變壓器間及其與電流互感器暫態(tài)交互作用分析和保護(hù)對策

尹項根，張哲，王友懷，劉勇，戚宣威，曹文斌，郭乾

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變壓器間及其與電流互感器暫態(tài)交互作用分析和保護(hù)對策

尹項根1，張哲1，王友懷2，劉勇2，戚宣威1，曹文斌1，郭乾1

(1.強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華中科技大學(xué))，湖北武漢 430074；2.湖北省電力調(diào)度控制中心，湖北武漢 430077)

交直流混聯(lián)復(fù)雜電網(wǎng)發(fā)生擾動和故障期間，變壓器之間及其與電流互感器之間將發(fā)生暫態(tài)交互作用，這一復(fù)雜暫態(tài)過程，增加了故障判斷的難度，影響到繼電保護(hù)正確動作。近年來，電網(wǎng)發(fā)生不少由于變壓器空投導(dǎo)致相鄰變壓器、發(fā)電機(jī)和輸電線路保護(hù)誤動的事故，威脅電網(wǎng)安全運(yùn)行。從原理分析、數(shù)字仿真以及動模試驗(yàn)等多個層面圍繞變壓器勵磁涌流、和應(yīng)涌流以及互感器暫態(tài)飽和開展研究，論述變壓器之間及其與電流互感器暫態(tài)交互作用機(jī)理，分析電磁暫態(tài)對保護(hù)的影響，提出保護(hù)的應(yīng)對措施。并討論了一種多場景仿真平臺，可用于電流互感器選型和事故分析。

變壓器；電流互感器；勵磁涌流；和應(yīng)涌流；暫態(tài)飽和；差動保護(hù)

0 引言

我國已形成若干交直流混聯(lián)復(fù)雜大電網(wǎng)[1]，尤其是大容量多回直流線路的饋入和饋出，使得電網(wǎng)安全防護(hù)面臨前所未有的壓力，這要求交直流保護(hù)更加可靠、快速、靈敏地動作。

在電網(wǎng)發(fā)生擾動和故障期間，變壓器、電流互感器等非線性鐵磁元件的暫態(tài)過程會影響保護(hù)的正確測量，導(dǎo)致保護(hù)(主要是電流差動保護(hù))的錯誤動作。例如，近年來電網(wǎng)發(fā)生不少由于變壓器空投導(dǎo)致相鄰運(yùn)行變壓器、發(fā)電機(jī)和輸電線路保護(hù)誤動的事故；又例如，由于大電網(wǎng)故障引起非周期分量衰減常數(shù)增大而惡化了電流互感器的傳變性能，也造成了某些線路差動保護(hù)誤動事故。這種狀況嚴(yán)重威脅電網(wǎng)安全運(yùn)行，引起了各方面專家的普遍關(guān)注。

目前，國內(nèi)外的研究主要涉及變壓器勵磁涌流[2-4]、和應(yīng)涌流，以及電流互感器暫態(tài)過程特征的分析和相關(guān)保護(hù)對策方面的內(nèi)容?，F(xiàn)有和應(yīng)涌流產(chǎn)生機(jī)理的分析方法主要有數(shù)學(xué)解析法[5-6]和磁鏈分析法[7-11]，并分析了串聯(lián)和應(yīng)涌流與并聯(lián)和應(yīng)涌流的特征區(qū)別[8]，但相關(guān)論文均假設(shè)運(yùn)行變壓器副方處于開斷狀態(tài)，未考慮系統(tǒng)連接對和應(yīng)涌流的影響，不能正確地反映工程實(shí)際情況。針對由于和應(yīng)涌流引起差動保護(hù)誤動問題，也已經(jīng)研究提出了一些應(yīng)對措施。例如，運(yùn)行變中性點(diǎn)采用不接地的運(yùn)行方式[9]；在識別出涌流后，若二次諧波含量呈現(xiàn)平緩下降的趨勢，增大比率制動特性的最小動作電流[12]；利用二次諧波分量構(gòu)成零序二次諧波制動判據(jù)防止差動保護(hù)誤動[11]。這些方法在嚴(yán)格的復(fù)雜涌流分析和電流互感器飽和特性分析，尤其是綜合兩者影響的分析方面存在著不足，因而還很難肯定其效果。

這類暫態(tài)分析和保護(hù)誤動問題不僅涉及到變壓器、電流互感器等非線性鐵磁元件各自的暫態(tài)過程，還與變壓器之間及其與電流互感器的暫態(tài)和應(yīng)交互作用有關(guān)。非線性鐵磁元件暫態(tài)過程主要包括有變壓器勵磁涌流、變壓器之間的和應(yīng)涌流以及電流互感器的暫態(tài)飽和。這些現(xiàn)象往往交織在一起，其表現(xiàn)形式多樣、作用機(jī)理非常復(fù)雜，至今還沒有得到很好的分析，因而對造成保護(hù)誤動的原因認(rèn)識不足，缺乏有效的應(yīng)對措施。這種情況使得現(xiàn)有差動保護(hù)在復(fù)雜電網(wǎng)的這種暫態(tài)交互過程中的動作性能難以滿足工程實(shí)際應(yīng)用的要求。

