耿家建，刘世军，姬 帅，夏 辉

（1.山东临沂供电公司，山东 临沂276000；2.山东沂水供电公司，山东 沂水276400）

1 变压器励磁涌流

变压器的铁芯材料具有明显的非线性的励磁涌流特性，在变压器空载合闸时，变压器的铁芯磁通会不断增加，当铁芯磁通的大小超过变压器的饱和磁通限值时，变压器绕组的励磁电抗性会出现大幅度下跌，最终产生较大的励磁电流。当变压器的磁通进入到饱和状态之后，励磁电流迅速升高，最高可能达到变压器正常电流水平的数倍之多。目前的大型变压器在设计时，为了对成本进行控制，变压器在额定工作状况下基本已接近磁通饱和，因此，在变压器空载合闸时很容易达到磁通饱和，而产生较大的励磁涌流［1］。变压器励磁涌流的大小主要受到变压器容量、铁芯结构等多个因素的影响，因此具有较大的分散性。在这种条件下，如何对励磁涌流进行有效的鉴别成为了变压器差动保护的关键内容。

变压器的励磁涌流拥有多个分量，而且含有大量的二次谐波，并且存在明显的间断角。目前最常用的励磁涌流鉴别方法包括二次谐波制动法、间断角闭锁法等。同时，随着该领域相关研究的不断深入和发展，引入了人工神经网络、模糊理论等方法对励磁涌流进行鉴别。但是为了保证鉴别的准确率，仍然主要采用运行经验相对丰富的二次谐波制动法和间断角闭锁法。

2 励磁涌流对变压器差动保护的影响

导致变压器差动保护出现不平衡电流的原因是多方面的，其中变压器空载合闸状态以及外部故障切除后恢复正常供电时所产生的励磁涌流是导致变压器差动保护出现不平衡电流的最主要因素。变压器所产生的励磁电流大小往往能够达到变压器额定电流大小的数十倍，励磁电流由变压器的电源侧流过，负荷侧由于并无开路电流，励磁涌流将流入差动回路，如果差动保护无法成功躲过励磁涌流，就会引起变压器的差动保护误动作。

在变压器差动保护采用二次或更高次谐波制动的条件下，当发生由于超高压远距离输电线路或者超高压电缆对地电容以及大容量无功补偿电容引起的内部短路时，如果电流互感器饱和而引起短路电流波形畸变，短路电流中就会产生接近二次或四次的谐波电流。此时，变压器的涌流元件会将短路电流误判为励磁涌流，这种错误判断会引起变压器差动保护拒动或者保护动作延迟，导致变压器严重损坏。另外，如果已经发生内部故障的变压器空载投入时，差动保护会对励磁涌流制动，这也会引起差动保护的延迟动作。

3 解决方法

变压器正常运行时所产生的励磁涌流电流数值非常小，可以利用限值躲过，但是在变压器空载合闸以及切除外部故障后，恢复正常电压时所产生的励磁涌流电流数值非常大，利用限值无法躲过。为了避免励磁涌流影响变压器差动保护的正常动作，有必要对变压器的差动保护进行改进，实现励磁涌流与内部故障电流的有效区分。当变压器产生励磁涌流时，差动保护闭锁，采取谐波进行制动。变压器的励磁涌流具体数值通常会受到多种因素的影响，具有非常明显的非线性畸变，远远偏离电压的正线特征，且其中偶次谐波含量远远超过奇次谐波，针对此特点，采用二次谐波制动方法保证变压器差动保护的可靠动作［3］：

变压器差动保护在采用二次谐波制动时，谐波比通常在0.15～0.20之间，这使得励磁涌流和变压器内部短路电流可以很好地区分，但是还面临以下几方面的问题：

（1）采用Y／Δ形式界限的三相变压器，经常会出现“对称性”谐波。由于Yn侧的CT二次电流向变压器差动回路流动的是两相电流之差以及“助增电流”的存在，容易导致与差流产生近似对称，这种对称的特性非常接近“奇对称”，其中所存在的偶次谐波较低。在这种条件下，如果采用分相制动的方式则可能导致变压器差动保护误动作。

（2）在外部存在长线分布及无功补偿电容时，变压器如果发生内部短路故障，因为短路引起的谐振就可能产生多种谐波分量。其中，如果二次谐波分量达到一定限值时，变压器的差动保护被强制制动，在二次谐波衰减到一定程度时，保护才会放开，这一过程通常持续0.1～0.2 s，会导致变压器差动保护装置延迟动作。

