基于电子式互感器的变压器励磁涌流识别方法_邓茂军_姚东晓_倪传坤_忽志敏

间断角原理的变压器差动保护判据如下[11-13]。
d 65o w 140
o
（ 2） （ 3）
式中： d 为差动电流的间断角； w 为差动电流的 波宽。 若间断角 d >65°，则认为是励磁涌流，闭锁差 动保护；若间断角 d ≤ 65°且波宽 w ≥140°，则认为 是故障，短时开放差动保护。
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引言
电力变压器是电力系统中十分重要的供电设 备，它的故障将对供电可靠性和电力系统的安全运 行带来严重影响。 随着超高压和特高压电网的出现， 电网容量急剧增加，高电压等级的大容量变压器也 越来越多，为了确保变压器的安全运行和系统的稳 定，对主变差动保护的快速性提出了新的要求。传 统的变压器保护采用三相分相二次谐波制动原理闭 锁差动保护，因变压器合闸时多种因素的影响，各 相差流中的二次谐波含量存在极大的分散性，空投 时可能造成差动保护误动，实际运行中也证明了这 点。从现场和动模试验的录波数据分析，三相电流 中总有一相的二次谐波含量大于 15％， 因此设备制 造厂家通常采用三相电流中的二次谐波含量“或”
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常规的二次谐波闭锁方案
励磁涌流是差动保护的不平衡电流，如果不采 取措施，往往会引起变压器差动保护误动。由于变
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电力系统保护与控制
压器励磁涌流中含有较大的谐波分量，其中以二次 谐波含量为主，通常利用差流中的二次谐波含量来 识别励磁涌流，闭锁判据为 I d2 kxb2I d1 （1） 式中： I d 2 为差动电流中的二次谐波电流； I d1 为差 动电流中的基波电流； kxb2 为二次谐波制动系数。 二次谐波制动原理判别方法简单，也有多年的 运行经验，是目前应用最广的励磁涌流识别方法。 工程应用中的二次谐波闭锁方案有以下几种： ① 分相闭锁，即本相差流中的二次谐波含量 大于定值时闭锁本相差动保护。由于变压器三相合 闸角度的分散性、变压器饱和磁通密度及剩磁的影 响，三相电流的间断角不一致，最小相的波形间断 角可能只有 60°左右， 最大相波形间断角大于 120°， 表现在三相电流中的二次谐波含量也不一样，最小 相的二次谐波含量可能小于 7.5％， 最大相的二次谐 波含量大于 30％。 采用分相闭锁时二次谐波制动系 数通常整定为 7％～12％，当本相差流中的二次谐 波含量小于定值时开放本相差动保护。但变压器空 投过程中经常出现某相差流中二次谐波含量较低的 情况，有时甚至低于 5％。但二次谐波制动系数又 不能整定过低，否则有可能造成区内故障时差动保 护拒动，因此单纯依靠分相闭锁方式在空投变压器 时保护误动的机率较大。实际工程中为了提高分相 闭锁逻辑的可靠性，采用浮动门槛识别判据、二次 谐波变化趋势判据和直流助增原理来提高差动保护 识别励磁涌流的能力，但几种改进方式都无法保证 差动保护不误动[8-10]。 ② 三相“或”闭锁，即三相差流中任一相电 流中的二次谐波含量大于定值时同时闭锁三相差动 保护。采用三相“或”闭锁时二次谐波制动系数通 常整定为 15％～20％， 当三相差流中的二次谐波含 量都小于定值时才开放三相差动保护。无论是理论 分析还是实际录波分析，三相差流中总有一相的二 次谐波含量超过 20％，所有采用三相“或”闭锁方 式空投时可靠性很高，但是，如果空投前变压器已 经有故障，由于非故障相为正常的励磁涌流，二次 谐波与基波的比值大，只有在励磁涌流经过很长时 间衰减后才能动作，因此，这种闭锁方式会造成差 动保护延迟动作甚至拒动。 ③ 最大相谐波与最大相基波比值闭锁，即采 用三相差流中最大二次谐波电流与最大基波电流的 比值来闭锁差动保护，当比值大于定值时闭锁三相 差动保护。这种闭锁方式二次谐波制动系数通常整 定为 15％～20％， 空投变压器时往往有一相电流中
表 1 各种二次谐波闭锁方案的优缺点 Table 1 Advantages and disadvantages of several scheme for second harmonic block
闭锁方式 本相闭锁本相 三相或闭锁 最大相谐波与最大相基波比值闭锁 空投 可靠性 低 高 中 空投故障 灵敏性 高 低 中
的二次谐波电流很大，而空投故障变压器时，故障 相电流中的基波电流很大，这种方式兼顾了空投故 障变压器时差动保护的快速性和空投正常变压器时 差动保护的可靠性。但由于励磁涌流受变压器的合 闸初相角、饱和磁通密度、剩磁及铁芯材料结构等 多种因素的影响，这种闭锁方式也无法保证差动保 护不误动。 各种二次谐波闭锁方式的优缺点如表 1 所示。 综合以上分析，为了保证空投变压器时差动保护的 可靠性，二次谐波制动原理应采用三相“或”闭锁 方式，同时为了提高空投故障变压器时差动保护的 快速性，可以采用二次谐波“或”闭锁原理加故障 开放的励磁涌流识别方法。
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间断角原理
当变压器空载合闸或当外部故障切除后电压 恢复过程中会产生很大的励磁涌流，励磁电流波形 存在间断，间断角原理就是通过判断这一间断角的 大小来区分是励磁涌流还是故障电流以决定是否闭 锁变压器差动保护。由于间断角原理的变压器差动 保护无需计算电流中的各种谐波含量，直接利用了 励磁涌流的波形特征，在识别励磁涌流方面有其独 特的优势。因此，间断角原理通常采用分相闭锁的 方法，采用间断角原理作为二次谐波“或”闭锁原 理的故障开放判据，可以保证变压器内部故障时差 动保护能快速动作。 间断角原理的变压器差动保护率先由我国于 60 年代提出并制成样机， 据此原理实现的模拟式保 护装置得到了广泛应用。但是用微机保护实现间断 角原理存在一些困难，原因是间断角原理要求装置 每周波采样点数在 72 点以上， 这对保护装置的硬件 要求非常高；另外，变压器区内故障 CT 饱和时故 障波形也会存在间断，可能造成差动保护拒动[10]。 随着电子式互感器研究的日趋成熟及智能变 电站的快速推进，智能变电站中已经广泛采用电子 式互感器获取电流及电压信号。采用常规互感器接 入方式时，保护装置直接接入电流互感器二次侧电 流，而采用电子式互感器接入方式时，在保护装置
