李 舟，何安陽，王 輝，師 琛，談 震，王 琨，袁嘉瑋，焦在濱

(1.國網(wǎng)陜西省電力公司西安供電公司，陜西 西安 710032；2.西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，陜西 西安 710049)

0 引言

變壓器是電力系統(tǒng)中的重要元件，是電能轉(zhuǎn)換及傳輸?shù)年P(guān)鍵節(jié)點，要求具有靈敏可靠的保護。變壓器主保護通常采用帶勵磁涌流識別電流差動保護作為主保護，由于鐵芯的非線性特性，以及現(xiàn)代電力系統(tǒng)中的直流輸電、分布式能源均采用電力電子裝置并網(wǎng)，導(dǎo)致故障后的電磁暫態(tài)過程越來越復(fù)雜，根據(jù)勵磁涌流識別判據(jù)得出的動作不正確，從而導(dǎo)致變壓器保護誤動經(jīng)常發(fā)生[1-3]，嚴重威脅電力系統(tǒng)的安全運行。

圖1 2號主變壓器高壓側(cè)電流錄波數(shù)據(jù)Fig.1 Recording data of current at high voltage side of No.2 transformer

目前，工程現(xiàn)場的變壓器保護裝置一般同時采用比率差動、差動速斷、工頻變化量比率差動等保護元件作為主保護[4-5]，同時配置二次諧波、間斷角等勵磁涌流識別判據(jù)，并通過閉鎖或制動的形式保證變壓器保護的可靠性。二次諧波制動判據(jù)是應(yīng)用最為廣泛的勵磁涌流識別判據(jù)，根據(jù)變壓器鐵芯飽和時的波形畸變特征來識別勵磁涌流，并閉鎖差動保護。目前，二次諧波閉鎖判據(jù)一般按照經(jīng)驗值，按照基波電流的15%～20%整定，缺乏嚴格的推導(dǎo)，理論不完備，即使在繼電保護屆也存在一定的爭議。而采用制動判據(jù)的勵磁涌流識別判據(jù)，則可根據(jù)現(xiàn)場工況自適應(yīng)地調(diào)整差動保護和勵磁涌流識別判據(jù)的動作門檻，在理論上能夠更好地適應(yīng)復(fù)雜工況，近年來頗受現(xiàn)場運行人員的歡迎，但也存在浮動定值設(shè)置缺乏理論依據(jù)的問題，空投誤動或內(nèi)部故障延時動作的情況時有發(fā)生。含有風(fēng)電和光伏接入對電力變壓器保護動作性能的影響主要包括兩方面，其一在于復(fù)雜電磁暫態(tài)過程與變壓器鐵心的非線性特征相互耦合導(dǎo)致勵磁涌流更為復(fù)雜，偏磁、超飽和等現(xiàn)象導(dǎo)致變壓器保護的誤動；其二在于發(fā)生內(nèi)部故障時，風(fēng)電和光伏等分布式能源并網(wǎng)引發(fā)的復(fù)雜電磁暫態(tài)過程導(dǎo)致勵磁涌流識別判據(jù)的誤閉鎖，從而造成故障切除時間的延長，引起保護拒動、故障擴大和設(shè)備損壞。實際上，為解決勵磁涌流識別問題，國內(nèi)外學(xué)者進行了長期不懈的努力，提出了很多保護原理，比如：以間斷角檢測[6]、差動電流波形對稱檢測[7]、突變檢測(小波變換、希爾伯特黃變換)為代表的基于差動電流波形特征的變壓器保護原理[8-10]；以等效勵磁電感識別、等效漏電感識別、等效磁通識別為代表的基于變壓器等效回路的變壓器保護原理[11-13]等。這些方案具有一定的理論完備性，然而受計算方式、采樣率等的影響，且上述方案的整定方式也是多基于經(jīng)驗值，其可靠性尚未得到證明，在應(yīng)用和推廣方面并未受到廣泛的認可。二次諧波制動/閉鎖原理因其整定簡單、動作速度快的特點，仍是工程現(xiàn)場主要的勵磁涌流識別方案，針對具體場景，深入分析二次諧波制動/閉鎖原理失效的成因并提出在工程上切實可行的解決方案具有一定的現(xiàn)實意義。

