变压器和应涌流现象分析及对策研究

龙源期刊网变压器和应涌流现象分析及对策研究作者：李家坤周海波汪锋来源：《安徽理工大学学报·自然科学版》2010年第02期摘要:在变压器等值电路的基础上,从磁通变化的角度出发,分析了和应涌流的产生机理;然后深入研究了变压器和应涌流变化特点、影响因素,讨论了和应涌流对变压器和发电机保护的不良影响,提出了相应的防范措施。关键词:变压器;励磁涌流;和应涌流;发电机;差动保护;防范措施中图分类号:TM41文献标识码:A文章编号:1672-1098(2010)02-0038-04ResearchonCountermeasuresandAnalysisofSympatheticInrushinOperatingTransformersLIJia--(1.CollegeofElectricEngineering,WuhanUniversity,WuhanHubei430072,China;2.ChangjiangEngineeringVocationalCollege,WuhanHubei430212,China)Abstract:Intransformerequivalentcircuit,theprincipleofsympatheticinrushwasanalyzedbasedonmagneticfluxchanges.Mechanismofsympatheticinrushoccurrencewasanalyzed.Characteristicsofsympatheticinrushchangesanditsinfluencingfactorswerestudied.Adverseinfluenceofsympatheticinrushontransformerandgeneratorprotectionwasdiscussed.Countermeasurestosympatheticinrushwereproposed.Keywords:transformer;sympatheticinrush;magnetizinginrush;generator;differentialprotectioncountermeasure变压器是电力系统中极其重要的电气设备,其运行状态直接关系到电力系统能否稳定、连续、高效地工作。长期以来差动保护一直是变压器保护中的主保护。变压器在投运过程中会产生励磁涌流,国内外学者对励磁涌流的产生机理及其对变压器保护的影响进行了大量的研究,提出了很多防止涌流引起差动保护误动的方法。近年来出现了多起空投变压器导致相邻变压器或发电机差动保护和后备保护误动的现象,该现象与变压器的和应涌流有关,和应涌流问题越来越引起继电保护界的关注。龙源期刊网本文分析了并联和串联变压器和应涌流的产生机理、变化特点以及影响因素,讨论了和应涌流对继电保护的影响,提出了应对措施。1和应涌流的产生机理当变压器空载投入或外部故障切除后电压恢复时,一旦铁芯饱和后,相对导磁率接近于1,励磁阻抗减小,则出现数值很大的励磁电流即励磁涌流。其数值可达额定电流6～8倍以上,此电流可能引起保护误动作。当发电厂或变电所内母线上连接两台或两台以上的变压器时,如果一台变压器进行空载合闸,在变压器绕组中将出现励磁涌流,与此同时,在另外一台并联或级联运行的中性点接地变压器绕组中也将出现浪涌电流,称作为和应涌流。和应涌流产生的本质原因是由于合闸变压器励磁涌流流过系统电阻使得变压器工作母线电压降低,使铁芯饱和所致。下面以两台单相变压器并联和级联为例说明和应涌流的产生过程。1.1并联变压器和应涌流的产生过程两台双绕组变压器并联,等值电路如图1所示。