二次谐波制动原理及特性分析

二次谐波制动原理及特性分析

0基于二次谐波制动的高可靠的自适应励磁涌流制动励磁补偿的保护受到励磁补偿流问题的困扰。当压力损失和外部故障消除时，与内部短路电流相比的励磁涌流会流入侧的动态电路，从而导致压力损失的保护误差。因此,在一些非内部故障的暂态过程中(如空投、区外故障),需通过检测这种非内部故障暂态过程引起的差动电流来防止变压器差动保护误动。二次谐波制动方法是最常用的一种涌流制动方法,普遍采用导则中规定的15%~20%的制动系数。但现代变压器磁特性的变化和容量的不断增大使得涌流时二次谐波含量降低,而当系统带有长线路或用电缆线连接变压器时,内部故障电流的二次谐波含量可能较高,所以单纯的二次谐波制动原理很难确定制动比。取得过高,容易造成涌流时差动误动,取得过低,内部故障时差动保护可能延时动作甚至拒动。目前对于二次谐波制动比Kd2的计算方法常用的有:谐波比最大相制动、按相制动和综合相制动3种。这3种方法都无法兼顾带有故障合闸时保护动作的速动性和单纯涌流制动可靠性2个方面的要求。为克服现有二次谐波制动方法的缺陷,本文提出一种基于二次谐波制动的高可靠的自适应励磁涌流制动方法,保证变压器在励磁涌流情况下装置不误动,在任何有内部故障情况下快速动作。该方法已经在实际的装置研发中得到应用,通过现场运行证明其对提高变压器差动的灵敏性和可靠性很有效。1次谐波分相制动的影响某变电站一次空投变压器时的录波图如图1所示。由于空投时变压器高压侧出现励磁涌流,导致变压器出现较大差流,A,B,C三相差动分别启动。变压器差动保护采用二次谐波一相制动三相的制动原理,差动没有误动。表1为变压器高压侧空投后一定时间内相应的差动电流有效值和二次谐波含量。由表1发现,A相差流的二次谐波含量在合开关后的30ms时刻降到了14.1%,而定值整定的制动比为15%,A相差动没有误动是因为B,C相差流中的二次谐波含量一直很高,采用一相制动三相的方法有效防止了差动误动的发生。如果采用二次谐波分相制动原理,A相差动必然误动。虽然采用一相制动三相的方法可提高励磁涌流制动的可靠性,但随着变压器工作磁通密度的提高,涌流中的二次谐波含量会减小,其大小难以估计。可能在某些情况下,在励磁涌流过程中某一时刻三相差流中的二次谐波含量都低于制动比定值,所以单用一相制动三相的方法并不能从根本上实现可靠制动,同时还可能造成变压器开关合闸于变压器内部故障时拒动或延时动作。进一步分析表1数据发现,在刚合开关的1个周期内差流和差流中的二次谐波含量很高,之后随着励磁涌流的衰减,差流基波含量逐渐变小,同时二次谐波含量也逐渐变小并伴随着一些波动。为此,如果考虑在空投非故障变压器或外部故障恢复过程中,利用合开关后差流随励磁涌流衰减的变化特性,实时调整制动比系数,将更有效地防止差动误动。2次谐波一相制动相位某变电站一次空投于内部A相接地故障变压器时的录波图如图2所示。由于变压器内部A相接地故障,高压侧A相电流包含励磁涌流和故障电流2部分,导致波形的涌流特征不明显,并且由于故障电流的存在,A相电流在合闸瞬间增大,然后基本保持稳定,衰减不明显,B,C两相不含故障电流,涌流特征很明显。合开关后,三相差动都启动,但变压器差动保护采用二次谐波一相制动三相的制动原理,二次谐波始终闭锁差动,差动保护没有动作。表2为空投于内部A相接地故障变压器时一定时间内相应的差动电流有效值和二次谐波含量。由表2可看出,A相因存在故障电流分量,在合开关的30ms后差动电流基波含量基本保持不变,但A相中二次谐波含量衰减很快,且低于整定的制动比15%;B,C两相在刚合开关的1个周期内差流和差流中的二次谐波含量很高,之后随励磁涌流的衰减,差流和二次谐波含量逐渐变小,但B,C两相的二次谐波含量始终大于整定的制动比15%,所以在采用二次谐波一相制动三相的情况下,B,C两相将闭锁三相差动,故障相A相差动保护拒动。进一步分析得出,空投于有故障变压器时,差流和二次谐波含量在合闸瞬间都增大,但故障相基波电流增加较其他相多,且不衰减,导致故障相电流中二次谐波含量比其他非故障相低,且衰减更快。为此,考虑如果在变压器空投或故障切除电压恢复的过程中能有效识别励磁涌流和内部故障,在励磁涌流时降低制动比,在内部故障时提高制动比,就可以提高励磁涌流制动的可靠性,同时在开关合于区内故障时,有效识别故障解除二次谐波交叉闭锁,保证差动快速动作。