變壓器多側(cè)勵(lì)磁涌流產(chǎn)生機(jī)理及對(duì)差動(dòng)快速動(dòng)作區(qū)影響研究

姚東曉，鄧茂軍，倪傳坤，王立德，馬和科，呂利娟，黃繼東

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變壓器多側(cè)勵(lì)磁涌流產(chǎn)生機(jī)理及對(duì)差動(dòng)快速動(dòng)作區(qū)影響研究

姚東曉1，鄧茂軍1，倪傳坤1，王立德2，馬和科1，呂利娟1，黃繼東1

(1.許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000；2.國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司檢修公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000)

多側(cè)勵(lì)磁涌流特征類似區(qū)內(nèi)故障，容易造成變壓器差動(dòng)保護(hù)快速動(dòng)作區(qū)誤動(dòng)作。研究了兩種多側(cè)勵(lì)磁涌流產(chǎn)生的機(jī)理并分析了其對(duì)不同類型差動(dòng)保護(hù)快速動(dòng)作區(qū)的影響。第一，變壓器高壓側(cè)空投致鐵芯飽和時(shí)高壓側(cè)和低壓繞組中均產(chǎn)生勵(lì)磁涌流的機(jī)理及其對(duì)分相差快速動(dòng)作區(qū)的影響；第二，自耦變區(qū)外故障切除致鐵心飽和時(shí)高、中壓側(cè)及低壓繞組均出現(xiàn)勵(lì)磁涌流的機(jī)理及其對(duì)縱差快速動(dòng)作區(qū)的影響?；趯?duì)兩種勵(lì)磁涌流產(chǎn)生機(jī)理及特征的分析，提出分相差不宜配置快速動(dòng)作區(qū)，而縱差快速動(dòng)作區(qū)判據(jù)也應(yīng)采取防誤措施，并提出了具體防誤方案。經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該方案可有效防止縱差快速動(dòng)作區(qū)誤動(dòng)作。

變壓器；多側(cè)勵(lì)磁涌流；差動(dòng)保護(hù)；快速動(dòng)作區(qū)；恢復(fù)性涌流；區(qū)內(nèi)故障

0 引言

勵(lì)磁涌流是引起變壓器差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)作的重要因素之一。經(jīng)過長(zhǎng)期的研究完善，勵(lì)磁涌流的判別方法越來越成熟[1-8]，已很少出現(xiàn)因勵(lì)磁涌流判據(jù)問題導(dǎo)致差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)作的情況。然而，對(duì)一些快速差動(dòng)保護(hù)，由于勵(lì)磁涌流判據(jù)開放較慢，一般需要20 ms左右，不宜經(jīng)勵(lì)磁涌流閉鎖，比如差動(dòng)速斷保護(hù)、差動(dòng)快速動(dòng)作區(qū)。差動(dòng)速斷保護(hù)定值門檻高，整定時(shí)考慮躲避勵(lì)磁涌流，因此不易出現(xiàn)勵(lì)磁涌流導(dǎo)致的誤動(dòng)。而差動(dòng)保護(hù)快速動(dòng)作區(qū)定值門檻不足以躲避勵(lì)磁涌流，雖然其判據(jù)本身具有抗單側(cè)勵(lì)磁涌流功能，但對(duì)多側(cè)勵(lì)磁涌流，仍存在誤動(dòng)作可能。

本文研究了多側(cè)勵(lì)磁涌流產(chǎn)生的原理，并分析了兩種產(chǎn)生多側(cè)勵(lì)磁涌流的情況及對(duì)差動(dòng)快速動(dòng)作區(qū)的影響。首先介紹了差動(dòng)保護(hù)快速動(dòng)作區(qū)的動(dòng)作方程和條件，然后對(duì)多側(cè)勵(lì)磁涌流產(chǎn)生的原理進(jìn)行了詳細(xì)分析，通過建立變壓器在空投和區(qū)外故障切除時(shí)的等值電路，詳細(xì)研究了變壓器在空投和區(qū)外故障切除時(shí)出現(xiàn)多側(cè)勵(lì)磁涌流的機(jī)理，得出分相差動(dòng)保護(hù)不宜配置快速動(dòng)作區(qū)，而縱差保護(hù)快速動(dòng)作區(qū)也要考慮防誤措施，提出了具體防誤方案，經(jīng)過多次動(dòng)模及數(shù)模仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該方案可有效防止多側(cè)勵(lì)磁涌流縱差快速動(dòng)作區(qū)誤動(dòng)作。

