2023, Vol. 41
随着变压器的容量不断增加，同时带来了设备安全隐患问题，如低压侧额定电流很大时，短路电流水平也会增大，会对变压器造成严重损害。为了尽可能减小由于低压侧发生故障所产生的短路电流，对于普通变压器一般会在其低压位置配置限流电抗器。但是，若限流电抗器与变压器低压绕组之间发生故障，也容易引起很大的短路电流，导致变压器绕组受到短路电流的直接冲击[1]。对此，多采用高阻抗、高导磁性硅钢材料变压器，本文对该类型变压器在运行过程中出现的励磁涌流衰减缓慢、空载充电时易引发保护误动等问题进行分析，并提出解决方案。
1 事故概况某220 kV变电站采用SFSZ11-240000/220型三绕组有载调压变压器，基本参数如表 1所示，该变压器为高阻抗变压器。
| 表 1 主变压器基本参数 Table 1 Basic parameters of main transformer |
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事故时主接线如图 1所示。在对3号主变压器由热备用转运行时，空载合闸203断路器，3号主变压器PCS-978T2型保护装置高压侧复压过流Ⅰ段1时限保护动作，134断路器跳闸，2时限保护动作，跳103断路器（103断路器热备用），3号主变压器CSC-326T2保护装置未动作。
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| 图 1 3号、4号主变压器一次主接线图 Figure 1 Primary wiring diagram of NO.3 and NO.4 main transformer |
分析3号主变压器PCS-978T2保护装置高压侧电流波形（见图 2），发现在空载合闸203断路器后，3号主变压器高压侧出现很大电流。该电流包含大量的非周期分量，波形明显偏向时间轴一侧，且波形存在间断角，电流随时间衰减很慢；同时发现含有很大的谐波分量，主要以二次谐波为主，完全符合励磁涌流的特点[2]。从录波图中可以看出，三相差动电流均达到差动保护定值（见图 3），但由于差动保护定值采用二次谐波制动原理（谐波制动系数0.15），三相二次谐波含量始终高于闭锁定值，因此差动保护被闭锁未动作。
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| 图 2 PCS-978T2保护装置高压侧励磁涌流电流波形 Figure 2 Excitation inrush current waveform of PCS-978 protection device at high voltage side |
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| 图 3 PCS-978T2保护装置差动电流波形 Figure 3 Differential current waveform of PCS-978 protection device |
由于复压闭锁过流保护中有低电压与负序电压闭锁逻辑，因此对两套保护装置高、中、低电压与过流保护闭锁逻辑进行检查与校验。
现场检查3号主变压器PCS-978T2保护装置高、中、低三侧电压软压板均投入。调取该保护装置录波如图 4所示，发现220 kV侧L1、L2、L3相电压基本正常；110 kV侧103断路器为热备用状态，但110 kV Ⅲ、Ⅳ号母线并列运行（134母联断路器处于合位），110 kV Ⅲ号母线通过4号主变压器带电，保护装置电压正常（不满足低电压定值60 V、负序电压4 V开放条件）；而10 kV侧903断路器为热备用状态，10 kV Ⅲ号母线无压，且保护装置未报电压互感器（TV）断线（TV断线判据为正序电压低于30 V且任一相电流大于0.04Ie，其中Ie为额定电流），满足复压开放条件，高压侧复压闭锁过流保护的电压判据为高中低三侧电压取或的关系，即任一侧电压开放，解除闭锁。
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| 图 4 主变压器保护装置高压侧电流波形 Figure 4 High voltage side current waveform of main transformation protection device |
故障发生0 ms时，主变压器高压侧L1相电流为0.41 A，L2相电流为0.35 A，L3相电流为0.024 A。到2400 ms L1相电流衰减为0.29 A，L2相电流0.115 A，L3相电流0.087 A。主变压器L1相电流满足高复流Ⅰ段1时限动作条件，跳中压侧母联断路器。到2700 ms 3号主变压器高压侧L1相电流衰减为0.27 A，复流Ⅰ段2时限动作；到3000 ms L1相电流衰减为0.248 A，低于保护定值，因此高复流Ⅰ段3时限不动作。保护定值见表 2。