本文從原理分析、數(shù)字仿真以及動模試驗(yàn)等多個層面圍繞變壓器間勵磁涌流、和應(yīng)涌流以及互感器暫態(tài)飽和開展研究。首先研究了變壓器暫態(tài)過程中復(fù)雜和應(yīng)涌流的產(chǎn)生機(jī)理，討論了運(yùn)行變負(fù)載對和應(yīng)涌流的影響，通過物理試驗(yàn)得出和應(yīng)涌流的特征，并提出兩種和應(yīng)涌流識別方法。為了深入研究包括復(fù)雜涌流和故障暫態(tài)對電流互感器性能的影響，基于工程實(shí)用的電流互感器物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果，構(gòu)建了不同類型(P級、PR級、TPY級)互感器數(shù)字仿真模型。為了便于事故分析和電流互感器的工程選型，開發(fā)了用于電流互感器暫態(tài)性能分析的評估平臺，并利用仿真結(jié)果和現(xiàn)場案例進(jìn)行了驗(yàn)證。進(jìn)而基于該評估平臺對幾種類型的現(xiàn)場典型事故進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)的保護(hù)應(yīng)對措施。

1 電網(wǎng)復(fù)雜和應(yīng)涌流研究

以往對普通勵磁涌流的分析較多，而對和應(yīng)涌流的分析不夠充分。本章從理論分析、數(shù)字仿真和動模試驗(yàn)等層面，圍繞運(yùn)行變帶載情況下的復(fù)雜和應(yīng)涌流展開研究工作，并提出了兩種和應(yīng)涌流識別方法。

1.1復(fù)雜和應(yīng)涌流解析分析

以單相變壓器為例，分析其和應(yīng)涌流的電氣連接圖和等效電路分別如圖1和圖2所示。運(yùn)行變T1和空投變T2的一次繞組與系統(tǒng)S1相連接，運(yùn)行變壓器的二次繞組與代表負(fù)載的系統(tǒng)S2相連接，運(yùn)行變負(fù)載主要有無源負(fù)載和有源負(fù)載兩種類型。運(yùn)行變帶無源負(fù)載時，系統(tǒng)S2電壓為零，代表負(fù)載阻抗；運(yùn)行變帶有源負(fù)載時，系統(tǒng)S2電壓非零，代表電源的內(nèi)阻抗。

圖1復(fù)雜和應(yīng)涌流電氣連接圖

圖2復(fù)雜和應(yīng)涌流等效電路

為了簡化計算，忽略變壓器漏磁通的影響[6]，由基爾霍夫定律可以構(gòu)建回路電壓和節(jié)點(diǎn)電流方程為

變壓器的磁化特性是非線性的，且分散性大，式(1)描述的微分方程難以得到解析表達(dá)式。采用近似直線法，把非線性方程簡化為常系數(shù)線性微分方程來求解。設(shè)等效電感，則，，與分別為運(yùn)行變和空投變勵磁支路的等效電感。將式(1)簡化，并且利用拉普拉斯變換方法解出兩臺變壓器磁鏈以及系統(tǒng)S1和S2電流的時域表達(dá)形式(具體公式推導(dǎo)見文獻(xiàn)[13])：

通過數(shù)學(xué)解析分析，可以總結(jié)得到運(yùn)行變壓器負(fù)載對和應(yīng)涌流具有如下影響：

1) 運(yùn)行變帶無源負(fù)載。隨著負(fù)載視在功率增大、功率因素減小，和應(yīng)涌流有幅值變小、出現(xiàn)時間延后的趨勢。

2) 運(yùn)行變帶有源負(fù)載。當(dāng)電源的內(nèi)阻抗變小時，和應(yīng)涌流有幅值變小、出現(xiàn)時間延后的趨勢。

3) 運(yùn)行變與發(fā)電機(jī)相連。和應(yīng)涌流相對空載情況變小。發(fā)電機(jī)電流的直流分量衰減緩慢，這并非由于運(yùn)行變發(fā)生和應(yīng)涌流，而是因?yàn)榘l(fā)電機(jī)提供的空投變勵磁涌流衰減緩慢。

因篇幅所限，上述復(fù)雜和應(yīng)涌流的數(shù)學(xué)解析、機(jī)理分析、建模仿真以及仿真分析結(jié)果詳見文獻(xiàn)[13]。

1.2和應(yīng)涌流物理試驗(yàn)研究

在華中科技大學(xué)動態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了多項復(fù)雜和應(yīng)涌流的物理試驗(yàn)，這里僅對運(yùn)行變與發(fā)電機(jī)相連情況的動模試驗(yàn)進(jìn)行介紹，其接線圖如圖3所示。

