基于零序过滤的变压器励磁涌流识别

基于零序过滤的变压器励磁涌流识别

0变压器两侧线圈电流的等效电感的计算如何正确区分磁体和内部故障电流是环境保护的难题，国内外学者进行了大量研究。产生励磁涌流的本质原因是变压器励磁支路的非线性,在引入电压量后可以利用计算出的等效励磁电感的大小和变化规律来识别励磁涌流和内部故障,该方法利用变压器饱和及非饱和状态下励磁电感的不同,判断变压器铁心的工作状态,进而识别励磁涌流,具有良好的性能。文献推导了基于变压器两侧线圈电流的等效励磁电感计算公式。但对于Y,d接线的三相变压器而言,有时现场配置的电流互感器无法测得三角形(△)侧绕组电流,使得基于文献的等效瞬时励磁电感计算方法的应用受到限制。文献提出了一种可行的无需测量△侧绕组电流的励磁电感计算方法,但其计算稍显复杂。本文在对Y,d接线变压器T形等效电路分析的基础上,提出了一种基于零序过滤的励磁电感计算方法,该方法通过滤除变压器两侧的零序分量,来消除△侧零序环流对计算的影响,所得的励磁电感为正、负序分量综合作用的结果。理论分析和仿真实验表明,该方法能够有效地识别涌流及故障电流特征,从而可靠地区分涌流和各种内部故障。1计算原理1.1等效励磁电流计算当忽略绕组电阻及励磁电阻时,单相变压器T形等效电路如图1所示。根据等效电路可列出回路方程:式中:LM为等效瞬时电感。由于L1远小于LM,则式(1)可写为:式中:id为励磁电流(差流)。将式(2)离散化可得:式中:T为采样周期;LM在正常运行及涌流时为变压器瞬时励磁电感,内部故障时为瞬时励磁电感和短路绕组漏感的并联。1.2电流ial不含零序环流的特性Y0,d11接线变压器如图2所示,其对应的A相T形等值电路如图3所示。由于同一相正序、负序、零序漏感、励磁电感相等,故可把图3单相等值电路分解为正序、负序及零序电路,如图4所示。u0A为Y侧A相零序电压,在涌流过程中Y0侧零序电压为该侧零序电流在该侧电源零序阻抗上的压降,实际上,此时励磁支路为零序电流源。这样,由图4可得到:式中,ial-i0al为△侧A相绕组电流ial不含零序环流的部分,如用i±al表示,同样,△侧B相和C相绕组电流中的这部分电流表示为i±bl,i±cl,则对按图2所示电流正方向的Y0,d11接线变压器而言,有由于漏感远小于励磁电感,故可分相列写变压器回路方程:令式中:i0A=i0B=i0C=(iA+iB+iC)/3,且有:故由式(6)离散化可得:式(7)即为励磁电感的计算式。由于变压器励磁涌流过程是一个极其复杂的电磁暂态过程,工程上往往采用一些近似的简化处理方法:①忽略其衰减过程,近似认为涌流波形是一个准稳态波形,而采用稳态电路的处理办法进行分析,如经典的二次谐波制动就是采用了稳态电路的傅里叶级数的分析方法;②非线性的磁化特性曲线采用近似的两折线(2段直线)线性化表示。文献指出可采用近似稳态电路的分析方法来分析涌流的暂态过程,否则将使问题复杂化而无实际意义。在此前提下,如变压器涌流过程中三相铁心同时饱和或不饱和,则上述算法可较准确地计算变压器三相励磁电感,但实际变压器空投时情况复杂,可能出现一相饱和、两相饱和和三相饱和的情形,并且各相进入饱和及退出饱和的时间不同,此时按本文算法计算的三相励磁电感与实际值有偏差,但一般变压器涌流过程中总存在三相铁心同时不饱和的时间段,故并不妨碍涌流的识别,具体参见2.2节。2模拟子件数据完成的证明2.1变压器励磁特性利用PSCAD/EMTDC仿真验证本文提出的算法。