一文详解励磁电感的快速变压器保护

保护原理

变压器 T 型等效电路如图3所示。由于铁磁材料的非线性特征(典型磁化特性曲线如图4所示，其中 B、H 分别为磁感应强度和磁场强度，Bm、Hm分别为最大磁感应强度和最大磁场强度)，在空载合闸以及故障切除后母线电压突然升高等情况下会发生励磁涌流现象。

图3 变压器 T 型等效电路

由铁芯饱和所导致的励磁电流增大会影响电流差动保护的正确动作，故需要设置专门的励磁涌流识别判据。

由此可见，变压器主保护方案将变压器的工作状态分为正常运行、故障以及励磁涌流 3 部分，励磁涌流识别判据的动作速度和可靠性直接影响了电流差动保护的性能。

图4 典型铁磁材料磁滞回线

设置变压器保护的目的是及时发现变压器内部故障并动作于跳闸，以此来防止故障扩大造成的设备损坏。

从这一角度出发，变压器保护方案仅需快速灵敏可靠地识别内部故障，而无需关注励磁涌流。

基于此，将变压器的工作状态分为两类：一是非故障状态，包括变压器正常运行(空载或带负载)和变压器铁芯饱和两种情况；二是故障状态，包括变压器内部匝地、匝间故障和引出线故障。

因此，变压器不同工作状态下励磁电感的特征如下：

1）变压器正常运行及外部故障时，励磁电感数值非常大，且不具有波动性。

2）变压器发生内部故障时，等效励磁电感数值很小(漏感级别)，并无波动。

3）变压器空投等原因造成铁芯饱和时，励磁电感的数值在正常高值与饱和低值之间周期变化，具有明显的波动性。

由此，可以利用变压器不同工作状态下励磁电感的数值特征构建快速变压器保护方案。需要特别指出的是，当变压器空载合闸于故障时，内部故障与铁芯饱和的特征同时存在，等效励磁电感可能同时具有较低的数值和波动性，在构建保护判据时需要利用定值和延时的配合来保证故障判据的正确性。

在变压器 T 型等效电路的基础上，提出了一种基于励磁电感的变压器快速主保护方案，采用时域快速算法，用最小二乘法在 2ms 内计算等效励磁电感，利用等效励磁电感在正常运行、铁芯饱和以及内部故障时的不同数值特征构建保护方案，在原理上考虑了励磁涌流的特征，具有良好的性能。

动模试验结果表明，该方案不受励磁涌流的影响，能够有效地识别 2.27%匝以上的匝间故障，动作时间小于 13 ms，且该方案不受系统运行方式变化以及系统谐波的影响，从动作可靠性和速动性方面都优于传统的二次谐波制动的差动保护，故可作为超高压特高压电网中的单相变压器保护新原理，具有良好的应用前景。