摘要：国网江苏省电力有限公司丹阳供电分公司、国网江苏省电力有限公司镇江供电分公司的王婵媛、孔茗，在2024年第11期《电气技术》上撰文，基于波形对称原理的PST—1200U系列变压器保护装置存在内部门槛值，当励磁涌流二次值低于装置的门槛值时，保护装置不对其进行励磁涌
国网江苏省电力有限公司丹阳供电分公司、国网江苏省电力有限公司镇江供电分公司的王婵媛、孔茗，在2024年第11期《电气技术》上撰文，基于波形对称原理的PST—1200U系列变压器保护装置存在内部门槛值，当励磁涌流二次值低于装置的门槛值时，保护装置不对其进行励磁涌流判别，按一般差流处理，如果差动保护启动定值小于门槛值，会形成励磁涌流闭锁“死区”，导致差动保护误跳开关。本文通过分析励磁涌流闭锁“死区”产生的原因，给出相应解决方案并通过现场试验和实际空投变压器加以验证。
变压器空投时产生的励磁涌流会导致变压器差动保护误动，从而增加电网维护和检修成本，因此在继电保护中，如何有效识别励磁涌流是一个非常重要的课题。
目前，常用的励磁涌流鉴别方法一般基于二次谐波制动原理、间断角原理及波形对称原理。基于二次谐波制动和波形对称原理的方法成熟、应用广泛且稳定性较好，在大多数情况下能够准确识别励磁涌流，闭锁差动保护，但在特殊情况下仍存在由于难以区分故障电流和励磁涌流而导致误开放差动保护的可能。
某220kV变压器配置2套PST—1200U，第一套采用二次谐波制动原理，第二套采用波形对称制动原理。由于电网短路容量增大，变压器220kV侧电流互感器的电流比由1200/5更换为2500/5，在变压器送电时，第二套变压器差动保护由于励磁涌流闭锁功能失效导致变压器差动保护动作，造成送电失败。本文通过现场试验，分析PST—1200U变压器差动保护误动原因，并提出相应解决方案。
1 励磁涌流
励磁电流是变压器励磁支路中通过的电流，当变压器正常运行时，励磁电流的大小一般不超过额定电流的2%～5%。但是，当变压器空载投入或外部故障切除电压恢复时，可能出现数值很大的励磁电流，又称励磁涌流，其数值一般为额定电流的4～10倍。
励磁涌流的大小和衰减时间与合闸瞬间电压的初相位、铁心中剩磁的大小和方向、电源容量的大小、回路阻抗、变压器容量的大小和铁心材料的性质等均有关，因此变压器励磁涌流具有波形偏于时间轴一侧、含有大量高次谐波且以二次谐波为主、存在间断角的特点。因此，识别励磁涌流的方法主要是基于二次谐波原理、间断角原理和波形对称原理。
2 励磁涌流判据失效的工程案例分析
某变电站在空投220kV变压器时，基于波形对称原理的第二套PST—1200U变压器保护装置的励磁涌流判别元件未能启动，导致差动保护开放，差动电流越限，主变断路器断开。变压器保护装置部分定值单见表1。
表1 变压器保护装置部分定值单
2.1 系统运行情况
式（1）
2.2 第一次合闸冲击
第一次合闸冲击时断路器处于闭合状态，此时高压侧出现不平衡电流，电流波形偏于时间轴一侧且存在间断角，是典型的励磁涌流特征。此时，各相励磁涌流较小，虽然偏于时间轴一侧，满足励磁涌流波形不对称判据，但还未达到差动保护启动定值，保护装置未动作。
一段时间后，A、B相差流超过差动保护启动定值，该波形满足波形不对称判据，保护装置应闭锁主保护可靠不动作，但此时主变差动保护动作。第一次合闸冲击差动保护录波标志集如图1所示，ABX、BBX、CBX分别为A、B、C三相波形对称闭锁标志集，当标志集变红时说明波形对称闭锁启动，但由图1可以看出，此时三个标志集均未变位，说明励磁涌流闭锁功能未启动。
图1 第一次合闸冲击差动保护录波标志集
2.3 第二次合闸冲击
第二次空投变压器与第一次相同，电流波形满足励磁涌流特征，但保护装置仍未闭锁主保护。第二次合闸冲击差动保护录波标志集如图2所示。
图2 第二次合闸冲击差动保护录波标志集
值得注意的是，图2中A相的波形对称闭锁标志集出现变位，说明此时A相差动保护闭锁，但B、C相差动保护仍开放。与第一次合闸冲击时不同，此时A相的不平衡电流较大。