仿真系统如图5所示。仿真中变压器为PSCAD中的经典模型,接线为Yn,d11,Y侧饱和,额定容量100MVA,额定电压173kV/100kV,漏感0.08,额定状态下变压器励磁电流1%IN。仿真采样频率为1kHz。为比较本文方法与文献励磁电感的计算方法,在仿真中分别利用本文式(7)(本文算法)及式(3)(文献算法)计算变压器正常运行、空载合闸、空投于故障和内部故障情况下的各相励磁电感,如图6、图7及附录A图A1～图A5所示。2.2不对称故障下的仿真实验由图6可知,变压器正常运行时铁心不饱和,其励磁电感较大且近似保持不变,2种算法都能反映这一特点。由图7(b)可知,此时变压器A,C两相饱和,B相未饱和,故B相励磁电感表现为正常运行状态时的电感,而在图7(a)中滤除零序后B相差流也呈饱和形态,对比图7(a),(b)可知,图7(a)的三相差流在三相铁心同时不饱和时段(即图7(b)三相差流同时为0的时段)都为0,在其他时间不为0,即其三相差流的波宽和间断角相同,并保持同步变换,这一特点也可从理论分析中得出,在此情况下,虽然本文算法所得的励磁电感与实际值有偏差,但并不妨碍涌流的识别。附录A图A1为变压器运行过程中发生A相经100Ω电阻接地故障(故障起始时间为0.2s)时的仿真波形。由于本文算法采用正、负序分量,在发生不对称故障时,非故障相也含正、负序分量,故附录A图A1(a)中B,C相差流也呈故障相形式,其励磁电感也很小。由附录A图A2(b)可知,由于变压器A相故障,该相电感值很小,B相未饱和,该相电感值呈正常运行时的状态,C相饱和;而由附录A图A2(a)可知,滤除零序后各相差流都呈故障形态。附录A图A3为Y侧空载合闸时,三相都饱和时的仿真波形,由附录A图A3可知2种算法都能很好地反映涌流特征。三相涌流的间断角大小和二次谐波含量与空载合闸角、饱和磁通、剩磁的大小有关,合闸角越小、剩磁越大、饱和磁通越小则间断角及二次谐波含量越小,附录A图A4仿真了一种对涌流分析极为不利的情况,A相合闸角为0,饱和磁通为1.1倍额定工作磁通,A相剩磁为0.9倍额定工作磁通,B,C相剩磁为负的0.45倍额定工作磁通(现代大型变压器都采用单相变压器组,三相之间不存在磁路的联系,再计及三相电流的对应关系,因而变压器三相剩磁之和接近于0)。由仿真图可知,2种算法获得的三相差流间断角最小相(A相)的间断角相近,2种算法A相电感的计算结果也相近。再看B,C相的情况,虽然本文算法B,C相励磁电感的涌流特征比文献算法稍差,但还是能较好地表征涌流的特征。合闸于A相5%匝间故障的仿真波形见附录A图A5,这些实验波形都证实了本文算法的有效性。由上述分析可知,励磁电感的计算主要取决于差流的大小和变化,空投产生涌流时,原始的励磁电流出现间断角,在间断期间(即非饱和区)其励磁电流极小且其变化率相对于电流不间断时的变化率也极小,其所对应的励磁电感很大,而励磁电流较大的区间其所对应的励磁电感很小,对某种励磁电感计算方法,只要其获得的差流能足够保持原始励磁电流在涌流时的间断属性,就能够正确识别涌流。由仿真结果可知,在正常运行时,本文算法与文献算法一样,可正确计算出励磁电感;在空投时,本文算法获得的差流能够保持原始励磁电流的间断属性,能较好地反映涌流特征;在故障或空投于故障时,本文算法获得的三相励磁电感都成故障相形式,但这并不妨碍与涌流时的励磁电感计算值相区分,因而,从涌流识别角度来说,本文的励磁电感算法是能够胜任的。3变压器侧电流动态特性