变压器合闸时相流相位补偿的分析

变压器合闸时相流相位补偿的分析

0相位补偿方式三相电源有各种各样的连接组。高压输出电流的相位差。在计算差流之前，应调整输出电流的相位，以消除可能的不平衡电流。由于条件限制,过去的电磁型保护通常将变压器星形(Y)侧的电流互感器二次接成三角形(△),△侧的电流互感器二次接成Y,把二次电流的相位校正过来,在正常运行或外部对称故障情况下,差动继电器没有不平衡电流流过,称为Y→△相位补偿方式。对于微机式保护,计算能力大大提高,为使接线简便,常将两侧电流互感器二次统一接成Y,再由软件完成相应的相位补偿。近几年,变压器微机保护中使用了另一种电流相位补偿方式,即在电流互感器二次统一接成Y的基础上,将△侧电流向Y侧变换,同时,为防止Y侧外部发生接地故障时零序电流导致差动保护误动,需对Y侧电流进行减零序处理,称为△→Y相位补偿方式。以上2种补偿方式主要存在2方面差异:1)反应接地故障灵敏度上的差异。Y→△补偿方式中没有有效利用零序电流,变压器Y侧内部发生单相接地故障时灵敏度降低1/3。△→Y补偿方式同样存在没有利用Y侧内部接地故障零序电流的问题,为弥补这一不足,文献通过比较中性点零序电流和由Y侧三相相电流计算的零序电流之间相位来判断区内还是区外故障,区外故障对Y侧消除零序电流,区内故障不需要对Y侧消除零序电流,保证区外故障时既不误动,区内接地故障时保护灵敏度又不会降低1/3。文献采用Y侧每相电流都减去1/3的中性点零序电流的补偿方法,提高了差动保护对接地故障的灵敏度。2)鉴别励磁涌流效果的差异。文献认为,采用Y→△补偿方式可能会产生对称涌流,二次谐波原理涌流判据若采用分相制动,则在变压器空投时容易误动;若采用最大相制动,故障相受非故障相的影响,在带故障空投时延缓保护动作时间。而采用△→Y补偿方式,对于变压器带故障空投,故障相的电流表现为故障特征,而非故障相的电流表现为励磁涌流特征,励磁涌流闭锁判据采用分相制动差动保护,可明确区分励磁涌流和故障的特征,大大加快保护的动作速度。而对于空投变压器,用△→Y电流调整方式不会产生对称涌流,保证差动保护在空投时不误动。文献则认为,△→Y与Y→△这2种补偿方式对涌流特征的影响相当,采用分相制动方式也会遇到困难。本文将在此基础上,进一步对比分析2种补偿方式识别励磁涌流的能力,澄清对2种补偿方式的认识。12等式中的负荷补偿1.1u3000变压器在y侧证如图1所示,以YN,d11接线方式变压器为例,说明2种电流相位补偿方式的计算公式假设变压器相间电压之比为1(△连接的各相绕组匝数为Y连接各相绕组匝数的倍),变压器两侧电流互感器二次统一接成Y。Y→△电流相位补偿关系式如下:式中:为Y侧经相位补偿后的电流;,为△侧经相位补偿后的电流。△→Y电流相位补偿关系式如下:式中:i0=(iA+iB+iC)/3。变压器空载合闸时,希望经相位补偿后计算的差流能够反映励磁电流的性质,等于励磁电流是最好的。如式(5)中所示,利用Y侧绕组电流iA,iB,iC与△侧流过绕组的相电流ipa,ipb,ipc计算得到的差流就是该相的励磁电流ima,imb,imc,采用这种计算方式最能反映各相励磁电流的变化。式中:[ipa,ipb,ipc]T=[i1a,i1b,i1c]T+[ip,ip,ip]T为△侧各相绕组流过的相电流;ip为△侧绕组内的环流。变压器在YN侧空载合闸时,i1a=0,i1b=0,i1c。=0,有[ipa,ipb,ipc]T=[ip,ip,ip]T。下面分析变压器在YN侧空载合闸时,经过△→Y电流变换后,差流是否能真的反映本相的励磁涌流。