1 ?差動(dòng)保護(hù)快速動(dòng)作區(qū)條件

差動(dòng)保護(hù)快速動(dòng)作區(qū)動(dòng)作方程如式(1)。

差動(dòng)保護(hù)快速動(dòng)作區(qū)邏輯如圖1所示。在區(qū)內(nèi)外故障同步識(shí)別邏輯判為區(qū)內(nèi)故障的情況下，若同時(shí)差流滿足快速動(dòng)作區(qū)特性方程，經(jīng)短延時(shí)，差動(dòng)保護(hù)快速動(dòng)作區(qū)動(dòng)作。其中可設(shè)為5 ms。

2 ?變壓器多側(cè)勵(lì)磁涌流產(chǎn)生原理分析

變壓器在空投或區(qū)外故障切除時(shí)，若鐵芯磁密過高，便會(huì)出現(xiàn)勵(lì)磁涌流。磁密計(jì)算如式(2)。

變壓器空投時(shí)，在系統(tǒng)阻抗、變壓器結(jié)構(gòu)、繞組物理參數(shù)一定的情況下，剩磁和合閘角的組合關(guān)系決定了勵(lì)磁涌流的大小：若剩磁較大，且合閘角在系統(tǒng)電壓過零點(diǎn)附近，同時(shí)磁通變化方向與剩磁方向一致時(shí)，會(huì)導(dǎo)致鐵芯磁密過高而嚴(yán)重飽和，產(chǎn)生較大勵(lì)磁涌流。在變壓器區(qū)外故障切除時(shí)，決定勵(lì)磁涌流大小的因素主要為故障合閘角及故障切除角。若故障合閘角在系統(tǒng)電壓過零點(diǎn)附近，此時(shí)相當(dāng)于變壓器鐵芯中含較大剩磁；由于斷路器切除故障必須在電流過零點(diǎn)切除，因此故障切除角往往在±90o附近，若故障切除后磁通變化方向與剩磁方向一致，可導(dǎo)致鐵芯磁密過高而飽和。

為分析鐵芯飽和時(shí)多側(cè)勵(lì)磁涌流產(chǎn)生的原理，首先分析兩側(cè)均有電源的雙繞組變壓器產(chǎn)生多側(cè)勵(lì)磁涌流的情況。雙繞組變壓器A相等值電路如圖2所示。

圖2 兩側(cè)均有電源的雙繞組變壓器等值電路

根據(jù)圖2等值電路，可計(jì)算出勵(lì)磁阻抗兩端的電動(dòng)勢(shì)為

(4)

式(5)中等號(hào)右邊不為0，且所有阻抗的阻抗角均基本相同，若同時(shí)與相位相同，根據(jù)式(3)，相位也必然與和相同，而且隨著變小而降低，若降低到小于和，則導(dǎo)致與相位相同，此時(shí)會(huì)造成高、低壓側(cè)產(chǎn)生同相位的勵(lì)磁涌流。

3 ?空投主變高壓側(cè)多側(cè)勵(lì)磁涌流產(chǎn)生機(jī) 理及對(duì)分相差快速動(dòng)作區(qū)影響分析

3.1 空投主變多側(cè)產(chǎn)生勵(lì)磁涌流的機(jī)理

以Y/D11接線形式的變壓器為例，在空投主變高壓側(cè)時(shí)，由于除高壓側(cè)外其他側(cè)開關(guān)均處于斷開狀態(tài)，只有高壓側(cè)和低壓側(cè)三角繞組有電流回路。我們以主變A相為例進(jìn)行分析?？胀稌r(shí)，主變A相等值電路如圖3所示，低壓側(cè)A相等效電源的合成相量圖如圖4所示。

某500?kV變電站在空投主變(自耦變)高壓側(cè)時(shí)，高壓側(cè)和低壓繞組中均出現(xiàn)了勵(lì)磁涌流，如圖5所示。

圖5 空投電流電壓波形

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)變壓器參數(shù)，主變高壓側(cè)額定電流(即分相差動(dòng)基準(zhǔn)電流)為0.206 A，高壓側(cè)平衡系數(shù)為1，低壓繞組平衡系數(shù)為0.114 5。

根據(jù)第1節(jié)差動(dòng)電流與制動(dòng)電流的計(jì)算公式，得到空投時(shí)分相差動(dòng)電流與制動(dòng)電流如圖6所示。

考察A相的差動(dòng)電流和制動(dòng)電流，采用傅里葉變換后，A相差流有效值為0.276?A左右，制動(dòng)電流有效值為0.226?A左右，滿足分相差快速動(dòng)作區(qū)動(dòng)作方程。同時(shí)由于涌流為純差流，區(qū)內(nèi)外故障同步識(shí)別邏輯應(yīng)判為區(qū)內(nèi)，因此滿足分相差快速動(dòng)作區(qū)條件。