圖3復(fù)雜和應(yīng)涌流動模試驗(yàn)接線圖

圖4復(fù)雜和應(yīng)涌流動模試驗(yàn)錄波數(shù)據(jù)

圖5運(yùn)行變空載和應(yīng)涌流動模試驗(yàn)錄波數(shù)據(jù)

此外，通過動模試驗(yàn)研究，進(jìn)而得到如下關(guān)于和應(yīng)涌流的影響因素以及電氣特征的結(jié)論。

1) 合閘角與剩磁?？胀蹲冭F芯的偏磁由合閘產(chǎn)生的自由直流分量與剩磁相疊加構(gòu)成，當(dāng)合閘產(chǎn)生的自由直流分量與剩磁的方向相同時，空投涌流以及和應(yīng)涌流較大，反之，空投涌流及和應(yīng)涌流會減小。

2) 系統(tǒng)等值阻抗。變壓器之間的和應(yīng)交互作用與系統(tǒng)的等值電阻相關(guān)，因此在一定范圍內(nèi)增加系統(tǒng)阻抗時，和應(yīng)涌流會增大。但是若系統(tǒng)阻抗增加較大，會使得變壓器的勵磁電壓降低，鐵芯不容易飽和，和應(yīng)涌流反而會變小。

3) 中性點(diǎn)接地情況。無論運(yùn)行變與空投變中性點(diǎn)是否接地，和應(yīng)涌流都會產(chǎn)生，中性點(diǎn)主要影響零模勵磁電流的流通路徑。當(dāng)運(yùn)行變與空投變中性點(diǎn)均接地時，運(yùn)行變的涌流包括兩個部分：從中性點(diǎn)流入的空投勵磁涌流零模分量以及運(yùn)行變本身的和應(yīng)涌流。斷開運(yùn)行變的中性點(diǎn)時，運(yùn)行變的涌流只由和應(yīng)涌流構(gòu)成。

5) 變壓器類型。在小容量變壓器空投、大容量變壓器運(yùn)行，且兩臺變壓器中性點(diǎn)均接地的情況下，運(yùn)行變勵磁電流在空投變合閘之后較短的時間內(nèi)即出現(xiàn)較為明顯的涌流特征，該涌流來自于通過中性點(diǎn)流入的空投變勵磁涌流零模分量。

1.3和應(yīng)涌流識別方法

為防止和應(yīng)涌流對保護(hù)產(chǎn)生不利影響，在上述復(fù)雜和應(yīng)涌流特征分析的基礎(chǔ)上，提出了兩種和應(yīng)涌流的識別新方法，下面分別介紹。

1) 基于二次諧波相位比較的和應(yīng)涌流識別方法[14]。研究發(fā)現(xiàn)，在變壓器間發(fā)生和應(yīng)交互作用期間，空投變勵磁涌流與運(yùn)行變和應(yīng)涌流的二次諧波相位差大約為180°，如圖6所示?？梢岳弥悄茏冸娬菊居蛐畔⒐蚕砑夹g(shù)，獲取同一變電站中所連變壓器的勵磁電流，通過分析比較各臺變壓器勵磁電流二次諧波分量的相位差，即能夠有效地鑒別并聯(lián)和應(yīng)涌流。

圖6運(yùn)行變空載涌流動模試驗(yàn)錄波數(shù)據(jù)

2) 基于變壓器磁通在線計算的和應(yīng)涌流識別方法[15]。通過對測量電壓進(jìn)行積分以計算變壓器鐵芯磁通，通過比較計算磁通與飽和磁通的相對大小及持續(xù)時間長短有效識別和應(yīng)涌流。

2 電流互感器物理實(shí)驗(yàn)與仿真建模

在眾多模擬電流互感器磁滯特性的仿真模型中，基于非線性等效電路的Lucas模型和基于鐵磁材料現(xiàn)象學(xué)理論的Jiles-Atherton模型[16]被普遍認(rèn)可。但是，根據(jù)電流互感器的實(shí)際參數(shù)得到其仿真模型的參數(shù)較為困難，目前還沒有良好的應(yīng)用這兩種仿真模型的方法。本文采用多種類型工業(yè)實(shí)用的電流互感器開展物理試驗(yàn)，分析其暫態(tài)飽和特性，并根據(jù)物理試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合遺傳模擬退火算法，基于J-A模型構(gòu)建不同類型(P級、PR級和TPY級)互感器高精度數(shù)字仿真模型。

