变压器是电力系统的重要设备之一，其安全稳定运行直接影响着供电的安全性和可靠性。差动保护作为变压器的主保护之一，主要反映变压器内部及引线发生的相间或匝间短路故障。但变压器本质上是一个非线性元件，存在不平衡电流，使得作为变压器主保护的差动保护不满足基尔霍夫定律，易出现保护误动。变压器空载运行时，励磁电流较小，通常小于额定电流的 10%，空投变压器后，由于受剩磁、合闸角随机性的影响，铁心磁通饱和，从而产生较大的励磁涌流。近年来，因空投变压器导致保护误动的事故经常发生，产生的励磁涌流会引起母线电压出现非对称性波动，导致相邻变压器产生和应涌流，在外部故障切除后，变压器仍会由于恢复性涌流发生保护误动。因此，对导致变压器差动误动的涌流问题进行深入的分析研究，防止差动保护误动，具有十分重要的意义。

变压器差动保护基于基尔霍夫电流定律，将变压器作为一个电流节点，把流入该节点的所有电流以差接法分别接入差动保护装置，各侧电流矢量和作为差动保护的启动量。当差额大于设定值时保护动作，保护动作瞬时作用于跳闸。差动保护分为横差保护和纵差保护，横差保护防御的是匝间故障（绕组匝间短路或分支开焊等），纵差保护防御的是接地故障、相间故障（接地或不接地的相间短路）^[1]。

以四方继保主变压器保护装置 CSC-316M 为例，其一相差动保护交流接入回路示意图如图 1所示。该保护装置具有差动电流速断保护、比率差动保护、励磁涌流鉴别、过激磁鉴别、TA 二次回路断线/异常检测、TA 饱和检测等功能。该装置励磁涌流判别方法有 2种： 一是采用三相差流中二次谐波与基波的比值作为励磁涌流的闭锁判据； 二是模糊识别闭锁原理，取一个隶度函数 A[X（K）]，综合半周信息，求得模糊贴近度 N，取门槛值 K（内部固定），当 N>K 时，判定为故障； 当 N<K 时，判定为励磁涌流。

图1(Figure 1)

图 1 一相差动保护交流接入回路示意图

励磁涌流是由变压器铁心磁通饱和引起的，且受变压器容量和二次负荷影响，在空投变压器的情况下，变压器涌流最为严重。空投变压器时电压和磁通波形图如图 2 所示。从图 2 可以看出，在稳态情况下，铁心磁通Φ与外加电压存在 90°的相位差，若在电压瞬时值 u=0时瞬间合闸，铁心磁通将出现一个非周期分量的磁通+Φ_m，经过半个周期后，铁心磁通将达 2Φ_m+Φ_r，其幅值为红色曲线峰值，造成变压器铁心严重饱和，其中Φr为剩磁。图 3为变压器铁心磁化曲线和励磁涌流变化曲线。从图 3a可以看出，磁通量与电流为线性关系； 由图 3b可知，此时变压器的励磁电流的数值将达到额定电流的10倍，形成励磁涌流。

图2(Figure 2)

图 2 空投变压器时电压和磁通波形图

图3(Figure 3)

图 3 变压器铁心磁化曲线和励磁涌流曲线

励磁涌流的产生以及大小主要受变压器铁心剩磁大小和方向、合闸初相角的影响，其最大峰值、最小断角、最小二次谐波分量以及非周期分量对差动保护具有重要影响，励磁涌流主要特点如下。

（1）励磁涌流包含大量非周期和高次谐波分量，高次谐波以 2次和 5次为主，波形向时间轴的一侧偏移。

（2）励磁涌流的波形出现间断角，涌流越大，间断角越小； 励磁涌流含有明显的非周期分量，间断角越小，非周期分量越大。

（3）励磁涌流的衰减速度比短路慢，且与变压器容量、饱和深度和电抗有关。

多台变压器并联或串联运行时，若投运 1台变压器会导致同一母线运行的变压器误动切除，这种现象即为和应涌流。和应涌流的产生与多种因素有关，剩磁、合闸初相角和铁心材料均会影响合应涌流的大小。合应涌流产生的根本原因为变压器合闸时产生励磁涌流，使母线电压发生偏移，合应涌流在励磁涌流非周期分量和直流分量的共同作用下产生^[2]。变压器由不饱和向饱和过渡时，合应涌流逐步增大，当产生的差动电流超过保护定值时，差动保护动作^{[3, 4]}。

