■吳 健

(福建省高速公路永安監(jiān)控分中心，永安 366000）

淺談高速供電系統(tǒng)中勵磁涌流對線路保護(hù)誤動作的成因分析及處理

■吳 健

(福建省高速公路永安監(jiān)控分中心，永安 366000）

微機(jī)型繼電保護(hù)設(shè)備作為高速公路10kV供電系統(tǒng)保護(hù)裝置，給供電線路及用電設(shè)備安全運(yùn)行帶來了安全保障。但受勵磁涌流的影響，在停電后恢復(fù)運(yùn)行時，保護(hù)裝置可能會發(fā)出誤動作信號導(dǎo)致高壓斷路器跳閘，造成供電系統(tǒng)內(nèi)二次非故障停電。而維護(hù)人員往往會忽略該因素的存在，出現(xiàn)巡線和系統(tǒng)全面檢查后又找不到故障點(diǎn)的情況，從而無法及時恢復(fù)供電。這不僅對高速公路行車安全帶來安全隱患，也給故障的處理帶來難度。本文就高速供電系統(tǒng)中，勵磁涌流導(dǎo)致線路保護(hù)誤動作的原因進(jìn)行簡要分析，并提供相應(yīng)的應(yīng)對措施。

勵磁涌流 繼電保護(hù) 誤動作 成因分析

1 引言

高速公路的用電負(fù)荷為沿線分散性負(fù)荷，大量的電氣設(shè)備通過電氣線路緊密地聯(lián)結(jié)在一起。這種覆蓋的地區(qū)廣，運(yùn)行環(huán)境極其復(fù)雜，受影響的因素多的供電設(shè)施一旦發(fā)生故障，若查找方式不對，會給處理帶來很大的難度。對高速公路交流電輸配系統(tǒng)中來說，變壓器是重要電氣設(shè)備。在變壓器空載投入和外部故障切除后電壓恢復(fù)的情況下，則可能出現(xiàn)很大的勵磁電流即勵磁涌流。勵磁涌流產(chǎn)生時，由于沖擊電流存在的時間很短，對變壓器的一次設(shè)備本身并無太大危害和影響。若繼保整定值未充分考慮涌流因素，則有可能出現(xiàn)高壓斷路器誤動作跳閘，使電力系統(tǒng)穩(wěn)定性遭到破壞。然而在電力跳閘故障處理中，勵磁涌流的因素又常常被忽略，從而導(dǎo)致故障查找處理時間過長，對高速機(jī)電設(shè)施安全、穩(wěn)定運(yùn)行造成不良影響。正確識別變壓器勵磁涌流和供電系統(tǒng)內(nèi)部故障成為了供電運(yùn)行保障的關(guān)鍵。以下結(jié)合高速公路供電運(yùn)營實(shí)際，就涌流可能成因、出現(xiàn)線路保護(hù)誤動作的判斷及解決方法進(jìn)行分析。

2 勵磁涌流概述

2.1 產(chǎn)生原理

在交流電路中，磁通Φ總是落后電壓90°相位角。用u來表示額定電壓，Φ來表示額定磁通。為分析簡便，若u=Um×sin(ωt），根據(jù) u=dφ/dt則 Φ=-Um/ω×cos(ωt）+C，兩者關(guān)系如圖1所示。假設(shè)在合閘瞬間，電壓正好達(dá)到最大值時，則磁通的瞬間值正好為零，在這種電壓為峰值的情況下投入變壓器，不會產(chǎn)生勵磁涌流。但當(dāng)合閘瞬間電壓為零值時，它在鐵芯中所建立的磁通為最大值(-Φm）。由于鐵芯中的磁通不能突變，理想情況下若合閘前鐵芯中沒有磁通，則這一瞬間仍要保持磁通為零。因此，在鐵芯中就出現(xiàn)一個幅值為Φm的非周期磁通分量。這時，鐵芯里的總磁通Φ應(yīng)看成兩個磁通相加而成。由于磁通是雙標(biāo)量，鐵芯中合閘瞬間磁通為2Φm，如果合閘時鐵芯還有剩磁Φ0，磁通Φ還會更大，實(shí)際運(yùn)行中可達(dá)到2.7倍的Φm。根據(jù)鐵芯磁化特性，在電壓瞬時值為零時合閘會產(chǎn)生最嚴(yán)重的磁飽，出現(xiàn)勵磁電流會劇增現(xiàn)象，這就是勵磁涌流的由來。

