基于FSAD及非周期分量的勵(lì)磁涌流鑒別算法

王 業(yè) 袁宇波 高 磊 陸于平 朱 磊

(1.江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院 南京 211103 2.東南大學(xué)電氣工程學(xué)院 南京 210096)

0 引言

變壓器差動(dòng)保護(hù)在系統(tǒng)正常運(yùn)行和區(qū)外故障時(shí)，理想情況下流入差動(dòng)繼電器的電流為零，保護(hù)裝置不動(dòng)作。但實(shí)際上當(dāng)變壓器空載合閘產(chǎn)生勵(lì)磁涌流時(shí)，勵(lì)磁涌流的大小將達(dá)到變壓器額定電流的幾倍甚至十幾倍。另一方面，勵(lì)磁涌流只流過(guò)變壓器的電源側(cè)，而負(fù)荷側(cè)因開(kāi)路并沒(méi)有電流，勵(lì)磁涌流將完全流入縱差保護(hù)的差動(dòng)回路，使差動(dòng)繼電器中產(chǎn)生了一個(gè)非常大的不平衡電流［1］。同時(shí)，隨著變壓器容量的不斷增大及變壓器飽和磁通的逐漸降低(考慮成本因素)，事實(shí)證明，如今涌流波形已并非全部嚴(yán)重畸變。變壓器在超飽和狀態(tài)下有可能產(chǎn)生趨于正弦波型的勵(lì)磁涌流，二次諧波含量很低，間斷角很小，使得基于二次諧波制動(dòng)理論與基于間斷角閉鎖理論的差動(dòng)保護(hù)無(wú)法正常工作。

而在現(xiàn)今的變壓器差動(dòng)保護(hù)研究領(lǐng)域，變壓器超飽和現(xiàn)象并未被學(xué)者們重點(diǎn)關(guān)注，大部分學(xué)者的研究重點(diǎn)還放在變壓器常規(guī)飽和引起的涌流方面。根據(jù)涌流區(qū)別于內(nèi)部故障電流的特征，學(xué)者們提出了許多識(shí)別常規(guī)涌流的方法［1-6］，主要有二次諧波制動(dòng)原理、間斷角原理、波形對(duì)稱原理波形時(shí)域分布特征原理、廣義基波功率原理及磁制動(dòng)原理等。但由于對(duì)超飽和現(xiàn)象的關(guān)注還不夠深入，這些方法在鑒別變壓器超飽和態(tài)涌流的效果上并不理想，保護(hù)時(shí)有誤動(dòng)作發(fā)生。因此，研究用于鑒別超飽和情況下勵(lì)磁涌流的方法對(duì)提高變壓器保護(hù)的性能具有重要的意義。

本文首先對(duì)勵(lì)磁涌流的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行分析，然后結(jié)合其產(chǎn)生機(jī)理給出變壓器發(fā)生超飽和現(xiàn)象及其易使現(xiàn)有差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)的原因，最后提出一種利用基波相位的2 倍與二次諧波相位之差(Fundamental harmonic and Second harmonic Angle Difference，F(xiàn)SAD)及非周期分量來(lái)鑒別超飽和態(tài)涌流的有效方法，該方法能迅速地鑒別出超飽和態(tài)涌流，且能夠在變壓器內(nèi)部故障時(shí)使得保護(hù)具有較快的動(dòng)作速度。

1 變壓器超飽和現(xiàn)象產(chǎn)生機(jī)理

1.1 勵(lì)磁涌流的數(shù)學(xué)表達(dá)式

當(dāng)變壓器空投或區(qū)外故障切除電壓恢復(fù)正常的過(guò)程中，由于磁通不能突變，磁通中出現(xiàn)了非周期性的暫態(tài)分量，與鐵心剩磁一起使變壓器鐵心飽和，同時(shí)由于電壓是交變的，因而在一個(gè)周波內(nèi)變壓器鐵心周期性地進(jìn)入飽和區(qū)和退出飽和區(qū)［7-10］。設(shè)Φs為飽和磁通，則當(dāng)瞬時(shí)磁通Φ ＞Φs時(shí)，變壓器進(jìn)入飽和狀態(tài)，勵(lì)磁電流i(t)的瞬時(shí)值很大，對(duì)應(yīng)圖1中c 區(qū)的θ1～θ2段;而當(dāng)瞬時(shí)磁通Φ ＜Φs時(shí)，變壓器退出飽和區(qū)，只有正常的勵(lì)磁電流，其瞬時(shí)值很小，幾乎為零，對(duì)應(yīng)圖1中c 區(qū)的0～θ1和θ2～2π 段，所以涌流在一個(gè)周期內(nèi)存在間斷角。