2.1電流互感器磁滯回線測試與仿真模型參數(shù)擬合

新舊《五代史》均為馮道立傳，但對馮道的評價卻有極大差別。薛居正《舊五代史》（以下簡稱薛史）論馮道曰：“道之履行，郁有古人之風(fēng)；道之宇量，深得大臣之禮。然而事四朝，相六帝，可得為忠乎！夫一女二夫，人之不幸，況于再三者哉！所以飾終之典，不得謚為文貞、文忠者，蓋謂此也。 ”〔10〕（卷一二六，P3880）雖指責(zé)馮道不忠，但也不因過掩功，對其個人品德還是給予高度贊譽(yù)。

選取實(shí)際500 kV、220 kV系統(tǒng)中使用的P級、PR級和TPY級電流互感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?；谖锢韺?shí)驗(yàn)測試結(jié)果、利用遺傳模擬退火算法辨識互感器仿真模型參數(shù)，包括：可逆磁化強(qiáng)度、不可逆磁化強(qiáng)度、修正系數(shù)、域間耦合系數(shù)、飽和磁通、勵磁特性曲線參數(shù)等等。仿真模型的磁滯回線與測試結(jié)果對比于圖7中，可見實(shí)測磁滯回線與仿真結(jié)果吻合良好，因篇幅所限，具體的擬合結(jié)果及相關(guān)參數(shù)見文獻(xiàn)[17]。

圖7電流互感器數(shù)字仿真模型磁滯回線

2.2電流互感器仿真模型實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在華中科技大學(xué)動模實(shí)驗(yàn)室開展動模試驗(yàn)，模擬不同場景下一次系統(tǒng)復(fù)雜短路以及勵磁涌流等情況。利用暫態(tài)性能優(yōu)良的光電流互感器測量電流作為仿真平臺電流互感器的一次輸入電流，通過分析對比動模實(shí)驗(yàn)與數(shù)字仿真所得二次電流，驗(yàn)證互感器暫態(tài)仿真模型的有效性和正確性。

在單次短路故障期間，P級互感器發(fā)生穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)飽和的動模試驗(yàn)與數(shù)字結(jié)果對比于圖8。

圖8單次短路期間P級互感器飽和特性

通過動模試驗(yàn)還研究了不同類型互感器在區(qū)外故障、區(qū)外轉(zhuǎn)區(qū)內(nèi)、區(qū)內(nèi)轉(zhuǎn)區(qū)外故障以及相連變壓器空投等情況下的暫態(tài)飽和特性。動模試驗(yàn)結(jié)果表明，互感器數(shù)字模型的仿真結(jié)果與動模試驗(yàn)結(jié)果吻合良好，能夠用來分析電流互感器的暫態(tài)飽和特性；P級互感器由于剩磁作用，在重合閘和轉(zhuǎn)換性故障期間易進(jìn)入飽和狀態(tài)，導(dǎo)致差動保護(hù)誤動。

2.3電流互感器暫態(tài)性能分析評估平臺

為了便于事故分析和電流互感器的工程選型，基于本文構(gòu)建的電流互感器及其他鐵磁元件仿真模型，開發(fā)了用于電流互感器暫態(tài)性能分析的評估平臺。該平臺可以根據(jù)實(shí)際分析需要，靈活組建一次系統(tǒng)運(yùn)行場景，模擬不同形式的短路故障、勵磁涌流與和應(yīng)涌流、自動重合閘等引起的電網(wǎng)復(fù)雜暫態(tài)過程；對電流互感器暫態(tài)特性及差動保護(hù)動作性能進(jìn)行分析評估，從而為電流互感器的設(shè)計選型、運(yùn)行維護(hù)與事故分析提供指導(dǎo)意見。

2.3.1仿真分析平臺設(shè)計

電流互感器暫態(tài)性能評估平臺分為兩部分：電磁暫態(tài)計算內(nèi)核與圖形化用戶界面。電磁暫態(tài)計算內(nèi)核利用EMTDC來實(shí)現(xiàn)；圖形化用戶界面利用微軟的VB.NET編程開發(fā)，便于用戶圖形化建模。

在評估平臺中構(gòu)建的一次系統(tǒng)模型如圖9所示，它可以提供各種仿真結(jié)果數(shù)據(jù)，主要包括互感器的一二次電流、鐵芯勵磁電流與磁通、被保護(hù)設(shè)備的各種輸入量等，用于考察保護(hù)動作情況。輸出數(shù)據(jù)可以轉(zhuǎn)化為COMTRADE數(shù)據(jù)格式，還可調(diào)用錄波數(shù)據(jù)分析軟件對這些結(jié)果進(jìn)行圖形化顯示。

圖9一次系統(tǒng)接線圖

2.3.2基于工程實(shí)例對仿真平臺的驗(yàn)證

某實(shí)際電網(wǎng)現(xiàn)場接線如圖10所示，#1主變修試完成后，通過合上高壓側(cè)開關(guān)實(shí)現(xiàn)送電操作，220 kV電纜線路零序差動保護(hù)出口、開關(guān)跳閘。

