電力變壓器工作原理及保護

1 概述

變壓器是根據電磁感應原理制成的一種靜止電器，用于把低電壓變成高電壓或把高電壓變成低電壓，是交流電輸配系統中的重要電氣設備。當變壓器合閘時(shí)，可能產(chǎn)生很大的電流，本文主要論述該電流的產(chǎn)生和影響。

2 勵磁涌流的特點(diǎn)

當合上斷路器給變壓器充電時(shí)，有時(shí)可以看到變壓器電流表的指針擺得很大，然后很快返回到正常的空載電流值，這個(gè)沖擊電流通常稱(chēng)之為勵磁涌流，特點(diǎn)如下：

1)涌流含有數值很大的高次諧波分量(主要是二次和三次諧波)，因此，勵磁涌流的變化曲線(xiàn)為尖頂波。

2)勵磁涌流的衰減常數與鐵芯的飽和程度有關(guān)，飽和越深，電抗越小，衰減越快。因此，在開(kāi)始瞬間衰減很快，以后逐漸減慢，經(jīng)0.5～1s后其值不超過(guò)(0.25～0.5)In。

3)一般情況下，變壓器容量越大，衰減的持續時(shí)間越長(cháng)，但總的趨勢是涌流的衰減速度往往比短路電流衰減慢一些。

4)勵磁涌流的數值很大，最大可達額定電流的8～10倍。當整定一臺斷路器控制一臺變壓器時(shí)，其速斷可按變壓器勵磁電流來(lái)整定。

3 勵磁涌流的大小

3.1 合閘瞬間電壓為最大值時(shí)的磁通變化

在交流電路中，磁通Φ總是落后電壓u90°相位角。如果在合閘瞬間，電壓正好達到最大值時(shí)，則磁通的瞬間值正好為零，即在鐵芯里一開(kāi)始就建立了穩態(tài)磁通，如圖1所示。在這種情況下，變壓器不會(huì )產(chǎn)生勵磁涌流。

1、緒言

電力變壓器是電網(wǎng)的重要組成元件之一，在電網(wǎng)的安全穩定運行中具有極其重要的作用。由于電網(wǎng)中變壓器數量越來(lái)越多，其單體價(jià)值又非常高，一旦發(fā)生故障將造成嚴重后果，所以對變壓器保護動(dòng)作的可靠性有更高的要求。近年來(lái)，110KV變壓器保護正確動(dòng)作率一直徘徊在70％～80％之間（1999年66.99%, 2000年75.12%，2001年82.54%，2002年74.77%），遠低于線(xiàn)路保護的正確動(dòng)作率，因此迫切需要對變壓器保護進(jìn)一步發(fā)展與完善?！?】【2】

2、變壓器故障的類(lèi)型及應配置的保護【3】

變壓器的運行故障主要有兩類(lèi)：（1）油箱內部故障－包括各相繞組之間的相間短路、單相繞組部分線(xiàn)匝之間的匝間短路、單相繞組或引出線(xiàn)通過(guò)外殼發(fā)生的單相接地故障、鐵心燒損等；（2）油箱外部故障－包括引出線(xiàn)的相間短路、絕緣套管閃絡(luò )或破碎引起的單相接地（通過(guò)外殼）短路等。變壓器故障會(huì )導致不正常工作狀態(tài)，主要表現在：外部短路或過(guò)負荷產(chǎn)生過(guò)電流、油箱漏油造成油面降低、中性點(diǎn)過(guò)電壓、因外加電壓過(guò)高或頻率降低引起過(guò)勵磁等。

根據變壓器的故障狀態(tài)，應裝設下述保護：（1）瓦斯保護－防止變壓器油箱內各種短路故障和油面降低，其中重瓦斯跳閘、輕瓦斯發(fā)信號；（2）縱聯(lián)差動(dòng)保護和電流速斷保護－防止變壓器繞組和引出線(xiàn)多相短路、大接地電流系統側繞組和引出線(xiàn)的單相接地短路及繞組匝間短路；（3）相間短路的后備保護，包括過(guò)電流保護、復合電壓起動(dòng)的過(guò)電流保護、負序過(guò)電流保護－防止變壓器外部相間短路并作為瓦斯保護和差動(dòng)保護的后備；（4）零序電流保護－防止大接地電流系統中變壓器外部接地短路；（5）過(guò)負荷保護－防止變壓器對稱(chēng)過(guò)負荷；（6）過(guò)勵磁保護－防止變壓器過(guò)勵磁?！?】

3、變壓器的勵磁涌流及變壓器差動(dòng)保護【5】

當變壓器空載投入和外部故障切除后電壓恢復時(shí)，因鐵心飽和及存在剩磁會(huì )出現很大的勵磁電流即勵磁涌流，其特點(diǎn)是含有很大成分的非周期分量、含有大量的高次諧波分量且以二次諧波為主、波形之間有間斷，其大小和衰減時(shí)間與外加電壓、鐵芯剩磁大小與方向、回路阻抗、變壓器容量和鐵芯性質(zhì)有關(guān)。對于三相交流變壓器，由于三相之間相差1200，所以任何瞬間合閘至少有兩相出現不同的勵磁涌流，它對變壓器差動(dòng)保護的正確動(dòng)作有不利影響，而在穩態(tài)運行及差動(dòng)范圍外發(fā)生故障時(shí)則影響不大。

差動(dòng)保護是用某種通信通道將電氣設備兩端的保護裝置縱向聯(lián)接起來(lái)，并將兩端電氣量比較來(lái)判斷保護是否動(dòng)作，其基礎是基爾霍夫定律。根據該定律，保護范圍內流入與流出的電流應該相等（變壓器歸算到同側）。當保護范圍內發(fā)生故障時(shí)，其流入與流出的電流不等，差動(dòng)保護就根據這個(gè)不平衡電流動(dòng)作。差動(dòng)保護原理簡(jiǎn)單易于實(shí)現，有很高的動(dòng)作選擇性和靈敏度，以其優(yōu)越的保護性能成為大容量、高電壓變壓器的主保護，缺點(diǎn)是在勵磁涌流情況下容易誤動(dòng)。

從電路上看，變壓器一次繞組和二次繞組并非是一個(gè)節點(diǎn)，變壓器差動(dòng)保護原理建立在穩態(tài)磁路平衡的基礎上，是差動(dòng)保護原理的一種拓展。在暫態(tài)過(guò)程中這種平衡關(guān)系將被打破，只有等到暫態(tài)過(guò)程衰減后，原先的平衡關(guān)系才能重新建立，因此需要檢測這種暫態(tài)。變壓器差動(dòng)保護中的關(guān)鍵問(wèn)題是如何處理勵磁涌流導致的誤動(dòng)，目前常用的涌流閉鎖方法有二次諧波制動(dòng)、間斷角閉鎖、波形對稱(chēng)原理等。勵磁涌流是一次系統在穩態(tài)和衰減直流分量疊加磁鏈的激勵下，作用于非線(xiàn)性勵磁特性的電流輸出。衰減的直流分量在頻域中是用傅立葉分析的一個(gè)連續的密度譜，而穩態(tài)交流分量在頻域上是用傅立葉級數分析的一個(gè)離散幅值譜。在保護的數字信號處理中，將衰減的直流分量在時(shí)間上截斷并進(jìn)行了周期延拓，導致產(chǎn)生成了離散的幅度譜