變壓器勵(lì)磁涌流閉鎖邏輯優(yōu)化方案

（長(zhǎng)園深瑞繼保自動(dòng)化有限公司，廣東 深圳 518057）

0 引言

變壓器在空投時(shí)產(chǎn)生的勵(lì)磁涌流容易導(dǎo)致變壓器差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)，增加了電網(wǎng)維護(hù)和檢修成本，因此在繼電保護(hù)中如何有效識(shí)別勵(lì)磁涌流是一個(gè)非常重要的課題[1-4]。

目前，常用的勵(lì)磁涌流鑒別方法主要有二次諧波制動(dòng)原理、間斷角原理以及波形對(duì)稱原理[5-7]。二次諧波制動(dòng)和波形識(shí)別原理成熟、應(yīng)用廣泛且穩(wěn)定性較好，在大多數(shù)情況下能夠準(zhǔn)確識(shí)別勵(lì)磁涌流，閉鎖差動(dòng)保護(hù)，但在特殊情況下仍存在由于難以區(qū)分故障電流和勵(lì)磁涌流電流導(dǎo)致誤開(kāi)放差動(dòng)保護(hù)的情況。在工程應(yīng)用中經(jīng)常綜合運(yùn)用幾種方法，取長(zhǎng)補(bǔ)短，以應(yīng)對(duì)特殊情況下的勵(lì)磁涌流特性。

正常情況下勵(lì)磁涌流幅值大，含有大量諧波分量，主要以二次諧波為主，但在特殊工況下存在勵(lì)磁涌流中二次諧波含量較低，或者基波較小沒(méi)有達(dá)到差動(dòng)門檻，極端情況下部分相別可能接近于無(wú)流狀態(tài)，常規(guī)勵(lì)磁涌流閉鎖判據(jù)無(wú)法有效閉鎖差動(dòng)保護(hù)。有些學(xué)者提出了自適應(yīng)調(diào)整定值的判據(jù)[8]，對(duì)不同工況下差動(dòng)保護(hù)閉鎖具有較高的靈敏度；另外先后提出了基于小波算法[9-10]、模糊理論[11-12]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法[13-14]等。然而這些方法由于算法復(fù)雜，計(jì)算量較大，難以保證保護(hù)的速動(dòng)性，難以用于工程實(shí)踐。

本文針對(duì)工程應(yīng)用中由于空投變壓器產(chǎn)生的勵(lì)磁涌流導(dǎo)致變壓器差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作的行為，通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)涌流波形特點(diǎn)的對(duì)比和分析，總結(jié)出工程應(yīng)用中空投變壓器時(shí)的勵(lì)磁涌流特點(diǎn)，提出針對(duì)二次諧波制動(dòng)原理的改進(jìn)措施。

1 工程案例分析

通常變壓器空投時(shí)勵(lì)磁涌流特征明顯，常規(guī)的勵(lì)磁涌流閉鎖判據(jù)可正確識(shí)別勵(lì)磁涌流，但仍存在一些特殊情況，不符合勵(lì)磁涌流的基本特征，常規(guī)的勵(lì)磁涌流閉鎖判據(jù)較難識(shí)別。

1.1 案例1 簡(jiǎn)介

某220 kV 變電站在主變高壓側(cè)空投時(shí)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，該變電站的相關(guān)數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 主變保護(hù)參數(shù)信息

該變電站主變空投時(shí)的縱差差流和二次諧波錄波波形特征如圖1 和圖2 所示。可以看出，波形具有以下基本特征： 差流A 相基波較小，在縱差啟動(dòng)門檻值附近略高于差流門檻值，二次諧波含量高；差流B 相基波較大，二次諧波含量低，低于二次諧波制動(dòng)系數(shù)15%；差流C 相基波較小，大部分時(shí)間段內(nèi)低于縱差啟動(dòng)門檻值，二次諧波含量高。

