電力變壓器勵(lì)磁涌流判據(jù)的思考

近年來,我國超高壓、大容量電力變壓器不斷投產(chǎn),遠(yuǎn)距離輸電系統(tǒng)越來越多地建成和安全運(yùn)行,電力工業(yè)已有了可喜的發(fā)展。差動(dòng)保護(hù)作為電力變壓器的主保護(hù),其理論根據(jù)是基爾霍夫電流定律,對于純電路設(shè)備,差動(dòng)保護(hù)無懈可擊。但是,對于變壓器而言,由于內(nèi)部磁路的聯(lián)系, 本質(zhì)上不再滿足基爾霍夫電流定律,變壓器勵(lì)磁電流成為差動(dòng)保護(hù)不平衡電流的一個(gè)主要來源。變壓器過勵(lì)磁時(shí)，勵(lì)磁電流可達(dá)到變壓器額定電流的水平;空載變壓器投入電網(wǎng)或變壓器外部故障切除后電壓恢復(fù)時(shí),其暫態(tài)勵(lì)磁電流(即勵(lì)磁涌流)值有可能達(dá)到變壓器額定電流的6～8倍，這樣大的不平衡電流必然導(dǎo)致差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)。因此, 變壓器差動(dòng)保護(hù)的主要問題一直集中在，如何準(zhǔn)確判別勵(lì)磁涌流和內(nèi)部故障電流。本文將和大家一起探討變壓器勵(lì)磁涌流的常用判據(jù)，并對新方法進(jìn)行探討。

1電力變壓器常用勵(lì)磁涌流的判據(jù)及特點(diǎn)

1.1僅利用電流量判別涌流

電流波形特征識別法一直是人們研究的熱點(diǎn),目前仍占據(jù)主流。該方法以勵(lì)磁涌流和內(nèi)部故障電流波形特征的差異為依據(jù), 已運(yùn)用于實(shí)踐的有二次諧波制動(dòng)原理和間斷角原理。

1.1.1二次諧波制動(dòng)原理

二次諧波制動(dòng)法是計(jì)算差流中的二次諧波分量, 若其值較大則判定為涌流, 常用的判別式為:

二次諧波制動(dòng)原理簡單明了, 有多年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn), 目前國內(nèi)外實(shí)際投入運(yùn)行的微機(jī)變壓器保護(hù)大都采用該原理。但是, 采用二次諧波制動(dòng)原理的變壓器保護(hù), 面臨著以下幾個(gè)問題:

a勵(lì)磁涌流是暫態(tài)電流, 不適合用傅里葉級數(shù)的諧波分析方法。因?yàn)閷τ跁簯B(tài)信號而言, 傅里葉級數(shù)法的周期延拓將導(dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)果。

b很難適當(dāng)選擇制動(dòng)比K。美國西屋公司的制動(dòng)比為7.0% ~ 7. 5%, 但ABB 取10% , 我國和大部分國家則取15%~ 20%[4] ,誰更科學(xué)較難評判。

c現(xiàn)代變壓器磁特性的變化, 使得涌流時(shí)二次諧波含量低, 導(dǎo)致誤動(dòng);而大容量變壓器、遠(yuǎn)距離輸電的發(fā)展, 使得內(nèi)部故障時(shí)暫態(tài)電流產(chǎn)生較大的二次諧波, 導(dǎo)致拒動(dòng)。

1.1.2間斷角原理

間斷角原理是由我國率先提出并制成樣機(jī)的,其模擬式保護(hù)裝置已經(jīng)得到應(yīng)用，其判別依據(jù)是勵(lì)磁涌流波形中存在較大的間斷。一般采用間斷角為65°,波寬為140°作為判別邊界值，即當(dāng)差流的間斷角大于65°時(shí),判別為勵(lì)磁涌流;當(dāng)間斷角小于65°且波寬大于140°時(shí),則判別為內(nèi)部故障,保護(hù)裝置短時(shí)開放差動(dòng)繼電器出口。

不過,間斷角原理也面臨著兩個(gè)非常棘手的難題：

a如何正確測量間斷角的問題。涌流間斷角處的電流非常小, 幾乎接近于0，需要CPU以較高的采樣率以準(zhǔn)確測量間斷角;

b CT 的傳變引起間斷角的波形變形問題。

鑒于以上原因,目前利用間斷角原理的變壓器微機(jī)保護(hù)很少見。

1.2僅利用變壓器電壓量判別涌流

當(dāng)變壓器勵(lì)磁涌流出現(xiàn)嚴(yán)重飽和時(shí)，端電壓會(huì)發(fā)生嚴(yán)重畸變，其中包含大量的諧波分量，可以用來鑒別勵(lì)磁涌流，原理如下：