本文結(jié)合某含有并網(wǎng)風(fēng)電的330 kV變壓器空投失敗案例，通過理論分析和數(shù)字仿真研究2種典型勵磁涌流閉鎖/制動判據(jù)的實際動作性能，并對此次330 kV變壓器誤動原因進行分析，指出差動電流計算方法、二次諧波閉鎖/制動策略和具體判據(jù)形式可能影響帶二次諧波制動/閉鎖的電流差動保護的性能，本文也針對變壓器保護誤動問題提出建議，以期能夠推進變壓器差動保護原理的進一步完善，保障電力系統(tǒng)的安全運行。

1330 kV變壓器空投失敗案例分析

某地區(qū)電網(wǎng)由于存在數(shù)量較多的并網(wǎng)型風(fēng)電和并網(wǎng)型光伏電站而具有明顯的新能源電網(wǎng)特征，在其330 kV網(wǎng)架中，由于新能源的接入，故障特征復(fù)雜，變壓器鐵心的非線性與并網(wǎng)逆變器的非線性高度耦合，造成變壓器保護等繼電保護運行環(huán)境惡化。2019年10月20日20時24分48秒，某330 kV變電站2號變壓器空投時，主1保護勵磁涌流識別判據(jù)成功動作，保護未跳閘，主2電流差動保護在229 ms動作出口跳閘，變壓器被切除，空充失敗。通過對一次設(shè)備進行詳細檢查，未發(fā)現(xiàn)故障點，再次試投主變壓器成功，變壓器長期在網(wǎng)運行。這是一起典型的勵磁涌流引起的變壓器電流差動不正確動作的案例，調(diào)取故障錄波數(shù)據(jù)，如圖1所示。圖1信息表明，空投過程中主變壓器電流波形均明顯畸變且含有大量高次諧波，具有明顯的變壓器勵磁涌流特征。經(jīng)查閱數(shù)據(jù)，該330 kV變壓器配置了2套不同原理的變壓器保護裝置，采用不同的勵磁涌流識別判據(jù)，變壓器高壓側(cè)TA變比為2 000/1，中壓側(cè)TA變比3 150/1，低壓側(cè)TA變比2 000/1。2套變壓器保護裝置采用相同的整定值，如表1所示。

表1 主變壓器差動保護定值Table 1 Differential protection setting of the main transformer

根據(jù)電流錄波數(shù)據(jù)，計算三相差動電流及其二次諧波含量，圖2為變壓器差動保護啟動至主2保護錯誤動作期間的三相差動電流有效值及二次諧波含量。由圖可知，差動保護啟動后，三相差動電流有效值始終大于差動保護啟動電流定值0.4 Ie，A相和C相差動電流的二次諧波含量大于二次諧波制動系數(shù)定值0.15，但B相差動電流的二次諧波含量小于二次諧波制動系數(shù)定值。觀察B相波形可以發(fā)現(xiàn)該相出現(xiàn)較嚴重的單側(cè)涌流，間斷角明顯減小，二次諧波含量較低。

圖2 變壓器差動電流基波有效值和二次諧波含量Fig.2 Valid value of fundamental frequency and second harmonic content of differential current

2套主保護在勵磁涌流期間采用不同閉鎖方式如表2所示。主保護1采用或門閉鎖方式，當(dāng)任意一相差動電流二次諧波含量大于定值則閉鎖三相差動。由于A相和C相差流在勵磁涌流期間二次諧波含量均大于二次諧波制動系數(shù)定值，因此三相差動保護均被閉鎖，保護不動作。主保護2采用按相閉鎖方式，當(dāng)某相差動電流被判為勵磁涌流時，僅閉鎖該相差動，因此A相和C相差動被閉鎖，B相差動開放。同時主保護2采用自適應(yīng)的浮動定值，即首先降低二次諧波制動系數(shù)定值，然后隨時間逐步向整定值靠近。因此空投初期B相二次諧波含量大于浮動門檻，差動保護未動作。隨時間推移，B相差流二次諧波含量低于整定值0.15，且B相差流有效值始終大于差動保護啟動定值，最終導(dǎo)致B相差動元件誤動作。

