．ｃｎｋｉ．ｃｎ４２ －１８００／ｔｖ．１６７１ －３３５４．２０１８．０１．００９
收稿日期：２０１７ －１２ －１０ 作者簡介：劉 剛，男，高級工程師，從事水力發(fā)電廠運(yùn)行方面的工作。
一起因勵磁涌流導(dǎo)致的主變
差動保護(hù)動作分析與防范措施
劉 剛１，葉朝俐２，鄒 毅１，陳 哲１，張永生１
（１．溪洛渡水力發(fā)電廠，云南永善 ６５７３００；２．中國三峽集團(tuán)公司，四川成都 ６１５４２１）
摘要：從電網(wǎng)設(shè)備操作的實例出發(fā)，對５００ ｋＶ 變壓器空載充電過程中產(chǎn)生較大勵磁涌流的機(jī)理進(jìn)行了理論分析，揭示
出此次主變空載充電為何未能躲過勵磁涌流影響而導(dǎo)致主變差動保護(hù)動作的真實原因，通過相關(guān)的錄波、保護(hù)動作、并
結(jié)合現(xiàn)場實際闡述勵磁涌流出現(xiàn)的原因及特征，得出了主變差動保護(hù)的動作原理，并提出了一些改良和防范的措施。
關(guān)鍵詞：變壓器；勵磁涌流；二次諧波；差動保護(hù)
中圖分類號：ＴＭ４１１ ＋．１ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａ 文章編號：１６７１ －３３５４（２０１８）０１ －００３３ －０５
Analysis and Prevention Measures of a Differential Protection Action of
the Main Transformer induced by Excitation Inrush Current
ＬＩＵ Ｇａｎｇ１ ， ＹＥ Ｚｈａｏｌｉ２ ， ＺＯＵ Ｙｉ１ ， ＣＨＥＮ Ｚｈｅ１ ， ＺＨＡＮＧ Ｙｏｎｇｓｈｅｎｇ１
（１．Ｘｉｌｕｏｄｕ Ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ Ｐｌａｎｔ， Ｙｏｎｇｓｈａｎ ６５７３００， Ｃｈｉｎａ；
２．Ｃｈｉｎａ Ｔｈｒｅｅ Ｇｏｒｇｅｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ， Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１５４２１， Ｃｈｉｎａ）
Abstract： Ａ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ａｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ５００ ｋＶ ｍａｉｎ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ ｉｎｄｕｃｅｄ ｂｙ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｉｎｒｕｓｈ ｃｕｒｒｅｎｔ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ
ｎｏ－ｌｏａｄ ｃｈａｒｇｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｉｓ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｔｈｅ ｌａｒｇｅ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｉｎｒｕｓｈ ｃｕｒｒｅｎｔ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｎｏ －ｌｏａｄ ｃｈａｒｇｉｎｇ
