电力变压器励磁涌流判据的思考

近年来,我国超高压、大容量电力变压器不断投产,远距离输电系统越来越多地建成和安全运行,电力工业已有了可喜的发展。差动保护作为电力变压器的主保护,其理论根据是基尔霍夫电流定律,对于纯电路设备,差动保护无懈可击。但是,对于变压器而言,由于内部磁路的联系, 本质上不再满足基尔霍夫电流定律,变压器励磁电流成为差动保护不平衡电流的一个主要来源。变压器过励磁时，励磁电流可达到变压器额定电流的水平;空载变压器投入电网或变压器外部故障切除后电压恢复时,其暂态励磁电流(即励磁涌流)值有可能达到变压器额定电流的6～8倍，这样大的不平衡电流必然导致差动保护误动。因此, 变压器差动保护的主要问题一直集中在，如何准确判别励磁涌流和内部故障电流。本文将和大家一起探讨变压器励磁涌流的常用判据，并对新方法进行探讨。

1电力变压器常用励磁涌流的判据及特点

1.1仅利用电流量判别涌流

电流波形特征识别法一直是人们研究的热点,目前仍占据主流。该方法以励磁涌流和内部故障电流波形特征的差异为依据, 已运用于实践的有二次谐波制动原理和间断角原理。

1.1.1二次谐波制动原理

二次谐波制动法是计算差流中的二次谐波分量, 若其值较大则判定为涌流, 常用的判别式为:

二次谐波制动原理简单明了, 有多年的运行经验, 目前国内外实际投入运行的微机变压器保护大都采用该原理。但是, 采用二次谐波制动原理的变压器保护, 面临着以下几个问题:

a励磁涌流是暂态电流, 不适合用傅里叶级数的谐波分析方法。因为对于暂态信号而言, 傅里叶级数法的周期延拓将导致错误的结果。

b很难适当选择制动比K。美国西屋公司的制动比为7.0% ~ 7. 5%, 但ABB 取10% , 我国和大部分国家则取15%~ 20%[4] ,谁更科学较难评判。

c现代变压器磁特性的变化, 使得涌流时二次谐波含量低, 导致误动;而大容量变压器、远距离输电的发展, 使得内部故障时暂态电流产生较大的二次谐波, 导致拒动。

1.1.2间断角原理

间断角原理是由我国率先提出并制成样机的,其模拟式保护装置已经得到应用，其判别依据是励磁涌流波形中存在较大的间断。一般采用间断角为65°,波宽为140°作为判别边界值，即当差流的间断角大于65°时,判别为励磁涌流;当间断角小于65°且波宽大于140°时,则判别为内部故障,保护装置短时开放差动继电器出口。

不过,间断角原理也面临着两个非常棘手的难题：

a如何正确测量间断角的问题。涌流间断角处的电流非常小, 几乎接近于0，需要CPU以较高的采样率以准确测量间断角;

b CT 的传变引起间断角的波形变形问题。

鉴于以上原因,目前利用间断角原理的变压器微机保护很少见。

1.2仅利用变压器电压量判别涌流

当变压器励磁涌流出现严重饱和时，端电压会发生严重畸变，其中包含大量的谐波分量，可以用来鉴别励磁涌流，原理如下：

如果变压器三相电压满足下列条件是，判别为励磁涌流保护闭锁：

理的保护动作特性可能会变坏。

2 同时利用电压、电流量判别涌流

各研究机构针对上述问题进行深入研究，并基于变压器的模型，提出一种基于变压器模型的新型变压器保护方案,从根本上杜绝了励磁涌流引起保护不正确动作的问题。在这里简要叙述其基本原理，对于双绕组单相变压器,有以下的关系式成立:

式(5)是根据变压器正常运行的模型得到的,所以它适合于外部故障、励磁涌流及过激磁情况,只有内部故障时,由于变压器模型本身的内部结构参数发生了变化,等式才不再立。因此,可以通过判别等式(5)是否成立,来决定保护装置的动作行为, 这就是基于变压器模型的新型变压器保护原理,它从根本上保证了在励磁涌流、过激磁、外部故障等情况下保护不会误动作。

文献[5]详细推导了双绕组和三绕组变压器的动作方程,并根据动作方程提出了具体的保护判据。文献[6]则对这种新型的变压器保护方案进行了改进,对于动作方程按照梯形法,将连续的微分方程化为离散的差分方程,推导出了双绕组变压器的动作方程,并提出了相应的保护方案。新的方案不仅考虑了变压器等效漏磁通的变化,而且涉及了漏感曲线斜率的变化情况,因此计算结果更令人满意。同时,由于仅采用基于工频量的数字差分运算,计算量较小,完全能够满足变压器微机保护的要求。

3 结语

当前存在的励磁涌流与内部故障判别方法虽然种类繁多, 但都不够完善, 远不能满足电力变压器继电保护的要求。为此, 加速研制新判据非常迫切与重要。由于变压器发生励磁涌流时磁路的饱和, 其电压、电流并非线性相关, 只有应用电压、电流两个状态变量同时表述变压器的运行状态, 信息才具有完备性。就理论而言, 存在两种途径判别变压器励磁涌流与内部故障: 一种途径是抛开差动保护的思路, 应用变压器电流、电压信息, 从解决问题的开始就避开励磁涌流的问题, 如基于变压器回路方程的算法消去了直接体现变压器铁心磁通的非线性项, 从而避开了励磁涌流的纠缠;另一种途径就是直面励磁涌流, 寻求判别励磁涌流和内部故障的方法, 这种途径应充分考虑励磁涌流时变压器铁心的非线性, 如磁通特性法。此外, 这一问题的解决还必须借助先进的科技识别手段, 随着科学技术的发展, 这一问题必将得到解决。

参考文献

[1] 葛宝明,于学海,王祥珩,苏鹏声,王维俭.基于等效瞬时电感判别变压器励磁涌流的新算法.中国电机工程学报,1999.

[2]王维俭. 变压器保护运行不良的反思.电力自动化设备, 2001.

[3]王祖光.间断角原理的变压器差动保护.电力系统自动化, 1979.

[4]徐树峰.励磁涌流对变压器保护的影响及其判别方法浅析.科技创新导报,2009.

[5]葛宝明，王祥珩，苏鹏声，王维俭.电力变压器的励磁涌流判据及其发展方向.电力系统自动化，2003

[6] 王增平,徐岩,王雪,杨奇逊.基于变压器模型的新型变压器保护原理的研究.中国电机工程学报,2003.