变压器△侧零序环流iD对励磁涌流及差动保护的影响6.30

变压器△侧零序环流iD助增对励磁涌流及差动保护的影响袁宇波[1,2]陆于平[1]陈久林[1]李澄[1](1.江苏省电力公司技术中心，江苏省南京市210036；2.东南大学电气工程系，江苏省南京市210096)摘要：以Y0/△接线的变压器Y0侧空载合闸的暂态过程为例，分析了△侧环流助增对Y0侧相电流的影响，并在此基础上研究了涌流助增对两种不同转角变换方法变压器差动保护的影响。分析结果表明：由于△侧环流的影响，从躲空载合闸涌流的角度分析，基于Y0侧相电流差（）的差动转角方式二次谐波含量损失不会很大；而基于Y0侧消零序电流的（）可能在某些空投情况下差流某一相的二次谐波特征消失，出现某一相差动电流与内部故障相类似的波形特征，该相二次谐波无法制动引起差动保护动作，同时进一步的分析发现，涌流中的三次谐波含量在此情况下是增强的，可以引入三次谐波辅助判据来解决在这种情况下的缺陷。关键词：励磁涌流零序环流助增作用1引言近年来，由于数字变压器保护的大量使用，解决了许多实际问题，但随着应用的不断深入，也暴露出了一些问题。空载合闸励磁涌流是引起变压器误动的老问题，从目前报道的变压器空载合闸误动的涌流波形来看，出现了一些奇怪的新现象[7,9]，变压器某一相出现了和内部短路故障电流相似的波形特征，该相差流中二次谐波的含量非常小，几乎等于零，二次谐波无法制动，导致变压器差动保护动作。论文经过充分的研究，试图从理论上对该种现象进行解释，得到一定的结论，以引起相关部门的重视。变压器差动保护的性能和变压器接线方式、差动保护的构成原理、整定值等都有关系。以国内普遍采用的Y0/△-11接线的变压器为例，差动保护中幅值相位校正普遍存在两种不同的转角方法：一种是基于相间差动原理（）；一种是基于消零序（）的相电流差动原理。而《大机组继电保护整定导则》中给出了二次谐波系数整定范围为15％-20％，但此二次谐波整定值并没有指定是应用于何结构的变压器，也没有指定应用于何种幅值相位校正的差动保护。普遍都采用导则中规定的15％-20％制动系数是否合理，现场也对使用过程中的一些问题也产生过疑惑[4]。这些因素主要原因是三相涌流不同于单相变压器涌流，单相变压器的空载合闸涌流等于该变压器的励磁电流，而Y0/△-11接线的变压器，在Y0侧空载合闸时，由于△侧存在环流，其Y0侧的相电流其是由该相励磁支路的电流与环流叠加而成，在有些情况下，Y0侧某一相的线电流中也会出现对称性涌流，而不是一般意义上的偏于一侧的涌流，需要进行充分的研究和分析。2变压器差动保护的幅值相位校正方法由于变压器各侧的额定电流、相位在正常运行时不一致，因此在形成差动电流之前，一般要进行幅值相位校正。常规差动保护一般通过CT一次接线方式来进行转角，而在数字保护中可通过软件来校正，CT一次侧统一接成Ｙ形。为简化分析，本文以Y0/△-11接线的变压器为例，并设其两侧绕组的匝数相等。在软件中有两种不同的转角方式，一种是常用的相间差动方式，高压Ｙ0侧的转角公式为：（1）,,为转角以后的Y0侧ABC三相电流；,,为流过Y0侧绕组的ABC三相电流，经过式（1）后，Y侧臂电流中就不包含有零序电流。低压△侧的转角公式为：（2）,,为转角以后的△侧ABC三相电流；,,为流过△侧ＡＢＣ三相线电流。从式（1,2）中可看出，幅值相位校正后两臂电流中其实是由高压Y0侧与低压△侧两相的绕组电流差构成的，其电流的构成量是一一对应的，校正后的电流不包含Y0侧的零序电流与△侧的零序环流。（1）式减（2）式得到各相的差动电流为：（3）从式（3）可以看出，该转角方式的变压器差动是相间差动原理，在正常运行或区外故障时，各相的励磁电流ima,imb,imc很小，各相差动电流理论上等于零。另外一种幅值校正方法是基于减零序电流的电流差动原理，在Y0侧减去零序电流：（4）其中i0为Y0侧的零序电流：（5）低压△侧的转角方式为：（6）△侧的线电流是由△侧绕组电流构成：（7）且△侧的环流iD等于：（8）由（6,7,8）可以推导得到△侧校正后的电流为：（9）将式（4）减去式（9）得到各相的差动电流为：（10）从式（10）可以看出，基于减零序的分相电流差动保护原理，其幅值相位校正后两臂电流中不包含高压Y0侧的零序电流与低压△侧的零序环流，两臂电流分别由其对应的绕组电流构成。其在正常运行或者区外故障时，由于励磁支路的电流可忽略，且，因此各相的差动电流为零。式（3）与式（10）表明，变压器在正常运行与区外故障时，由于励磁支路电流很小，因此差流很小，差动保护可靠不动作，但在空载合闸励磁涌流时，由于其励磁支路的电流不能够忽略，将出现差流，并且以上两种不同的转角方式，其差流的涌流特征就有很大的差异，下面将分析涌流中二次谐波含量特征。