在仿真分析平臺中構(gòu)建與圖10一致的一次系統(tǒng)模型，仿真平臺輸出II母線側(cè)電流和零序差動電流仿真波形與保護(hù)錄波數(shù)據(jù)分別對比于圖 11和圖12中。由于保護(hù)裝置存儲容量有限，在0.1~0.2 s時間段內(nèi)的錄波數(shù)據(jù)缺失。通過分析可見，仿真分析平臺的輸出結(jié)果與實(shí)際錄波數(shù)據(jù)吻合良好，并且可以復(fù)現(xiàn)缺失的錄波數(shù)據(jù)。從而為故障分析提供了有利的技術(shù)支持?，F(xiàn)場已經(jīng)基于本平臺得到的分析結(jié)論提出了相應(yīng)的整改建議。在下一章，將利用電流互感器仿真分析平臺對誤動原因展開具體分析。

圖11線路II母線電流仿真結(jié)果與實(shí)際錄波數(shù)據(jù)對比

3 變壓器間及其與電流互感器交互作用對保護(hù)影響的分析與對策

3.1 保護(hù)誤動原因分析

電流互感器暫態(tài)性能分析評估平臺可有效評估實(shí)際工程中電流互感器的暫態(tài)性能，對于分析變壓器空投引起相鄰發(fā)電機(jī)、變壓器和輸電線路保護(hù)誤動的原因有很大幫助。下文以變壓器差動保護(hù)誤動為例來說明變壓器間及其與電流互感器暫態(tài)交互作用對保護(hù)影響的機(jī)理。

在平臺中建立如圖13所示的系統(tǒng)模型，兩臺變壓器并聯(lián)運(yùn)行，其中T1為空投變，T2為與發(fā)電機(jī)相連的運(yùn)行變。測量電流的參考方向如圖中的箭頭所示。

圖13變壓器差動保護(hù)誤動仿真模型

在0時刻T1空投，通過互感器測量得到的空投變勵磁涌流、運(yùn)行變高低壓側(cè)繞組二次電流和及其非周期分量(用下標(biāo)z表示)以及運(yùn)行變的差動電流如圖14所示，其中由兩部分構(gòu)成，一部分為變壓器T2勵磁支路的勵磁電流，另一部分為互感器飽和所產(chǎn)生的傳變誤差電流。為了深入研究差流產(chǎn)生的原因，在圖14中還給出了通過仿真軟件直接得到的運(yùn)行變勵磁電流，即為直接通過一次電流得到的差流，上述電流均已折算至高壓側(cè)線電流一次有名值。通過分析可以發(fā)現(xiàn)，在T1空投約0.2 s后，T2差流開始增加，且諧波含量較低，其中二次諧波最低約10%，三次諧波最低不足5%[18]，此時在變壓器電流差動保護(hù)中普遍配置的諧波制動判據(jù)難以動作，電流差動保護(hù)可能會發(fā)生誤動。

在T1變壓器空投初期相鄰的T2變壓器流過了穿越性的勵磁涌流，因此和中的非周期分量開始增加并且衰減緩慢，在經(jīng)過一段時間后，發(fā)電機(jī)側(cè)互感器發(fā)生局部暫態(tài)飽和[19-20]，此時鐵芯含有較大的偏磁，且一次側(cè)電流工頻分量幅值相對較小，因此鐵芯磁通只是在飽和點(diǎn)附近的線性區(qū)做較小范圍的波動，并沒有出現(xiàn)在飽和區(qū)與非飽和區(qū)之間進(jìn)行劇烈轉(zhuǎn)換的狀態(tài)，故互感器的傳變誤差電流(約等于差動電流)為畸變較小的基頻電流與非周期電流疊加。

圖14變壓器保護(hù)誤動仿真結(jié)果

同樣，利用電流互感器暫態(tài)性能分析評估平臺對發(fā)電機(jī)、輸電線路保護(hù)誤動案例展開分析，都能得到差動保護(hù)誤動的主要原因是空投變產(chǎn)生的勵磁涌流，而非變壓器交互作用產(chǎn)生的和應(yīng)涌流。

3.2差動保護(hù)應(yīng)對措施

針對變壓器空投引起相鄰發(fā)電機(jī)和輸電線路誤動的事故，提出了投入諧波閉鎖判據(jù)來防止差動保護(hù)誤動。針對變壓器空投引起相鄰運(yùn)行變壓器誤動的事故，提出了利用二次電流非周期分量的互感器飽和識別方法來防止保護(hù)誤動。

3.2.1投入諧波閉鎖判據(jù)