励磁涌流与和应涌流密切相关，但又有所区别。和应涌流在励磁涌流出现后产生，和应涌流很快达到最大值，随后逐渐衰减； 和应涌流与励磁涌流方向相反； 合应涌流的大小和励磁涌流相关，且反向交替产生^[5]。

恢复性涌流是随着变压器外部故障的切除、变压器铁心可能会发生饱和而产生的。由于负荷电流对变压器铁心磁链的影响，恢复性涌流与常见空载合闸励磁涌流有所区别。相比励磁涌流，恢复性涌流峰值较小，一般不会启动差动保护； 恢复性涌流二次谐波含量偏高，但会影响保护的速动性，在闭锁期间无法反映其他故障。影响恢复性涌流的因素主要有故障发生的严重程度及距离、故障发生和切除时电势的相位角以及变压器的接线方式。

（1）在正常运行和区外故障的理想状态下，流入变压器差动保护的差动电流为 0，保护不动作。但由于变压器存在磁耦合，当发生故障时，可能会产生较大的不平衡电流，差动保护误动的可能性大。正常运行时变压器工作在线性区域，铁心未饱和，励磁电流非常小，几乎没有差流； 而在暂态过渡过程中，铁心易饱和进而产生较大的励磁涌流（几倍至十几倍额定电流），引起差动保护误动。

（2）和应涌流中非周期分量衰减缓慢，易引起 TA的暂态饱和，导致变压器的差动保护在空投变压器合闸较长时间后误动作。此外，和应涌流衰减较慢也会影响变压器的过流保护，零序电流长时间增大，易造成变压器零序电流保护误动。

（3）恢复性涌流本身不会引起差动保护误动，但由于非周期分量的影响，变压器各侧TA的暂态特性不一致，会产生差流，这是区外故障切除后变压器差动保护误动的主要原因。

加装励磁涌流抑制器能够有效抑制励磁涌流的产生。根据磁链守恒定理可知，变压器任一侧绕组在感应到外部施加的电压急剧增大时，其在磁路中将会产生单极性的偏磁，当偏磁的偏极性和变压器原有的剩磁极性同步时，可能会因为磁通叠加使得磁路饱和，导致变压器绕组的励磁电抗大幅度降低，进而触发数值较大的励磁涌流，这是产生励磁涌流的根源所在。通过对外部施加电压合闸相位角进行选择和控制，可以调节偏磁的极性及数值。因此通过记录变压器断电时磁路中的剩磁极性，调节控制变压器空投时电源的电压相位角，将偏磁和剩磁极性调整相反，使其效果抵消，能够避免磁路饱和，抑制励磁涌流的产生。

分析和应涌流和恢复性涌流所导致的误动情况可知，由于非周期分量衰减时间持续较长，导致变压器在拐点之前就使得差动保护误动，因此可以通过一些控制方法进行改进，具体方法如下。

（1）将保护的拐点电流提前，适当提高变压器差动保护的启动值。

（2）当主变压器处于空载合闸时，应将变压器分到不同的母线进行启动，减少电压耦合的概率，消除涌流产生的可能性。

（3）在保护装置中增加反时限电流差动保护、角差闭锁等小工频电流非周期分量衰减较慢引起电流互感器局部暂态饱和的判据。

（4）更换电流互感器，采用抗饱和能力强的 TPY级电流互感器。

通过对变压器差动保护原理和引起差动保护误动的涌流问题进行深入的分析，讨论了各种涌流的产生机理、相互关联以及对差动保护的影响，并提出了涌流抑制方法，为正确认识变压器涌流危害、抑制变压器涌流的产生提供参考。