基于故障分量的和应涌流识别

基于故障分量的和应涌流识别

0差动保护误动的和应涌流识别随着我国高速铁路的快速发展，铁路电气化已成为铁路发展的必然趋势。电气化铁路的牵引供电系统主要包括牵引变电所和接触网两大部分,而牵引变电所的核心即是牵引变压器。为保证牵引变压器的持续正常运行,其保护措施尤为重要。长期以来,牵引变压器的主保护均采用差动保护。目前,已有不少学者对差动保护所面临的两大关键问题励磁涌流和内部故障进行了深入的研究,并取得了大量成果。然而,近年来出现了多起变压器差动保护误动作的新情况:当一台变压器合闸时,另外一台相邻且正在运行的并联或级联变压器差动保护误动作,该现象与变压器的和应涌流有关。和应涌流以其产生的隐蔽性、复杂性、危害性而逐渐成为变压器保护研究的热点问题之一。和应涌流波形的特点以及它在实际运行过程中受电流互感器(CT)饱和的影响,很有可能使励磁涌流识别方法失效而导致差动保护误动作。和应涌流中非周期分量衰减非常缓慢,其长时间的作用引起电流互感器饱和。电流互感器的工作点逐渐进入饱和区域,而此时传变的工频电流幅值相对较小,使两侧电流产生相位差,形成差流而导致差动保护误动。另一方面看,和应涌流中二次谐波含量并不是在和应涌流最大值时达到最大,而是随着和应涌流的衰减而不断增大,变压器在合闸角及剩磁一定的情况下,差流中的基波分量可能大于差动电流的整定值,而二次谐波含量较少又可能小于谐波制动系数比,从而导致变压器保护误动。此外,和应涌流中零序分量的存在同样使变压器中零序电流的持续时间较长,将会引起运行变压器零序过电流保护误动作,而无法靠延时躲过涌流。文献根据现场录波数据分析了和应涌流引起差动保护的原因,提议采用标积制动式差动保护方案。文献[10-11]分析了采用二次谐波制动原理和波形对称原理判据失效的情形。文献根据正常运行变压器T1的△侧产生零序电压,由于绕组漏感很小而产生很大的环流来确定T2变压器的合闸时刻,与差流出现时刻(即和应涌流产生时刻)存在时差的特点,提出了基于时差法的和应涌流鉴别方法。上述研究,在Y/△接线变压器和应涌流鉴别方面取得了重要成果,但上述方法在高铁中常见的V/V、Scott牵引变压器差动保护的和应涌流识别方面尚存在一些不足,有必要针对这类不含△接法的牵引变压器差动保护的和应涌流识别方法展开进一步研究。本文首先以高铁中广泛应用的V/V连接牵引变压器为例对和应涌流的产生机理进行深入分析,指出和应涌流产生的根本原因;接着,根据现场故障波形,分析和应涌流的波形特点;进而提出了基于故障分量正序电压变化的和应涌流识别算法;最后通过动模实验对算法进行仿真验证。1和应涌流产生机理当牵引变压器空载投入或外部故障切除后电压恢复时,铁芯达到饱和后其相对磁导率接近于1,从而励磁阻抗减小,进而产生励磁涌流,其数值往往可达到额定电流的6～8倍,此电流极易引起差动保护误动作。当牵引变电所母线上连接两台或多台变压器时,如果一台变压器进行空载合闸,此台变压器将出现励磁涌流,与此同时,与其相邻的另一台并联或级联运行的中性点接地变压器绕组中将出现和应涌流。文献[13-15]解释了变压器产生和应涌流的原因和机理,和应涌流产生的根本原因是合闸变压器励磁涌流流过系统电阻导致其他变压器工作母线的电压偏移,使得铁芯饱和所致。为说明和应涌流产生机理,本节先给出两台双绕组变压器并联和级联的等效电路图,如图1所示。以并联变压器为例,从磁链变化的角度来分析和应涌流产生的机理。图1(a)中,变压器T1正常运行,变压器T2空载投入,当开关QF合闸时,变压器T2中产生励磁涌流i2,i2偏向于时间轴的一侧,且含有大量的非周期分量。非周期分量电流通过系统电阻时导致变压器母线电压产生直流偏移,随之励磁电压发生变化,正序电压出现明显的突变。由于变压器的磁通是加载在变压器上的电压积分,T1的新增磁通将随着母线电压的偏移而向一侧偏移发展,其偏移磁通增量与周期磁通分量相叠加。经过一段时间的作用,变压器T1铁芯在偏移的一侧饱和,T1进入饱和区,从而使T1产生和应涌流。此外,由于T1变压器磁链是在负方向达到饱和的,所以T1产生的和应涌流与T2中的励磁涌流i2的方向是相反的。某现场变压器空载合闸时所产生的励磁涌流、故障分量正序电压(以A相电压为基准,矩阵转换得出)及和应涌流分别如图2、图3所示。由图2、图3分析得出,和应涌流与励磁涌流具有以下特点和关系:(1)和应涌流是在空投变压器发生合闸操作一段时间之后才出现。(2)励磁涌流的最大值出现在合闸后极短时间内,同时伴随着励磁电压正序分量有明显突变的过程,一段时间后正序电压突变情况消失,其突变量维持在一个较小值的稳定状态;而和应涌流的幅值先增大再减小,衰减速度比常规的励磁涌流缓慢。