由于此时ila=0,ilb=0,ilc=0,故经过△→Y电流变换后的差流就是Y侧电流减去零序电流,表达形式如下:按图1中标注的极性,有i0与ip是同方向、同性质的电流,对比式(5)与式(6),由于在空载合闸时i0是综合了三相涌流的结果,因而某一相差流必然夹杂着另外两相电流的特点,使其不能真实反映本相励磁涌流的特点。进一步可知,如果变压器带故障空载合闸,i0中必然既有涌流的特征,又有故障电流的特征,经△→Y变换后,故障相差流夹杂着涌流特征,非故障相的差流夹杂着故障电流的特征,而并非如文献所论述的“采用△→Y补偿方式,对于变压器带故障空投,故障相的电流表现为故障特征,而非故障相的电流表现为励磁涌流特征,励磁涌流闭锁判据采用分相制动差动保护”。下面将进一步通过仿真说明在利用二次谐波比闭锁差动保护方面△→Y与Y→△变换的优劣。1.22次谐波比励磁涌流锁定相电流利用MATLAB中PowerSystemBlock建立YN,d11三单相变压器组空载合闸励磁涌流仿真模型,其中变压器的参数为:容量75MVA,频率50Hz,额定电压220kV/13.8kV,高压和低压绕组的电阻和漏电感相同,分别为0.02和0.08(标幺值),用2段直线模拟铁心饱和特性i-Ψ:0,0;0,1.25;1.0,1.5。因为变压器的励磁涌流受剩磁影响很大,而实际中剩磁无法确定,所以每次空载合闸究竟会产生什么样的励磁涌流以及某种励磁涌流波形发生的概率是无法预知的。如果某种情况下的励磁涌流,经某一种电流相位补偿后,导致励磁涌流闭锁判据失效,而经另一种电流相位补偿后,能够闭锁差动保护,这就可以说前一种电流相位补偿方式不比后一种方式优越。这里分别从单侧涌流和对称涌流2个方面,比较分析不同电流相位补偿方式对二次谐波比励磁涌流闭锁判据的影响。图2～图5中电流是标幺值,右侧各相的二次谐波比分析与左侧的各相电流对应。图2中是变压器YN侧空载合闸,取A,B,C三相剩磁分别为0.5,-0.5,-0.5,合闸时间0.0267s,未变换前的涌流间断角为90°。从A相涌流情况可以看出,未变换前的相电流是单侧涌流,经△→Y变换后虽然还是单侧涌流,但是A相励磁涌流中二次谐波比小于20%,若采用分相闭锁形式,可能导致差动保护误动。而该相电流经Y→△变换后为单侧涌流,虽然二次谐波比也将低,但是高于20%,能够闭锁保护,不会导致差动保护误动。此例说明△→Y与Y→△电流相位补偿方式,从可靠识别涌流效果的角度看,并没有绝对的优势,相反有时还不如Y→△变换方式。再从B相励磁涌流波形看,未变换前的相电流是单侧涌流,经Y→△变换后,虽然为对称涌流,但其中的二次谐波含量却很高,并非像一些文献中所说产生对称涌流就容易误动。关于对称涌流,文献中分析了各种典型励磁涌流波形的二次谐波含量,其中振荡性形状(对称涌流)时二次谐波比达到102%。文献中也曾分析经Y→△变化后,产生对称涌流,但不同算例下对称涌流在间断角为60°,31°,36.5°时,二次谐波含量为45.4%,27.3%,22.3%,远高于同算例下其他相单侧涌流的二次谐波含量。所以,不能片面地认为单侧涌流经Y→△变换得到对称涌流时,二次谐波含量就会降低很多。Y侧绕组空载合闸时,若单侧涌流呈现图3(a)中的波形特点,其主要含基波和直流分量,二次谐波较少,故二次谐波比较低。而对图3(b)对称涌流的波形进行谐波分析可知,其主要含基波和二次谐波,二次谐波较大,故二次谐波比较高。无论是采用△→Y相位补偿方式,还是Y→△相位补偿方式,都对零序电流进行了处理,由于变压器副边△绕组的存在,空载合闸时,Y侧零序电流也是涌流性质的,去除它可能会削弱某相励磁涌流的特征。图4中是变压器YN侧空载合闸,取A,B,C三相剩磁分别为0.5,—0.5,—0.5,合闸时间0.024s,未经变换涌流间断角为105°。