| 表 2 主变压器保护定值1） Table 2 Main transformer protection setting |
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现场检查3号主变压器CSC-326T2保护装置高中低三侧电压软压板均投入。调取该保护装置录波波形（见图 4），同样220 kV侧L1、L2、L3相电压基本正常；110 kV侧103断路器为热备用状态，保护装置电压正常；10 kV侧903断路器为热备用状态，10 kV Ⅲ号母线无压，且保护装置报TV断线（TV断线判据为正序电压低于30 V），退出低压侧复压元件。高压侧复压闭锁过流保护闭锁，该保护未动作，120 ms终止录波。
2.4 两套保护装置逻辑区别在空载合上3号主变压器203断路器时，3号主变压器产生较大的励磁涌流且衰减时间较长。达到主变压器高复流Ⅰ段保护定值和时限，保护动作，跳开134母联断路器。两套主变压器保护的高压侧复压过流Ⅰ段保护均判三侧电压，为或逻辑。因两套保护低压侧TV断线判别逻辑存在区别，PCS-978保护TV断线必须满足正序电压低于30 V，且任一相电流大于0.04 Ie。现场运行情况为低压侧无压无流，不符合TV断线逻辑，因此低压侧复合电压元件开放高复流Ⅰ段保护；而CSC-326保护中低压侧TV断线仅需满足正序电压低于30 V，所以保护报TV断线，退出复压元件。高、中压电压正常，闭锁高复流Ⅰ段保护。
3 解决措施 3.1 理论分析变压器空载合闸时，会产生与合闸时电压初相角以及变压器特性有关的励磁涌流，在最不利的情况下，励磁涌流可以达到额定电流的8~10倍，可能导致变压器保护装置误动。决定励磁涌流大小的主要因素是合闸时点电压初相角α。当α=0°时，合闸磁通立即达到稳定值，此时不产生励磁涌流；当α=90°时，合闸磁通达到最大值，同时励磁涌流达到最大值。
3.1.1 电压幅值对励磁涌流的影响变压器铁心在较高电压下空载合闸，会出现过激磁与励磁涌流的叠加，从而大幅提高励磁涌流的幅值，某变压器不同电压下励磁涌流值见表 3。
| 表 3 变压器不同电压下励磁涌流值 Table 3 Comparison of different inrush current values of the transformer |
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由表 3数据可以看出，电压增高5%，励磁涌流起始峰值增加14.5%。因此，除了变压器新投运时进行的空载合闸试验，运行中进行变压器空载合闸时可以考虑通过降低电压值来减小励磁涌流的影响，例如调整电源侧变压器的分接开关。
3.1.2 频率对励磁涌流的影响合闸时通过变压器铁心的主磁通计算见公式
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(1) |
式中：ϕm为通过变压器铁心的主磁通；U1为电源电压；N1为变压器原边绕组匝数。
可以看出，频率低和电压高一样，也会产生过激磁问题，但实际上电力系统中频率的变化很小，可忽略不计。
3.1.3 阻抗对励磁涌流的影响励磁涌流衰减的时间常数计算见公式（2）：
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(2) |
式中：τ为励磁涌流衰减的时间常数；L为回路等效电感；R为回路等效电阻。
可以看出，变压器一次绕组阻抗与涌流的衰减速度有关，变压器绕组的电阻值越大，励磁涌流衰减越快。另外，根据欧姆定律可知电阻的大小能够起到限制涌流的作用，变压器绕组直流电阻越大，涌流幅值越小。在实际运行中，还要注意阻抗值不仅包括变压器绕组，还包括外部系统。
3.2 实际运行分析鉴于高阻抗变压器主变压器铁心为高导磁性硅钢材料，励磁涌流衰减时间较长，主变压器空载充电时，励磁涌流比常规低阻抗变压器大，对此提出以下改进方案。
3.2.1 定值整定阶段由于变压器结构参数不能改动，因此采用增大后备保护定值的方式。高压侧后备复压过流保护的动作电流定值采取躲过变压器额定电流的整定原则，即取主变压器额定电流的1.3倍，则电流元件的动作值Iset为：
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式中：Ir为变压器220 kV侧额定电流，取值630 A；n为变压器高压侧电流互感器变比，为1200/1。
经计算，Iset=0.68。