3次谐波交叉封闭保护本文提出一种自适应的二次谐波制动原理,将谐波制动过程分为2个时间段。第1个时间段在开关合闸后的1个周期,采用现有一相制动三相的二次谐波制动原理。设二次谐波制动系数为k2,进行谐波比最大相制动,当满足式(1)时认为发生了励磁涌流,闭锁A,B,C三相差动。因为在合闸后的1个~2个周期内二次谐波含量都会突然升高,所以采用一相制动三相的二次谐波制动原理,能保证差动保护装置可靠不动作。Kd2=max{IdA2IdA1,IdB2IdB1,IdC2IdC1}≥k2Κd2=max{ΙdA2ΙdA1,ΙdB2ΙdB1,ΙdC2ΙdC1}≥k2(1)第2个时间段发生在二次谐波交叉闭锁差动保护后,是一个跟踪的过程。由1.1节分析可知,对于无故障的变压器,合开关后差动电流基波含量会瞬间增大,然后衰减变小,所以差动电流基波含量变化量的标幺值ΔI˙dφ1(n)<0ΔΙ˙dφ1(n)<0。由1.2节分析可知,对于有故障的变压器,差动电流在合闸瞬间也会增大,且不衰减,所以ΔI˙dφ1(n)≥0ΔΙ˙dφ1(n)≥0。基于差动电流在合开关后的变化特征可以设置一个浮动门槛εφ(n):εφ(n)=λΔI˙dφ1(n)εφ(n)=λΔΙ˙dφ1(n)(2)式中:εφ(n)为当前采样点n的浮动门槛;λ为可靠性系数;φ=A,B,C。此时的制动系数变为k2+εφ(n)。对于无故障的变压器,合开关后差动电流逐渐衰减变小。所以εφ(n)<0,k2+εφ(n)<k2,相当于降低了励磁涌流判断的制动比,可以有效防止在第2个时间段由于二次谐波含量波动造成的差动保护误动。对于有故障的变压器,差动电流在合闸瞬间增大,然后基本不衰减。所以εφ(n)≈0,k2+εφ(n)≈k2,因为故障相差流中二次谐波含量比其他非故障相低,且衰减更快,高制动比可以保证故障相差流中二次谐波含量满足:Kdφ2(n)<k2+εφ(n)(3)因此,在第2个时间段差动保护解除一相制动三相的交叉闭锁方式,改为分相制动。引入浮动门槛利用式(3)不仅能有效防止二次谐波含量波动引起的误动,同时还可以让内部故障可靠跳闸。为了更可靠地识别内部故障,利用合闸于故障变压器差动电流不衰减和二次谐波含量很快衰减的特性,引入对差流和二次谐波含量变化特性的判断,利用式(4)和式(5)作为式(3)的辅助判据,保证故障相差动快速可靠动作。式(5)中ε由变压器励磁涌流衰减特性确定。Idφ1(n)≥Idφ1(n-m)(4)Kdφ2(n)<Kdφ2(n-m)-ε(5)4次谐波分析在一相二次谐波制动三相差动的前提下,利用浮动门槛判断变压器运行状态。如果空投于无故障变压器,差动电流基波含量在合闸后衰减变小,浮动门槛εφ(n)为负值,k2+εφ(n)<k2,相当于降低了二次谐波制动比系数,提高了励磁涌流制动的可靠性,保证在这种情况下差动可靠不误动。空投于故障变压器时,浮动门槛不降低二次谐波制动比系数,高制动比可以保证故障相差动可靠动作。某电厂主变差动保护空投于高压侧B相绕组内部接地故障的电流波形图如图3所示。变压器高压侧额定电流为Ie=3.4A,二次谐波制动比定值为10%;差动电流启动值Id.q=0.4Ie;二次谐波制动系数k2=10%;可靠性系数λ=0.8。根据表3数据得到在空投开始20ms,B相差动启动。如果采用传统或门制动方法,保护可能拒动。采用自适应二次谐波原理,利用谐波比最大相制动,此时Kd2=29.28%>10%,判断出存在励磁涌流,保护在交叉闭锁后将进入第2时间段判断。以表3中第2个计算点(30ms时刻)B相为例说明,计算B相当前采样点n=2的浮动门槛:εφ(n)=0.8×(17.80-17.62)/3.4=0.8×0.0529=4.24%,判断B相二次谐波在第2个计算点的二次谐波含量KdB2(n)=14.01%<10%+4.24%,满足式(3),则进入下一步判断;取ε=5%,得IdB1(n)=17.80>17.62和K2φ(n)=14.01<16.42-0.05,分别满足式(4)和式(5),则该相差动开放。差动保护在故障发生30ms左右迅速动作出口跳闸。5及时进行差动保护本文提出一种新的二次谐波制动方法,在传统的二次谐波制动原理基础上,设置浮动门槛并实时跟踪掌握基波含量变化特性和二次谐波含量对基波含量比的变化特性,利用这些变化特性及时分析判断变压器的运行状态,以确定可靠闭锁或及时开放差动,解决了现有方法在励磁涌流制动和差动保护正确快速