励磁涌流引起的10kV馈线保护动作事件分析及预控措施研究

0 引言

配网线路上装有大量的配电变压器，在10kV馈线开关合闸瞬间，各配变所产生的励磁涌流在线路上相互叠加，产生一个非常复杂的电磁暂态过程，呈现出较大的涌流现象，时间常数也较长，引起10kV馈线开关保护动作，如若不能有效抑制涌流跳闸，或出现涌流跳闸时不能快速准确定位为涌流引起的跳闸，将会造成大量用户停电时间过长，客户投诉剧增的现象，且给配网运维班组人员带来极大的巡线工作量。

1 配变励磁涌流产生的机理及其特点

1.1  配变励磁涌流产生机理

变压器作为电能、磁能的转换装置，在变压二次绕组开路的情况下，一次绕线需要通过相应的励磁电流来建立主磁通。励磁电流和磁场的关系可以由变压器铁芯的磁化曲线特性来决定。变压器副边开路，将原边接入电源称为空载合闸。稳态运行时，变压器的空载电流很小，仅为额定电流的2%～10%^[1-3]。

变压器空载合闸是一个瞬变过程，在合闸的瞬间，假定铁芯中没有剩磁，外加电压U会在磁路产生一个滞后90^。相角的磁通φ₁，这是一个旋转分量，由于磁路的磁通不能突变，必然要由励磁电流分量产生一个-φ₁来平衡磁路，保持磁通瞬间的零值，这个-φ₁是一个暂态（自由）分量，随时间常数 T=L₁/R₁（L₁为原绕组的全自感，R₁为一次回路电阻） 大小逐步衰减，一般小型变压器衰减较快，几个周期后就可达到稳态，大型变压器衰减过程可达20s之久^[5-6]。

假设开关在最不利的情况下合闸，即电压初相角α为0时，φ₁将达到幅值φ_m，暂态分量-φ₁，也出现最大值-φ_m，并随时间常数T逐步衰减，经过半个周波后，φ₁将达到负的最大值-φ_m，这时，两个磁通的叠加将接近-2φ_m，这将引起铁芯磁通密度增大到饱和状态，励磁电流急剧增大到稳态值的几十倍甚至上百倍^[1][7]。

1.2  励磁涌流特点

励磁涌流波形具备以下特点：①明显偏于时间轴的一侧，②波形畸变严重，③有明显的间断角^[1]，如下图1所示。

图1 变压器励磁涌流波形

2 配变励磁涌流引起馈线保护动作分析

配变励磁涌流引起馈线保护动作时有发生，现选取一典型事件进行深入分析。2017年03月31日19时34分，良村站F20 凤凰酒店线发生接地故障，10kV消弧选线装置正确选线并动作跳开520开关，20时18分调度强送520开关不成功，520馈线保护过流I段保护动作并出口，20时52分，调度再次强送520开关不成功，无任何保护动作报文。

2.1 良村站520开关保护定值

良村站520开关保护装置型号为RCS-9611C，其CT变比为400/5，保护整定时按线路配电容量1600kVA考虑，定值如下表1所示：

表1 10kV F20凤凰酒店线520开关过流保护定值

虽然10kV配网励磁涌流是多台配变励磁涌流复杂的迭加，但按配变励磁涌流值纯粹的相加计算出来的涌流值是可以作为实际值的一个参考。理论研究表明，励磁涌流最大可达变压器额定电流的6~8倍，开始衰减较快，一般持续0.5~1s后减至0.2~0.5倍额定电流，线路按1600kVA容量考虑，涌流为528A~704A，理论上能可靠躲过配变励磁涌流。

2.2保护动作波形分析

保护动作波形如下图2所示:

