地磁感应电流对电力变压器差动保护的影响

地磁感应电流对电力变压器差动保护的影响

0ct饱和问题的提出电力传感器（ct）是继电保护感知电气系统运行的必要手段。ct饱和特征对电气工程的性能有重要影响。尽管随着数字化变电站的建设,具有频带响应宽、无饱和现象、抗电磁干扰性能佳等优点的电子式互感器(electroniccurrenttransformer,ECT)逐渐推广,但现阶段由于ECT制造成本相对较高,另外易受温度、振动等因素的影响,因此将传统的电磁型电流互感器全部换成ECT还存在一个过程,电网中电磁型电流互感器占主导地位的现状使得CT饱和问题仍值得关注和研究。目前对CT饱和问题的研究主要集中于区外故障引起的CT饱和,外部故障切除后的恢复性涌流及和应涌流引起的CT局部暂态饱和,以及高压直流输电(highvoltagedirectcurrent,HVDC)单极uf02d大地方式运行时产生的直流偏磁引起的CT暂态饱和及局部暂态饱和。由于CT饱和会影响继电保护的可靠性,研究者们提出了许多识别CT饱和的方法。其中,对电流互感器二次侧电流存在明显畸变的CT饱和情况可采用时差法、异步法、差分法、导数法、谐波比法、小波法、形态学法等进行识别[11,12,13,14,15,16];对电流互感器二次侧电流无明显畸变点的相位偏移式饱和,即局部暂态饱和,可采用相对磁链积累方差作为识别判据。然而,对于“磁暴”发生时的地磁感应电流(geomagneticallyinducedcurrent,GIC),由于目前的研究一般将其与HVDC引起的直流偏磁作用视作等同,因此GIC引起CT饱和问题尚未受到关注。实际上虽然GIC与HVDC引发直流偏磁的原理相似,但由于GIC的变化规律比较复杂,随机性较强,主要频率成分为0.001~0.1Hz,在作用于电网的长期过程中可能发生剧烈波动,达到较大的峰值,其诱发的偏磁程度和方向难以确定,由其带来的影响和危害也更加严重。1989年3月发生的地磁暴效应曾造成大量继电保护装置误动,给电力系统带来巨大损失。GIC在输电线路中的幅值大小受到多方面因素的影响,如地磁场水平分量的变化率、线路走向、电网所在区域的大地电导率、电网拓扑结构与电气参数等。瑞典400kV电网中变压器中性点曾监测到高达300A的GIC,芬兰400kV电网中也曾监测到约200A的GIC,我国虽然纬度较低但也曾在500kV电网中监测到近80A的GIC。这样一个高幅值、低频率、带有随机波动性的电流流过CT的一次侧对其饱和特性及相关继电保护会产生怎样的影响值得引起人们的重视。因此,本文根据GIC的产生机理及特征建立了GIC等效源仿真模型,结合CT暂态传变特性模型分析了GIC对CT饱和特性的影响;并根据GIC的分布规律研究了GIC引起的CT饱和可能引起的变压器差动保护误动情况及相应的防范措施。研究成果对防止GIC对电网的危害,增强继电保护的可靠性具有重要的理论及现实意义。1计算与gic效应的系统仿真模型1.1构建等效源模型由于地磁场扰动造成地表电位不等,GIC在输电线路、中性点接地的变压器和大地构成的回路中流通。目前对GIC效应的研究通常是在变压器中性点加上直流电压源模拟地表电位,GIC在电网中的分布仅与电网络的直流电阻有关,不考虑GIC经变压器耦合的情况。然而,GIC作为时变的电流,它在变压器铁心中产生的磁链并不是恒定不变的,用直流电压源来模拟具有一定的局限性。国外已有研究者注意到这个问题,如文献中用方波来模拟GIC,研究其对变压器温升的影响。本文根据GIC的典型波形,如图1所示,并考虑到其幅值变化规律及频率特征,采用0.1Hz的正弦波作为GIC等效源模型。