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一起因勵磁涌流導致的主變差動保護動作分析與防范措施

文檔作者：劉剛１葉朝俐２鄒毅１陳哲１張永生１文檔來源：１．溪洛渡水力發電廠２．中國三峽集團公司		點擊數：	更新時間： 2025年11月02日
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２０１８ 年第１ 期
２０１８ Ｎｕｍｂｅｒ １
水電與新能源
ＨＹＤＲＯＰＯＷＥＲ ＡＮＤ ＮＥＷ ＥＮＥＲＧＹ
第３２ 卷
Ｖｏｌ．３２
ＤＯＩ： １０．１３６２２ ／ｊ．ｃｎｋｉ．ｃｎ４２ －１８００／ｔｖ．１６７１ －３３５４．２０１８．０１．００９
收稿日期：２０１７ －１２ －１０ 作者簡介：劉 剛，男，高級工程師，從事水力發電廠運行方面的工作。
一起因勵磁涌流導致的主變
差動保護動作分析與防范措施
劉 剛１，葉朝俐２，鄒 毅１，陳 哲１，張永生１
（１．溪洛渡水力發電廠，云南永善 ６５７３００；２．中國三峽集團公司，四川成都 ６１５４２１）
摘要：從電網設備操作的實例出發，對５００ ｋＶ 變壓器空載充電過程中產生較大勵磁涌流的機理進行了理論分析，揭示
出此次主變空載充電為何未能躲過勵磁涌流影響而導致主變差動保護動作的真實原因，通過相關的錄波、保護動作、并
結合現場實際闡述勵磁涌流出現的原因及特征，得出了主變差動保護的動作原理，并提出了一些改良和防范的措施。
關鍵詞：變壓器；勵磁涌流；二次諧波；差動保護
中圖分類號：ＴＭ４１１ ＋．１ 文獻標志碼：Ａ 文章編號：１６７１ －３３５４（２０１８）０１ －００３３ －０５
Analysis and Prevention Measures of a Differential Protection Action of
the Main Transformer induced by Excitation Inrush Current
ＬＩＵ Ｇａｎｇ１ ， ＹＥ Ｚｈａｏｌｉ２ ， ＺＯＵ Ｙｉ１ ， ＣＨＥＮ Ｚｈｅ１ ， ＺＨＡＮＧ Ｙｏｎｇｓｈｅｎｇ１
（１．Ｘｉｌｕｏｄｕ Ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ Ｐｌａｎｔ， Ｙｏｎｇｓｈａｎ ６５７３００， Ｃｈｉｎａ；
２．Ｃｈｉｎａ Ｔｈｒｅｅ Ｇｏｒｇｅｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ， Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１５４２１， Ｃｈｉｎａ）
Abstract： Ａ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ａｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ５００ ｋＶ ｍａｉｎ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ ｉｎｄｕｃｅｄ ｂｙ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｉｎｒｕｓｈ ｃｕｒｒｅｎｔ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ
ｎｏ－ｌｏａｄ ｃｈａｒｇｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｉｓ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｔｈｅ ｌａｒｇｅ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｉｎｒｕｓｈ ｃｕｒｒｅｎｔ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｎｏ －ｌｏａｄ ｃｈａｒｇｉｎｇ