门闭锁差动保护，这种方法有效解决了变压器空投 时差动保护误动的问题，但在空投变压器匝间故障 时，受非故障相励磁涌流的影响，差动保护可能延 迟动作甚至拒动[1-2]。 随着电子式互感器研究的日趋成熟及智能变 电站的快速推进，智能变电站中将广泛采用电子式 互感器获取电流及电压信号，本文利用电子式互感 器无 CT 饱和及采样率高（80 点/周）的特点[3-7]， 提出了二次谐波“或”闭锁原理加故障开放的励磁 涌流识别方法，可提高变压器内部故障时差动保护 的动作速度。
网络出版时间：2013-09-06 10:54 网络出版地址：/kcms/detail/41.1401.TM.20130906.1054.015.html
第 41 卷 第 18 期 2013 年 9 月 16 日
电力系统保护与控制
Power System Protection and Control
邓茂军，等
基于电子式互感器的变压器励磁涌流识别方法
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和互感器之间引入了采集器和合并器，电子式互感 器的采样环节如图 1 所示。 由于电子式互感器无 CT 饱和问题，模拟信号采集后经合并器输出的采样率 达到 80 点/周，因此，可以在微机保护中采用间断 角原理来识别变压器的励磁涌流。
图 1 电子式互感器采样环节的变化 Fig.1 Change of electronic transformer sampling link 图 2 变压器空投仿真分析 Fig. 2 Simulation analysis on transformer closed
Vol.41 No.18 Sep.16, 2013基于电子式互感器的变压器Fra bibliotek磁涌流识别方法
邓茂军，姚东晓，倪传坤，忽志敏
（许继电气公司技术中心，河南 许昌 461000） 摘要：随着电子式互感器研究的日趋成熟及智能变电站的快速推进，智能变电站已广泛采用电子式互感器获取电流及电压信 号。传统的变压器保护采用励磁涌流中的二次谐波含量区分励磁涌流和故障电流，从而对差动保护进行闭锁。但在空投或故 障切除后恢复供电时，变压器内部发生轻微匝间故障，受非故障相励磁涌流的影响，差动保护可能延迟动作甚至拒动。针对 上述原理的缺陷，提出了二次谐波“或”闭锁原理加故障开放的励磁涌流识别方法。试验结果表明，改进方案能明显提高变 压器内部故障时差动保护的动作速度。 关键词：变压器；差动保护；励磁涌流；故障开放；间断角；电子式互感器
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二次谐波闭锁方案的改进
3.1 基于 Matlab 的仿真分析 依据动模试验及现场出现的各种空投变压器 及空投故障变压器的波形， 采用 Matlab 对二次谐波 “或”闭锁和间断角两种原理进行了仿真分析，二 次谐波系数按 0.15 设定， 重点分析了各相差流的二 次谐波含量及间断角的开放状态。 仿真结果表明，空投变压器时，两种原理的变 压器差动保护都可靠不动作， 仿真波形如图 2 所示； 空投故障变压器时，受非故障相励磁涌流的影响， 二次谐波“或”闭锁原理的变压器差动保护可能延 迟动作，而间断角原理由于采用分相闭锁方式，变 压器差动保护都能快速动作， 仿真波形如图 3 所示。 3.2 改进后的涌流识别判据 间断角原理的变压器差动保护在模拟式保护 装置中得到了广泛应用， 但在微机保护中应用较少， 为了兼顾可靠性，将二次谐波和间断角原理组合使 用。因此，基于电子式互感器的变压器差动保护可 以采用间断角原理作为二次谐波“或”闭锁原理的 故障开放判据，改进后的励磁涌流判据如下： I d2 kxb2 I d1 （4）
Inrush current recognition in power transformer based on electronic transformer
DENG Mao-jun, YAO Dong-xiao, NI Chuan-kun, HU Zhi-min (Technology Center, XJ Electrical Company, Xuchang 461000, China) Abstract: With the maturity of the electronic transformer and advance of the intelligent substation, electronic transformers have been widely used in digital substation for current and voltage signal measurement. Based on the features of inrush current, the traditional transformer differential protection applies its secondary harmonics to distinguish inrush current from fault current to restrain the differential protection. However, if some of transformer faults occur, such as low percentage interturn faults, when a transformer is switched on or the power supply is restored after a fault, the differential protection may delay action even refuse to move. It is because the inrush current of non-fault phase restrained the differential protection. Regarding to the defect in principle, a new unblock criterion of inrush current secondary harmonic is proposed. The results show that the improved scheme can significantly improve the transformer differential protection operation in internal fault. Key words: transformer; differential protection; inrush current; unblock criterion; dead angle; electronic transformer 中图分类号： TM77； TM41 文献标识码：A 文章编号： 1674-3415(2013)18-0149-05