變壓器勵磁涌流引起保護動作的原因分析與改進方法研究

謝煜敏

（廣東電網(wǎng)有限責任公司江門供電局，廣東江門 529000）

0 引言

電力變壓器是電能輸送環(huán)節(jié)的核心部件，其安全穩(wěn)定運行對整個地區(qū)電力系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定與動態(tài)穩(wěn)定有著極其重要的影響。隨著國民經(jīng)濟的飛速發(fā)展，我國對基礎電力設施的投資也在逐年增加，電力變壓器的投運與切除成為變電運維倒閘操作工作的重要組成部分，因此認真學習變壓器勵磁涌流的影響及其對策不僅僅是提升自身技能水平的關(guān)鍵，還是保障電網(wǎng)安全運行的重要一環(huán)，對實際的生產(chǎn)運行有著積極意義。而現(xiàn)有的學術(shù)研究與工程技術(shù)實踐大多數(shù)集中于常規(guī)電力變壓器涌流的識別與抑制，少有文獻針對含DFIG并網(wǎng)的送出變壓器涌流影響差動保護等方面進行研究，故本文針對這種應用場景，結(jié)合實際的生產(chǎn)運行案例進行了分析，并提出了保護改進措施與建議。

1 變壓器勵磁涌流研究背景

變壓器的勵磁支路上會存在2%～5%額定電流值的勵磁電流，這也是主變差動保護中不平衡電流產(chǎn)生的原因之一，在正常運行時或外部故障的情況下，勵磁電流均維持在一個很小的電流值，不會使主變的差動保護動作。但是當變壓器空載投入或外部故障切除后，則可能出現(xiàn)幅值大（額定電流的8倍左右）、衰減慢的勵磁涌流，其磁通φ的數(shù)學表達式如下：

式中：L為勵磁電感；U為峰值；α為合閘時的電壓相角；N為原邊繞組線圈匝數(shù)；R為原邊等效電阻；φ為合閘初始狀態(tài)下的剩磁通。

勵磁電流幅值很大，極易引起主變的差動保護產(chǎn)生很大的差流進而發(fā)生誤動作，導致主變跳閘。因此，在勵磁涌流的影響下必須采取有效的措施閉鎖差動保護。如何防止勵磁涌流引起主變差動保護誤動以及區(qū)分勵磁涌流與內(nèi)部故障電流是當前不可回避的難題。

常規(guī)電力變壓器勵磁涌流識別技術(shù)主要分為三類：第一類是基于電流量的勵磁涌流識別，例如二次諧波制動法；第二類是基于電壓量的勵磁涌流識別，如諧波電壓制動法；第三類是綜合電流與電壓的綜合法，例如磁通特性識別法。而在實際生產(chǎn)應用中，大多數(shù)采用第一類識別方法——二次諧波制動法，通過檢測三相差流中的二次諧波含量占比是否達到閾值來判別是勵磁涌流還是故障電流，進而實現(xiàn)及時閉鎖差動保護的目的，配合三相或門制動方案，任意一相二次諧波含量占比達到閾值時閉鎖差動保護，反之，開放。

2 含DFIG并網(wǎng)的送出變壓器故障特性與保護改進方案

由于國家對新能源產(chǎn)業(yè)的大力支持，中大型整縣光伏電站以及沿海風電上網(wǎng)已成為地區(qū)就地消納電力的常態(tài)，依托供電企業(yè)自身的運維優(yōu)勢，未來向客戶提供新能源電站運維也是供電企業(yè)的發(fā)展重點。其中，雙饋感應發(fā)電機的廣泛應用，使得地區(qū)電網(wǎng)的繼電保護不得不重新考慮其特有的故障特性，尤其是故障發(fā)生期間低電壓穿越的要求，使得傳統(tǒng)的二次諧波制動不能滿足主變差動保護的要求。

2.1 送出變壓器故障特性分析

雙饋感應風力發(fā)電機正常并網(wǎng)運行時，定子三相繞組輸出電流直接接入地區(qū)電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子繞組則由AC-DCAC變流器采用脈寬調(diào)制PWM控制方式提供可控幅值、相位及頻率的勵磁電流。采用內(nèi)環(huán)控制有功、外環(huán)控制并網(wǎng)母線電壓的方式，實現(xiàn)對雙饋感應發(fā)電機組的解耦，再經(jīng)過PI環(huán)節(jié)實現(xiàn)閉環(huán)運算，得到控制有功功率與無功功率的指令值，調(diào)制信號后反饋至雙饋感應發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)，進一步控制DFIG的勵磁電流。在機組內(nèi)部故障的情況下，網(wǎng)側(cè)電壓跌落較大到達定值時，轉(zhuǎn)子Crowbar保護電路的投入使得風力雙饋感應發(fā)電機不脫網(wǎng)運行，并優(yōu)先向電網(wǎng)輸送無功電流支持網(wǎng)側(cè)電壓，定子短路電流的二次諧波含量因為勵磁電流變成衰減的直流分量而大幅度上升，未投入轉(zhuǎn)子Crowbar保護電路時的送出變壓器故障電流時域特性與常規(guī)變壓器故障電流保持一致，但投入轉(zhuǎn)子Crowbar保護電路時，送出變壓器故障電流時域特性因轉(zhuǎn)子（1+s）f電流分量使得故障電流不僅含有旋轉(zhuǎn)量、衰減的直流分量，還包括轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速反向旋轉(zhuǎn)暫態(tài)分量，兩種情況下的故障電流時域波形如圖1所示，故障電流I的數(shù)學表達式為：