對于發(fā)電機(jī)與線路差動保護(hù)誤動情況，差動電流的產(chǎn)生原因是電流互感器在傳變含有非周期分量的一次電流而發(fā)生了暫態(tài)飽和。此時，差動電流中的諧波含量較高，發(fā)電機(jī)和線路差動保護(hù)誤動時差動電流的二次諧波含量分別大于30%和40%，三次諧波含量均大于10%，故投入諧波閉鎖判據(jù)可以有效防止保護(hù)誤動[18]。據(jù)悉，實(shí)例中的線路差動保護(hù)為雙重化配置，誤動保護(hù)裝置的零序電流差動保護(hù)并未配置諧波閉鎖功能，而另一套裝置的零差保護(hù)因配置有諧波閉鎖功能而成功的躲過了誤動，這也側(cè)面證明了諧波閉鎖判據(jù)的有效性。

3.2.2利用二次電流非周期分量的互感器飽和識別方法

在3.1節(jié)所述的變壓器差動保護(hù)誤動案例中，互感器發(fā)生了局部暫態(tài)飽和而導(dǎo)致差動保護(hù)誤動，此時差動電流中的諧波含量較低，諧波閉鎖判據(jù)無法正確閉鎖保護(hù)。

如圖 15和圖 16所示，互感器飽和導(dǎo)致差動保護(hù)誤動經(jīng)歷兩個階段。

圖15互感器飽和過程

圖16互感器飽和過程期間的鐵芯磁通

階段1：相鄰變空投后，被保護(hù)元件流過了含有非周期分量的穿越性勵磁涌流，兩側(cè)互感器鐵芯開始積累偏磁但并未馬上飽和；此時互感器可以按變比正確傳變一次電流(包括其中的非周期分量)，故兩側(cè)電流互感器二次電流中的非周期分量開始增加，且差動電流小于動作值。

階段2：空投一段時間后，由于鐵芯偏磁累積，一側(cè)互感器率先發(fā)生局部暫態(tài)飽和，導(dǎo)致差動保護(hù)誤動?；ジ衅黠柡秃螅F芯的等效電感迅速減小，一次電流中的非周期分量以及部分工頻分量迅速進(jìn)入了勵磁支路，故二次電流迅速減??；而此時另一側(cè)互感器尚未發(fā)生飽和，其二次電流并未發(fā)生突變。

基于上述互感器飽和的機(jī)理分析，可以總結(jié)在變壓器間及其與電流互感器之間發(fā)生和應(yīng)交互作用期間互感器飽和的特征：在互感器飽和導(dǎo)致差動電流增大的時刻，飽和互感器二次電流中的非周期分量迅速的降低。故提出基于二次電流非周期分量的互感器飽和識別方法，當(dāng)被保護(hù)設(shè)備各側(cè)互感器二次電流中的非周期分量開始增大且此時差動電流較小時，飽和識別程序開始啟動，因?yàn)樵谠撉闆r下互感器開始傳變含有非周期分量的一次電流，而有可能發(fā)生局部暫態(tài)飽和或者暫態(tài)飽和；若其中一側(cè)互感器的直流分量明顯減少，且差動電流隨之落入動作區(qū)，則判斷該側(cè)互感器出現(xiàn)了暫態(tài)飽和而導(dǎo)致差動保護(hù)誤動?，F(xiàn)場錄波數(shù)據(jù)和數(shù)字仿真驗(yàn)證了該方法的有效性，篇幅所限，具體結(jié)果詳見文獻(xiàn)[18,21]。

4 結(jié)論

現(xiàn)代交直流混聯(lián)復(fù)雜電網(wǎng)的暫態(tài)過程中，變壓器間及其與電流互感器間發(fā)生的和應(yīng)交互作用嚴(yán)重威脅繼電保護(hù)的正確動作。本文從原理分析、數(shù)字仿真以及動模試驗(yàn)等多個層面圍繞變壓器間及其與電流互感器間和應(yīng)交互作用開展研究工作，并提出了繼電保護(hù)應(yīng)對策略。主要結(jié)論如下：

1) 解析分析了運(yùn)行變壓器非空載情況下復(fù)雜和應(yīng)涌流的產(chǎn)生機(jī)理、基本模式，通過數(shù)字仿真與動模試驗(yàn)分析總結(jié)和應(yīng)涌流的影響因素，并驗(yàn)證了復(fù)雜和應(yīng)涌流理論分析結(jié)果的正確性，進(jìn)而提出基于站域信息共享和基于變壓器磁通在線計算的和應(yīng)涌流識別方法。

2) 利用多種類型工業(yè)實(shí)用的電流互感器開展動模試驗(yàn)，并基于試驗(yàn)結(jié)果建立了不同類型(P、PR及TPY級)的互感器數(shù)字仿真模型。

3) 開發(fā)了用于電流互感器暫態(tài)飽和特性仿真分析的評估平臺，為現(xiàn)場提供了一種互感器設(shè)計選型、運(yùn)行維護(hù)與事故分析的工具。

4) 利用該評估平臺模擬現(xiàn)場典型事故并進(jìn)行分析，明確了引起了保護(hù)誤動的原因，并提出了投入諧波閉鎖判據(jù)、利用二次電流非周期分量的飽和識別方法等繼電保護(hù)應(yīng)對策略。

[1] 李兆偉, 翟海保, 劉福鎖, 等. 多饋入交直流混聯(lián)受端電網(wǎng)直流接入能力研究評述[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2016, 44(8): 142-148.