圖1 變壓器空載合閘時(shí)電壓磁通電流波形Fig.1 The voltage flux current waveform when the transformer switches on without the load

忽略涌流的衰減，用兩段折線表示勵(lì)磁特性曲線，則勵(lì)磁涌流的解析表達(dá)式為［1］

當(dāng)Φ ＞Φs時(shí)

式中:Um為電壓幅值;L 為合閘回路電感;α 為合閘角;Φr為剩磁磁通;Φm為磁通幅值;Bs、Br及Bm分別為與Φs、Φr及Φm對(duì)應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。

當(dāng)Φ ＜Φs時(shí)，勵(lì)磁電流i ≈0。

由式(2)可看出，非周期分量id的大小由α 確定，當(dāng)α=0時(shí)，單相變壓器滿足產(chǎn)生最大涌流的條件，則在合閘后一段時(shí)間內(nèi)，當(dāng)交流量也達(dá)到最大值時(shí)，變壓器產(chǎn)生最大勵(lì)磁涌流。

如圖1中c 區(qū)所示，用θJ表示間斷角的大小，則單相變壓器勵(lì)磁涌流的間斷角可表示為［1］

1.2 變壓器超飽和態(tài)涌流產(chǎn)生機(jī)理分析

由圖1中的a 區(qū)所示，當(dāng)Φr小于Φs時(shí)，瞬時(shí)磁通必有一部分在Φs以下，其對(duì)應(yīng)的勵(lì)磁電流約等于零，所以涌流是有間斷角的。

但變壓器在投運(yùn)之前，需要進(jìn)行直流電阻的測(cè)量。測(cè)量結(jié)束后，變壓器的剩磁通常會(huì)較大。如沒(méi)有消磁而直接對(duì)變壓器空載合閘，理論情況下Φr有可能會(huì)等于Φs?，F(xiàn)將Φr=Φs帶入式(4)，可得

則當(dāng)合閘角α=0時(shí)，間斷角θJ=0。此時(shí)，瞬時(shí)磁通將會(huì)全部在Φs以上，勵(lì)磁電流i(t)可表示為

圖2 變壓器超飽和時(shí)電壓磁通電流波形Fig.2 The voltage flux current waveform of the ultra-saturated transformer

2 超飽和態(tài)涌流鑒別判據(jù)的原理及實(shí)現(xiàn)

2.1 最大單側(cè)性涌流諧波特征及非周期分量分析

根據(jù)第1 節(jié)的分析，超飽和態(tài)涌流二次諧波含量很低，間斷角幾乎為零，需要尋找新的方法對(duì)其進(jìn)行鑒別。本節(jié)對(duì)單側(cè)及對(duì)稱涌流的相關(guān)特征進(jìn)行分析，用于尋找鑒別超飽和態(tài)涌流的新方法。

以Y0/D-11 變壓器為例，對(duì)于三相涌流而言，涌流峰值的最大值出現(xiàn)在初始電壓角α=±30°［11］時(shí)?，F(xiàn)假設(shè)三相初始磁通如圖3a 所示，則ia－ib出現(xiàn)最大單側(cè)涌流。圖3b 為勵(lì)磁電流ia和－ ib的波形及兩相勵(lì)磁電流疊加后的波形(此處考慮到波形異側(cè)因素，故在分析ia－ib造成的最大單側(cè)涌流時(shí)，將ib反轉(zhuǎn)至?xí)r間軸正側(cè)，即用－ib來(lái)進(jìn)行分析)。圖3c 為a 相和b 相的基波及二次諧波相位關(guān)系，同樣由于ia與ib異側(cè)，則要將－ib看成滯后ia60°進(jìn)行分析計(jì)算。做一代表性分析，假設(shè)a 相和b 相的基波幅值相等，且二次諧波含量也相等，以a 相電流為基準(zhǔn)，分析a 相和b相基波及二次諧波幅值與相位關(guān)系。由矢量分析可知，－Ib1滯后Ia160°，而由于二次諧波旋轉(zhuǎn)速度是基波的兩倍，故－Ib2滯后Ia2120°。則令φ1=∠(Ia1－Ib1)=－30°，φ2=∠(Ia2－Ib2)=－60°?？傻没ㄅc二次諧波相位關(guān)系為