图1并联运行变压器等值电路图1中变压器已正常运行,变压器空载投入,当开关QF合闸时,变压器中会产生励磁涌流偏向于时间轴的一侧,含有大量的非周期分量,非周期分量电流通过系统电阻造成的电压降使得变压器、的母线电压产生直流偏移,由于变压器的磁通是加载在变压器上的电压的积分的新增磁通将随着母线电压的偏移而向一侧偏移发展,此偏移磁通叠加周期磁通分量将导致铁芯在偏移一侧饱和,使产生和应涌流。具体过程如下:根据楞次定律-及电源电压的对称性可以得到变压器、与周期磁通变化量为----即龙源期刊网在和应涌流产生的初期,设变压器已处于稳态运行,则中的电流不含直流分量,而中的电流为空载合闸励磁涌流,含有很大的直流分量,假设为正值,则与均为负,多个周期磁链都在向负方向偏移,其结果是使得磁链中的非周期分量反方向增加,并逐渐达到饱和点。同时在的作用下,变压器中的磁链在逐渐减小,从而使得的幅值逐渐减小。经过一段时间之后进入饱和后产生涌流,即和应涌流。1.2级联变压器和应涌流两台变压器级联,当正在空载运行空投时,其等效电路如图2所示。图2级联运行变压器等值电路发生级联和应涌流时,两台变压器的磁通变化形式与并联和应涌流时相同。事实上,变压器的和应涌流不仅发生在两台变压器之间,只要变压器附近有其他铁芯元件充电时,就有可能引起该变压器产生和应涌流现象。和应涌流的产生不仅取决于变压器是否空载,还与变压器中性点是否接地有关。中性点不接地时,将只产生励磁涌流,不产生和应涌流。2和应涌流的特点(1)和应涌流在空载合闸变压器产生的初始涌流之后的一段时间才出现,并由小到大,再逐渐衰减;和应涌流的大小与励磁涌流的大小有关。(2)和应涌流与初始涌流偏向于不同的时间轴侧且交替出现。(3)和应涌流的出现使得初始涌流衰减变慢,持续时间加长。(4)和应涌流最大值小于初始涌流的最大值。(5)当空载合闸变压器励磁涌流处于峰值附近时,母线电压的瞬时值较低,此时不产生和应涌流;当励磁涌流处于间断期间,母线电压瞬时值较高,运行变压器在母线电压的直流分量和高电压的共同作用下,将产生和应涌流。3影响和应涌流的各种因素龙源期刊网(1)系统电阻的影响系统电阻对和应涌流的产生和衰减都有影响,影响的大小取决于系统电阻与变压器电阻的比值,比值越大,越容易产生和应涌流,且衰减也越慢。(2)线路阻抗的影响当系统与变压器之间的线路较短,阻抗较小时,不利于和应涌流的产生。若系统与变压器之间的线路较长,阻抗较大时,有利于和应涌流的产生。但线路较长阻抗较大,线路压降较大,致使变压器一次侧电压降低,变压器磁链的稳态分量减小,工作点远离饱和区,将会降低和应涌流的大小,起始涌流也将降低。(3)空投变压器不同剩磁的影响空投变压器的剩磁越大,合闸励磁涌流将越大,同时和应涌流也将越大,和应涌流出现且达到最大值的速度也越快。(4)变压器中性点运行方式的影响运行变压器中性点经间隙接地时,空投变压器和运行变压器的零序回路断开,铁芯饱和程度轻,和应涌流较小。如果两台变压器中性点都接地,即和应涌流能够通过中性点构成零序回路,和应涌流将会较大。4和应涌流的影响(1)对变压器差动保护的影响变压器的励磁涌流只流入变压器接通电源一侧的绕组,对差动保护回路而言,励磁涌流的存在就相当于变压器内部故障时的短路电流。因此必须采取措施防止励磁涌流引起保护误动。在实际应用中主要利用二次谐波制动判据、间断角原理判据和波形对称判据来闭锁差动保护。和应涌流中的非周期分量衰减非常缓慢,非周期分量的长期作用容易引起电流互感器的暂态饱和,使两侧电流产生相位差,形成差流,导致保护误动。另外,与励磁涌流不同,和应涌流中的二次谐波成分不是在和应涌流最大时最大,而是伴随着和应涌流的衰减而增大,在一定的条件下,系统中的基波分量可能大于差动保护的整定值,而二次谐波分量可能小于某一值。所以采用二次谐波制动的保护是不能防止和应涌流造成误动的。对于采用二次谐波制动的变压器差保护,并联和应涌流与级联和应涌流的危害程度不同。当发生并联和应涌流时,和应涌流只流过运行变压器的一次绕组,尽管电流互感器发生暂态饱和,系统中的二次谐波含量也较大,闭锁判据容易满足,危害较小。