针对传统方法中存在的缺陷，为了保证差动保护的可靠动作，需要分析常规的二次谐波制动方案。

3.1 单相制动单相方案

将公式（1）分别在A、B、C三相上运用，如果其中任何一相的二次谐波含量超过限值，则对该相进行差动保护闭锁；否则放开保护。

在发生励磁涌流时，合闸角与剩磁之间的差异性会引起各相谐波的含量出现不平衡。从实际情况来看，励磁发生过程中会出现某项二次谐波含量低于7%的情况，此时，如果采用单相制动方案就会引起变压器差动保护误动作的情况。

3.2 单相制动三相方案

将公式（1）分别运用在A、B、C相上，当其中任意一相的二次谐波含量超过限值时，则同时闭锁三相差动保护；当三相的二次谐波含量均低于限值时，放开保护。

在变压器空投于区内故障时，会产生其中某相二次谐波高于限值的情况，此时同时闭锁三相差动保护；随着故障持续时间的延长，该相二次谐波含量会逐渐下降，当二次谐波含量下降到限值水平以下，保护被放开，才能进行正常保护动作，但是这个过程会导致差动保护动作的延迟。在实际应用该方案的过程中，可以通过判断三相中的两相二次谐波含量都超过限值时才闭锁差动保护，这样可以有效提高方案的可靠性，但是灵敏度会受到一定程度的影响。

3.3 平均二次谐波方案

对公式（1）进行改进，可以得到如下公式：

改进之后的公式利用三相平均二次谐波进行制动，即取三相二次谐波的平均值与谐波制动的限值进行比较。如果二次谐波平均值超过限制，则制动保护；否则放开保护，该方案具有较高的可靠性。但是由于只考虑了二次谐波与基波比值的平均值，难以准确反映出各相谐波的实际情况，仍然存在较大的局限性。当变压器空投于区内单相接地故障时，如果非接地相产生了较大的二次谐波，就可能导致三相二次谐波平均值超过限值，导致差动保护闭锁。

3.4 二次谐波自适应制动涌流方案

（1）利用平均谐波量的单相制动方式

不同的二次谐波制动方式所取得的制动效果存在一定的差异性。根据前文的分析，本文提出了一种利用三相平均谐波含量结合励磁涌流直流分量衰减自适应调节二次谐波的单向制动方式。目前的二次谐波制动方式，通常在制动可靠性与灵敏度方面存在矛盾，难以找到一种相对平衡的方法，因此，需要对当前的二次谐波制动方案进行改进。

在励磁涌流过程中，A、B、C三相的二次谐波含量存在一定的差异，但是必然存在最大值。将各相的二次谐波值相加，计算出二次谐波的平均值：

然后比较二次谐波的平均值与各相基波值，如果二次谐波平均值超过某相限值则放开保护，否则闭锁保护，判断公式如下：

通过利用二次谐波平均值进行比较，可以在变压器发生故障时，非故障相二次谐波过高的情况下保证变压器差动保护动作的可靠性，并进一步提高保护动作的灵敏度。而如果出现某相二次谐波含量过小的情况，也可以利用平均值对差动保护实现有效保护，确保变压器差动保护的可靠性。

（2）二次谐波制动系数的自适应

在变压器发生故障时，励磁涌流的直流分量会随着时间的延长不断衰减，根据励磁涌流直流分量的这一特性，可以将一个周波的电流分为正、负两个半周，使得：

式中，k代表当前采样点，N表示一个周波采样点的数量。

可以得到反映出直流衰减情况的具体系数：

根据二次谐波直流分量的衰减系数对二次谐波含量设置制动条件，从而保证变压器差动保护的可靠性：当直流分量衰减系数小于限值时，制动降低二次谐波含量，避免发生故障时变压器差动保护发生闭锁；而当直流分量衰减系数超过限值时，制动增加二次谐波的含量，避免过小的二次谐波造成变压器差动保护误动作。具体公式如下：

式中，k2nd_set表示二次谐波的限值；k1表示二次谐波限值的自适应系数；kdc_set表示衰减直流的内部限值。

4 结 论

本文通过对常用二次谐波制动方式的分析，提出了一种利用各相二次谐波含量平均值结合励磁涌流直流分量自适应调节二次谐波含量的单相制动方式。该方式可以根据励磁涌流直流分量的大小对二次谐波进行自动调节，有效提高了变压器差动保护动作的可靠性。

［1］ 贺家李.电力系统继电保护原理［M］.北京：中国电力出版社，2010.

［2］ 李 晨.南京20 k V配电试点项目的经济性分析［J］.供用电，2008，25（5）：21-22.

［3］ 戴绍勇.浅谈主变差动保护的两种相位补偿方式［J］.电力系统保护与控制，2008，36（20）：72-74.