圖1 交流電路中電壓與磁通關(guān)系示意圖

通過上面分析得知，勵磁涌流是由于鐵芯的磁飽和產(chǎn)生的。其數(shù)值會達(dá)到正常空載運(yùn)行勵磁電流的50～80倍，通常于接通電源1/4周期后開始產(chǎn)生，持續(xù)時間較長，從數(shù)十個電源周期直至數(shù)十秒不等。以一般變壓器正?？蛰d勵磁電流為額定電流的10%計算，在最不利情況下合閘，瞬時值可達(dá)額定電流的5～8倍，如果再考慮合閘瞬間的剩磁影響，勵磁電流會更大。考慮到回路電阻R的存在，該電流將隨時間常數(shù)T=L/R逐步衰減，最終恢復(fù)到正?？蛰d電流水平。涌流變化曲線見圖2。一般小容量變壓器衰減快，約幾個周波后即達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)，大容量變壓器衰減慢，可以延續(xù)幾秒甚至20s，這樣就很好的揭示了繼保誤動作信號產(chǎn)生的原因了。以上分析了單相變壓器最不利合閘情況，而高速機(jī)電日常使用的都是三相變壓器，由于三相電壓彼此相差120度，因此合閘時總會有一相的合閘狀態(tài)處于或接近上面分析的最不利狀態(tài)，也就是說總有一相出現(xiàn)最大的勵磁涌流。

圖2 勵磁涌流變化曲線

2.2 類型及特點(diǎn)

高速公路10kV供電系統(tǒng)中常見的勵磁涌流類型分為變壓器勵磁涌流和10kV配網(wǎng)勵磁涌流兩種。變壓器涌流主要發(fā)生在收費(fèi)所站供電的干式變壓器中，而配網(wǎng)涌流則多出現(xiàn)在隧道內(nèi)高壓側(cè)為手拉手結(jié)構(gòu)的多臺地埋式變壓器配網(wǎng)中。

表1 兩種類型涌流特點(diǎn)比較

2.3 帶來的問題和影響

(1）由于該沖擊電流存在的時間很短，勵磁涌流本身對變壓器并無危害。但當(dāng)電網(wǎng)波動時，對變壓器多次連續(xù)合閘充電也是不好的。大電流的多次沖擊，會引起繞組間的機(jī)械力作用，長期作用可能逐漸使其固定物松動。

(2）高速隧道其環(huán)境復(fù)雜且惡劣，大量的、各種類型的電氣設(shè)備通過電氣線路緊密地聯(lián)結(jié)在一起運(yùn)行，一旦發(fā)生電氣故障，其問題的查找是相當(dāng)困難的。對于隧道這種多臺變壓器共一個斷路器的供電方式，就有可能出現(xiàn)差動保護(hù)誤動作造成跳閘停電故障。而勵磁涌流這種非常隱蔽，又容易忽略的因素，在故障判斷中常常不被考慮，結(jié)果造成故障點(diǎn)無法確定，導(dǎo)致隧道長時間停電，既給高速公路行車安全帶來隱患和也給高速服務(wù)形象造成不良影響。

3 勵磁涌流識別方法簡述

3.1 間斷角原理

以準(zhǔn)確測量間斷角的大小為基礎(chǔ)，基于勵磁涌流波形中有較大的間斷這個特征實(shí)現(xiàn)其鑒別。其優(yōu)點(diǎn)是利用了勵磁涌流本身明顯的波形特點(diǎn)，能夠清楚的區(qū)分變壓器勵磁涌流和內(nèi)部故障電流。

3.2 二次諧波制動原理

在變壓器涌流中含有較大的偶次諧波分量，其中二次諧波分量最大。當(dāng)電流信號中二次諧波的含量超過閥值，即判斷是勵磁涌流。但對存在靜止無功補(bǔ)償裝置的系統(tǒng)中出現(xiàn)故障時，運(yùn)用該法可能造成誤判。