圖6 分相差流和制動(dòng)電流

4 ?區(qū)外故障切除致多側(cè)涌流機(jī)理及對(duì)縱差快速動(dòng)作區(qū)影響分析

4.1 區(qū)外故障切除致多側(cè)勵(lì)磁涌流機(jī)理

330 kV以上變壓器一般以自耦變?yōu)橹鳎涓?、中壓?cè)一般均有電源接入。以3繞組自耦變?yōu)槔治銎湓趨^(qū)外故障切除過程中，勵(lì)磁涌流的分布情況。圖7為自耦變區(qū)外故障時(shí)系統(tǒng)的簡(jiǎn)化模型，故障類型為高壓側(cè)區(qū)外三相對(duì)稱故障。

圖7 自耦變區(qū)外故障系統(tǒng)簡(jiǎn)化模型

圖7中，高壓側(cè)和中壓側(cè)均有電源，hs、ms分別為高壓側(cè)和中壓側(cè)的系統(tǒng)阻抗。

[10]邢悅，詹奕嘉：《國(guó)際關(guān)系：理論、歷史與現(xiàn)實(shí)》，復(fù)旦大學(xué)出版社，2008年10月第1版，第84頁.

高壓側(cè)三相短路故障后，低壓繞組電流很小，可以認(rèn)為無流，自耦變可從中壓側(cè)出線端分解開[9]，形成一個(gè)雙繞組變壓器，其等值電路如圖8所示。

圖8 高壓側(cè)區(qū)外三相故障時(shí)自耦變等效電路

由圖8可推導(dǎo)出勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)，如公式(7)。

由于故障時(shí)勵(lì)磁阻抗遠(yuǎn)大于串聯(lián)繞組漏阻抗[10]，公式(7)可簡(jiǎn)化為

(8)

故障切除后，高、中壓側(cè)電壓恢復(fù)。此時(shí)自耦變等效電路如圖9所示。

圖9 故障切除后自耦變等值電路

Fig. 9 Autotransformer equivalent circuit after fault cutting off

4.2 多側(cè)勵(lì)磁涌流對(duì)縱差快速動(dòng)作區(qū)影響分析

在500 kV自耦變動(dòng)模實(shí)驗(yàn)中，模擬自耦變高壓側(cè)區(qū)外三相故障，故障切除時(shí)，高壓側(cè)、中壓側(cè)及低壓繞組均產(chǎn)生了恢復(fù)性涌流，驗(yàn)證了以上分析的正確性。實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c圖5相同，模型中主變高壓側(cè)額定電流(即分相差動(dòng)基準(zhǔn)電流)為0.923?7?A，高壓側(cè)平衡系數(shù)為1，中壓側(cè)平衡系數(shù)為0.968?？v差保護(hù)差流計(jì)算采用了星轉(zhuǎn)角運(yùn)算，即將星側(cè)的電氣量等效折算到角側(cè)。對(duì)低壓側(cè)三角形11點(diǎn)接線形式，高、中壓側(cè)星轉(zhuǎn)角折算如式(9)。

經(jīng)如上折算算法后，縱差差動(dòng)電流和制動(dòng)電流如圖10所示。

圖10 縱差差動(dòng)電流及制動(dòng)電流

在故障切除后35~55 ms，縱差B相差動(dòng)電流為1.282 A左右，制動(dòng)電流為1.066 A左右，滿足快速動(dòng)作區(qū)特性方程。同時(shí)由于區(qū)外故障持續(xù)時(shí)間內(nèi)差流很小，區(qū)外故障標(biāo)志的差流保持邏輯無效。在190 ms后故障切除時(shí)產(chǎn)生較大恢復(fù)性涌流，且遠(yuǎn)大于負(fù)荷電流，區(qū)內(nèi)外故障識(shí)別邏輯識(shí)別為區(qū)內(nèi)故障，因此能夠滿足縱差快速動(dòng)作區(qū)條件。

5 ?防止差動(dòng)快速動(dòng)作區(qū)誤動(dòng)的措施研究

設(shè)置差動(dòng)快速動(dòng)作區(qū)的目的是在發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時(shí)快速切除故障，其動(dòng)作時(shí)間短，一般為10~20 ms。做為一般動(dòng)作區(qū)的補(bǔ)充，首先應(yīng)保證快速動(dòng)作區(qū)的可靠性和快速性，不考慮區(qū)外轉(zhuǎn)區(qū)內(nèi)等復(fù)雜故障時(shí)靠快速動(dòng)作區(qū)切除故障?；诖嗽瓌t，可以從限制快速動(dòng)作區(qū)投入條件來解決多側(cè)勵(lì)磁涌流可能導(dǎo)致的誤動(dòng)作問題。

