励磁涌流引起变压器跳闸的事故分析

励磁涌流引起变压器跳闸的事故分析

刘世杰

(辽宁红沿河核电站大连116000)

摘要：针对某核电厂出现主变送电时差动保护动作的现象进行分析。对变压器励磁涌流的产生机理和特点进行分析。由励磁涌流产生机理得出本次送电不成功的原因及交叉闭锁时间的改进意见。为提高变压器空载合闸投运成功率，提出变压器送电前的几个注意事项。

关键词：励磁涌流；差动保护；交叉闭锁

0概况

2019年5月8日，某核电厂2,3,4号机组并网运行，500kV开关站除5012/5013断开(1号机大修)、5022/5023断开（红瓦2号线检修）、第六串未投产外，其他断路器均合闸运行。18:01某核电厂执行1号主变送电工作，合上开关5013后，发变组双套保护均报厂变A差动保护动作，厂变B差动保护动作，跳闸继电器掉牌，现场检查5013断路器跳闸，无其它保护动作信号。现场检查变压器本体无异常，在线油色谱数据无异常。

1事故原因分析

某核电厂厂变A/B差动保护启动值0.33pu，差动速断为6pu，斜率1段为0.31，斜率2段为0.6，空充时二次谐波定值10%（空充结束后恢复为18%），交叉闭锁时间为6周波，空充结束后退出交叉闭锁，五次谐波闭锁30%，交叉闭锁0周波。

查看故障录波波形：厂变A/B高压侧电流具有较明显的涌流特征。

图一故障录波波形

动作情况分析：

从现场波形文件看到，在合闸之后120ms之内，AB两相二次谐波含量均大于10%，交叉闭锁三相差动保护，在120ms之后交叉闭锁解除，此时A/B/C相二次谐波含量分别为25.5%，47.2%，5.6%，C相二次谐波小于闭锁定值10%，同时A/B/C三相五次谐波分别为1.5%，4.7%，2.2%均小于定值30%。C相制动电流为0.7pu，动作电流为0.61pu，大于差动保护动作值0.33pu，C相差动保护动作出口跳闸。

分析判断为变压器励磁涌流较大，C相二次谐波较低，差动保护未能躲过励磁涌流导致保护动作出口跳闸。

2励磁涌流的产生机理及特点

2.1励磁涌流产生机理

以单相变压器为例，说明其空载合闸时励磁涌流产生的机理。设电源电压为正弦函数，即U=，则变压器空载合闸瞬间变压器铁芯中的磁通与外加电压的关系为：

(1)

式中：N为变压器的匝数；为铁芯中的磁通；为电源电压的幅值；为合闸角，即变压器空载合闸瞬间电源电压的角度；为角频率；为时间。

式(1)为一阶微分方程，求解得：

(2)

式中C为积分常数。由初始条件决定。当t=0时，为保持合闸瞬间磁链守恒，即铁芯中磁通不能突变，可以得到：

(3)

为合闸前铁芯中的剩磁通。如果考虑到电源回路的电阻、变压器绕组的电阻和漏电感带来的时间常数影响，则磁通为：

(4)

由式（4）可以看出，在变压器空载合闸的瞬间，铁芯中磁通由3部分组成：第1项为强迫分量；第2项为磁能的自由分量，随时间而衰减；第3项为合闸前铁芯中的剩磁通φs。

如果电压瞬时值为零时变压器空载合闸，合闸角为，在忽略变压器及合闸回路的电阻时，式（4）中的时间常数为无穷大，磁通中的自由分量不衰减；假如剩磁通的方向又与合闸之后的方向相同，变压器铁芯中的最大磁通可以达到2+，如果剩磁通φs=0.9φm，铁芯中的最大磁通可以接近正常运行时稳态幅值的3倍，使变压器严重饱和，励磁电流也猛增。

2.2影响励磁涌流大小的因素

(1)电源电压：变压器合闸后，铁芯中强迫磁通的幅值为，因此合闸前电源电压越高，越大，励磁涌流越大。

(2)合闸角：当合闸角=0时，即在电压瞬时值为零时合闸，合闸瞬间（t=0）自由磁通达到最大，此时励磁涌流最大；当合闸角=时，即在电压瞬时值为峰值时合闸，合闸瞬间（t=0）磁通为0，只有剩磁通。此时励磁涌流最小。

(3)剩磁通：合闸前，变压器铁芯中的剩磁通越大，励磁涌流越大。另外，当剩磁通φs的方向与合闸后的方向相同时，励磁涌流就大；反之相反。此外，励磁涌流的大小尚与变压器的结构、铁芯材料及设计的工作磁密有关。测量表明，空投变压器时，变压器与电源之间的联系电抗越大，励磁涌流越小。

3结论及建议

3.1结论

从以上分析可知，变压器空载合闸时，励磁涌流无法完全避免，且励磁涌流与合闸角的大小、合闸时变压器的剩磁等因素有关，尤其是合闸角，随机性较大。本次主变送电电流高达5428A（A相），而在此之前送电最小电流仅1380A。本次送电消磁工作无异常，所以唯一的可变量就是合闸角。查询主变录波波形，由于A相电压合闸角约为0°，故本次送电电流偏大。进而可以推断当A、B、C三相只要有一相合闸角接近0°都有可能会造成送电不成功。所以要想在下一次送电过程中确保送电一次成功，必须调整相关定值。

由以往的送电经验，厂变A/B的送电二次谐波闭锁定值已经改为10%，已无改动空间。而本次送电一次不成功的另一主要原因在于交叉闭锁设置时间较短。观察此次送电波形发现二次谐波在送电后9ms内C相已衰减至10%以下，而交叉闭锁6周波（120ms）后差动保护C相出口跳闸。如果延长交叉闭锁时间，在差动电流衰减至启动值以下后解除交叉闭锁，就可以保证送电一次成功。借鉴相关核电厂主变压器倒送电定值设置经验，主变再次送电前将二次谐波交叉闭锁时间调整为50周波，第二次送电成功。

3.2建议

某核电厂在变压器停机检修后合闸时，已有三次出现变压器差动保护由于励磁涌流引起动作，造成变压器送电失效，引起变压器跳闸。跳闸的原因主要是二次谐波整定值较保守，导致厂用变压器差动保护跳闸。或是主厂变消磁不彻底，造成零序差动动作。或是交叉闭锁时间较短，提前开放了差动保护。

为保证送电一次成功必须做到：结合送电经验及时优化定值；送电前确认消磁无异常；送电前需再次检查下游开关隔离状态，防止由于开关未送到位造成下游低电压保护动作跳主变；严防CT二次开路；加装涌流抑制器。

参考文献:

[1]电力系统继电保护原理（第四版），中国电力出版社，贺家李，2010

[2]电力主设备继电保护的理论实践及运行案例，中国水利水电出版社，2010

作者简介：刘世杰（1991-11-26），男，汉族，籍贯：辽宁鞍山，当前职务：NA，当前职称：继电保护助理工程师，学历：本科，研究方向：继电保护