式中Δφ1為單側(cè)涌流時(shí)2 倍基波相角與二次諧波相角之差(FSAD)。

圖3 最大單側(cè)涌流特性分析Fig.3 The single-side magnetizing inrush characteristic analysis

現(xiàn)對(duì)諧波及非周期分量進(jìn)行定量計(jì)算:①對(duì)于單相涌流ia或ib，Ia0/Ia1=108.1%、Ia2/Ia1=15.46%;②對(duì)于兩相疊加后的最大單側(cè)涌流ia－ib，由圖3d 可知，二次諧波Ia2－Ib2的幅值等于Ia2與Ib2，而剩磁造成的非周期分量，Ia0－Ib0增大為Ia0或Ib0的兩倍。計(jì)算得I0/I1=124.9%、I2/I1=8.39%。

對(duì)于單側(cè)涌流:①基波相位的2 倍與二次諧波相位之差為0 或180°(單側(cè)負(fù)向涌流);②二次諧波含量與非周期分量會(huì)呈一定關(guān)系，此時(shí)非周期分量變大，二次諧波含量變小;③單側(cè)涌流二次諧波含量最小為8.39%，小于我國(guó)常用二次諧波閉鎖定值15%，所以如果此時(shí)使用分相閉鎖判據(jù)，則空載合閘時(shí)保護(hù)有可能會(huì)誤動(dòng)。

2.2 最大對(duì)稱性涌流諧波特征及非周期分量分析

假設(shè)三相初始磁通如圖4a 所示，則可形成對(duì)稱性涌流，且ia－ib為最大對(duì)稱性涌流。圖4b 為勵(lì)磁電流ia和ib的波形。圖4c 為兩相勵(lì)磁電流疊加后的波形。圖4d 為a 相和b 相的基波及二次諧波相位關(guān)系，由于此時(shí)a、b 兩相剩磁相同，故此時(shí)可直接將Ia看成超前Ib120°，對(duì)兩相基波及二次諧波進(jìn)行分析計(jì)算。同樣假設(shè)a、b 兩相的基波幅值相等，且二次諧波含量也相等，以a 相電流為基準(zhǔn)，分析a 相和b 相基波及二次諧波幅值與相位關(guān)系。由矢量分析可知，Ib1滯后Ia1120°，而由于二次諧波旋轉(zhuǎn)速度是基波的兩倍，故Ib2滯后Ia2240°，則φ1=∠(Ia1－ Ib1)=30°，φ2=∠(Ia2－Ib2)=－30°?？傻没ㄅc二次諧波相位關(guān)系為

式中Δφ2為2 倍基波相角與二次諧波相角之差(FSAD)。

圖4 最大對(duì)稱性涌流特性分析Fig.4 The symmetric magnetizing inrush characteristic analysis

對(duì)諧波及非周期分量的比值進(jìn)行定量計(jì)算。對(duì)于單相涌流ia或ib，Ia0/Ia1=94.39%、Ia2/Ia1=33.53%。對(duì)于兩相疊加后的最大對(duì)稱性涌流ia－ib，由圖4d 可知，二次諧波Ia2－Ib2的幅值等于或，而由于A、B 兩相剩磁相同，故Ia0－Ib0為0。計(jì)算得I0/I1=0、I2/I1=33.53%。

對(duì)對(duì)稱性涌流進(jìn)行總結(jié)，可得出如下結(jié)論:①FSAD 為90°或－90°(數(shù)據(jù)窗推移);②二次諧波含量與非周期分量也呈一定關(guān)系，此時(shí)非周期分量變小，二次諧波含量變大;③對(duì)稱涌流的二次諧波含量有可能會(huì)較大。

而變壓器在超飽和狀態(tài)下，也將產(chǎn)生類(lèi)似于對(duì)稱涌流的正弦波形，所以其FSAD分布滿足對(duì)稱涌流時(shí)的FSAD分布規(guī)律。