分相差由于計(jì)入低壓繞組電流，而鐵芯飽和時(shí)，低壓繞組中往往會(huì)產(chǎn)生勵(lì)磁環(huán)流，因此分相差快速動(dòng)作區(qū)在主變空投時(shí)及恢復(fù)性涌流時(shí)均易誤動(dòng)作，不宜設(shè)置快速動(dòng)作區(qū)。

而縱差保護(hù)未計(jì)入低壓繞組電流，在主變空投時(shí)，只有空投側(cè)有電流，差動(dòng)電流與制動(dòng)電流相等，因此不會(huì)誤動(dòng)作；但是在區(qū)外故障切除多側(cè)產(chǎn)生較大恢復(fù)性涌流時(shí)，仍然存在誤動(dòng)作可能。為防止多側(cè)恢復(fù)性涌流導(dǎo)致誤動(dòng)作，縱差快速動(dòng)作區(qū)可考慮僅在保護(hù)啟動(dòng)30 ms內(nèi)投入，且在區(qū)內(nèi)外同步識(shí)別邏輯識(shí)別為區(qū)外故障時(shí)直接閉鎖縱差快速動(dòng)作區(qū)12 s，長(zhǎng)時(shí)間退出縱差快速動(dòng)作區(qū)，以保證區(qū)外故障切除時(shí)快速動(dòng)作區(qū)處于退出狀態(tài)。改進(jìn)后邏輯經(jīng)多次動(dòng)模及數(shù)模實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，能夠可靠防止縱差快速動(dòng)作區(qū)誤動(dòng)作。

6 ?結(jié)語

本文通過研究變壓器空投及區(qū)外故障切除時(shí)多側(cè)產(chǎn)生勵(lì)磁涌流的原理及特征，得出多側(cè)勵(lì)磁涌流可能造成差動(dòng)電流大于制動(dòng)電流，從而滿足差動(dòng)保護(hù)快速動(dòng)作區(qū)特性方程，導(dǎo)致差動(dòng)保護(hù)快速動(dòng)作區(qū)誤動(dòng)作。用Matlab軟件分析現(xiàn)場(chǎng)故障波形，與分析結(jié)論完全一致，驗(yàn)證了分析方法的正確性。

分析得出分相差動(dòng)保護(hù)因低壓繞組在鐵芯飽和時(shí)往往會(huì)產(chǎn)生勵(lì)磁環(huán)流，不宜配置快速動(dòng)作區(qū)。而縱差保護(hù)因未使用低壓繞組電流，可對(duì)縱差快速動(dòng)作區(qū)增加防誤方案，并提出了具體改進(jìn)措施，經(jīng)多次數(shù)模及動(dòng)模實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，該方案可有效防止縱差快速動(dòng)作區(qū)誤動(dòng)作。

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(編輯 葛艷娜)

Transformer's multi-side inrush current generation mechanism and its influence on the differential protection's fast action zone

YAO Dongxiao1, DENG Maojun1, NI Chuankun1, WANG Lide2, MA Heke1, Lü Lijuan1, HUANG Jidong1

(1. XJ Electric Co., Ltd., Xuchang 461000, China; 2. Maintenance Company of State Grid Hunan Electric Power Corporation, Changsha 410000, China)

Multiple sides' inrush currents of transformer are similar to inside fault currents, which is likely to cause the differential protection's fast action zone malfunction. This paper studies two multi-side inrush current's mechanism and analyzes the effects on two different types of differential protection fast action zones. First, the inrush current's mechanism generated from high-side and low-side windings when closing the high-side breaker without load led to core saturation and its effect on phase differential protection fast action zone; second, the inrush current's mechanism generated from high-side, mid-side and low-side windings when cutting off the outside region fault led to core saturation and its effect on longitudinal differential protection fast action zone. Based on the analysis of two inrush current generation mechanism and characteristics, it puts out that the winding differential protection should not deploy fast action zone, and the longitudinal differential protection's fast action zone should add error prevention measures. And it puts forward specific improvement program which has been proven to prevent malfunction in many experiments.

transformer; multi-side inrush current; differential protection; fast action zone; restorative surge; fault zone

10.7667/PSPC150874

2015-07-25；

2015-12-20

姚東曉(1982-)，男，通信作者，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)槔^電保護(hù)；E-mail：yaodongxiao1@163.com 鄧茂軍(1975-)，男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)槔^電保護(hù)； 倪傳坤(1980-)，男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)槔^電保護(hù)。