表2 2套保護閉鎖方式Table 2 Locking modes of two protection schemes

綜上所述，本次差動保護誤動主要由于勵磁涌流導(dǎo)致，且不同的涌流閉鎖方式導(dǎo)致2套主保護出現(xiàn)了不同動作情況。為進一步研究影響2種保護方案動作的因素，分析不同方法的實際性能，提高復(fù)雜電磁暫態(tài)工況下差動保護正確動作率，基于PSCAD電磁暫態(tài)仿真研究2種保護方案在不同條件下的保護動作行為。

2 影響變壓器保護勵磁涌流識別判據(jù)性能的因素分析

圖3 變壓器空投時等效電路Fig.3 Equivalent circuit of no-load energizing of transformer

變壓器空投時等效電路圖如圖3。其中Rs、Ls分別為系統(tǒng)等效電源電阻和電感，R1、L1分別為變壓器一次側(cè)繞組電阻與漏感，Rm、Lm為變壓器鐵心等效勵磁電阻與等效勵磁電感。為驗證2種保護方案在不同條件下保護動作行為和可能影響保護動作的因素，基于PSCAD/EMTDC搭建變壓器空投模型。其中變壓器為330/110/35 kV的三繞組變壓器，高中壓側(cè)額定容量360 MVA，低壓側(cè)額定容量110 MVA，高、中壓側(cè)繞組星形連接，低壓側(cè)繞組三角形連接，高中壓側(cè)中性點直接接地，仿真中的變壓器模型與案例分析中2號變壓器相同。變壓器漏感0.1 pu，鐵耗0.03 pu，銅耗0.005 pu。系統(tǒng)等效電源電阻3 Ω，電感0.1 H。

2.1 差動電流計算方法的影響

三相變壓器通常高中壓繞組為三角形連接，低壓繞組星形連接，使得變壓器各側(cè)線電流存在相位差，因此在計算差動電流時需要對電流進行相位補償。傳統(tǒng)保護通過電流互感器的不同連接方式[14]進行相位補償，而微機保護中直接通過不同軟件算法進行相位補償。記iA、iB、iC為變壓器Y側(cè)CT二次電流，i′A、i′B、i′C為Y側(cè)校正后的各相電流；ia、ib、ic為變壓器Δ側(cè)CT二次電流，i′a、i′b、i′c為Δ側(cè)校正后的各相電流。

保護1采用Y→Δ方式計算差動電流，算法如式(1)(2)所示。

保護2采用Δ→Y方式計算差動電流，算法如式(3)(4)，其中i0為變壓器Y側(cè)零序電流。

圖4 采用Y→Δ補償和Δ→Y補償方式計算的差動電流Fig.4 Differential current calculated by Y→Δ compensation and Δ→Y compensation

通常單相變壓器的勵磁涌流具有偏向時間軸一側(cè)的特征。但由式(1)可以看出采用Y→Δ方式計算差動電流時，Y側(cè)電流為兩相電流相減，當(dāng)兩相實際涌流偏向時間軸同側(cè)時補償后將出現(xiàn)對稱涌流。圖4(a)給出了空投時采用Y→Δ方式計算的差動電流，B、C相呈現(xiàn)單側(cè)涌流而A相出現(xiàn)明顯的對稱性涌流。盡管文獻[14-15]指出，出現(xiàn)對稱性涌流后差動電流二次諧波含量并不總是降低，這也解釋了該起事故中A相出現(xiàn)對稱性涌流但二次諧波含量依然較高的原因。但是出現(xiàn)對稱勵磁涌流后，間斷角明顯減小，對稱性發(fā)生變化，二次諧波含量沒有明確特征，各種勵磁涌流判據(jù)的效果將受到明顯影響。這種情況下如果采用按相閉鎖將容易誤動，因此通常采用或門閉鎖。圖4(b)給出相同條件下采用Δ→Y補償方式計算的差動電流?？梢钥闯靓ぁ鶼補償不會因各相相減出現(xiàn)對稱性涌流，能較好地區(qū)分勵磁涌流和內(nèi)部故障，可以采用按相閉鎖的保護方式。