綜上所述，可以利用FSAD 及非周期分量?jī)蓚€(gè)參數(shù)對(duì)二次諧波判據(jù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使保護(hù)在變壓器發(fā)生超飽和時(shí)可以可靠制動(dòng)，而在變壓器發(fā)生內(nèi)部故障時(shí)，保護(hù)能可靠動(dòng)作。

2.3 保護(hù)判據(jù)

根據(jù)第2.2 節(jié)的分析，設(shè)保護(hù)判據(jù)為

式中:k 為經(jīng)非周期分量調(diào)節(jié)后的二次諧波含量;I0/I1為非周期分量與基波的比值;I2/I1為二次諧波與基波的比值。判據(jù)中設(shè)有相位制動(dòng)區(qū)與相位動(dòng)作區(qū)，算法首先通過(guò)FSAD 對(duì)勵(lì)磁電流進(jìn)行分類(lèi)，再根據(jù)分類(lèi)結(jié)果通過(guò)非周期分量與基波的比值對(duì)勵(lì)磁電流中包含的二次諧波含量進(jìn)行調(diào)節(jié)，并與二次諧波定值進(jìn)行比較，進(jìn)而鑒別勵(lì)磁涌流與故障電流。算法采用分相閉鎖機(jī)制，當(dāng)k ＜Kset時(shí)算法開(kāi)放差動(dòng)保護(hù)，當(dāng)k≥Kset時(shí)算法閉鎖差動(dòng)保護(hù)。Kset為二次諧波制動(dòng)比，一般為15%。

需要說(shuō)明的是，在制定保護(hù)判據(jù)時(shí)，不宜將上述兩個(gè)參數(shù)分開(kāi)，即不宜單獨(dú)使用非周期分量或FSAD構(gòu)成判據(jù)，因?yàn)?一是如果只使用非周期分量對(duì)二次諧波進(jìn)行調(diào)節(jié)，再將調(diào)節(jié)后的二次諧波含量直接與15%的定值進(jìn)行比較來(lái)判斷是否發(fā)生了涌流，即略去FSAD 參數(shù)，這樣:?易造成空投于小匝比故障時(shí)保護(hù)長(zhǎng)時(shí)間不開(kāi)放。因?yàn)榭胀队谛≡驯裙收蠒r(shí)，勵(lì)磁電流波形以涌流特征為主，故障特征為輔，具有較大的二次諧波含量，所以如果不加入FSAD 特征，很難鑒別出此時(shí)的故障;?易造成發(fā)生內(nèi)部故障時(shí)保護(hù)誤閉鎖。因?yàn)槿绻收蠒r(shí)差流的非周期分量很大，則根據(jù)式(9)調(diào)整過(guò)的二次諧波含量將會(huì)被提高很多倍，如果大于了15%，則保護(hù)將會(huì)被誤閉鎖。二是如果只使用FSAD 來(lái)進(jìn)行涌流鑒別，易造成故障時(shí)保護(hù)延時(shí)動(dòng)作。因?yàn)楣收蠒r(shí)FSAD 是波動(dòng)的，分布于－ 180°～180°，如果故障發(fā)生時(shí)刻FSAD 正好處于相位制動(dòng)區(qū)，則保護(hù)將延時(shí)動(dòng)作。以上原因?qū)⒃诘? 節(jié)仿真過(guò)程中進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

3 動(dòng)模實(shí)驗(yàn)及實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)

3.1 動(dòng)模接線

在實(shí)驗(yàn)室的三單相變壓器組上進(jìn)行動(dòng)模實(shí)驗(yàn)，分析保護(hù)算法的動(dòng)作特性，其系統(tǒng)接線如圖5所示，變壓器接線為Y0/D-11;額定容量為10 kV˙A，低壓側(cè)額定電壓為400 V，低壓側(cè)額定電流為25 A，高壓側(cè)額定電壓，高壓側(cè)額定電流為17.3 A，空載電流為1.635%。變壓器兩側(cè)電流互感器二次都采用星形接法，采樣率為2 kHz，采用三角側(cè)向星型側(cè)的相位補(bǔ)償方式。對(duì)變壓器正?？蛰d合閘、空載合閘時(shí)產(chǎn)生超飽和現(xiàn)象、運(yùn)行中內(nèi)部接地故障等情況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，每種運(yùn)行工況分別取100 組數(shù)據(jù)，選其中較為典型的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。根據(jù)動(dòng)模參數(shù)，經(jīng)大量仿真實(shí)驗(yàn)，設(shè)判 據(jù) 式 中 參 數(shù)θ1=30°、θ2=32°、K1=3、K2=0.25。