1.2 案例2 簡(jiǎn)介

某220 kV 變電站在主變高壓側(cè)空投時(shí)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，該變電站相關(guān)數(shù)據(jù)如表2 所示。

圖1 差流波形

圖2 二次諧波含量

表2 主變保護(hù)參數(shù)信息

該變電站主變空投時(shí)的縱差差流和二次諧波錄波波形特征如圖3 和圖4 所示?？梢钥闯?，波形具有以下基本特征： 差流A 相的基波較小，部分時(shí)間段內(nèi)低于縱差啟動(dòng)門檻，二次諧波含量較高；差流B 相基波較大，但二次諧波含量很低，低于二次諧波制動(dòng)系數(shù)15%；差流C 相基波較小，在縱差啟動(dòng)門檻值附近，二次諧波含量較高。

圖3 差流波形

圖4 二次諧波含量

1.3 案例分析

分析可知，上述2 個(gè)案例中空投變壓器時(shí)勵(lì)磁涌流均具有如下特征：

（1）有一相差流基波幅值小，在縱差啟動(dòng)門檻值附近且在某些時(shí)刻段內(nèi)低于縱差啟動(dòng)門檻值，如圖1 中C 相和圖3 中A 相。

（2）有一相差流基波大但二次諧波含量較低，即呈現(xiàn)低諧波比特征，如圖1 和圖3 中B 相。

（3）有一相差流基波含量比較接近縱差啟動(dòng)門檻值，如圖1 中A 相和圖3 中C 相。

以上2 個(gè)案例中勵(lì)磁涌流波形與典型勵(lì)磁涌流的基本特征存在明顯差異?；ㄗ畲笙喑尸F(xiàn)低諧波比的特征，故障特征明顯，勵(lì)磁涌流特征不明顯。另外兩相波形基波幅值較小，在部分時(shí)間段內(nèi)低于縱差啟動(dòng)門檻值，故障特征及勵(lì)磁涌流特征均不明顯，此時(shí)保護(hù)裝置未有效識(shí)別出勵(lì)磁涌流，未閉鎖差動(dòng)保護(hù)。

2 勵(lì)磁涌流特點(diǎn)

空投變壓器時(shí)，變壓器鐵芯內(nèi)剩磁和合閘角產(chǎn)生的暫態(tài)非周期磁通分量以及穩(wěn)定的周期分量疊加使鐵芯飽和產(chǎn)生勵(lì)磁涌流。圖5 為變壓器空投時(shí)典型的勵(lì)磁涌流波形。

圖5 典型勵(lì)磁涌流波形

典型勵(lì)磁涌流的特征為[15-16]：

（1）勵(lì)磁涌流幅值較大，形成的差流大于縱差差流啟動(dòng)門檻值，部分情況下可達(dá)到5～7 倍Ie。

（2）勵(lì)磁涌流波形中含有豐富的諧波分量，如二次、三次、四次等諧波，其中二次諧波含量最大。

（3）勵(lì)磁涌流波形含有較大的衰減直流分量，使得波形上下不對(duì)稱，明顯偏向于時(shí)間軸一側(cè)。

（4）勵(lì)磁涌流波形存在間斷角，波形在一個(gè)周期內(nèi)不對(duì)稱。

3 二次涌流判據(jù)分析

3.1 二次諧波判據(jù)基本原理

二次諧波判據(jù)主要是利用三相差流中的二次諧波與基波的比值作為勵(lì)磁涌流判據(jù)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值，絕大多數(shù)勵(lì)磁涌流中二次諧波分量與基波分量的比值大于15%，因此二次諧波制動(dòng)系數(shù)一般設(shè)置為15%，部分地區(qū)設(shè)置為12%。當(dāng)差流中的二次諧波含量大于二次諧波制動(dòng)系數(shù)時(shí)，閉鎖差動(dòng)保護(hù)，反之開(kāi)放差動(dòng)保護(hù)。其動(dòng)作方程如下：