通过在变压器接地中性点加入GIC等效源模拟GIC侵入电网的过程。1.2基于经典j-a理论的ct仿真模型在PSCAD/EMTDC中构建计及GIC等效源的变压器差动保护仿真模型,其中,变压器采用Y-uf04411接线方式,一次侧额定电流为240A,CT采用PSCAD提供的Jiles-Atherton模型。Jiles-Atherton(J-A)理论运用了非磁滞磁化的概念,利用数学函数描述非磁滞磁化曲线,并最终获得磁感应强度B与磁场强度H之间的关系。由于改进的Langevin表达式能够较好地模拟大部分类型的非磁滞回线,因此基于经典J-A理论的CT与变压器仿真建模方法也得到了较广泛的应用。PSCAD中的CT模型根据改进的J-A理论建立,能够更灵活地描述非磁滞磁化曲线的肩部,即线性区与饱和区之间的过渡区,从而更准确地模拟磁滞回线,适用于研究GIC对CT暂态传变特性的影响。因本文主要研究GIC引起的CT饱和特性及其对差动保护带来的影响,故假设变压器为理想变压器,暂不考虑变压器受GIC的影响情况。CT配置及变压器各侧电流分布情况如图2所示。图2中Egic表示GIC等效源,inA,inB,inC分别表示变压器Y侧各相工频负荷电流,ig表示变压器Y侧GIC,in′A,in′B,in′C分别表示变压器D侧出线处各相工频负荷电流,ig′表示变压器D侧GIC。正常运行时,系统三相对称,从中性点注入的GIC均匀分配到各相,与零序电流的性质类似,在D侧绕组内形成环流,因此仅有Y侧的CT受到GIC的影响。假设Y侧CT的二次侧电流分别为iA2,iB2,iC2,D侧CT的二次侧电流分别为i′A2,i′B2,i′C2,那么变压器差动电流,以A相为例,可按式(1)进行计算式中idA为A相差流,各电流均折算至同一电压等级下的标幺值。制动电流izA通常按式(2)计算2在gic-a的作用下，ct饱和特性及其对侧压缩器的影响2.1ct二次侧电流的频率特征及影响在本文构建的计及GIC效应的系统仿真模型中,磁暴引起的地表电势差近似用正弦电压源来等效,其幅值为1000V,初相角为180uf0b0,频率为0.1Hz,在仿真开始时刻(0s)即接入变压器中性点,在此条件下中性点注入的GIC有效值为500A,以变压器Y侧A相CT为例,分析GIC对CT饱和特性的影响。CT的一次侧及二次侧电流如图3所示。由于GIC频率相对工频非常小,工频的正、负半周内GIC变化极为缓慢,从长时间尺度范围内观察,可以近似认为是一个直流励磁和退磁的过程,在这个过程GIC在CT铁心中产生的偏置磁通是变化的,因此CT的饱和程度也会随之改变。由图3可清晰地看出随着GIC作用时间的推移,CT的二次侧电流呈现不同的波形特征。图3(a)显示了在GIC作用初期,CT并没有立即饱和,它能准确地传变一次侧电流;图3(b)中CT的二次侧电流波形出现明显畸变,表明CT发生了暂态饱和,这是由于GIC产生的偏置磁通增加使得CT工作点逐渐上移至饱和点附近,受传变的工频电流的影响,CT的励磁电感呈现周期性变化造成的;而图3(c)则显示出随着GIC产生的偏置磁通进一步增加,CT饱和程度加深,此时CT的励磁电感很小,励磁电流很大,二次侧电流的畸变特征逐渐消失,幅值明显减小。由于其幅值与一次侧电流有明显差异,并不属于局部暂态饱和,但波形也与正弦相近。为了更准确地分析在GIC作用的不同时段CT的暂态传变特性,在图3显示的3个阶段中各取一个工频周期的CT二次侧电流进行频谱分析,结果如图4(a)所示,对应的CT工作区间如图4(b)所示。