ｐｒｏｃｅｓｓ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｌｙ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｒｅｃｏｒｄｅｒ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎ－ｓｉｔｕ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ， ｃａｕｓｅｓ ａｎｄ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ
ｏｆ ｔｈｅ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｉｎｒｕｓｈ ｃｕｒｒｅｎｔ ａｒｅ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ ．Ａｌｓｏ， ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ａｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｉｎ
ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ ｉｓ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ．Ｔｈｅｎ， ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ ａｎｄ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｍｅａｓｕｒｅｓ ａｒｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｌｙ ． Key words： ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ； ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｉｎｒｕｓｈ ｃｕｒｒｅｎｔ； ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｈａｒｍｏｎｉｃ， ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ
１ 勵磁涌流機(jī)理與影響其大小的因素
1．1 勵磁涌流機(jī)理
以單相變壓器為例，說明其空投時勵磁涌流產(chǎn)生
的機(jī)理。
設(shè)電源電壓為正弦函數(shù)U ＝Um ｓｉｎ（ωt ＋α），如果
忽略合閘回路電阻、變壓器繞組的電阻以及變壓繞組
漏電抗的影響，則空投瞬間變壓器鐵芯中的磁通與外
加電壓的關(guān)系為
W dΦ
dt ＝Um ｓｉｎ（ωt ＋α） （１）
求解上述一階微分方程，得
Φ＝－Um
Wωｃｏｓ（ωt ＋α） ＋C （２）
式中：W 為變壓器空投側(cè)繞組的匝數(shù)；Φ為鐵芯中的
磁通；Um 為電源電壓的幅值；α為合閘角；ω為角頻
率；C 為積分常數(shù)，由初始條件確定。
當(dāng)t ＝０ 時，為保持合閘瞬間磁鏈?zhǔn)睾?，即鐵芯中
的磁通不能突變，故而可得到
C ＝Um
Wωｃｏｓα＋ΦS （３）
式中，ΦS 為合閘前鐵芯中的剩磁通。
綜上
Φ＝－Um
Wωｃｏｓ（ωt ＋α） ＋Um
Wωｃｏｓα＋ΦS （４）
如果考慮到電源回路的電阻、變壓器繞組的電阻
和漏電感帶來的時間常數(shù)影響，則磁通Φ為：
３３
萬方數(shù)據(jù)
水電與新能源２０１８ 年第１ 期
Φ＝－Um
Wωｃｏｓ（ωt ＋α） ＋（Um
