基于等效瞬时电感的变压器磁电感识别方法

基于等效瞬时电感的变压器磁电感识别方法

0励磁涌流和短路防护据统计，1999年至2003年，资产负债表开采率的平均有效实施率为73.51%。虽然正确操作率较低，但纵向差异保护仍是当前运行能源装置的主要保护。造成纵差保护误动的原因是多方面的,其中由于变压器纵差保护本身原理缺陷造成的保护不正确动作占有很大比重。变压器纵差保护范围除包括各侧绕组外,还包含变压器的铁心,即变压器纵差保护区内不仅有电路还有磁路。因为励磁电流部分是不可直接测量的,这就违反了纵差保护的理论基础——基尔霍夫电流定律。变压器在空载合闸或外部故障切除后电压恢复时,由于变压器铁心饱和的原因,在暂态过程中出现很大的暂态励磁电流,即励磁涌流。这时励磁涌流将流入纵差保护的差动回路,作为差动电流如果没有相应的防范措施,要求差动保护不误动实属困难,所以变压器纵差保护面临的最严重问题就是励磁涌流。围绕着如何防止励磁涌流导致误动的问题,已提出了多种励磁涌流的鉴别方法。目前现场主要采用二次谐波制动的方法防止励磁涌流引起纵差保护误动,大型变压器差动保护中15%～17%的制动比是按照一般饱和磁通为1.4倍额定磁通幅值时合闸涌流的大小来考虑的。但由于变压器制造技术的提高和制造材料的改善,现代变压器的饱和磁通倍数经常在1.2～1.3,甚至低于1.15,在这样低的饱和磁密下,二次谐波成分显著减小,甚至低到7%。因此,当充电给低饱和磁密的变压器时,纵差保护可能会误动。但如果将二次谐波比降低,对大型变压器,由于其电压等级高且常在端部接较长的输电线,输电线的电容效应十分明显,当大型变压器内部发生严重故障时,由于电感与电容之间的谐振使短路电流中的谐波含量明显增加,有可能引起纵差延时动作。虽然另外一种应用较广泛的间断角原理的励磁涌流鉴别方法不存在上述问题,但是由于电流互感器饱和时,传变到互感器二次侧的励磁涌流产生反向电流,波形变形,造成涌流的间断角消失,要准确地恢复原始间断角并非易事。最近,基于等效瞬时励磁电感变化的鉴别励磁涌流的方法取得了突破。文献根据涌流时变压器经历饱和与非饱和过程,瞬时励磁电感是时变和交替变化的,具有较大的基频分量;而内部故障时,变压器铁心工作于线性区,瞬时励磁电感恒为常数,无基频分量,实现励磁涌流与内部故障的判别。文献在此基础上进一步根据等效瞬时电感在励磁涌流和内部故障中变化程度的不同,利用等效瞬时电感的方差大小对两者进行区分。但这两种判别方法对判据的门槛值都未能给出统一的整定标准,存在难以整定的不足。文献根据在差流出现间断时,变压器铁心没有饱和,等效瞬时励磁电感值较大;而匝间短路时,等效瞬时电感较小,计算出对应电流采样值接近零部分的等效瞬时电感平均值,选取稳态时等效瞬时励磁电感值的30%作为门槛值,大于此门槛值为励磁涌流,小于此门槛值为匝间短路。但从本文的试验可看出,按此整定值在空载合闸时将此门槛值作为统一的整定标准是不合理的。本文在文献的基础上,提出了一种由差流大小划分变压器的非饱和区域与饱和区域,根据两个区域内平均等效瞬时电感比值的大小识别励磁涌流和短路故障的方法。该方法原理简单,整定容易,可靠性高。1基于不同区域的平均等效及时感知率，我们可以识别激励流的原理1.1等效战时规范图1给出了变压器铁心磁链与励磁电流之间的关系曲线Ψ-im,其中(Ψs,is)是变压器的饱和点。可以看出,变压器由不饱和到较深度的饱和是一个非线性变化过程,其中,OA段是变压器不饱和的线性区域;AB段是变压器进入饱和的非线性区域;BC段是变压器饱和程度较深区域,也近似为线性。图2是励磁电感与励磁电流之间的关系曲线Lm-im,与图1对应,L1是对应不饱和线性段的励磁电感,近似为常数;.AB段的励磁电感逐渐减小,对应变压器进入饱和阶段的非线性变化;BC段是变压器进入深度饱和后,其励磁电感接近空心电感值,其值很小且基本不变化。