3.3 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN），可以應(yīng)用于變壓器內(nèi)部故障和涌流的判別，其主要是利用ANN的模式識別能力進(jìn)行電流的波形識別。其基本原理是將單相變壓器的內(nèi)部短路電流仿真模型和涌流仿真模型得到的頻域和時域數(shù)據(jù)作為學(xué)習(xí)樣本，對其所設(shè)計的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行訓(xùn)練，然后將訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊重新接到勵磁涌流和短路電流的仿真模型中進(jìn)行仿真分析得出結(jié)論，以此來對涌流進(jìn)行識別。

3.4 虛擬三次諧波制動原理

該原理主要是將勵磁涌流波形中的以尖脈沖為中心的半個周波來作為擬合波形的前半周期，同時利用 “平移”、“變號”原則來對波形的后半周期進(jìn)行擬合，此外，利用傅里葉變換來對擬合的波形進(jìn)行計算以此得到基波和三次諧波，利用該原理可以對對稱性和非對稱性涌流進(jìn)行快速而準(zhǔn)確的識別。

3.5 小波變換法

此法目前主要集中于高次諧波檢測和奇異點(diǎn)檢測，實(shí)際上是間斷角原理的一種延伸。高頻檢測所反映的是差流狀態(tài)突變而產(chǎn)生的高次諧波，高頻細(xì)節(jié)出現(xiàn)的位置對應(yīng)于變壓器飽和的時刻或故障發(fā)生時的時間。若差流的高頻細(xì)節(jié)突變周期出現(xiàn)，則可判別為勵磁涌流；若出現(xiàn)一次后就很快衰減為零，則為內(nèi)部故障。

除了以上常見方法外，還有基于波形非正弦度分形估計的勵磁涌流識別方法，利用勵磁涌流波形非正弦度增大的特點(diǎn)，鑒別勵磁涌流和故障電流，以及利用磁通軌跡特征來對變壓器勵磁涌流的識別方法。

4 高速供電系統(tǒng)中常見涌流誤動作分析與處理

在高速供電系統(tǒng)中常見保護(hù)裝置動作的原因有：雷擊、高電位侵入、事故過電壓、操作過電壓、供電線路失壓、單相接地故障、勵磁涌流、二次回路接觸不良、外來干擾(高頻、輻射、靜電放電）等。以上因素最后三種是引發(fā)保護(hù)誤動作的重要原因，其中勵磁涌流引發(fā)的誤動多發(fā)且較易被忽略，2013～2017永安分中心轄區(qū)內(nèi)供電保護(hù)裝置動作情況統(tǒng)計見表2。

表2 2013～2017年保護(hù)裝置動作情況統(tǒng)計表

下面結(jié)合高速公路機(jī)電日常維護(hù)遇到的涌流誤動情況，就常見的兩個勵磁涌流誤動作類型進(jìn)行原因分析并給出解決方案。

4.1 所站干變高檔運(yùn)行導(dǎo)致的涌流引發(fā)保護(hù)誤動

雖然高速公路供電線路多為10kV單回路專用線路，但部分電源接入點(diǎn)位于偏遠(yuǎn)地區(qū)，外架空供電線路只能就近T接10kV公用線路。由于公用回路上用戶情況復(fù)雜，加之供電部門的變電站多使用當(dāng)?shù)匦∷娬咀鳛殡娫?，會出現(xiàn)電網(wǎng)電壓受用戶與季度因素影響波動的情況。就農(nóng)網(wǎng)而已，10kV電網(wǎng)多發(fā)生電壓值偏低 (9.8～10.3kV）的情況。為保護(hù)高速機(jī)電設(shè)備運(yùn)行安全，多采用將所站干式變壓器調(diào)檔開關(guān)調(diào)至高檔位運(yùn)行的方法進(jìn)行處理。而有載分接開關(guān)是通過增加或者減少繞組的匝數(shù)來改變變壓器的變比。也就是說變壓器在低檔位和高檔位，繞組的匝數(shù)不同，在1檔位時匝數(shù)最多。然而勵磁涌流的大小與鐵芯中磁通的大小有關(guān)，磁通越大，鐵芯越飽和，產(chǎn)生的沖擊電流也越大。根據(jù)磁通公式Φ=U1/(4.44×f×N1）得出U1不變時，N1減小，Φ增大。因高速收費(fèi)站負(fù)載端多裝有失壓脫扣保護(hù)裝置，故障停電后，用電負(fù)載與變壓器斷開連接。當(dāng)處在高檔位運(yùn)行的變壓器，在合閘角為0時空投，就會瞬間出現(xiàn)鐵芯磁通嚴(yán)重飽和，產(chǎn)生最大的勵磁涌流。該瞬態(tài)沖擊電流就會造成保護(hù)誤動作，引起斷路器跳閘。此類型誤動作情況見圖3。