Wωｃｏｓα）e －tT
＋ΦS
＝－Φm ｃｏｓ（ωt ＋α） ＋Φm ｃｏｓαe －tT
＋ΦS （５）
式中：Φm ＝Um
Wω；T 為時間常數(shù)，與電源回路的電阻、變
壓器繞組的電阻和漏電感有關(guān)［１］ 。
由式（５）可以看出，第一項為磁通的強(qiáng)迫分量，而
第二項為磁通的自由分量。在空投變壓器的瞬間，鐵
芯中的磁通由三部分組成：Φm ｃｏｓ（ωt ＋α）、Φm ｃｏｓα以
及剩磁通ΦS 。如果在電壓瞬時值為零時空投變壓器，
合閘角α＝０，在忽略變壓器及合閘回路的電阻時，式
（５）中的時間常數(shù)T 為無窮大，磁通中的自由分量不
衰減，假如剩磁Φm 的方向又與合閘之后Φm ｃｏｓα＝Φm
的方向相同時，鐵芯中的最大磁通可以達(dá)到２Φm ＋
ΦS 。如果剩磁通ΦS ＝０．９Φm ，鐵芯中的最大磁通可以
接近正常運(yùn)行時穩(wěn)態(tài)磁通幅值的三倍，使變壓器鐵芯
嚴(yán)重飽和，勵磁電流猛增，產(chǎn)生勵磁涌流［１］ 。
1．2 影響勵磁涌流大小因素
由式（５）可以看出，影響勵磁涌流大小的因素主
要有：
１）電源電壓。Φm ＝Um
Wω，合閘前電源電壓越高，Φm
越大，勵磁涌流越大。
２）合閘角α。當(dāng)電壓瞬時值為零時合閘，合閘瞬
間磁通的強(qiáng)迫分量達(dá)最大值－Φm ，為了保持合閘瞬間
磁鏈?zhǔn)睾?，?dǎo)致磁通的自由分量大小為Φm ，使鐵芯中
的總磁通Φ與空投前的磁通一樣為剩磁ΦS ，這樣半
周以后鐵芯中的最大磁通可以達(dá)到２Φm ＋ΦS ，所以在
電源電壓的瞬時值過零瞬間空投變壓器時，勵磁涌流
的數(shù)值最大；而當(dāng)合閘角α＝９０°時，也就是在電壓瞬
時值為峰值時合閘，合閘瞬間磁通的強(qiáng)迫分量為零，磁
通的自由分量也是零，只剩磁通ΦS ，鐵芯中的最大磁
通也只是Φm ＋ΦS 。所以在電源電壓的瞬時值過零瞬
間空投變壓器時，勵磁涌流的最大，在電源電壓的瞬時
值為最大值瞬間空投變壓器時，勵磁涌流的數(shù)值最小。
３）剩磁ΦS 。合閘之前，變壓器鐵芯中的剩磁越
大，勵磁涌流就越大。另外，當(dāng)剩磁ΦS 的方向與合閘
之后Φm ｃｏｓα的方向相同時，勵磁涌流就大，反之亦
相反。
此外，勵磁涌流的大小，尚與變壓器的結(jié)構(gòu)、鐵芯
材料及設(shè)計的工作磁密有關(guān)。變壓器的容量越小，空
投時勵磁涌流與其額定電流之比值—勵磁涌流的倍數(shù)
越大。
測量表明：空投變壓器時，變壓器與電源之間的聯(lián)
系阻抗越大，勵磁涌流越小。在末端變電站，空投變壓
器時的勵磁涌流可能小于其額定電流的２ 倍。
２ 勵磁涌流的識別方法
在變壓器縱差保護(hù)中，對差電流進(jìn)行勵磁涌流特
征的判別。在工程中曾得到應(yīng)用的有：二次諧波含量
高、波形不對稱和波形間斷角比較大三種原理，尤其是
前兩種應(yīng)用最為普遍。當(dāng)識別出是勵磁涌流時，將差
動保護(hù)閉鎖來防止縱差保護(hù)誤動［２］ 。
１）二次諧波制動原理。二次諧波制動原理是利
用流過差動元件差電流中的二次諧波電流作為制動
量，區(qū)分出差流是內(nèi)部故障的短路電流還是勵磁
涌流［３］ 。
所謂二次諧波制動系數(shù)是指：在通入差動元件差
電流中，含有基波分量電流和二次諧波分量電流，差電
流中二次諧波分量電流與基波分量電流比值的百分
比。當(dāng)二次諧波制動系數(shù)大于二次諧波制動系數(shù)定值
K２xb時閉鎖差動保護(hù)，反之當(dāng)小于二次諧波制動系數(shù)定
值K２xb時開放差動保護(hù)。
２）間斷角原理。變壓器內(nèi)部故障時，故障波形無
間斷，間斷角δi 很??；而變壓器空投時，勵磁涌流的波