根据文献,瞬时励磁电感定义为Lm=dΨ/dim。空载合闸发生涌流时,等效瞬时电感为瞬时励磁电感与原边漏电感之和,其中漏电感为一常数。变压器的励磁涌流是变压器铁心饱和所致。当变压器发生励磁涌流时,其铁心将交替经历饱和与非饱和过程,励磁电感Lm的瞬时值将随励磁涌流瞬时值im的变化发生较大变化,如图2所示,在不饱和线性段瞬时励磁电感很大,而在饱和及深度饱和段瞬时励磁电感很小。引入差流的概念后,内部故障时的等效瞬时电感定义为:从原边绕组看进去的基于原边电压及原副边差流的瞬时电感,它由两部分构成,一部分为瞬时励磁电感与短路绕组漏感的并联,另一部分为原边绕组漏感,二者之和即为内部故障时的等效瞬时电感。由于短路绕组的漏感很小且基本不变化,所以,在整个短路过程中等效瞬时电感很小且基本保持不变。1.2等效时效电弧计算通过以上分析可知,励磁涌流过程中,等效瞬时电感变化范围很大,在有涌流(饱和、差流很大)时,等效瞬时电感很小;在无涌流(不饱和,差流很小)时,等效瞬时电感很大。而在短路故障过程中,等效瞬时电感较小,且基本不变化。这样,通过差流的大小区分饱和区与非饱和区,根据非饱和与饱和区域内等效瞬时电感平均值的比值大小可以鉴别励磁涌流与短路故障。具体鉴别方法如下:1)电流突变启动判据。计算各相电流的突变量Δi=||ik—ik-M|-|ikM-ik-2M||,k为采样点序号,M为每周期采样点数。如果某相电流突变量Δi>0.2IN,IN为变压器额定电流,则经20ms延时采满一个周期数据后,进行等效瞬时电感的计算。2)计算一个周期内各采样的等效瞬时电感值Lk。按照文献计算等效瞬时电感:式中:k为采样点序号;T为采样周期;u为变压器的原边相电压;id为差流。需注意的是,为避免三角侧环流的影响,差流通过测量各侧相电流计算。3)饱和与非饱和区域差流门槛值ith的选取。在电流突变后的一个周期开始寻找此周期内差流id的最大值idmax和最小值idmin,取差流门槛值为:4)根据差流门槛值确定各相的饱和区域与非饱和区域。若ith>0,则对应id>ith的点为饱和区域,对应id≤ith的点为非饱和区域;若ith<0,则对应id<ith的点为饱和区域,对应id≥ith的点为非饱和区域。5)计算各相非饱和区域内瞬时等效电感绝对值的平均值L1av与饱和区域内瞬时等效电感绝对值的平均值L2av,如图2中所示。6)计算各相非饱和区域与饱和区域等效瞬时电感取绝对值后平均值的比值K=L1av/L2av。7)鉴别励磁涌流或短路故障。若某相比值K>Kset,则为励磁涌流;若比值K<Kset,则为短路故障。因为发生短路故障时,等效瞬时电感基本不变,所以比值K约等于1;而励磁涌流时,由于非饱和区域的等效瞬时电感远大于饱和区域的等效瞬时电感值,所以比值K远大于1。进一步考虑判据的可靠性裕度,选择Kset=2就可以可靠地鉴别励磁涌流与短路故障。考虑到变压器区外短路故障时,计算的等效瞬时电感也很小且基本不变化,以上鉴别判据需要与差动保护配合使用。在差动保护判据满足后,检验等效瞬时电感比值大小,若比值满足K<Kset,则开放保护;若比值满足K>Kset,则闭锁保护,以区分正常运行、空载合闸、区内故障和区外故障等情况,使保护执行正确的动作行为。2电流变压器特性为验证上述鉴别方法的正确性和可靠性,在许继动模实验室Yn,dll三单相变压器组上做了多次空载合闸、带匝间故障空载合闸、运行中匝间短路故障等试验。在清华大学电机实验室Yn,d11三单相变压器组上做了空载合闸时电流互感器饱和试验。录取试验中的波形,离线进行分析,分析中采样频率为1200Hz。许继单相变压器参数为:额定容量10kVA,高压侧额定电压1000/V,低压侧额定电压400V,高压侧额定电流17.3A,空载损耗92W,空载电流1.635%,短路损耗0.27%,短路电压19%,稳态励磁电感5.37H。