改進的變壓器涌流制動原理在保障故障響應(yīng)特性下提高安全性

邢曉娟

摘 要：本文論述一種新的變壓器涌流制動保護原理。新的原理不僅考慮了差動電流二次諧波和基波分量的比值，而且還考慮了兩者的相位。這種原理更能精確區(qū)分勵磁涌流和內(nèi)部故障引起的差動電流。通過數(shù)學(xué)分析結(jié)果以及變壓器數(shù)字模擬試驗的波形分析，證明這種原理是正確的。

關(guān)鍵詞：變壓器 磁通原理 功率

一、引言

由于變壓器復(fù)雜的運行工況，保護變壓器不是一件容易的事，可以說，在電力系統(tǒng)中，保護變壓器對繼電保護是一種挑戰(zhàn)。數(shù)字式繼電器具有精確處理信號的能力，從而繼電器設(shè)計人員能夠采用傳統(tǒng)的保護原理，并且增強了電力變壓器保護的特性，加快保護速度，提高安全性和可靠性。本文論述變壓器差動繼電器在勵磁涌流過程中的制動問題。

二、勵磁涌流的簡要分析

變壓器勵磁涌流是由激磁電壓任何突然變化引起的結(jié)果。雖然一般稱之為對變壓器充電引起的結(jié)果，但是勵磁涌流也可能由下列原因引起：（a）發(fā)生外部短路（b）切除外部故障后的電壓恢復(fù)（c）故障特性的變化，如相對地故障包含相-相-地（d）發(fā)電機非同期并列。因為鐵心勵磁支路在變壓器等值電路看成是并聯(lián)元件，所以勵磁電流造成變壓器各端的電流不平衡，而且勵磁電流被差動繼電器誤認為是一種差動電流。但是繼電器必須在勵磁涌流過程中保持平衡，不誤動。

三、涌流制動原理 —— 概述

為防止涌流誤跳，保護采用不同的延時方法。不論是采用充電時在一定的時間內(nèi)閉鎖保護或者采用其他的延時方法，采用延時的方法，在變壓器充電時對保護進行制動的方法，特別對現(xiàn)代變壓器，是不可取的?，F(xiàn)在新的涌流的制動方法采用識別差動涌流波形，非直接的（諧波分析）或直接的（波形分析）方法。

1.諧波制動。這是一種傳統(tǒng)方法，在勵磁涌流情況下，為防止誤跳對保護進行制動。勵磁涌流表現(xiàn)為差動信號，并帶有確定的較高的諧波分量。一般來說，較低次的諧波分量會使繼電器動作，而較高次諧波分量表明涌流和對繼電器進行制動。不論構(gòu)成復(fù)合諧波和差動信號的方法如何，諧波制動方法受到一定的限制。即使諧波不出現(xiàn)在差動信號，在時間近似等于檢測器數(shù)據(jù)窗的長度，一般諧波制動不會跳閘，但存在拒動的可能性，在變壓器充電瞬間，同時存在低微的匝間短路，由于二次諧波制動，差動保護拒動。另外，在現(xiàn)代變壓器的勵磁電流高次諧波的含量可能低于10%的水平，二次諧波低到7%。在這種情況下，整定值必須調(diào)整為小于7%。然而，這樣會引起保護延時動作，甚至不動作，這是由于內(nèi)部短路的差動電流的諧波和伴隨CT飽和引起，交叉制動或時間控制門檻方法也只能部分解決這個問題。

2.波形制動。這種涌流制動方法有兩種：較普遍方法 – 注重涌流波形低值和平坦值的期間（dwell-time – 準則1）;原理注重涌流波形的峰值和衰減速率（準則2）

2.1 準則 1。勵磁電流的假使可能不規(guī)則，如在每個周波，不小于1/4周波期間內(nèi)的波形是平坦和接近零時，沒有出現(xiàn)差動電流。這種保護原理已經(jīng)在靜態(tài)繼電器所采用。不論實施的情況如何，波形直接制動方法的形狀顯示了它的缺點 ：（a）內(nèi)部故障對勵磁電流的識別需要1個周波的時間。（b）在涌流過程中CT會飽和， （很可能由于電流的直流分量的原因）， 在某些期間內(nèi)改變了波形的形狀，可能會引起誤跳閘。（c）在嚴重內(nèi)部故障時，當(dāng)CT飽和，二次側(cè)電流可能會很低而且較平坦，保護拒動。

2.2準則 2。勵磁電流的假設(shè)可能不對，如果差動電流峰值在1個半周波轉(zhuǎn)移，并且兩個連續(xù)的峰值的極性不相同。這種方法對峰值的檢測需要非常精確。必須核對兩個連續(xù)峰值之間的時間在誤差允許范圍內(nèi)并考慮到頻率偏差。理論上，為了區(qū)別內(nèi)部短路和涌流工況，這種方法需要3個1/4 周波的時間。在第一個1/4 周波之后才出現(xiàn)短路電流的峰值。在第二個峰值出現(xiàn)時，這種準則就不符合涌流的假設(shè)，保護就動作。這種方法的優(yōu)點：能承受TA在涌流和短路時的嚴重飽和。缺點：需要相間交叉極化的算法。不是始終所有三相的涌流波形都是單側(cè)，同時，當(dāng)變壓器較平穩(wěn)充電時（會偶然發(fā)生，由于合閘角度和磁通的關(guān)系較合適），此準則會失效。此準則可以用于修正瞬時差動過電流元件。