LI Zhaowei, ZHUO Haibao, LIU Fusuo, et al. DC access capability study for multi-infeed HVDC power transmission system[J]. Power System Protection and Control, 2016, 44(8): 142-148.

[2] 凌光, 蘇斌. 一種基于差流波形特征的勵磁涌流識別方法[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2015, 43(6): 19-24.

LING Guang, SU Bin. A method to identify inrush current based on waveform characteristics of differential current[J]. Power System Protection and Control, 2015, 43(6): 19-24.

[3] 傅偉, 趙莉華, 梁勇, 等. 多臺變壓器空載合閘勵磁涌流及其抑制方案的研究[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2015, 43(1): 28-33.

FU Wei, ZHAO Lihua, LIANG Yong, et al. Study on no-load closing inrush current of transformer group and suppression measures[J]. Power System Protection and Control, 2015, 43(1): 28-33.

[4] 姚東曉, 鄧茂軍, 倪傳坤, 等. 變壓器多側(cè)勵磁涌流產(chǎn)生機(jī)理及對差動快速動作區(qū)影響研究[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2016, 44(5): 36-41.

YAO Dongxiao, DENG Maojun, NI Chuankun, et al. Transformer's multi-side inrush current generation mechanism and its influence on the differential protection's fast action zone[J]. Power System Protection and Control, 2016, 44(5): 36-41.

[5] 畢大強(qiáng), 王祥珩, 李德佳, 等. 變壓器和應(yīng)涌流的理論探討[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2005, 29(6): 1-8.

BI Daqiang, WANG Xiangheng, LI Degui, et al. Theory analysis of the sympathetic inrush in operating transformers[J]. Automation of Electric Power Systems, 2005, 29(6): 1-8.

[6] 金明亮, 尹項根, 游大海. 復(fù)雜和應(yīng)涌流導(dǎo)致差動保護(hù)誤動的原因與對策[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報, 2011, 31(1): 86-93.

JIN Mingliang, YIN Xianggen, YOU Dahai, et al. Reason of differential protection mal-operation caused by complex sympathetic inrush and its countermeasure[J]. Proceedings of the CSEE, 2011, 31(1): 86-93.

[7] 武萬才, 邊疆, 吳志勇. 變壓器和應(yīng)涌流產(chǎn)生機(jī)理及其特性分析[J]. 電力自動化設(shè)備, 2011, 31(6): 112-115.

WU Wancai, BIAN Jiang, WU Zhiyong. Principle and characteristics of transformer sympathetic inrush[J]. Electric Power Automation Equipment, 2011, 31(6): 112-115.

[8] 張雪松, 何奔騰, 張建松. 變壓器和應(yīng)涌流的產(chǎn)生機(jī)理及其影響因素研究[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2005, 29(6): 15-19.

ZHANG Xuesong, HE Benteng, ZHANG Jiansong. Principle and influencing factors of the transformer sympathetic inrush[J]. Automation of Electric Power Systems, 2005, 29(6): 15-19.

[9] 袁宇波, 李德佳, 陸于平, 等. 變壓器和應(yīng)涌流的物理機(jī)理及其對差動保護(hù)的影響[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2005, 29(6): 9-14.

YUAN Yubo, LI Dejia, LU Yuping, et al. Physical mechanism of sympathetic inrush of transformer and its influence on differential protection[J]. Automation of Electric Power Systems, 2005, 29(6): 9-14.

[10] 張雪松, 何奔騰. 變壓器和應(yīng)涌流對繼電保護(hù)影響的分析[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報, 2006, 26(14): 12-17.

ZHANG Xuesong, HE Benteng. Influence of sympathetic interaction between transformers on relay protection[J]. Proceedings of the CSEE, 2006, 26(14): 12-17.

[11] 束洪春, 賀勛, 李立新. 變壓器和應(yīng)涌流分析[J]. 電力自動化設(shè)備, 2006, 26(10): 7-12.

SHU Hongchun, HE Xun, LI Lixin. Research on sympathetic inrush in operating transformer[J]. Electric Power Automation Equipment, 2006, 26(10): 7-12.

[12] 鄭濤, 趙萍. 和應(yīng)涌流對差動保護(hù)的影響因素分析及防范措施[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2009, 33(3): 74-78.

ZHENG Tao, ZHAO Ping. Analysis of influence factors of sympathetic inrush on differential protection and its solutions[J]. Automation of Electric Power Systems, 2009, 33(3): 74-78.