图2 520开关因励磁涌流导致强送不成功的动作波形

三相电流曲线为尖顶波，明显偏于一侧，且波形畸变严重，有明显的间断角，与励磁涌流的物理特征高度吻合。

电流谐波分析如下图3所示：

图3 520开关电流初始波形的谐波分析结果

其中含大量的2、3、4次谐波，其中2次谐波含量最高，达91.31%，再次论证该电流波形为变压器励磁涌流。

有效值分析如下图4所示：

图4 520开关电流有效值分析结果

F20 520开关保护动作时C相电流有效值达25.364A，大于过流I段定值22.5A，且定值设置无复压闭锁，无延时，故本次保护动作正确。

2.3跳闸原因分析

10kV F20凤凰酒店线为纯电缆纯负荷线路，主线线径300mm2，线路总长11.073km，运行变压器49台，总容量29,420kVA，远远大于保护整定所采用的经验配电容量1600kVA，折算后配变励磁涌流直接叠加一次电流约9706~12941A，远超出I段定值1800A，故而酿成本次事件。

因此，本次520开关过流I段动作非故障引起，而是在对配变进行送电时，因配变容量过大产生了大于过流I段整定值的励磁涌流所致。

3 抑制涌流预控措施研究

当10kV馈线所供配电变压器个数多、容量大，特别是在集中分布大量配变的10 kV 城区电缆线路中，容易发生由于励磁涌流造成保护误动，建议控制措施如下：

3.1 适当控制馈线负荷

根据《广东电网有限责任公司配电网规划技术指导原则》，300 mm²电缆线路建议接入配变容量约为12MVA^[8]，现10kVF20凤凰酒店线配变容量达29MVA，是导则建议接入容量的2.5倍，建议采取新出线或转供电等方式调减该线路接入负荷，尽可能避免因励磁涌流过大导致全线带负荷合闸不成功。

3.2 合理对馈线分段，逐级送电

对10kV线路进行合理分段并设置分段开关，降低一次合闸送电所带负荷，逐段送电，避免大量变压器励磁涌流恶性叠加。

3.3加速配网自动化建设

加速配网自动化建设，推广应用配网分段开关保护配置，自动隔离故障段后逐级送电。

3.4 适当调整馈线定值

建议结合短路电流、线路配变容量，综合考虑整定更加合理、差异化的10kV馈线保护定值，尽可能躲开励磁涌流，增强保护配置可靠性。

3.5 建议保护厂家改进软件算法

建议保护装置厂家采用数字滤波器原理，将涌流波形进行滤除，然后再参与保护故障处理程序计算，对抑制励磁涌流导致保护动作起到很好的效果。

3.6 加装10kV故障录波装置

目前存在多套保护装置无法调取录波图的现象，建议加装10kV故障录波装置，可方便、快捷、直观查看录波图，快速定位故障点，提高排障效率。

4 结语

10kV馈线保护装置动作时，继保人员应打破传统的线路故障分析思维，综合考虑其负荷性质，始终坚持以故障录波图为事实依据，准确迅速地判断保护动作原因及故障类型。运行人员对于10kV馈线负荷情况应做到心中有数，尤其是带有大容量配变的城区电缆线路，应考虑配变励磁涌流对保护装置动作行为的影响，送电过程中馈线开关保护动作，能快速反应，减少停电时间。

参考文献：

[1] 张广溢，郭前岗．电机学（13）．重庆大学出版社，2001：50~60；

[2] 任明辉．配网励磁涌路导致保护误动原因分析与抑制方法研究，高压电器． 2013.49(12)：59~68；

[3] 李伟，黄金，方春恩等．基于相控开关技术的空载变压器励磁涌流抑制研究，高压电器． 2010.46（5）：9~13；

[4] 任保瑞，赵锋，刘小改等．励磁涌流引起的变压器差动保护误动作分析及对策，电网与清洁能源. 2010.26（10）：6~9；

[5] 蒋涛，李嵘荟等．论10kV配网中变压器励磁涌流的产生原因及控制，电源技术应用． 2013.11：225；

[6] 谢静波．10kV供电系统中励磁涌流的产生及控制，建筑安全． 2009.4：32~34；

[7] 秦俊敏．10kV配网中变压器励磁涌流分析与控制，中国高新技术企业． 2014.35：107~108；

[8]广东电网有限责任公司，《广东电网有限责任公司配电网规划技术指导原则》，2016:16