式中： I2nd為每相差動(dòng)電流中的二次諧波；I1st為對(duì)應(yīng)相差動(dòng)電流的基波；K2xb為二次諧波制動(dòng)系數(shù)。

二次諧波制動(dòng)系數(shù)一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值來(lái)選取，在不同的工況下根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行整定，難以找到一個(gè)科學(xué)的計(jì)算方法。現(xiàn)代變壓器使用材料的優(yōu)化使得變壓器磁化特性發(fā)生改變，二次諧波含量有變低的趨勢(shì)，特殊情況下傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)值無(wú)法有效識(shí)別勵(lì)磁涌流。

3.2 動(dòng)作相數(shù)的選取

二次諧波判據(jù)原理對(duì)差流中各相諧波含量分別進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算后形成A，B，C 三相勵(lì)磁涌流特征狀態(tài)。當(dāng)差流中各相的計(jì)算結(jié)果不一致時(shí)，如何處理也是勵(lì)磁涌流判據(jù)的關(guān)鍵。當(dāng)前存在如下幾種應(yīng)用情況：

（1）“3 取1”： 即三相差流中任意一相滿足勵(lì)磁涌流閉鎖判據(jù)，則閉鎖三相差動(dòng)保護(hù)，即“或”邏輯閉鎖。

（2）“3 取3”： 即三相差流中三相均滿足勵(lì)磁涌流閉鎖判據(jù)，才閉鎖三相差動(dòng)保護(hù)，即“與”邏輯閉鎖。

（3）“3 取2”： 即三相差流中任意兩相滿足勵(lì)磁涌流閉鎖判據(jù)，則閉鎖三相差動(dòng)保護(hù)，即復(fù)合制動(dòng)。

上述3 種判據(jù)各有優(yōu)點(diǎn)：

（1）“3 取1”判據(jù)制動(dòng)性最強(qiáng)，可以判別出大多數(shù)勵(lì)磁涌流情況，但對(duì)于空投于故障變壓器或者正常運(yùn)行中故障諧波含量較大的情況，可能會(huì)誤閉鎖或者開(kāi)放較慢。

（2）“3 取3”判據(jù)制動(dòng)性最弱，由于只有在判斷出三相均為勵(lì)磁涌流時(shí)才進(jìn)行閉鎖，因此只有單相或兩相滿足勵(lì)磁涌流閉鎖時(shí)，會(huì)誤開(kāi)放差動(dòng)保護(hù)，從而導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)。但對(duì)于空投于故障變壓器或者正常運(yùn)行中故障諧波含量較大的情況，可以快速開(kāi)放。

（3）“3 取2”判據(jù)結(jié)合了前兩種判據(jù)的優(yōu)勢(shì)，較“或”邏輯制動(dòng)性減弱，針對(duì)空投于故障變壓器或者運(yùn)行中的故障變壓器可以快速開(kāi)放；較“與”邏輯制動(dòng)性加強(qiáng)，針對(duì)某一相勵(lì)磁涌流諧波含量小的情況可以有效制動(dòng)。同時(shí)在變壓器區(qū)內(nèi)故障時(shí)，由于相角轉(zhuǎn)換因素，一相故障的差流可以體現(xiàn)在兩相中，因此該判據(jù)更有優(yōu)勢(shì)。

4 勵(lì)磁涌流判據(jù)優(yōu)化措施

針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)遇到的基波較大相低諧波特征、另外兩相在縱差啟動(dòng)門檻值附近或低于門檻值的特殊情況，在原勵(lì)磁涌流邏輯基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，可采用相電流諧波判據(jù)和最大相諧波判據(jù)增強(qiáng)低諧波比工況下勵(lì)磁涌流判據(jù)的制動(dòng)效果。

4.1 相電流諧波判據(jù)