[13] 王奕, 戚宣威, 羅航, 等. 復(fù)雜和應(yīng)涌流及其對電流差動保護(hù)的影響[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2014, 38(6): 98-105.

WANG Yi, QI Xuanwei, LUO Hang, et al. Complex sympathetic inrush and its influence on current differential protection[J]. Automation of Electric Power Systems, 2014, 38(6): 98-105.

[14] QI Xuanwei, YIN Xianggen, ZHAG Zhei, et al. Sympathetic inrush current in a transformer and a method for its identification[J]. IEE Transactions on Electrical & Electronic Engineering, 2016, 11(4): 442-450.

[15] WANG Fei, QI Xuanwei, WANG Yi, et al. A sympathetic inrush detection method based on on-line magnet flux calculation[C] // International Conference on Power System Technology, 2014: 700-704.

[16] C J D, L A D. Theory of ferromagnetic hysteresis[J]. Journal of Applied Physics, 1984, 55(6): 2115-2120.

[17] 戚宣威, 尹項根, 李甘, 等. 一種電流互感器仿真分析平臺構(gòu)建方法[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2015, 43(22): 69-76.

QI Xuanwei, YIN Xianggen, LI Gan, et al. A construction method for the simulation platform for the analysis of the current transformer[J]. Power System Protection and Control, 2015, 43(22): 69-76.

[18] 戚宣威, 尹項根, 張哲, 等. 變壓器空投導(dǎo)致相鄰元件差動保護(hù)誤動分析及防范措施[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2016, 40(3): 129-134.

QI Xuanwei, YIN Xianggen, ZHANG Zhe, et al. Analysis on mal-operation for current differential protection due to adjacent transformer switching-on and its countermeasures[J]. Automation of Electric Power Systems, 2016, 40(3): 129-134.

[19] 畢大強(qiáng), 馮存亮, 葛寶明. 電流互感器局部暫態(tài)飽和識別的研究[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報, 2012, 32(31): 184-190, 24.

BI Daqiang, FENG Cunliang, GE Baoming. Research on identification of partial transient saturation in currant transformers[J]. Proceedings of the CSEE, 2012, 32(31): 184-190, 24.

[20] 袁宇波, 陸于平, 許揚(yáng), 等. 切除外部故障時電流互感器局部暫態(tài)飽和對變壓器差動保護(hù)的影響及對策[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報, 2005, 25(10): 12-17.

YUAN Yubo, LU Yuping, XU Yang, et al. The influence and countermeasure to transformer differential protection of CT partial transient saturation caused by external fault removal[J]. Proceedings of the CSEE, 2005, 25(10): 12-17.

[21] QI Xuanwei, YIN Xianggen, ZHANG Zhe,et al. Study on the unusual misoperation of differential protection during transformer energization and its countermeasure[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2016, 31(5): 1998-2007.

(編輯 姜新麗)

Multiple transformers and CTs interactive effect and its impact on the protective relay

YIN Xianggen1, ZHANG Zhe1, WANG Youhuai2, LIU Yong2, QI Xuanwei1, CAO Wenbin1, GUO Qian1

(1. State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology (Huazhong University of Science and Technology), Wuhan 430074, China; 2. Hubei Power Dispatch and Control Center, Wuhan 430077, China)

When disturbance or fault occurs to AC/DC hybrid power system, the transformer and current transformer (CT) will produce complex transient interactive process, which makes it difficult for relay protection to identify faults and operate correctly. In recent years, there are many unusual mal-operations of the differential protection for transformer, generator and transmission line already in operation caused by the adjacent switching-on transformer, which have seriously threaten the safe and stable operation of the power grid. The transformer inrush current, sympathetic current and CT transient saturation are researched based on mechanism analysis, digital simulation and dynamic test. The mechanism of transformers and CT transient interactive process is discovered and relevant countermeasure is proposed. A simulation platform is also built to help to select the types of CT and analyze accident.

This work is supported by Key Project of Smart Grid Technology and Equipment of National Key Research and Development Plan of China (No. 2016YFB0900600) and National Natural Science Foundation of China (No. 51277084).

transformer; current transformer (CT); magnetizing inrush; sympathetic current; transient saturation; differential protection

10.7667/PSPC201667

2016-09-01

尹項根(1954-)，男，博士，教授，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)繼電保護(hù)與安全自動控制；E-mail: xgyin@hust.edu.cn

張 哲(1962-)，男，博士，教授，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)繼電保護(hù)與安全自動控制；E-mail: zz_mail2002@163.com

王友懷(1971-)，男，高級工程師，主要研究方向?yàn)槔^電保護(hù)運(yùn)行管理。E-mail: wangyh@hb.sgcc.com.cn

國家重點(diǎn)研發(fā)計劃智能電網(wǎng)與裝備重點(diǎn)專項(2016YFB0900600)；國家自然科學(xué)基金項目(51277084)