(3)运行变压器和空投变压器的磁链在各自衰减直流分量的作用下周期性地进入饱和,因此和应涌流与励磁涌流偏向于不同的时间轴且交替出现。实测数据验证了前述理论的正确性,同时也表明了和应涌流和励磁涌流的区别。与此同时变压器和应涌流波形图如图3所示。2正序电压突变量启动识别根据变压器和应涌流产生的机理以及对故障波形的分析可知,和应涌流出现在相邻的变压器空载合闸后的几个周期内,由此可知:牵引变压器的合闸时刻与相邻变压器和应涌流的出现时刻存在一定的时间差。至于和应涌流出现时刻的确定,可根据牵引变压器和应涌流的出现总是伴随着差动电流的出现这一原理来确定。牵引变压器的合闸时刻可通过下面方法来加以判断:当牵引变压器出现励磁涌流时,励磁电压故障分量正序电压有明显突变的过程,因此,可通过正序电压突变来近似地确定变压器的合闸时刻,然后根据伴随和应涌流出现时的差流大小及差流出现的时刻来确定两者的出现时刻是否存在时间差,以识别和应涌流产生与否。根据现场经验和大量的仿真试验结果分析,这个时间差的门槛可设为T/2。定义正序电压突变量启动的判据为式中:U1(n)、U1(n-T)、U1(n-2T)分别是第n点,其一个周波前、两个周波前的正序电压幅值;K为变压器平衡系数。当抽样点数中满足判据的点数大于动作点数时输出动作标志和当前采样指针距离第一个突变点的时间(ms)。在此算法中,抽样点数取为3,动作点数取为2。为了尽量消除衰减直流分量的影响,采用全周傅氏算法计算正序电压的幅值。正序电压突变需要与差动保护判据相配合来构成和应涌流识别方案。当变压器空载合闸后,正序电压突变量启动,因此可认为此时刻为牵引变压器发生故障或者涌流状态(合闸时刻),而不会对判别结果造成影响。基于上述思路,和应涌流识别方法的流程如图4所示。具体步骤如下:步骤1:采集数据,并进行数据滤波。步骤2:计算当前时刻正序电压,判断正序电压是否突变;若是,进入下一步;若否,返回步骤1。步骤3:如正序电压突变,记录当前时刻t1;判断此刻是否满足差动条件,若是,则为励磁涌流或内部故障,进而返回到步骤1;若否,进入步骤4。步骤4:继续采集电流数据,记录当前时刻为t2,判断差动电流Id是否大于差动保护启动电流阈值Iop.min,若是,进入步骤6;反之,进入步骤5。步骤5:判断t2与t1之间间隔是否大于20个周波,若不是,则意味着此次相邻变压器的合闸励磁涌流引起的和应涌流现象可能暂时还未出现,需继续检测采样电流,即返回步骤4;反之,则此次扰动为变压器内外部故障、CT饱和等情况,和应涌流检测过程结束,返回步骤1,进入下一个检测周期。步骤6:判断t2与t1之间间隔是否大于T/2,若是,则判定本次扰动为和应涌流,并采取有效的措施闭锁差动保护,进入下一个检测周期;反之,则意味着变压器合闸时刻与和应涌流出现时刻不存在一定的时间差,故不满足和应涌流特点,进入下一个检测周期。3实验结果及分析借助于许继电气股份有限公司国家继电保护及自动化设备质量监督检验中心开普实验室,进行了动模实验。为全面检测本文所提方法的有效性,以目前电气化铁路中应用较为广泛的V/V接线牵引变压器为例,设计如下几套动模实验方案:(A)变压器区内金属性故障;(B)变压器区外金属性故障;(C)变压器匝间短路;(D)CT饱和试验;(E)空投试验;(F)和应涌流试验。V/V接线方式的牵引变压器接线如图5,变压器参数如下,容量为2×20MVA,变比为220kV/27.5kV,高压侧CT1变比为300A/5A,CT2变比为1200A/5A,高压侧PT变比为220kV/100V。各种运行情况下的动模试验以及保护的动作结果如表1所示。表中列出了各种具有代表性的常规试验项目,以此来说明算法的准确性。针对以上6个项目共测试了120次,动模试验正确率达到100%,符合工程应用要求。考虑到实验环境及条件的局限性,作者将在实际系统中对算法进行进一步的测试与验证,以确保其在复杂环境下的正确率。总之,通过大量的测试表明,算法对和应涌流的识别具有很好的适用性,正确率高,而在实际系统中的适用性还有待于进一步的验证。限于篇幅,以下仅以并联和应涌流试验情况为例进行简单说明。各电气量参数波形图如图6所示,其中,I1A,I1B,I1C分别为高压侧电流,I2A,I2B,I2C为低压侧电流;IA10,IB10,IC10分别为并联牵引变高压侧电流,U1为正序电压,TZ为差动保护动作量。由图6可知,利用故障分量的时差法,准确地判断了和应涌流的出现,及时闭锁差动保护,差动保护动作量为零,保护可靠不动作。通过以上试验验证,对比分析了变压器和应涌流与非和应涌流情况时差动保护的动作情况,验证了本文基于故障分量的牵引变压器和应涌流识别方法的有效性和实用性。4故障分量正序电压突变的时差法通过分析变压器和应涌流产生机理,得出和应涌流之所以会引起差动保护误动作是因为和应涌流中非周期