常規(guī)勵(lì)磁涌流判據(jù)主要對(duì)差流的波形進(jìn)行判斷，而差流是經(jīng)過(guò)星角折算或者濾零后的交流數(shù)據(jù)，可能對(duì)原始的勵(lì)磁涌流有抵消的效果，因此差流中的諧波特征不能完全真實(shí)反映變壓器的諧波特征，而在勵(lì)磁涌流判據(jù)判斷差流的基礎(chǔ)上引入原始相電流判據(jù)，可以增強(qiáng)勵(lì)磁涌流判據(jù)的準(zhǔn)確性。流程如圖6 所示。

圖6 增加相電流勵(lì)磁涌流判據(jù)流程

4.2 最大相諧波判據(jù)

最大相諧波判據(jù)[17-18]即將三相差流中二次諧波最大值和基波最大值的比值作為勵(lì)磁涌流判方法。該判據(jù)突破了傳統(tǒng)的“與”“或”邏輯，從三相整體特性上識(shí)別勵(lì)磁涌流。在空投于正常變壓器時(shí)，勵(lì)磁涌流特征為主要因素，該判據(jù)有利于提取三相中的涌流特征、識(shí)別勵(lì)磁涌流。在空投于故障變壓器或者正常運(yùn)行中的變壓器發(fā)生故障時(shí)，故障特征為主要因素，該判據(jù)有利于提取三相中的故障特征。但由于該判據(jù)與“或”邏輯有相似之處，可能存在非故障相諧波含量影響整體動(dòng)作行為的情況，該方案可以與復(fù)合制動(dòng)邏輯相結(jié)合使用。

4.3 優(yōu)化改進(jìn)方案

根據(jù)上述分析，結(jié)合勵(lì)磁涌流判據(jù)的基本要求及工程中遇到的低諧波比情況，改進(jìn)勵(lì)磁涌流判據(jù)流程如圖7 所示。

圖7 改進(jìn)勵(lì)磁涌流閉鎖算法

改進(jìn)方案的基本判斷邏輯如下：

步驟1： 按相判斷差流諧波含量，當(dāng)某相差流的諧波含量大于門檻值時(shí)，置該相為勵(lì)磁涌流閉鎖相。

步驟2： 在步驟1 計(jì)算中當(dāng)差流諧波含量小于門檻值，不滿足閉鎖條件時(shí)，根據(jù)星角轉(zhuǎn)換方式判斷形成該差流的兩相相電流的諧波含量，當(dāng)兩相相電流的諧波含量均大于門檻值時(shí)，置該相差流為勵(lì)磁涌流閉鎖相。

步驟3： A，B，C 三相差流均按照步驟1、步驟2 判斷完成后形成三相是否為勵(lì)磁涌流閉鎖相的標(biāo)志。若此時(shí)差流不滿足低諧波特征，則直接采用“3取2”邏輯；若此時(shí)差流最大存在相低諧波且其他相存在幅值低于門檻值特征，則加判最大相諧波判據(jù)。

綜合步驟2、步驟3 計(jì)算結(jié)果形成最終的勵(lì)磁涌流閉鎖結(jié)果。

方案中步驟3 是在前2 步判斷滿足低諧波特征情況下才判斷最大相諧波判據(jù)，因此可減小非故障相諧波含量對(duì)保護(hù)整體動(dòng)作行為的影響。

5 仿真分析

5.1 RTDS 仿真分析

驗(yàn)證方案的可行性，建立RTDS 仿真模型進(jìn)行模擬（如圖8 所示）。其中S1，S2 為電源系統(tǒng)；TA1-TA4 為變壓器各側(cè)電流互感器；TV1-TV3為變壓器各側(cè)電壓互感器；G1，G2 為發(fā)電機(jī)；BRK1-BRK6 為各側(cè)斷路器。模型參數(shù)如表3 所示。

圖8 RTDS 仿真模型

表3 仿真參數(shù)