圖5 動(dòng)模系統(tǒng)接線圖Fig.5 Connection scheme of the dynamic system

3.2 變壓器正?？蛰d合閘(單側(cè)涌流及對(duì)稱涌流)

圖6a 為變壓器正?？蛰d合閘情況下三相差流。由圖6a 可見(jiàn)，在0.02 s時(shí)空載合閘變壓器，三相差流中iA和iC為單側(cè)涌流，有明顯間斷角，且間斷角較大，iB為對(duì)稱涌流，間斷角較小。

圖6b 是未經(jīng)本文算法修正前的三相二次諧波含量，由于準(zhǔn)確計(jì)算二次諧波需一個(gè)周期的數(shù)據(jù)窗，故只考察0.04 s 后的二次諧波含量及各相FSAD 參數(shù)Δφ，* 線表示二次諧波整定值，為15%。由圖6b 可見(jiàn)，常規(guī)涌流二次諧波含量均在15%以上。圖6c 中φA、φB、φC分別代表A、B、C 三相FSAD。由前文分析可知，由于A 相差流為單側(cè)正向涌流，其FSAD 應(yīng)分布于0 或180°左右，B 相為對(duì)稱涌流，其FSAD 應(yīng)分布于±90°左右，C 相為單側(cè)負(fù)向涌流，其FSAD 應(yīng)分布于0 或－180°左右，如圖6c 所示，該仿真結(jié)果與前文分析結(jié)果一致。圖6d 是經(jīng)過(guò)本文算法修正后的三相二次諧波含量，在正?？蛰d合閘情況下，修正前與修正后的二次諧波含量均在定值15%以上。保護(hù)可以可靠制動(dòng)。

圖6 正?？蛰d合閘三相差流、FSAD 及二次諧波含量Fig.6 Three phase differential current，F(xiàn)SAD and second harmonic component when the transformer switches on without the load regularly

3.3 變壓器空載合閘時(shí)產(chǎn)生超飽和涌流

圖7a 為變壓器空載合閘時(shí)產(chǎn)生的超飽和態(tài)涌流波形，由圖7a 可見(jiàn)，A、C 兩相為單側(cè)涌流，存在很大的非周期分量，其間斷角明顯減小，幾乎不存在。B 相為對(duì)稱涌流，間斷角也大大減小。

由圖7b 可見(jiàn)，由于A、C 相發(fā)生了超飽和，故兩相二次諧波含量均小于15%，且C 相只有8%左右。傳統(tǒng)二次諧波制動(dòng)方法此時(shí)無(wú)法閉鎖差動(dòng)保護(hù)。同時(shí)由圖7c 可見(jiàn)，由于變壓器發(fā)生了超飽和，其FSAD分布滿足對(duì)稱涌流時(shí)的FSAD分布規(guī)律，即分布于90°或－90°附近。B 相對(duì)稱涌流的FSAD 參數(shù)φB依然滿足對(duì)稱涌流FSAD 的分布規(guī)律，即分布于90°或－90°附近，故本算法完全有能力鑒別出超飽和涌流。所以由圖7d 可見(jiàn)，經(jīng)本文算法修正后的三相二次諧波含量均大于定值15%，差動(dòng)保護(hù)可靠閉鎖。

圖7 變壓器空載合閘時(shí)產(chǎn)生超飽和涌流三相差流、FSAD 及二次諧波含量Fig.7 Three phase differential current，F(xiàn)SAD and second harmonic component when the transformer switches on without the load and generates ultra-saturation phenomenon

3.4 空載合閘于變壓器輕微匝間短路故障

圖8a 為空載合閘于變壓器星形側(cè)A 相1.7%匝間短路故障時(shí)的三相差流。由于A 相發(fā)生小匝比短路故障，故障電流與涌流同時(shí)存在，且故障電流較輕微，所以差流在整體上主要表現(xiàn)為涌流形態(tài)，即二次諧波含量較高。如圖8b 所示，由于三相差流的二次諧波含量均大于15%，所以此時(shí)傳統(tǒng)二次諧波制動(dòng)理論將會(huì)閉鎖差動(dòng)保護(hù)，直到三相差流的A(ia－ ib)相或C(ic－ia)相二次諧波含量衰減至15%以下時(shí)(本次實(shí)驗(yàn)中該時(shí)刻約為合閘后460 ms)，算法才會(huì)開(kāi)放差動(dòng)保護(hù)。