2.2 二次諧波閉鎖/制動策略的影響

圖5 保護1的差動電流基波有效值和二次諧波含量Fig.5 Valid value of fundamental frequency and second harmonic content of differential current of protection 1

圖6 保護2的差動電流基波有效值和二次諧波含量Fig.6 Valid value of fundamental frequency and second harmonic content of differential current of protection 2

實際上，二次諧波閉鎖/制動策略的確定需要綜合考慮空充于變壓器內(nèi)部故障的靈敏性和空充于健康變壓器的可靠性兩方面的因素。變壓器空投時B相繞組發(fā)生3%的內(nèi)部匝間故障，空投保護啟動后250 ms內(nèi)2種保護方式下各相差動電流有效值及二次諧波占比如圖5—6所示。由圖可以看出，合閘于內(nèi)部故障時各相差動電流基波有效值大于整定值。同時由于故障相產(chǎn)生對稱的故障電流，相關(guān)相的二次諧波含量明顯下降。保護1采用Y→Δ方式補償，差動電流實質(zhì)上為兩相電流之差，故A、B二次諧波占比均小于制動值，但C相二次諧波占比大于制動值。保護1采用或門閉鎖，保護閉鎖?？梢姴捎没蜷T閉鎖，當(dāng)變壓器合閘于內(nèi)部輕微故障時，保護無法快速切除故障。保護2采用Δ→Y方式補償和按相閉鎖的保護方式，隨時間推移浮動定值升高后，僅故障相B相二次諧波占比小于制動值，能夠較快識別切除故障。

仿真結(jié)果表明：空投期間變壓器內(nèi)部有輕微故障時，采用或門閉鎖差動動作速度較慢，可能影響系統(tǒng)的安全運行；按相閉鎖的方式可以保證該工況下保護快速跳閘，具有較高的靈敏度。但當(dāng)某相合閘角接近0°，或受剩磁、直流偏磁等因素影響，出現(xiàn)較嚴重的勵磁涌流時，單一相閉鎖判據(jù)可能失效，采用按相閉鎖方式可能誤動；由于三相合閘角、剩磁具有不同相位，通常有一至兩相差動電流能夠滿足涌流閉鎖判據(jù)，或門閉鎖能嚴格閉鎖。

2.3 勵磁涌流暫態(tài)過程的影響

保護2在識別勵磁涌流時，采用自適應(yīng)的浮動定值，如圖6(b)中虛線，即首先降低涌流閉鎖定值，然后隨時間逐步向整定值靠近。采用該策略在空投初期能有效閉鎖差動保護，避免因合閘初期二次諧波計算誤差導(dǎo)致的誤動，同時通過延時的配合使得差動保護在勵磁涌流期間正確閉鎖。因此需要考慮在浮動定值變化的時間尺度內(nèi)，是否可能出現(xiàn)二次諧波含量的快速衰減導(dǎo)致保護誤動。

對圖3所示等效電路，設(shè)R=Rs+R1+Rm，L=Ls+L1+Lm，us=Umsin(ωt+α)，變壓器在t=0時刻合閘，近似認為磁電感在暫態(tài)過程中不變，系統(tǒng)的回路方程為

(5)

考慮到磁鏈在合閘時刻不能突變，解得變壓器磁通為

(6)

變壓器勵磁電流與磁通相關(guān)，采用圖7所示簡化的兩折線勵磁曲線并忽略未飽和的勵磁電流，當(dāng)正向飽和時勵磁涌流可由式(7)表示，反向飽和時情形類似。

(7)

圖7 簡化勵磁曲線Fig.7 Simplified excitation curve

3 減少變壓器空載合閘誤動的措施

以上分析說明盡管傳統(tǒng)的基于二次諧波制動/閉鎖的差動電流保護在多數(shù)工況下能較好地識別勵磁涌流，在變壓器空投時正確閉鎖，但在復(fù)雜電磁暫態(tài)工況下依然可能發(fā)生誤動、拒動的情況。有必要采取一定措施，減少變壓器空載合閘時錯誤動作的概率。