控制RTDS 模型變壓器空投合閘角，每隔30°進(jìn)行一次空投測(cè)試，重點(diǎn)觀察模擬與現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)相同特征波形情況下勵(lì)磁涌流邏輯的表現(xiàn)以及改進(jìn)后的邏輯對(duì)縱差保護(hù)整組動(dòng)作時(shí)間的影響。

圖9 和圖10 為仿真錄波波形中與現(xiàn)場(chǎng)波形類似的波形，分析優(yōu)化后的判據(jù)可以正確判斷出勵(lì)磁涌流并閉鎖差動(dòng)保護(hù)。

圖9 RTDS 差流仿真波形

圖10 二次諧波閉鎖狀態(tài)

模擬空投于故障變壓器，對(duì)于接地及相間故障，故障特征明顯，改進(jìn)后的邏輯能夠快速開(kāi)放，與改進(jìn)前動(dòng)作行為無(wú)明顯差異。圖11 和圖12 為空投于變壓器3%匝間輕微故障時(shí)的勵(lì)磁涌流波形，此波形特征與現(xiàn)場(chǎng)波形特征類似。

根據(jù)波形分析，由于空投于輕微匝間故障時(shí)，出現(xiàn)低諧波比及小電流的特征，但總體上故障特征明顯，當(dāng)故障相諧波含量低于15%時(shí)，最大相諧波判據(jù)已滿足開(kāi)放條件，因此對(duì)縱差保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間無(wú)影響。

經(jīng)仿真驗(yàn)證，采用改進(jìn)后的勵(lì)磁涌流判據(jù)，在正?？胀稌r(shí)出現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)類型特征的波形時(shí)可以有效判別勵(lì)磁涌流。通過(guò)模擬空投于故障變壓器，改進(jìn)后的勵(lì)磁涌流判據(jù)對(duì)故障情況下縱差保護(hù)的整組動(dòng)作時(shí)間無(wú)明顯影響。

圖11 空投匝間故障差流波形

圖12 空投匝間故障二次諧波閉鎖狀態(tài)

5.2 波形回放分析

將現(xiàn)場(chǎng)案例2 中的波形對(duì)保護(hù)裝置進(jìn)行波形回放仿真驗(yàn)證。圖13 為回放的現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)作波形，圖14 為采用改進(jìn)后的方案得到的勵(lì)磁涌流判別情況。結(jié)果表明采用優(yōu)化后的方案可以有效識(shí)別勵(lì)磁涌流波形。

圖13 差流回放波形

圖14 二次諧波閉鎖狀態(tài)

6 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)變壓器空投時(shí)產(chǎn)生低諧波比的勵(lì)磁涌流，而常規(guī)勵(lì)磁涌流判據(jù)無(wú)法有效閉鎖的問(wèn)題，提出了采用“3 取2”復(fù)合制動(dòng)、相電流諧波判據(jù)和最大相諧波判據(jù)的綜合制動(dòng)邏輯。對(duì)比常規(guī)的勵(lì)磁涌流閉鎖判據(jù)，文章所提閉鎖邏輯優(yōu)化方案具有如下優(yōu)點(diǎn)： 方法簡(jiǎn)單，針對(duì)特定的工況準(zhǔn)確率高，有利于工程應(yīng)用；在原邏輯基礎(chǔ)上增加輔助判據(jù)，保證邏輯架構(gòu)的一致性、可移植性；多種判據(jù)的綜合運(yùn)用能夠在差流基波較小的情況下提高復(fù)合制動(dòng)的邏輯準(zhǔn)確性。

文章提出的改進(jìn)勵(lì)磁涌流閉鎖算法對(duì)于低諧波比及基波電流較小類型的勵(lì)磁涌流有較好的識(shí)別效果，但對(duì)于未被發(fā)現(xiàn)的其他特殊勵(lì)磁涌流特征，其效果有待進(jìn)一步驗(yàn)證。