由圖8c 可見(jiàn)，由于星形側(cè)A 相發(fā)生了匝間短路故障，故三相差流中A 相FSAD 約為48°和－125°，C 相FSAD 約為40°，不再分布于0°、±90°或±180°左右，偏移出相位制動(dòng)區(qū)。所以根據(jù)式(9)，本文算法會(huì)對(duì)A 相和C 相二次諧波含量進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其在0.04 s時(shí)就已經(jīng)低于15%，保護(hù)無(wú)延時(shí)動(dòng)作，如圖8d 所示。三相差流中的B(ib－ic)相由于不受故障相的影響，故其FSAD分布仍然遵循涌流FSAD分布規(guī)律，即單側(cè)正向涌流FSAD分布在0°或180°附近，如圖8c 所示。

圖8 空載合閘于變壓器星形側(cè)A 相1.7%匝間短路故障時(shí)三相差流、FSAD 及二次諧波含量Fig.8 Three phase differential current，F(xiàn)SAD and second harmonic component when switching on the unloaded transformer with 1.7% turns short circuited

現(xiàn)針對(duì)第2.3 節(jié)提出的算法為何不單用非周期分量對(duì)二次諧波含量進(jìn)行調(diào)節(jié)作為鑒別涌流的判據(jù)做一詳細(xì)說(shuō)明，這里只討論原因一?，原因一?見(jiàn)3.5 節(jié)。分析式(9)可知，其中的非周期分量起著對(duì)二次諧波含量進(jìn)行助增的作用，所以當(dāng)空載合閘于變壓器小匝比故障時(shí)，差流原先的二次諧波含量就已經(jīng)超過(guò)了15%的定值，此時(shí)助增只會(huì)進(jìn)一步加大二次諧波含量，保護(hù)將會(huì)閉鎖。只有通過(guò)FSAD 這個(gè)因素進(jìn)行調(diào)節(jié)，才能在空載合閘于變壓器小匝比故障時(shí)，使得保護(hù)無(wú)延時(shí)開(kāi)放。

3.5 運(yùn)行中變壓器內(nèi)部接地故障

圖9a 為運(yùn)行中變壓器星形側(cè)A 相內(nèi)部接地故障三相差流，由于A 相發(fā)生接地故障，故A、C 兩相差流增大，B 相差流很小。同時(shí)由于發(fā)生的是接地故障，故三相差流的二次諧波含量很低，小于15%的定值，如圖9b 所示。圖9c 為單相接地故障時(shí)三相差流FSAD分布示意圖，由圖9c 可見(jiàn)，單相接地故障時(shí)各相差流FSAD 會(huì)在0°和±180°之間浮動(dòng)，即FSAD 會(huì)交替分布于相位動(dòng)作區(qū)和相位制動(dòng)區(qū)，所以差動(dòng)保護(hù)必然可靠動(dòng)作。如圖9d 所示，經(jīng)本文算法調(diào)整后的三相差流的二次諧波含量遠(yuǎn)小于定值15%，所以保護(hù)可以可靠動(dòng)作。

現(xiàn)針對(duì)第2.3 節(jié)提出的本文判據(jù)中不宜只使用非周期分量這個(gè)參數(shù)對(duì)勵(lì)磁涌流進(jìn)行鑒別的原因一?做詳細(xì)說(shuō)明:如只使用非周期分量作為式(9)的判據(jù)參數(shù)(忽略利用FSAD 進(jìn)行分類(lèi))，在變壓器發(fā)生內(nèi)部故障且非周期分量很大的情況下，二次諧波含量將會(huì)被助增至定值之上，使得保護(hù)閉鎖。但如果加入FSAD 這個(gè)參數(shù)，則可提高保護(hù)的可靠性。如圖9c 所示，故障時(shí)差流FSAD 會(huì)交替分布于相位動(dòng)作區(qū)和相位制動(dòng)區(qū)，所以就算此時(shí)差流的非周期分量很大，F(xiàn)SAD 也將會(huì)落入相位動(dòng)作區(qū)，二次諧波含量經(jīng)調(diào)整變的很低，使得保護(hù)動(dòng)作。所以判據(jù)中需要加入FSAD 這個(gè)參數(shù)，提高保護(hù)的可靠性。