形是間斷的，具有很大的間斷角δi （一般大于６０°）。
按間斷角原理構(gòu)成的差動保護(hù)，是根據(jù)差電流波形是
否有間斷及間斷角的大小來區(qū)分故障電流與勵磁涌流
的。所謂的間斷角δi ，就是在差流的半個周期內(nèi)差動
量小于制動量所對應(yīng)的角度。
對于間斷角原理構(gòu)成的變壓器差動保護(hù)的另一個
重要物理量———閉鎖角δB ，根據(jù)它來判斷差動元件中
的差流是故障電流與勵磁涌流引起的。
當(dāng)測量出的間斷角δi 滿足δi ＞δB 時，則判斷差流
為勵磁涌流，將保護(hù)閉鎖。
當(dāng)測量出的間斷角δi 滿足δi ＜δB 時，則判斷差流
為故障電流，開放差動保護(hù)。
３）波形對稱原理。在微機(jī)型變壓器縱差保護(hù)中，
采用波形對稱算法，將勵磁涌流同變壓器故障電流區(qū)
分開來。內(nèi)部故障時，各側(cè)電流經(jīng)互感器變換后，差流
基本上是工頻正弦波。而勵磁涌流時，有大量的諧波
分量存在，波形是間斷不對稱的。
３４
萬方數(shù)據(jù)
劉 剛，等：一起因勵磁涌流導(dǎo)致的主變差動保護(hù)動作分析與防范措施２０１８ 年１ 月
內(nèi)部故障時，有如下表達(dá)式成立：
S ＞Kb*S ＋
S ＞St （６）
式中：S 是差動電流的全周積分值；S ＋是（差動電流的
瞬時值＋差動電流半周前的瞬時值）的全周積分值；
Kb 是某一固定常數(shù)；St 是門檻定值。St 的表達(dá)式
如下：
St ＝a ×Id ＋０．１Ie （７）
式中：Id 是差電流的全周積分值；α是某一比例常數(shù)。
而勵磁涌流時，以上波形判別關(guān)系式肯定不成立，
比率差動保護(hù)元件不會誤動作。
３ 某電站５００ ｋＶ 主變差動保護(hù)誤動
分析
２０１５ －０４ －０８ 日，某電站６ 號主變檢修完工后充
電過程中，當(dāng)遠(yuǎn)方無壓合上５０５１ 開關(guān)，監(jiān)控系統(tǒng)報
“Ａ、Ｂ 套主變差動保護(hù)動作”、“高壓電纜第一、二套
ＲＣＳ９３１ＬＭ 遠(yuǎn)跳１ 動作”、“ 高壓電纜第一、二套
ＲＣＳ９３１ＬＭ 保護(hù)跳閘動作”、“５０５１ 斷路器事故總出口
動作”等信號；５０５１ 開關(guān)分閘，６ 號主變接線如圖１
所示。
其差動保護(hù)系統(tǒng)定值單如下。
主變?nèi)萘浚海福梗埃埃?ＭＶＡ；高壓側(cè)一次額定電壓：
５５０．００ ｋＶ；高壓側(cè)ＴＡ 變比為４ ０００∶１；差動啟動定值：
０．３０Ｉｅ；差動速斷定值：５．００Ｉｅ；差流報警定值：０．１５Ｉｅ；
比率制動起始斜率：０．１０；比率制動最大斜率：０．７０；諧
波制動系數(shù)：０．１５。
由變壓器定值數(shù)據(jù)，可得主變高壓側(cè)額定電流二
次值為
Ie ＝ SN
３UN ／kb
＝ ８９０ ＭＶＡ １．７３２ ×５５０ ｋＶ／４ ０００ ＝０．２３４ Ａ （８）
以Ａ 套保護(hù)裝置為例，保護(hù)裝置錄波主變高壓側(cè)
三相電流波形如圖２ 所示，Ａ、Ｂ、Ｃ 三相電流的最大峰
值分別為０．７１ Ａ、０．８８ Ａ 和１．２４ Ａ，其中Ｃ 相最大電
流有效值約為３．７５ 倍額定電流。Ａ、Ｂ 相完全偏向正
半波一側(cè)，有一定的間斷角，Ｃ 相完全偏向負(fù)半波一
側(cè)，間斷角不明顯。從該電流波形來看，存在一定涌流
特征，但與以往空充波形相比，涌流特征不夠顯著，不
能排除變壓器內(nèi)部故障的可能性。
圖1 6B 主變接線圖
由故障錄波裝置錄波圖３、圖４ 可以看出，故障時
其勵磁涌流間斷角較主變正常沖擊電流偏小，且其二
次諧波比偏小，低于１５％（主變差動保護(hù)二次諧波制
動比定值為１５％）。