3.其他方法。

3.1模擬方法。此方法解決無故障變壓器的在線數(shù)學(xué)模型。對模擬的某些參數(shù)進行計算或根據(jù)所有剩余信號對變量的某部分進行計算，隨后與測量值進行比較。在第一種情況，對計算的參數(shù)從其他擾動量區(qū)分出內(nèi)部故障，在第二種情況，用計算值和測量值的差值進行分類。這種方法要求對各側(cè)的電壓和電流進行測量。

3.2功率差動方法。這種方法采用功率差動原理，區(qū)分內(nèi)部故障和其他工況，不是差動電流，而是對差動功率進行計算和測量。變壓器各側(cè)的瞬時功率的差值作為動作信號。這種方法需要測量各側(cè)電壓，還要考慮變壓器接線組別和變比補償。通過對變壓器損耗的補償，此方法的可靠性還可以提高。

3.3磁通涌流制動。此方法是根據(jù)在線計算磁通原理，從涌流和過激磁概況中區(qū)分內(nèi)部故障，采用鐵心磁通現(xiàn)象的識別方法，其優(yōu)點是考慮到鐵心飽和作為不平衡電流源。

四、新的算法語言

本文介紹的算法語言涉及到在涌流工況的二次諧波暫時下降到低于15-20%的問題。這種情況發(fā)生的原因是由于很高的勵磁電流迫使角度a大于900 。依次，產(chǎn)生二次諧波含量降到20%以下。這種現(xiàn)象勵磁電流和二次諧波比值發(fā)生的時間范圍，用滿周波傅立葉算法，64點/周波采樣。在這個例子中，在5個周波時間范圍內(nèi)二次諧波暫時下降到低于20%。依次，保護會引起跳閘或迫使用戶把整定值降低到5%以下，影響保護的速度和靈敏度。隨時間推移，電流上升到典型的涌流波形，二次諧波比值上升到20%安全值。

2.評價。

2.1評價分析，為了評價 l21 的識別能力采用簡化涌流模型。二次諧波和基波的比值和相角差進行分析推導(dǎo)。結(jié)論 ： 假定角度非常接近+90或0 度。對波形模型進行重復(fù)計算，包括在大范圍內(nèi)衰減直流分量及其時間常數(shù)。另外，經(jīng)分析證明，二次諧波和基波的相角差接近于900 ，不論比值降到低于20%。即使二次諧波比值跌到幾乎等于零，軌跡還是沿著0度線延伸。值得注意的是 l21 的復(fù)數(shù)平面，傳統(tǒng)的二次諧波的動作區(qū)是一個圓，直徑為0.15-0.20。這種情況下，結(jié)果是傳統(tǒng)的繼電器會誤動。

2.2評價的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。經(jīng)過各種波形的模擬實驗和按比例具體變壓器的記錄數(shù)據(jù)來看，考慮到下列因數(shù)保證了它的分散性，這種方法的識別能力比傳統(tǒng)的二次諧波制動方法強。新的方法的制動量覆蓋了該區(qū)域。遠離圓點的數(shù)值是由于暫態(tài)和分布很不均勻引起。因此，內(nèi)部短路和涌流的圖案之間的覆蓋程度不明顯。這樣保證了新方法的正確動作。

3.動作/制動區(qū)。根據(jù)動態(tài)制動的結(jié)果，獲得一個合成二次諧波比值與時間有關(guān)的動作特性。不閉鎖保護所需的時間是l21 的函數(shù)。如果后者不及時變化的話，固定的 t-21 關(guān)系可以推導(dǎo)出來，獲得的曲線有如下的特點 ：如果 l21 角度接近于 00 或 1800， 不論二次諧波的數(shù)值如何，涌流制動瞬速被移去。如果 l21 角度接近于 90，移去涌流制動的時間取決于二次諧波量的大小 ：一是二次諧波比值低時，移去二次諧波的時間非常短。 二是二次諧波比值接近 20% 時，移去二次諧波的時間為5-6 周波;在涌流二次諧波低于20%工況下，這個時間足于防止保護誤動。

4.實施試驗。所述的方法已經(jīng)在ISC9000序列 L80 繼電器實施。它是一種模塊化，擴展化和可升級的繼電器。論述的新的算法已經(jīng)通過數(shù)字式實時模擬器測試，模擬試驗和現(xiàn)場記錄證明，新的方法的特性非常優(yōu)越。

五、結(jié)語

本文發(fā)表一種新的變壓器保護涌流制動方法，原理是在傳統(tǒng)的二次諧波制動原理的擴展，替代傳統(tǒng)的二次諧波和基波分量的比值的測量方法。新的原理不僅考慮了差動電流二次諧波和基波分量的比值，而且考慮了兩者的相位。動作區(qū)做成動態(tài)形式，從而大大提高保護在內(nèi)部短路的特性。新方法已經(jīng)應(yīng)用在ISC9000序列 L80 繼電器平臺上。試驗結(jié)果表明，這種方法不僅增強了繼電器在勵磁涌流工況下的穩(wěn)定性，同時，保持了內(nèi)部故障的性能。