圖9 運(yùn)行中變壓器內(nèi)部接地故障三相差流、FSAD 及二次諧波含量Fig.9 Three phase differential current，angle difference and second harmonic component when the internal single phase to earth fault of transformer occurs during operation

同樣，算法也不宜單用FSAD 作為鑒別涌流的惟一判據(jù)(第2.3 節(jié)原因二):假設(shè)只使用FSAD 作為鑒別涌流的判據(jù)，即假設(shè)判據(jù)為如果發(fā)現(xiàn)FSAD 落入相位制動(dòng)區(qū)，就閉鎖差動(dòng)保護(hù);如果發(fā)現(xiàn)FSAD 落入相位動(dòng)作區(qū)，就開(kāi)放差動(dòng)保護(hù)?，F(xiàn)對(duì)上述假設(shè)進(jìn)行分析，如圖9c 所示，在0.04s時(shí)(故障發(fā)生后一個(gè)周期)，單相接地故障的三相FSAD 均分布于0°附近，即落入了相位制動(dòng)區(qū)，保護(hù)閉鎖，只有等到FSAD 逐漸移至相位動(dòng)作區(qū)，保護(hù)才能動(dòng)作。所以如果只使用FSAD 作為鑒別涌流的惟一判據(jù)的話，將有可能導(dǎo)致保護(hù)延時(shí)動(dòng)作。相反，如果只將FSAD 參數(shù)用作對(duì)勵(lì)磁電流進(jìn)行分類(lèi)，而在判據(jù)中加入非周期分量對(duì)二次諧波進(jìn)行調(diào)節(jié)，最終通過(guò)判斷二次諧波含量是否超過(guò)定值來(lái)決定保護(hù)是否動(dòng)作，則可以提高保護(hù)的速動(dòng)性。

4 結(jié)論

為了鑒別出變壓器在超飽和狀態(tài)下的勵(lì)磁涌流及使得在變壓器帶輕微故障合閘時(shí)不閉鎖差動(dòng)保護(hù)，本文提出基于FSAD 及非周期分量的勵(lì)磁涌流鑒別算法。首先通過(guò)FSAD 對(duì)勵(lì)磁電流進(jìn)行分類(lèi)，再根據(jù)分類(lèi)結(jié)果通過(guò)非周期分量與基波的比值對(duì)勵(lì)磁電流中包含的二次諧波含量進(jìn)行調(diào)節(jié)，并與二次諧波定值進(jìn)行比較，進(jìn)而鑒別勵(lì)磁涌流與故障電流。該方法主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)包括:

1)可以鑒別出二次諧波含量很低的超飽和態(tài)涌流，防止保護(hù)誤動(dòng)。

2)可以在空載合閘于變壓器小匝比故障時(shí)不閉鎖差動(dòng)保護(hù)，具有較高的靈敏性，而常規(guī)二次諧波制動(dòng)原理在此種情況下將會(huì)閉鎖差動(dòng)保護(hù)后，且需要等到合閘后460 ms 左右才開(kāi)放差動(dòng)保護(hù)。

3)加入FSAD 參數(shù)，彌補(bǔ)只用非周期分量作為涌流判據(jù)的不足之處。如果只用非周期分量作為涌流判據(jù)，較難鑒別出空載合閘于小匝比故障。且加入FSAD 參數(shù)，可以提高保護(hù)的可靠性。

4)通過(guò)調(diào)整過(guò)的二次諧波含量與諧波定值比較，判斷保護(hù)是否動(dòng)作，可以在故障時(shí)提高保護(hù)的速動(dòng)性。

5)采用分相閉鎖，閉鎖可靠性較高。

動(dòng)模實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性及優(yōu)越性，在變壓器發(fā)生超飽和、二次諧波含量低于8%時(shí)，算法依然可靠閉鎖差動(dòng)保護(hù);同時(shí)在變壓器星形側(cè)帶1.7%匝間短路故障空載合閘時(shí)，算法沒(méi)有閉鎖差動(dòng)保護(hù)，且在變壓器發(fā)生內(nèi)部單相接地故障時(shí)，保護(hù)于故障發(fā)生后20 ms時(shí)可靠動(dòng)作，速動(dòng)性較強(qiáng)。