如果變壓器三相電壓滿足下列條件是，判別為勵(lì)磁涌流保護(hù)閉鎖：

理的保護(hù)動(dòng)作特性可能會(huì)變壞。

2 同時(shí)利用電壓、電流量判別涌流

各研究機(jī)構(gòu)針對上述問題進(jìn)行深入研究，并基于變壓器的模型，提出一種基于變壓器模型的新型變壓器保護(hù)方案,從根本上杜絕了勵(lì)磁涌流引起保護(hù)不正確動(dòng)作的問題。在這里簡要敘述其基本原理，對于雙繞組單相變壓器,有以下的關(guān)系式成立:

式(5)是根據(jù)變壓器正常運(yùn)行的模型得到的,所以它適合于外部故障、勵(lì)磁涌流及過激磁情況,只有內(nèi)部故障時(shí),由于變壓器模型本身的內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)發(fā)生了變化,等式才不再立。因此,可以通過判別等式(5)是否成立,來決定保護(hù)裝置的動(dòng)作行為, 這就是基于變壓器模型的新型變壓器保護(hù)原理,它從根本上保證了在勵(lì)磁涌流、過激磁、外部故障等情況下保護(hù)不會(huì)誤動(dòng)作。

文獻(xiàn)[5]詳細(xì)推導(dǎo)了雙繞組和三繞組變壓器的動(dòng)作方程,并根據(jù)動(dòng)作方程提出了具體的保護(hù)判據(jù)。文獻(xiàn)[6]則對這種新型的變壓器保護(hù)方案進(jìn)行了改進(jìn),對于動(dòng)作方程按照梯形法,將連續(xù)的微分方程化為離散的差分方程,推導(dǎo)出了雙繞組變壓器的動(dòng)作方程,并提出了相應(yīng)的保護(hù)方案。新的方案不僅考慮了變壓器等效漏磁通的變化,而且涉及了漏感曲線斜率的變化情況,因此計(jì)算結(jié)果更令人滿意。同時(shí),由于僅采用基于工頻量的數(shù)字差分運(yùn)算,計(jì)算量較小,完全能夠滿足變壓器微機(jī)保護(hù)的要求。

3 結(jié)語

當(dāng)前存在的勵(lì)磁涌流與內(nèi)部故障判別方法雖然種類繁多, 但都不夠完善, 遠(yuǎn)不能滿足電力變壓器繼電保護(hù)的要求。為此, 加速研制新判據(jù)非常迫切與重要。由于變壓器發(fā)生勵(lì)磁涌流時(shí)磁路的飽和, 其電壓、電流并非線性相關(guān), 只有應(yīng)用電壓、電流兩個(gè)狀態(tài)變量同時(shí)表述變壓器的運(yùn)行狀態(tài), 信息才具有完備性。就理論而言, 存在兩種途徑判別變壓器勵(lì)磁涌流與內(nèi)部故障: 一種途徑是拋開差動(dòng)保護(hù)的思路, 應(yīng)用變壓器電流、電壓信息, 從解決問題的開始就避開勵(lì)磁涌流的問題, 如基于變壓器回路方程的算法消去了直接體現(xiàn)變壓器鐵心磁通的非線性項(xiàng), 從而避開了勵(lì)磁涌流的糾纏;另一種途徑就是直面勵(lì)磁涌流, 尋求判別勵(lì)磁涌流和內(nèi)部故障的方法, 這種途徑應(yīng)充分考慮勵(lì)磁涌流時(shí)變壓器鐵心的非線性, 如磁通特性法。此外, 這一問題的解決還必須借助先進(jìn)的科技識別手段, 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展, 這一問題必將得到解決。

參考文獻(xiàn)

[1] 葛寶明,于學(xué)海,王祥珩,蘇鵬聲,王維儉.基于等效瞬時(shí)電感判別變壓器勵(lì)磁涌流的新算法.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),1999.

[2]王維儉. 變壓器保護(hù)運(yùn)行不良的反思.電力自動(dòng)化設(shè)備, 2001.

[3]王祖光.間斷角原理的變壓器差動(dòng)保護(hù).電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 1979.

[4]徐樹峰.勵(lì)磁涌流對變壓器保護(hù)的影響及其判別方法淺析.科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào),2009.

[5]葛寶明，王祥珩，蘇鵬聲，王維儉.電力變壓器的勵(lì)磁涌流判據(jù)及其發(fā)展方向.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2003

[6] 王增平,徐巖,王雪,楊奇遜.基于變壓器模型的新型變壓器保護(hù)原理的研究.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2003.