ｐｒｏｃｅｓｓ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｌｙ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｒｅｃｏｒｄｅｒ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎ－ｓｉｔｕ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ， ｃａｕｓｅｓ ａｎｄ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ
ｏｆ ｔｈｅ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｉｎｒｕｓｈ ｃｕｒｒｅｎｔ ａｒｅ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ ．Ａｌｓｏ， ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ａｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｉｎ
ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ ｉｓ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ．Ｔｈｅｎ， ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ ａｎｄ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｍｅａｓｕｒｅｓ ａｒｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｌｙ ． Key words： ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ； ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｉｎｒｕｓｈ ｃｕｒｒｅｎｔ； ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｈａｒｍｏｎｉｃ， ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ
１ 勵磁涌流機理與影響其大小的因素
1．1 勵磁涌流機理
以單相變壓器為例，說明其空投時勵磁涌流產生
的機理。
設電源電壓為正弦函數U ＝Um ｓｉｎ（ωt ＋α），如果
忽略合閘回路電阻、變壓器繞組的電阻以及變壓繞組
漏電抗的影響，則空投瞬間變壓器鐵芯中的磁通與外
加電壓的關系為
W dΦ
dt ＝Um ｓｉｎ（ωt ＋α） （１）
求解上述一階微分方程，得
Φ＝－Um
Wωｃｏｓ（ωt ＋α） ＋C （２）
式中：W 為變壓器空投側繞組的匝數；Φ為鐵芯中的
磁通；Um 為電源電壓的幅值；α為合閘角；ω為角頻
率；C 為積分常數，由初始條件確定。
當t ＝０ 時，為保持合閘瞬間磁鏈守恒，即鐵芯中
的磁通不能突變，故而可得到
C ＝Um
Wωｃｏｓα＋ΦS （３）
式中，ΦS 為合閘前鐵芯中的剩磁通。
綜上
Φ＝－Um
Wωｃｏｓ（ωt ＋α） ＋Um
Wωｃｏｓα＋ΦS （４）
如果考慮到電源回路的電阻、變壓器繞組的電阻
和漏電感帶來的時間常數影響，則磁通Φ為：
３３
萬方數據
水電與新能源２０１８ 年第１ 期
Φ＝－Um
Wωｃｏｓ（ωt ＋α） ＋（Um
Wωｃｏｓα）e －tT
＋ΦS
＝－Φm ｃｏｓ（ωt ＋α） ＋Φm ｃｏｓαe －tT
＋ΦS （５）
式中：Φm ＝Um
Wω；T 為時間常數，與電源回路的電阻、變
壓器繞組的電阻和漏電感有關［１］ 。
由式（５）可以看出，第一項為磁通的強迫分量，而
第二項為磁通的自由分量。在空投變壓器的瞬間，鐵
芯中的磁通由三部分組成：Φm ｃｏｓ（ωt ＋α）、Φm ｃｏｓα以
及剩磁通ΦS 。如果在電壓瞬時值為零時空投變壓器，
合閘角α＝０，在忽略變壓器及合閘回路的電阻時，式
（５）中的時間常數T 為無窮大，磁通中的自由分量不
衰減，假如剩磁Φm 的方向又與合閘之后Φm ｃｏｓα＝Φm
的方向相同時，鐵芯中的最大磁通可以達到２Φm ＋
ΦS 。如果剩磁通ΦS ＝０．９Φm ，鐵芯中的最大磁通可以
接近正常運行時穩態磁通幅值的三倍，使變壓器鐵芯
嚴重飽和，勵磁電流猛增，產生勵磁涌流［１］ 。