清华单相变压器参数为:额定容量1kVA,高压侧额定电压220V,低压侧额定电压为110V,高压侧额定电流4.55A,空载电流9.38%,短路电压5.7%。2.1稳态时等效麻黄性激发动图3是变压器空载合闸产生励磁涌流时,两种基于等效瞬时电感鉴别励磁涌流方法的判断结果对比。图3(a)是本文提出的基于非饱和区与饱和区等效瞬时电感平均值的比值判断方法的结果,图3(b)是文献中的基于非饱和区等效瞬时电感平均值判断方法的结果,按原文献取故障后每个周期的基波最大值的20%作为区分饱和与非饱和区的电流门槛值,励磁电感的门槛值选为稳态时等效瞬时励磁电感的30%(1.61H)。由图3(a)中可以看出,A相饱和最严重,励磁涌流最大。各相非饱和与饱和区域等效瞬时电感平均值的比值远大于整定值2,并且涌流越大的相,比值越大,尽管差流很大,但能够可靠闭锁纵差保护。而由图3(b)可看出,A相在故障后一个周期后计算的非饱和区等效瞬时电感平均值小于1.5H,所以误判断为短路故障,而A相差流很大,将导致A相纵差保护误动。B相和C相可以识别为励磁涌流。文献中的方法有误动,原因在于当励磁涌流较大时,电流门槛值对于非饱和区域较高,降低了实际非饱和区励磁电感的平均值,在这种情况下,加之等效瞬时励磁电感的门槛值取得较高(稳态励磁电感的30%),所以可能导致在空投过程中误动。而本文方法中区分饱和区域与非饱和区域的差流门槛值虽然很高,但目的在于把饱和区域判断准确,因为对于励磁涌流时,最大电流附近一定是饱和区域,使得由该差流门槛值确定的饱和区域内等效瞬时电感的平均值很小。虽然这可能使非饱和区域内包含部分饱和点,会低于非饱和区域等效瞬时电感平均值的大小,但是非饱和区域与饱和区域等效瞬时电感平均值的比值(相对值)仍然很大,所以判据能够可靠识别励磁涌流。2.2变压器等效罪犯短路故障的识别图4所示是变压器空载合闸于A相匝间短路故障(2.64%)。由图中差流波形和大小可以看出,B相和C相饱和、励磁涌流较大;而A相是故障相,表现为正弦波的特征。尽管由差流门槛值将一个周期内的波形分为非饱和区和饱和区,由于发生短路故障时,变压器的等效瞬时电感基本不变,那么这两个区域内的等效瞬时电感平均值的比值也近似等于1。由图中的比值K大小可以看出,A相的比值K接近1,并且小于2,识别速度很快;B相和C相的比值K远大于2。所以,本文的判据能够正确识别短路故障,开放纵差保护;能够正确识别励磁涌流,可以实现分相闭锁纵差保护,加快保护的动作速度。2.3等效帐篷法图5所示是变压器正常运行时发生A相匝间短路故障(2.2%)。由图中差流波形和大小可以看出,A相差流较大,满足启动判据,计算等效瞬时电感,计算的比值K约等于1,并且小于2,开放纵差保护,纵差判据满足则保护动作。而B相和C相差流很小,不满足启动判据,不计算等效瞬时电感,纵差保护也就不会动作。2.4等效时效验证图6是在变压器空载合闸下电流互感器发生饱和时等效瞬时电感平均值比值判据的鉴别结果。图6(a)中给出了高压侧各相电流。可见,A相由电流互感器和采样电阻测量的电流一样,A相电流互感器没有饱和,由A相电流的波形可看出是对称励磁涌流;而B相和C相电流由电流互感器和采样电阻测量的电流相差较大,由电流互感器测量的电流由较大值迅速降为0,并且在与涌流相反的方向上有反方向充电电流产生,B相和C相电流互感器饱和。在图6(b)中,由电流互感器测量的二次饱和电流计算出的各相等效瞬时电感平均值的比值结果依旧是远大于整定值2,所以可靠地闭锁纵差保护判据,不会发生误动。这是因为,虽然在反充电电流增大过程中计算的等效瞬时电感较小,但在充电电流衰减过程中计算的等效瞬时电感较大,足以反映变压器退出饱和的性质。因此,基于平均等效瞬时电感比值的鉴别励磁涌流和短路故障判据,具有较强的抗电流互感器饱和的能力。3励磁涌流与短路故障的判别发生励磁涌流过程中,