但对于级联和应涌流,由于运行变压器的一次绕组流过的是和应涌流与起始涌流之和,而二次绕组流过的是空投变压器的起始涌流,当两侧的电流互感器传递特性相同时,两侧的差流就是和应涌流;而当涌流中直流分量衰减使电流互感器发生暂态饱和时,两侧电流产生相位差,形成差流,但由于和应涌流与起始涌流是间隔半个周期交替出现的,产生的差流趋于对称,其中二次谐波的含量将比只有和应涌流时低得多,更易造成差动保护的误动。龙源期刊网(2)对变压器电流保护的影响目前,很多电流保护均带有二次谐波闭锁功能,以防止励磁涌流导致电流保护误动。过流保护(Ⅲ段)电流整定值按躲过最大负荷电流整定,时间定值按逐级配合整定,靠时间躲过励磁涌流。这些措施仅对单台变压器的励磁涌流有制动作用,对有和应涌流的情况将无效。当和应涌流出现时,供电线路电流对称起来,直流分量与偶次谐波消失;第二次谐波闭锁功能的电流保护其谐波闭锁功能在涌流的起始阶段能起制动作用,随着和应涌流的增大,将失去作用。由于和应涌流衰减速度很慢,可能持续数分钟,因此靠时间元件难以躲过和应涌流。和应涌流的大小取决于励磁涌流的大小,而励磁涌流最大值在变压器额定电流的6～10倍之间。对电流保持的主保护(电流Ⅰ、Ⅱ段)可通过电流定值躲过和应涌流,但对过流保护(Ⅲ段)已难以通过电流定值来躲过和应涌流-。综上所述,由于靠二次谐波制动、时间定值、电流定值均难以躲过和应涌流,故和应涌流可引起变压器电流保护误动作。(3)对变压器零序电流保护的影响当接地变压器合闸时,其产生的励磁涌流的零序分量会流入相邻并联运行的变压器,接着在并联运行的变压器中产生和应涌流。随着和应涌流的增大,其零序分量逐渐增大,引起运行变压器零序电流保护误动作。由于此零序电流的持续时间很长,使得靠延时来躲开涌流影响的方法不适用。(4)对发电机差动保护的影响由于发电机差动保护用的是P级TA,没有严格的暂态特性要求,即使是同型号的TA,暂态特性也可能不一致,特别是大电流衰减时,两侧TA暂态特性不一致的情况可能会更加严重。特别是在长期非周期分量的作用下,电流互感器传变工频负荷电流的时候电流互感器出现局部暂态饱和。因此,在发电机侧和应涌流衰减的过程中,发电机差动保护可能误动作。5应对措施(1)防止和应涌流产生的措施空载合闸前,将合闸变压器中性点不接地,使其合闸时只产生励磁涌流而不产生和应涌流。但应注意,如果将合闸变压器中性点不接地,为防止变压器空载合闸时的过电压问题,应在变压器不接地中性点装设间隙保护,如专门保护变压器中性点的无间隙金属氧化物避雷器或采用棒间隙并联避雷器保护,防止冲击过电压损坏变压器铁芯或绝缘。空载合闸前,将合闸变压器中性点接地,联系调度,短时停运运行变压器中性点,但应考虑这种情况下合闸时局部系统可能失去接地中性点引起的过电压而损坏变压器,应考虑安装间隙保护。龙源期刊网(2)变压器差动保护误动的防范措施现有大型变压器多采用比率制动特性原理的差动保护,差动保护的最小动作电流一般整定为0.1～0.5倍变压器二次额定电流,较小制动电流一般整定为0.8～1.0倍变压器二次额定电流,整定值较小,空载合闸时和应涌流可能超过变压器差动保护动作值,引起差动保护误动作,为此,应根据变压器差动保护的不同形式,在保证差动保护灵敏度的前提下适当整定变压器差动保护最小动作值,并抬高差动保护定值门槛,防止差动保护误动。例如,井冈山电厂曾发生过因和应涌流导致差动保护误动作跳机事故。主要是因为当时机组厂用电系统处于非正常运行方式,差动保护动作值整定的相对较小,变压器空载合闸时差动保护因和应涌流而误动。井冈山电厂变压器差动保护动作值为1.330A,最小制动电流3.716A(整定值为最小动作电流1.295A,最小制动电流3.676A),从差动保护动作值分析,只要适当抬高差动保护定值,就有可能避免这类事故。要从根本上解决和应涌流引