由图4可知,随着CT进入暂态饱和区,代表GIC的低频分量大大减少,工频分量减少,各次谐波含量增大;而当CT进入严重饱和区,工频分量及各次谐波分量均有所减小,但谐波分量减少得更为明显,这就使CT的二次侧电流呈现为工频正弦波。根据2.1节的仿真分析结果,由于GIC具有高幅值、低频率、时变性的特征,使得在GIC作用的某个阶段,CT工作点完全进入严重饱和区,此时CT的二次侧电流幅值明显减小但畸变特征不明显。这样的饱和特征与暂态饱和及局部暂态饱和都不相同,现有的方法无法准确识别,有可能对变压器差动保护产生影响。变压器Y侧A相、C相绕组出线处及D侧A相绕组出线处CT的二次侧电流iA2,iC2及i′A2如图5所示。可见,变压器Y侧的CT受到GIC的影响而发生了严重饱和,各相CT的二次侧电流中GIC分量相等,进行相位补偿(Y-uf044变换)后可相互抵消,但uf044侧绕组出线处的CT未受影响,这与1.2节的理论分析相符。按照式(1)(2)分别对变压器差动电流、制动电流进行计算,并分析差流中的二次谐波含量,结果如图6所示。由图6可知,随着Y侧CT的饱和程度加深,差动保护计算出的不平衡电流增大,当CT发生严重饱和时,差流idA幅值约为0.8pu,明显高于最小动作电流(0.2pu),而此时制动电流izA约为0.6pu,低于最小制动电流(1.0pu)因此差动保护进入动作区,又由于二次谐波含量低于二次谐波制动门槛(0.15),这就造成差动保护误动。2.3基于差流及其二次谐波变化规律的抗误动方法为了避免GIC造成的一侧CT严重饱和引起的误动,对仿真波形进行了进一步的对比分析。对比图6及图3(b)可知,差流增大的时刻与CT发生暂态饱和,出现明显波形畸变的时刻相同(0.68s),此后数个工频周期内CT二次侧电流波形均存在明显畸变,基于波形的CT饱和识别判据(如导数法、谐波比法等)能可靠识别CT饱和,从而闭锁差动保护。此后随着CT饱和程度加深,波形畸变特征消失,二次谐波含量下降,从而引起差动保护误动。那么防误动的关键在于判别出CT饱和特征消失是否由转换性故障造成。因此,对区外故障引起CT饱和后转换为区内故障进行了仿真分析,结果如图7所示。以图7为例,0.7uf07e0.76s发生了区外A相接地故障,0.76s后转为区内A相接地故障,iay表示变压器Y侧A相CT的电流,idA表示A相差动电流。由图7可见,区外故障引起的CT饱和会随着故障电流中非周期分量的衰减而逐渐退出饱和,相应的差流波形表现出先增大后减小的趋势,这与图6中GIC引起的CT饱和造成差流缓慢增大的趋势明显不同。因此可在保护识别出CT饱和后持续检测差流波形趋势,由此判断CT饱和是否由区外故障造成。若判断出是由区外故障造成的CT饱和,则可采用文献提出的基于数学形态学梯度的方法识别转换性故障。另外,对比图6和图7可见,当CT饱和特征逐渐消失时,GIC引起的CT严重饱和使差流中的二次谐波含量持续降低,而区内故障则会导致二次谐波含量发生突变,因此可利用差流的二次谐波变化趋势来判别是否发生区内故障。综上,可采用基于差流及其二次谐波变化趋势的综合防误动措施,具体动作流程如图8所示。该措施能确保差动保护在区外转区内故障时快速动作,在GIC引起CT严重饱和时可靠闭锁,并在非区外故障引起CT饱和后又发生区内故障时正确开放保护。3uf494节点ct饱1)GIC是由大范围的地磁扰动引起的,具有高幅值、低频率、时变性等特征,因此它对CT饱和特性的影响与HVDC引起的恒定直流偏磁、涌流中的非周期分量造成的CT铁心磁链累积均有所不同,有可能使CT发生严重饱和,此时CT二次侧电流幅值很小但并无明显的波形畸变,现有的CT饱和识别判据无法有效识别。2)对采用Y-uf044接线方式的变压器而言,由于uf044侧