式中：i、i、i分別為旋轉(zhuǎn)量幅值、短路時刻衰減的直流分量初始值、短路時刻轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速反向旋轉(zhuǎn)暫態(tài)分量幅值；ω為轉(zhuǎn)子角速度；ω為電網(wǎng)同步角速度；T為定子直流衰減時間常數(shù)；T為投入轉(zhuǎn)子Crowbar保護電路延時；T為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速反向旋轉(zhuǎn)暫態(tài)分量衰減時間常數(shù)。

對上述低電壓穿越過程中兩種情況下的故障電流進行快速傅里葉變換分析，由圖2的結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)，未投入轉(zhuǎn)子Crowbar保護電路時的送出變壓器故障電流頻域特性與常規(guī)變壓器故障電流保持一致，其二次諧波含量占比為1.69%，此時不閉鎖差動保護，差動保護可準確動作。投入轉(zhuǎn)子Crowbar保護電路時的送出變壓器故障電流頻域中將含有大量的二次諧波，其占比可高達40.5%，遠遠超過閾值設定值15%，此時在故障的情況下持續(xù)閉鎖主變差動保護，直到二次諧波隨時間衰減到15%以下主變差動才能正確動作，并且衰減時間在變壓器內(nèi)部故障下二次諧波制動比率差動保護超過2～4個周波，此時主變差動保護延時動作，一旦故障未及時切除，保護延伸至本級線路縱聯(lián)差動保護，將擴大停電面積。

2.2 送出變壓器差動保護改進方案

上述分析表明，原有的二次諧波制動方案并不能在含DFIG并網(wǎng)的送出變壓器內(nèi)部故障時開放主變差動保護，因此需要提出一種新的保護判據(jù)來解決變壓器內(nèi)部故障時諧波含量過高的問題。利用變壓器勵磁涌流（對稱性或非對稱性涌流）出現(xiàn)明顯的間斷特征（一般為間斷角大于65°或者半周波寬小于140°），內(nèi)部故障時故障電流為連續(xù)的衰減波，沒有間斷這一特征，即間斷角原理識別勵磁涌流。但傳統(tǒng)的間斷角原理判據(jù)并不具有抗電流互感器飽和與數(shù)據(jù)采集小部分缺失的能力，因此本文提出符號序列比例制動法，將涌流與故障電流進行符號化處理，再利用符號序列中特定符號模式出現(xiàn)的比例構(gòu)成判據(jù)來辨識勵磁涌流和故障差流。根據(jù)式（3）符號序列的定義，相鄰兩個采樣點的差流采樣值呈現(xiàn)下降趨勢記作0，基本保持不變記作1，呈現(xiàn)上升趨勢記作2。

式中：X（m）為符號序列；I（k）為數(shù)據(jù)窗第k個采樣值；ε為符號序列的閾值因子，一般取0.003。

在勵磁涌流中，由于間斷角的存在，勵磁涌流會出現(xiàn)0、1、2三種特征，總共包含00、01、02、10、11、12、20、21、22九種符號序列，而故障電流只存在02特征。

通過上述方法對數(shù)據(jù)進行符號序列化后，保留其中00、11、22三種模式進行計算，并引入電壓閉鎖功能作為輔助判據(jù)，因送出變壓器區(qū)內(nèi)故障時一般伴隨電壓降低、電流升高，而勵磁涌流時電壓反而有所升高，11模式出現(xiàn)的比例r的計算公式如下：

式中：N、N、N分別為模式00、11、22出現(xiàn)的事件數(shù)；r為符號序列門檻值，一般取0.2；U為故障時刻主變高壓側(cè)并網(wǎng)點電壓；U為電壓啟動閾值，一般取低電壓穿越無功補償時電壓跌落值0.9U，U為變壓器原邊電壓。

當公式（4）滿足時，則判斷為勵磁涌流閉鎖主變差動保護，否則判定為區(qū)內(nèi)故障，并開放差動保護使其動作。

本文利用PSCAD/EMTDC平臺模擬空載合閘勵磁涌流（模擬1）、變壓器匝間故障（模擬2）、勵磁涌流疊加匝間5%輕微短路故障（模擬3）三種不同類型的故障或涌流情景，在不考慮主變差動延時元件閉鎖的前提下，分別對比改進前后保護是否正確啟動，仿真結(jié)果如表1所示，結(jié)果表明所提保護方案能有效解決傳統(tǒng)二次諧波制動法不適用于含DFIG并網(wǎng)的送出變壓器故障時差動保護延時動作的問題。

3 結(jié)語

對于含DFIG并網(wǎng)的送出變壓器發(fā)生內(nèi)部故障時，因轉(zhuǎn)子Crowbar保護電路的投入，二次諧波制動法會閉鎖主變差動保護。鑒于此，本文提出了基于間斷角識別原理的符號序列比例制動法，具有抗電流互感器飽和與數(shù)據(jù)采集小部分缺失的能力，并引入母線電壓作為輔助判據(jù)。算例表明，改進后的保護方案能有效識別變壓器涌流和內(nèi)部故障電流，在各種運行工況下均能可靠動作。