从A相涌流情况可以看出,经△→Y变换比经Y→△变换后二次谐波比略高,但B相励磁涌流经△→Y变换却比经Y→△变换后二次谐波比略低,所以△→Y变换并不比Y→△变换具有多大的优势。对于C相,由变换前的相电流可以看出,它未经变换就是对称涌流,这主要由于△侧绕组助增效应的结果,这种对称涌流与两相同向单侧涌流相减(经Y→△变换)得到的对称涌流有所不同,前者的幅值更小些。C相对称涌流经△→Y变换后依旧是对称涌流,二次谐波比保持很高;经Y→△变换后,变为单侧涌流,二次谐波比却有所降低。1.3差动保护在空投时不误动通过以上仿真分析可知,认为“采用Y→△电流调整方式会产生对称涌流,在变压器空投时容易误动;采用△→Y电流调整方式不会产生对称涌流,保证差动保护在空投时不误动”的观点是片面的、不充分的。如果励磁涌流闭锁判据只采用二次谐波比的原理,无论是采用Y→△电流调整方式,还是△→Y电流调整方式,都不宜采用分相闭锁方式。大量的仿真分析表明,如果二次谐波比励磁涌流闭锁判据要采用分相闭锁保护,相比Y→△或△→Y电流调整方式,采用未经任何变换的相电流计算各相的二次谐波比更好些。如图2、图4中所示,对比可知,利用相电流计算的各相二次谐波比闭锁效果将更好。2变压器yn侧空合闸二次谐波比的确定从保护的可靠性考虑,二次谐波比的励磁涌流闭锁判据最好采用全相闭锁的方式。全相闭锁可以采用2种形式:一种是采用三相中二次谐波比最大的相闭锁,但可能存在带轻微故障合闸时动作速度较慢的不足;另一种是采用选取三相中二次谐波最大值、基波最大值作比的方式,它在动作可靠性和速度上达到较好的平衡,并且无论经哪种电流相位的调整,它的稳定性很好。如图5所示,变压器YN侧空载合闸时,取A,B,C三相剩磁分别为0.9,—0.9,-0.9,合闸时间0.0267s,涌流间断角只有35°。无论采用哪种电流变换方式,A相的二次谐波比都低于20%,采用分相闭锁方式保护都可能误动。但这时利用三相中二次谐波最大值与基波最大值的比值计算的综合二次谐波比(如图中点划线所示)始终高于20%,保持良好的稳定性。从图中可以看出,通常在涌流开始时,二次谐波比可能较低,这段时间是最危险的,若采用综合二次谐波比全相闭锁后经短延时再投入按相开放保护的判据(开放判据可选波形比较等),可进一步提高变压器带轻微匝间短路合闸时保护的动作速度。3零序电流基因变量的确定通过以下2个现场实例进一步证明以上分析。图6是某电厂现场500kV变压器Y侧空载合闸时各相及零序电流波形,可以看出,此时其零序电流并不是很小,经△→Y变换减零序电流后,将会使差流中的二次谐波含量发生变化。因为励磁涌流本身的不确定性,可能有零序电流比较小、经△→Y变换减零序后对谐波含量影响小的时候,但不能否认也有零序电流比较大、经△→Y变换减零序后对二次谐波含量影响大并可能使其降低的情况。文献中给出了苏州供电公司220kV练塘变电站的1号主变,检修后恢复送电时高压侧空载合闸冲击产生合闸涌流,造成2套差动保护同时出口跳闸。保护各侧二次电流均为Y接入,且保护装置内部也未经Y→△变换,但减去了零序电流(原文未给出波形),亦即采用的是△→Y变换方式,从文中给出的变换后差流的波形看,误动相差流完全不具有励磁涌流的特征。以上2例说明变压器空载合闸时,零序电流并不是很小,经△→Y电流相位补偿后,得到的某相差流并不能真实反映该相励磁电流的特征,也会影响二次谐波含量的变化,甚至导致差动保护误动。4次谐波比全相锁差动保护更可靠在变压器空载合闸时,经△→Y电流相位补偿后得到的某相差流并不能反映该相励磁电流的真实特点。通过对YN,d11变压器空载合闸励磁涌流现象的仿真分析,由于△绕组的存在,涌