３５
萬方數(shù)據(jù)
水電與新能源２０１８ 年第１ 期
圖2 A 套保護(hù)裝置錄波高壓側(cè)電流
圖3 6B 主變高壓側(cè)電流波形
圖4 6B 主變進(jìn)線電流合流波形
由圖５ 保護(hù)裝置錄波主變差動電流波形可以看出
（已經(jīng)Ｙ －Δ轉(zhuǎn)換）， 保護(hù)動作時刻Ａ 相基波為
０．７８Ｉｅ，二次諧波為０．２６Ｉｅ，諧波含量為３３％；Ｂ 相基
波為１．８８Ｉｅ，二次諧波為０．１４Ｉｅ，諧波含量為７．４％；Ｃ
相基波為１．７８Ｉｅ，二次諧波為０．１４Ｉｅ，諧波含量為
７．９％。ＲＣＳ －９８５ＴＷ 為兼顧空充安全性和伴隨內(nèi)部
故障的靈敏性，采用綜合諧波制動方式，取諧波最大相
制動，諧波制動比率為０．２６Ｉｅ／１．８８Ｉｅ ＝１３．８％，諧波
含量較小，略低于保護(hù)定值的１５％，因此二次諧波制
動開放，而保護(hù)動作時刻差動電流達(dá)到１．８８Ｉｅ，超過差
動保護(hù)動作定值及差動啟動定值（０．３Ｉｅ），導(dǎo)致兩套保
護(hù)動作出口。主變差流波形分析也表明，與典型涌流
特征相比，本次波形諧波含量較低，有一定差異，由于
涌流波形受變壓器剩磁、空充合閘角等諸多因素影響，
３６
萬方數(shù)據(jù)
劉 剛，等：一起因勵磁涌流導(dǎo)致的主變差動保護(hù)動作分析與防范措施２０１８ 年１ 月
不同涌流波形差異較大。
如圖６，錄?。牵桑?故障錄波器波形，主變高壓側(cè)三
相電壓幅值分別為５４ Ｖ、５４ Ｖ、５３ Ｖ，在空充過程中變
化很小，如變壓器內(nèi)部存在故障，該電壓應(yīng)有一定程度
的變化，從電壓波形來看，涌流的可能性更大。
本次空充過程中也存在較大的主變高壓側(cè)零序電
流，如圖７ 所示，零序ＣＴ 變比為４００／１，一次電流最大
峰值達(dá)到了５８４ Ａ（主變高壓側(cè)一次額定電流為
９３４ Ａ，峰值為１ ３２１ Ａ），不過根據(jù)以往的波形來看，空
充過程中也能出現(xiàn)一定幅值的零序電流，不能排除涌
流可能性。
圖5 A 套保護(hù)裝置錄波差流
圖6 6B 主變進(jìn)線PT 電壓波形
圖7 A 套保護(hù)裝置錄波高壓側(cè)中性點(diǎn)零序電流
４ 錄波波形及主變保護(hù)裝置數(shù)據(jù)分析
結(jié)論與措施
綜上所述，６ＦＢ 電氣一次、二次設(shè)備無明顯故障和
異?，F(xiàn)象，各絕緣值搖測正常，且２０１５ －０４ －０５ 日６Ｂ
進(jìn)行過直流電阻測試后導(dǎo)致主變存在較大剩磁。因此
推斷本次事件為主變倒掛空充的合閘瞬間，主變高壓
側(cè)產(chǎn)生的磁通與剩磁方向疊加，導(dǎo)致勵磁涌流過大，并
致變壓器保護(hù)采樣的差流值大于差動保護(hù)整定值，且
二次諧波抑制比不足整定值的１５％，最終比率制動差
動和工頻變化量差動保護(hù)動作。
為此，為保證以后不再出現(xiàn)變壓器差動保護(hù)誤動，
建議采取以下措施：①變壓器檢修后，需進(jìn)行發(fā)變組零
起升壓試驗排查，確保主變安全，并通過零起升壓對主
變消磁；②主變零起升壓正常運(yùn)行后，維持主變空載運(yùn)
行３０ ｍｉｎ 以充分消磁。
參考文獻(xiàn)：
［１］李鳳榮．變壓器縱差動保護(hù)及勵磁涌流識別技術(shù)的研究
［Ｄ］．北京： 華北電力大學(xué)， ２００６
［２］柳潤．變壓器差動保護(hù)原理及裝置的研究［Ｄ］．武漢： 華
中科技大學(xué)， ２００４
［３］賀家李．電力系統(tǒng)繼電保護(hù)原理［Ｍ］．北京： 中國電力出
版社， ２０１０

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