通过对比两次合闸冲击的励磁涌流幅值可知，PST—1200U变压器保护装置的波形对称闭锁励磁涌流功能存在内部门槛值。分析两次合闸冲击时的各相电流可知，该门槛值在0.399～0.455A之间，当差动电流二次值大于该门槛值时，保护装置的励磁涌流闭锁功能才启动。
3 实验验证
为验证上述结论，本文通过继电保护实验仪器模拟不同幅值大小的故障电流，以分析PST—1200U保护装置在不同励磁涌流下的动作行为。本次电流互感器二次额定电流为5A，差动保护启动电流定值为0.315A。
初始时刻，试验仪输出的电流基波为0.6A，二次谐波为0.12A，此时主变保护装置中计算得到的不平衡电流已经大于差动保护启动定值0.315A，且大于励磁涌流闭锁门槛值所在区间，由于二次谐波含量为20%，保护装置可靠不动作。300ms时，将试验仪输出的电流基波降低为0.42A，由于基波分量减少，二次谐波含量上升为28.6%，此时保护装置可靠不动作。
0～120ms保护装置内部状态时序如图3所示，其中a、b、c、d、e、f分别对应差动保护启动、差动速断保护动作、比例差动保护动作、A相波形对称闭锁、B相波形对称闭锁、C相波形对称闭锁的开关量状态，粗实线表示状态为“1”，细实线表示状态为“0”，各时刻相应的断路器量状态见表2。
图3 0～120ms保护装置内部状态时序
表2 各时刻断路器量状态
图4为2520～2740ms保护装置内部状态时序，当试验仪输出的电流基波降低为0.38A时，虽然二次谐波含量为31.6%，但是由于基波电流大小低于励磁涌流闭锁门槛值所在区间，因此不再闭锁励磁涌流，主保护动作。由图4可知，此时A、B、C三相波形对称闭锁均开放，可见保护装置将输入电流按一般差流处理，波形对称识别未启动。
图4 2 520～2 740ms保护装置内部状态时序
图5 PST—1200U比率制动特性
在与厂家研发人员联系确认后得知，PST—1200U保护装置波形对称的内部门槛值为0.08In，In为电流互感器二次额定值。经计算可得波形对称识别原理的启动门槛值为0.4A，与试验测得当试验仪输入基波为0.42A时保护装置可靠闭锁，当试验仪输入基波降至0.38A时保护装置不闭锁的结论相符。
4 解决方案
要使保护装置基于波形对称闭锁励磁涌流的功能不受内部门槛值影响，需要使励磁涌流闭锁门槛值小于差动保护启动定值，以消除闭锁“死区”。
4.1 增大差动保护启动定值
由定值单可知，差动保护启动定值为0.5Ihe，若要满足大于励磁涌流闭锁门槛值要求，则启动定值需要修改为0.64Ihe，即可消除闭锁“死区”。不过，保护定值是根据实际情况计算得到，随意修改差动保护启动定值会降低差动保护灵敏度，使变压器保护装置在某些故障情况下发生拒动，扩大事故范围。具体整定方案的调整需与相关专职人员沟通确认。
4.2 减小励磁涌流闭锁门槛值
本次改造中变压器高压侧电流互感器的电流比为2500/5，可将电流互感器更换为电流比为2500/1或1200/1的电流互感器，则相应的励磁涌流闭锁门槛值降低为0.08A，远低于差动保护启动定值0.5Ihe，即可消除图5中的闭锁“死区”。不过，现场实际中电流互感器的型号在工程施工前就已确定，不能随意更改，具体整定方案的调整需与相关专职人员沟通确认。
4.3 励磁涌流制动原理调整
若由于实际运行情况和现场一次设备的限制，增大差动保护启动定值I0和减小励磁涌流闭锁门槛值的方式都无法适用，则只能更换保护装置励磁涌流判别原理，以避免闭锁“死区”的问题。
5 结论
PST—1200U保护装置采用波形对称原理闭锁励磁涌流时存在内部门槛值，内部门槛值为0.08In。当差动保护启动定值小于内部门槛值时，会出现励磁涌流闭锁“死区”，造成空投变压器时保护装置闭锁励磁涌流功能失效，导致差动保护误跳开关。
本文给出了增大差动保护启动电流、选用二次电流额定值较小的电流互感器以减小励磁涌流闭锁门槛值，以及调整励磁涌流制动原理的解决方案，可视现场实际情况选用。
本工作成果发表在2024年第11期《电气技术》，论文标题为“ PST—1200U差动保护励磁涌流判据失效原因分析及改进 ”，作者为王婵媛、孔茗。
来源：电气技术