根據(jù)以上情況解決高檔運(yùn)行導(dǎo)致的保護(hù)誤動作，單純依靠調(diào)整饋線柜繼保整定值有可能出現(xiàn)越級跳閘現(xiàn)象，從而使得停電范圍擴(kuò)大導(dǎo)致公用電網(wǎng)大面積停電的嚴(yán)重后果。所以應(yīng)視具體情況，將檔位盡量調(diào)至中、低檔位。若條件允許，可增加涌流抑制器進(jìn)行有效地抑制。

4.2 隧道配電網(wǎng)整定值未考慮和應(yīng)涌流引發(fā)保護(hù)誤動

對于采用地埋式變壓器供電的高速公路長隧道，由于使用的變壓器數(shù)量多且高壓側(cè)都掛在同一高壓電纜上，在電網(wǎng)波動或外供電送電合閘瞬間，各變壓器(風(fēng)機(jī)變空載投入）所產(chǎn)生的勵磁涌流在線路上相互迭加、來回反射，產(chǎn)生了一個復(fù)雜的電磁暫態(tài)過程，加上系統(tǒng)阻抗較小，會出現(xiàn)較大的勵磁涌流，時間常數(shù)也較大。此時，如果共用的斷路器保護(hù)整定值未充分考慮和應(yīng)涌流影響，就會出現(xiàn)保護(hù)裝置誤動作造成跳閘故障。誤動作示情況見圖4。

圖3 變壓器高檔位引發(fā)誤動作示意圖

圖4 整定值設(shè)定問題導(dǎo)致誤動作示意圖

該誤動有兩種常見解方法：1）對饋線柜內(nèi)配電變壓器的保護(hù)裝置進(jìn)行改造。該方法會大大增加保護(hù)裝置的復(fù)雜性，因此應(yīng)用性很差。2）根據(jù)涌流衰減特點(diǎn)，可在速斷保護(hù)中適當(dāng)加入一段時間延時 (一般增加0.1～0.15s），就可以防止勵磁涌流引起的保護(hù)裝置誤動作。這種方法最大優(yōu)點(diǎn)是不用改造配電變壓器的保護(hù)裝置，雖然會增加故障時間，但對于10kV系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行影響較小的地方還是適用的。然而，在采用二段式電流保護(hù)的10kV線路中，若限時速斷保護(hù)定值過小，保護(hù)裝置仍有誤動的可能。此時，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況重新整定速斷保護(hù)定值，在滿足靈敏度的條件下使整定值能躲過勵磁涌流。

5 結(jié)束語

近年來隨著我國高速公路里程的快速發(fā)展,整個高速機(jī)電系統(tǒng)的規(guī)模變得越來越大,日常運(yùn)營中對電力的需求也越來越大。而變壓器的勵磁涌流是造成高速10kV供電系統(tǒng)差動保護(hù)誤動作的不可忽視的重要原因之一。機(jī)電維護(hù)人員在日常電力維護(hù)中，既要做到快速識別判斷勵磁涌流現(xiàn)象，還要具備使用科學(xué)的方法對其進(jìn)行防范及處理的能力，只有這樣才能消除此類安全生產(chǎn)隱患，保護(hù)電力設(shè)施安全，確保高速機(jī)電設(shè)備可靠、穩(wěn)定的運(yùn)行。

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