(1) 采取措施抑制勵磁涌流，減少勵磁涌流對差動保護造成的不良影響，如通過外接元件法控制系統(tǒng)參數(shù)，通過預(yù)充磁減少剩磁，通過選相合閘控制合閘角，增加合閘電阻等。

(2) 結(jié)合系統(tǒng)實際情況和現(xiàn)場錄波數(shù)據(jù)，對保護定值進行分析計算，合理設(shè)置和調(diào)整差動保護定值，綜合兼顧可靠性和靈敏性因素，實現(xiàn)定值的精細化管理，避免因粗放型整定導(dǎo)致定值設(shè)置不合理，從而引起變壓器空載合閘失敗和內(nèi)部故障延時動作等問題。

(3) 對勵磁涌流識別問題進行進一步研究，提出和采用新的輔助判據(jù)或保護原理，改善和提高特殊情境下變壓器保護的性能。如考慮二次諧波比變化動態(tài)整定制動時間，綜合利用二次諧波與基波的幅值關(guān)系和相角關(guān)系來區(qū)分勵磁涌流和內(nèi)部故障等，隨著電壓二次回路可靠性的不斷提升，磁通制動等引入電壓量的勵磁涌流識別判據(jù)也是提升勵磁涌流識別能力的可行性選擇。

4 結(jié)論

某330 kV變電站2號變壓器空投時變壓器出現(xiàn)嚴重勵磁涌流，勵磁涌流大且二次諧波含量低，采取不同閉鎖方式的2種保護出現(xiàn)不同動作情況，主保護1成功閉鎖而主保護2發(fā)生誤動。結(jié)合仿真對可能影響2種保護的差動電流計算方法、二次諧波閉鎖/制動策略和勵磁涌流暫態(tài)過程等因素進行分析。

分析結(jié)果表明，電流差動保護中計算差動電流的補償方式會影響計算得到的差流波形特征。相比Y→Δ方式，采用Δ→Y方式計算的差動電流不會出現(xiàn)對稱涌流，能更有效區(qū)分涌流和故障特征；二次諧波閉鎖/制動策略對差動保護的靈敏性及可靠性影響較大，需要兼顧?；蜷T閉鎖具有更高可靠性但靈敏度較低，無法迅速切除內(nèi)部故障，按相閉鎖靈敏度較高但可靠性下降，嚴重涌流時差動保護可能誤動；勵磁涌流衰減速度主要由等效回路參數(shù)決定，涌流大小主要受電壓、合閘角、鐵芯剩磁影響。通過合理設(shè)置浮動定值變化可以使保護在初始充電時更加可靠。

隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，大規(guī)模的風(fēng)電、光伏以及其他分布式電源大量并網(wǎng)，在滿足電力電量平衡、環(huán)境、經(jīng)濟性等約束的同時，也嚴重惡化了繼電保護的工作環(huán)境。特別是對于變壓器保護，其鐵心的非線性以及復(fù)雜電磁暫態(tài)環(huán)境的影響導(dǎo)致主保護的性能受到影響，通過本文的分析，目前不同原理的保護裝置在一定情況下均存在不正確動作的可能，這就要求新能源場站及電力系統(tǒng)的繼電保護運維檢修人員充分理解變壓器差動保護不正確動作的機理和深層次原因，通過采取必要的運維檢修措施，快速甄別與處理誤動，快速恢復(fù)供電，保證新能源場站的正常運行和電力系統(tǒng)的安全。同時，繼電保護裝備提供商及科研開發(fā)人員也應(yīng)該深入認識變壓器故障的本質(zhì)特征，進一步提升變壓器主保護的性能。

需要特別指出的是，對于分布式電源，特別是具有一定規(guī)模的并網(wǎng)型風(fēng)電和光伏電源，應(yīng)特別重視變壓器保護的配置及運維，從而避免由于其誤動和拒動造成的并網(wǎng)障礙，減少由于變壓器故障造成棄風(fēng)和棄光損失。