此时，当主变压器高压侧复压过流保护作为低压侧的远后备保护时，对其灵敏度进行校验可由公式（3）计算得出：
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(3) |
式中：Ksen为灵敏度；IK min为10 kV侧发生短路时的最小短路电流，查阅系统运行数据经折算后二次电流为0.6 A。
经计算，Ksen＝0.6÷0.68≈0.9≤1.3。
计算结果表明：220 kV侧复压过流保护在10 kV侧发生短路故障时灵敏度不够。但是，在启动时10 kV侧负荷不是很大的情况下，暂时可以通过升高保护定值、牺牲灵敏度的方法来解决。本文方法是将电流定值升高到能躲过最大励磁涌流值，缺点是灵敏度仍不能满足要求。按照《大型发电机变压器继电保护整定计算导则》中“当电流、电压保护不能满足灵敏度的要求或根据网络保护间配合的要求变压器的相间故障后备保护可采用阻抗保护”，可在空载充电阶段临时调整高压侧后备保护定值，正常投运后再恢复原有保护定值[3-4]。在空载充电主变压器时临时修改保护定值，包括主变压器后备保护定值及空载充电时开关保护的过流及零序保护定值，同时要防止保护定值过高导致上一级线路的零序过流保护误动作。
3.2.2 基建阶段变压器绕组直流电阻试验是例行试验中必不可少的项目，由于铁磁材料的磁滞特性，直流电阻试验将在变压器铁心中残留剩磁。一般来说，直流电阻试验所加电流越大、加电流时间越长，剩磁量越大。由于剩磁的存在，当变压器投入运行时铁心剩磁使变压器铁心半周饱和，在励磁电流中产生大量谐波，形成涌流[5-6]，常见变压器消磁方法有以下几种。
（1）直流消磁法，又称反向冲击法，是在变压器高压绕组两端正向、反向分别通入直流电流，并不断减小，以缩小铁心的磁滞回环，达到消磁目的，通常冲击4—6次可以达到消磁效果。不足之处是充电时间较长，可能会影响现场工作进度。
（2）交流消磁法，即在变压器低压侧L1L2、L2L3、L3L1相之间同时施加可调的交流电压，这种方法的接线类似于变压器的空载试验，通过调压器将电压升至低压侧额定电压的30%，保持5 min后将电压缓慢平稳降至零，重复操作3—5次，可以达到降低励磁涌流的目的。该方法的不足之处是大型变压器电流达不到要求，现场无法测试。
（3）采用消磁仪，通过交直型消磁法，只在低压侧进行直流消磁，并配合变压器低压侧空载试验，既可以消磁，又能测量空载试验数据。
3.2.3 投运阶段文献[7]指出涌流间的相互作用对励磁涌流衰减速度的影响较为显著。和应涌流是当电网中空投1台变压器时，在相邻的并联或级联运行变压器中产生的。和应涌流在合闸变压器涌流持续一段时间后产生，该涌流波形特征不明显且持续时间很长，容易导致变压器的涌流闭锁环节失效，造成运行变压器保护误动作。本次故障高阻抗变压器由于自身参数的特点使得励磁涌流的衰减更加缓慢。空投变压器时，运行变压器的中性点暂时不接地，使得空投变压器和运行变压器的零序回路断开，铁心饱和程度轻，和应涌流较小，因此涌流间的相互作用减弱，导致励磁涌流衰减速度加快，从而有利于主变压器空载充电时躲过励磁涌流[7]。
3.2.4 设计阶段由于高阻抗变压器运行成本高（主要是运行损耗大），可采用将快速开关并联电抗器加装在运行变压器上的方法来限制故障短路电流，从根本上解决高阻抗变压器的该缺点。如图 5所示，快速开关并联电抗器主要由快速开关、限流电抗器、高保真电流采样器等组成。正常工作时，电抗器被快速开关短接，变压器零损耗运行[8-10]。短路故障发生时，快速开关可在5 ms迅速断开，将限流电抗器接入系统，提高变压器阻抗，限制短路电流，实现阻抗的自调节。除此之外，也可加装涌流抑制器或选相合闸装置，减小励磁涌流的幅值和持续时间。
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| 图 5 快速开关并联电抗器结构图 Figure 5 Structure diagram of fast switching shunt reactor |
在基建工程新投主变压器启动过程中，变压器空载合闸瞬间，难免会产生很大的励磁涌流，往往会导致主变压器保护发生误动作。本文通过对一起220 kV主变压器在空载充电启动过程中发生继电保护误动事件进行原因分析，并针对变压器空载充电时产生励磁涌流大的问题提出解决措施。需要注意的是，文中采取的暂时升高电流保护定值、牺牲灵敏度的方法，仅限于在10 kV侧负荷不是很大的情况下使用。随着负荷的增加，10 kV侧故障引发主变压器受损的风险也将增大。主变压器在空载合闸时的励磁涌流引发继电保护误动作问题，尤其是在高阻抗变压器中更为突出，因此，仍需不断进行分析总结，找到合适的解决方案。
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