［1］ 王維儉，侯炳蘊(yùn)．大型機(jī)組繼電保護(hù)理論基礎(chǔ)［M］．北京:水利電力出版社，1989．

［2］ 王雪，王增平．基于波形時(shí)域分布特征的變壓器勵(lì)磁涌流識(shí)別［J］．電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2012，27(1):148-154．

Wang Xue，Wang Zengping．Identification of transformer inrush currents based on waveform distribution characteristics［J］．Transactions of China Electrotechnical Society，2012，27(1):148-154．

［3］ 袁宇波，李鵬，黃浩聲．變壓器差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)原因分析及對(duì)策綜述［J］．江蘇電機(jī)工程，2013，32(6):8-11，14．

Yuan Yubo，Li Peng，Huang Haosheng．Review on analysis and strategy for transformer differential protection malfunction［J］．Jiangsu Electrical Engineering，2013，32(6):8-11，14．

［4］ 王雪，王增平．基于廣義基波功率的新型變壓器主保護(hù)方案［J］．電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2012，27(12):191-198．

Wang Xue，Wang Zengping．Novel transformer main protection scheme based on generalized fundamental power［J］．Transactions of China Electrotechnical Society，2012，27(12):191-198．

［5］ 張曉宇，文繼鋒，程曉，等．換流變壓器勵(lì)磁涌流特性及其對(duì)差動(dòng)保護(hù)的影響［J］．江蘇電機(jī)工程，2013，32(5):52-54，58．

Zhang Xiaoyu，Wen Jifeng，Cheng Xiao，et al．The characteristic of the inrush current of converter transformer and its impacts on differential protection［J］．Jiangsu Electrical Engineering，2013，32(5):52-54，58．

［6］ 索南加樂(lè)，許立強(qiáng)，焦在濱，等．基于磁路特征的三相三柱式變壓器勵(lì)磁參數(shù)識(shí)別［J］．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2011，31(19):97-104．

Suonan Jiale，Xu Liqiang，Jiao Zaibin，et al．Identification method for excitation inductances of threephase three-limb transformer based on characteristics of magnetic circuit［J］．Proceedings of the CSEE，2011，31(19):97-104．

［7］ 王業(yè)，陸于平，蔡超，等．采用自適應(yīng)數(shù)據(jù)窗電流的勵(lì)磁涌流鑒別方法［J］．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2014，34(4):702-711．

Wang Ye，Lu Yuping，Cai Chao，et al．A magnetizing inrush identification method applying adaptive datawindow currents［J］．Proceedings of the CSEE，2014，34(4):702-711．

［8］ 王增平，王雪．基于改進(jìn)主成分分析的變壓器勵(lì)磁涌流識(shí)別方法［J］．電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2011，39(22):1-5．

Wang Zengping，Wang Xue．Inrush current recognition in power transformer based on modified principal component analysis［J］．Power System Protection and Control，2011，39(22):1-5．

［9］ 熊小伏，齊曉光，歐陽(yáng)金鑫．雙饋風(fēng)電機(jī)組短路電流對(duì)變壓器保護(hù)二次諧波制動(dòng)的影響［J］．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2014，34(13):2201-2209．

Xiong Xiaofu，Qi Xiaoguang，Ouyang Jinxin．Effect of doubly-fed wind turbines short-circuit current on second harmonic escapement of transformer Protection［J］．Proceedings of the CSEE，2014，34(13):2201-2209．

［10］ 鄧祥力，高亮，劉建峰，等．特高壓變壓器模型漏感參數(shù)的穩(wěn)態(tài)識(shí)別方法［J］．電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2014，29(5):255-260．

Deng Xiangli，Gao Liang，Liu Jianfeng，et al．Steadystate parameter identification of UHV transformer model［J］．Transactions of China Electrotechnical Society，2014，29(5):255-260．

［11］ 張保會(huì)，尹項(xiàng)根．電力系統(tǒng)繼電保護(hù)［M］．北京:中國(guó)電力出版社，2005．