1．2 影響勵磁涌流大小因素
由式（５）可以看出，影響勵磁涌流大小的因素主
要有：
１）電源電壓。Φm ＝Um
Wω，合閘前電源電壓越高，Φm
越大，勵磁涌流越大。
２）合閘角α。當電壓瞬時值為零時合閘，合閘瞬
間磁通的強迫分量達最大值－Φm ，為了保持合閘瞬間
磁鏈守恒，導致磁通的自由分量大小為Φm ，使鐵芯中
的總磁通Φ與空投前的磁通一樣為剩磁ΦS ，這樣半
周以后鐵芯中的最大磁通可以達到２Φm ＋ΦS ，所以在
電源電壓的瞬時值過零瞬間空投變壓器時，勵磁涌流
的數值最大；而當合閘角α＝９０°時，也就是在電壓瞬
時值為峰值時合閘，合閘瞬間磁通的強迫分量為零，磁
通的自由分量也是零，只剩磁通ΦS ，鐵芯中的最大磁
通也只是Φm ＋ΦS 。所以在電源電壓的瞬時值過零瞬
間空投變壓器時，勵磁涌流的最大，在電源電壓的瞬時
值為最大值瞬間空投變壓器時，勵磁涌流的數值最小。
３）剩磁ΦS 。合閘之前，變壓器鐵芯中的剩磁越
大，勵磁涌流就越大。另外，當剩磁ΦS 的方向與合閘
之后Φm ｃｏｓα的方向相同時，勵磁涌流就大，反之亦
相反。
此外，勵磁涌流的大小，尚與變壓器的結構、鐵芯
材料及設計的工作磁密有關。變壓器的容量越小，空
投時勵磁涌流與其額定電流之比值—勵磁涌流的倍數
越大。
測量表明：空投變壓器時，變壓器與電源之間的聯
系阻抗越大，勵磁涌流越小。在末端變電站，空投變壓
器時的勵磁涌流可能小于其額定電流的２ 倍。
２ 勵磁涌流的識別方法
在變壓器縱差保護中，對差電流進行勵磁涌流特
征的判別。在工程中曾得到應用的有：二次諧波含量
高、波形不對稱和波形間斷角比較大三種原理，尤其是
前兩種應用最為普遍。當識別出是勵磁涌流時，將差
動保護閉鎖來防止縱差保護誤動［２］ 。
１）二次諧波制動原理。二次諧波制動原理是利
用流過差動元件差電流中的二次諧波電流作為制動
量，區分出差流是內部故障的短路電流還是勵磁
涌流［３］ 。
所謂二次諧波制動系數是指：在通入差動元件差
電流中，含有基波分量電流和二次諧波分量電流，差電
流中二次諧波分量電流與基波分量電流比值的百分
比。當二次諧波制動系數大于二次諧波制動系數定值
K２xb時閉鎖差動保護，反之當小于二次諧波制動系數定
值K２xb時開放差動保護。
２）間斷角原理。變壓器內部故障時，故障波形無
間斷，間斷角δi 很小；而變壓器空投時，勵磁涌流的波
形是間斷的，具有很大的間斷角δi （一般大于６０°）。
按間斷角原理構成的差動保護，是根據差電流波形是
否有間斷及間斷角的大小來區分故障電流與勵磁涌流
的。所謂的間斷角δi ，就是在差流的半個周期內差動
量小于制動量所對應的角度。
對于間斷角原理構成的變壓器差動保護的另一個
重要物理量———閉鎖角δB ，根據它來判斷差動元件中
的差流是故障電流與勵磁涌流引起的。
當測量出的間斷角δi 滿足δi ＞δB 時，則判斷差流
為勵磁涌流，將保護閉鎖。
當測量出的間斷角δi 滿足δi ＜δB 時，則判斷差流
為故障電流，開放差動保護。
３）波形對稱原理。在微機型變壓器縱差保護中，
采用波形對稱算法，將勵磁涌流同變壓器故障電流區
分開來。內部故障時，各側電流經互感器變換后，差流
基本上是工頻正弦波。而勵磁涌流時，有大量的諧波
分量存在，波形是間斷不對稱的。
３４
萬方數據
劉 剛，等：一起因勵磁涌流導致的主變差動保護動作分析與防范措施２０１８ 年１ 月
內部故障時，有如下表達式成立：
S ＞Kb*S ＋
S ＞St （６）
式中：S 是差動電流的全周積分值；S ＋是（差動電流的
瞬時值＋差動電流半周前的瞬時值）的全周積分值；
Kb 是某一固定常數；St 是門檻定值。St 的表達式
如下：
St ＝a ×Id ＋０．１Ie （７）
式中：Id 是差電流的全周積分值；α是某一比例常數。
而勵磁涌流時，以上波形判別關系式肯定不成立，
比率差動保護元件不會誤動作。
３ 某電站５００ ｋＶ 主變差動保護誤動
分析
２０１５ －０４ －０８ 日，某電站６ 號主變檢修完工后充
電過程中，當遠方無壓合上５０５１ 開關，監控系統報
“Ａ、Ｂ 套主變差動保護動作”、“高壓電纜第一、二套
ＲＣＳ９３１ＬＭ 遠跳１ 動作”、“ 高壓電纜第一、二套
ＲＣＳ９３１ＬＭ 保護跳閘動作”、“５０５１ 斷路器事故總出口
動作”等信號；５０５１ 開關分閘，６ 號主變接線如圖１
所示。
其差動保護系統定值單如下。
