一文詳解勵磁電感的快速變壓器保護

保護原理

變壓器 T 型等效電路如圖3所示。由于鐵磁材料的非線性特征(典型磁化特性曲線如圖4所示，其中 B、H 分別為磁感應強度和磁場強度，Bm、Hm分別為最大磁感應強度和最大磁場強度)，在空載合閘以及故障切除后母線電壓突然升高等情況下會發生勵磁涌流現象。

圖3 變壓器 T 型等效電路

由鐵芯飽和所導致的勵磁電流增大會影響電流差動保護的正確動作，故需要設置專門的勵磁涌流識別判據。

由此可見，變壓器主保護方案將變壓器的工作狀態分為正常運行、故障以及勵磁涌流 3 部分，勵磁涌流識別判據的動作速度和可靠性直接影響了電流差動保護的性能。

圖4 典型鐵磁材料磁滯回線

設置變壓器保護的目的是及時發現變壓器內部故障并動作于跳閘，以此來防止故障擴大造成的設備損壞。

從這一角度出發，變壓器保護方案僅需快速靈敏可靠地識別內部故障，而無需關注勵磁涌流。

基于此，將變壓器的工作狀態分為兩類：一是非故障狀態，包括變壓器正常運行(空載或帶負載)和變壓器鐵芯飽和兩種情況；二是故障狀態，包括變壓器內部匝地、匝間故障和引出線故障。

因此，變壓器不同工作狀態下勵磁電感的特征如下：

1）變壓器正常運行及外部故障時，勵磁電感數值非常大，且不具有波動性。

2）變壓器發生內部故障時，等效勵磁電感數值很小(漏感級別)，并無波動。

3）變壓器空投等原因造成鐵芯飽和時，勵磁電感的數值在正常高值與飽和低值之間周期變化，具有明顯的波動性。

由此，可以利用變壓器不同工作狀態下勵磁電感的數值特征構建快速變壓器保護方案。需要特別指出的是，當變壓器空載合閘于故障時，內部故障與鐵芯飽和的特征同時存在，等效勵磁電感可能同時具有較低的數值和波動性，在構建保護判據時需要利用定值和延時的配合來保證故障判據的正確性。

在變壓器 T 型等效電路的基礎上，提出了一種基于勵磁電感的變壓器快速主保護方案，采用時域快速算法，用最小二乘法在 2ms 內計算等效勵磁電感，利用等效勵磁電感在正常運行、鐵芯飽和以及內部故障時的不同數值特征構建保護方案，在原理上考慮了勵磁涌流的特征，具有良好的性能。

動模試驗結果表明，該方案不受勵磁涌流的影響，能夠有效地識別 2.27%匝以上的匝間故障，動作時間小于 13 ms，且該方案不受系統運行方式變化以及系統諧波的影響，從動作可靠性和速動性方面都優于傳統的二次諧波制動的差動保護，故可作為超高壓特高壓電網中的單相變壓器保護新原理，具有良好的應用前景。