主變容量：８９０．００ ＭＶＡ；高壓側一次額定電壓：
５５０．００ ｋＶ；高壓側ＴＡ 變比為４ ０００∶１；差動啟動定值：
０．３０Ｉｅ；差動速斷定值：５．００Ｉｅ；差流報警定值：０．１５Ｉｅ；
比率制動起始斜率：０．１０；比率制動最大斜率：０．７０；諧
波制動系數：０．１５。
由變壓器定值數據，可得主變高壓側額定電流二
次值為
Ie ＝ SN
３UN ／kb
＝ ８９０ ＭＶＡ １．７３２ ×５５０ ｋＶ／４ ０００ ＝０．２３４ Ａ （８）
以Ａ 套保護裝置為例，保護裝置錄波主變高壓側
三相電流波形如圖２ 所示，Ａ、Ｂ、Ｃ 三相電流的最大峰
值分別為０．７１ Ａ、０．８８ Ａ 和１．２４ Ａ，其中Ｃ 相最大電
流有效值約為３．７５ 倍額定電流。Ａ、Ｂ 相完全偏向正
半波一側，有一定的間斷角，Ｃ 相完全偏向負半波一
側，間斷角不明顯。從該電流波形來看，存在一定涌流
特征，但與以往空充波形相比，涌流特征不夠顯著，不
能排除變壓器內部故障的可能性。
圖1 6B 主變接線圖
由故障錄波裝置錄波圖３、圖４ 可以看出，故障時
其勵磁涌流間斷角較主變正常沖擊電流偏小，且其二
次諧波比偏小，低于１５％（主變差動保護二次諧波制
動比定值為１５％）。
３５
萬方數據
水電與新能源２０１８ 年第１ 期
圖2 A 套保護裝置錄波高壓側電流
圖3 6B 主變高壓側電流波形
圖4 6B 主變進線電流合流波形
由圖５ 保護裝置錄波主變差動電流波形可以看出
（已經Ｙ －Δ轉換）， 保護動作時刻Ａ 相基波為
０．７８Ｉｅ，二次諧波為０．２６Ｉｅ，諧波含量為３３％；Ｂ 相基
波為１．８８Ｉｅ，二次諧波為０．１４Ｉｅ，諧波含量為７．４％；Ｃ
相基波為１．７８Ｉｅ，二次諧波為０．１４Ｉｅ，諧波含量為
７．９％。ＲＣＳ －９８５ＴＷ 為兼顧空充安全性和伴隨內部
故障的靈敏性，采用綜合諧波制動方式，取諧波最大相
制動，諧波制動比率為０．２６Ｉｅ／１．８８Ｉｅ ＝１３．８％，諧波
含量較小，略低于保護定值的１５％，因此二次諧波制
動開放，而保護動作時刻差動電流達到１．８８Ｉｅ，超過差
動保護動作定值及差動啟動定值（０．３Ｉｅ），導致兩套保
護動作出口。主變差流波形分析也表明，與典型涌流
特征相比，本次波形諧波含量較低，有一定差異，由于
涌流波形受變壓器剩磁、空充合閘角等諸多因素影響，
３６
萬方數據
劉 剛，等：一起因勵磁涌流導致的主變差動保護動作分析與防范措施２０１８ 年１ 月
不同涌流波形差異較大。
如圖６，錄取ＧＩＳ 故障錄波器波形，主變高壓側三
相電壓幅值分別為５４ Ｖ、５４ Ｖ、５３ Ｖ，在空充過程中變
化很小，如變壓器內部存在故障，該電壓應有一定程度
的變化，從電壓波形來看，涌流的可能性更大。
本次空充過程中也存在較大的主變高壓側零序電
流，如圖７ 所示，零序ＣＴ 變比為４００／１，一次電流最大
峰值達到了５８４ Ａ（主變高壓側一次額定電流為
９３４ Ａ，峰值為１ ３２１ Ａ），不過根據以往的波形來看，空
充過程中也能出現一定幅值的零序電流，不能排除涌
流可能性。
圖5 A 套保護裝置錄波差流
圖6 6B 主變進線PT 電壓波形
圖7 A 套保護裝置錄波高壓側中性點零序電流
４ 錄波波形及主變保護裝置數據分析
結論與措施
綜上所述，６ＦＢ 電氣一次、二次設備無明顯故障和
異常現象，各絕緣值搖測正常，且２０１５ －０４ －０５ 日６Ｂ
進行過直流電阻測試后導致主變存在較大剩磁。因此
推斷本次事件為主變倒掛空充的合閘瞬間，主變高壓
側產生的磁通與剩磁方向疊加，導致勵磁涌流過大，并
致變壓器保護采樣的差流值大于差動保護整定值，且
二次諧波抑制比不足整定值的１５％，最終比率制動差
動和工頻變化量差動保護動作。
為此，為保證以后不再出現變壓器差動保護誤動，
建議采取以下措施：①變壓器檢修后，需進行發變組零
起升壓試驗排查，確保主變安全，并通過零起升壓對主
變消磁；②主變零起升壓正常運行后，維持主變空載運
行３０ ｍｉｎ 以充分消磁。
參考文獻：
［１］李鳳榮．變壓器縱差動保護及勵磁涌流識別技術的研究
［Ｄ］．北京： 華北電力大學， ２００６
［２］柳潤．變壓器差動保護原理及裝置的研究［Ｄ］．武漢： 華
中科技大學， ２００４
［３］賀家李．電力系統繼電保護原理［Ｍ］．北京： 中國電力出
版社， ２０１０

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