3涌流中的二次谐波含量分析以下图为例，其三相绕组为接线，各相磁路完全独立，即三相变压器由三个单相变压器组成，相与相之间不存在磁场的耦合，进行仿真计算。（a）接线图(b)单相等效图图1变压器的三相接线和单相等效电路Fig1Thesinglephaseequivalentcircuitoftransformer将△侧的电压电流经过变比归算后，得到图（1b）的单相等效电路，该变压器微分方程描述[2]：（11）由于外加激励三相对称，即，且，计及i0与iD的初始值相等，将式（11）中三式相加可以推导得：（12）由图（1b）可得：（13）由（13）推导得：（14）计及变压器两侧漏抗相等，即，将（12）代入（14），可以解得侧的环流为：（15）将式（15）代入式（13）并化简得到Y0侧各相线电流：（16）三相变压器Y0侧空载合闸时，由于饱和相的励磁电流通过非饱和相，非饱和相的二次侧必然感应出电流来抵消该电流，这电流就是侧的环流，环流iD对非饱和相是去磁的，但对饱和相是助磁，该现象称为涌流的助增作用[1,2,3]。因此高压侧TA测量到的励磁涌流，并非三相各自的铁芯磁化电流、、，它由各相的励磁电流与环流构成（13），同时侧的环流可由三相励磁电流、、求得（15），因此三相电流分别都和、、有关，要求出各相线电流，就首先要求出、、。在忽略漏抗上压降的情况下，以A相为例：（17）各相的磁链主要和电源电压、各相铁芯剩磁有关，工程上计算三相铁芯的励磁电流方法，可以根据高压侧各相电源电压，先独立求解出磁化电流，再用式（16）计算三相线电流。以第二种基于减零序转角方式为例，高压侧幅值相位校正后的电流为：18式（18）可以化简为：（19）得到了Y0侧经过校正后各相电流的表达式后，就可以来分析各相涌流中二次谐波的特征。文献[10]推导了励磁涌流的傅里叶级数表达式，即：（20）其中n为谐波次数，Um为电源电压的峰值，Sa（）为采样函数，为涌流的波宽。由此可以得到励磁涌流中基波与二次谐波相位差为：。即偏向于时间轴正侧的涌流基波与二次谐波的相位差为0°，偏向于时间轴负侧的基波与二次谐波的相位差为180°。如图（2）所示相量平面，为了能将基波与二次谐波进行比相，将基波倍频，所以A1,B1,C1之间相位差为240o，类似为负序，以A1相为基准，如A相的励磁电流ima偏向于时间轴正侧，则其二次谐波相量ima2应与A1同相，如励磁电流ima偏向于时间轴负侧，则其二次谐波相量ima2与A1反相，在某个时刻B相二次谐波imb2的正方向在B1相量方向，C相的二次谐波imc2相量的正方向在C1相量上。图（2）三相励磁电流中基波与二次谐波相量图Fig2thephasorofbaseand2ndharmonicinthreephaseinrushY0/△-11接线的变压器，其Y0侧转角后的电流由三相的励磁电流共同决定，如果三相的二次谐波满足一定的数量和相位关系，那么极有可能会导致某一相的励磁涌流中的二次谐波含量很小，甚至等于零，引起二次谐波制动不住，导致差动保护误动，该现象也曾经见过报道[7,9]，因此必须要引起一定的重视。为简化计算，以（19）为例，从图（2）中可以看出，如果二次谐波的含量满足如图中所示情况，即AC相二次谐波含量相同，且都偏向于时间轴负侧，B相涌流偏向于时间轴正侧，其二次谐波的大小分别为：（21）根据式（19）得到校正后的高压侧各相电流二次谐波含量为：（22）此时经过归算后B相的二次谐波含量为零，同时通过计算，其它两相涌流的二次谐波含量也较归算前有所减小。但是如按照第一种相间电流差的归算方法，可以得到高压侧归算后的电流为：（23）其二次谐波含量为：（22）由于归算后的三相高压侧电流为两相励磁电流的差除以，以为例，在三相电力变压器励磁支路的励磁涌流中，根据以上关于二次谐波的相位分析结论，二次谐波相量一般不在一条直线上，无论中的二次谐波含量多少，只要中有一相二次谐波含量较大，其转角后的二次谐波都能够保证一定的含量。而式（18,19）转角后高压侧电流是由三相励磁电流构成，在一个平面内的三个相量必然线性相关，总有可能在某些条件下，三相涌流通过线性组合后二次谐波互相抵消，使得转角后高压侧电流某一相电流的二次谐波为零或接近于零，但剩下的其它两相其二次谐波应该相对比较大。以图2中的为例，当中的二次谐波相量分别满足式（21）的条件时，通过式（19）中作用后，中的二次谐波含量等于零，如此时差动保护采用分相电流差动，那么该相的差动保护将会误动；如果采用或制动，或许可以不引起误动。同时分析发现，二次谐波含量比较小的相，对三次谐波来说是增强的，如下图所示，对于ABC三相励磁支路来说，涌流中基波与三次谐波的相位差也具有二次谐波相位的特征，即偏向于时间轴正侧的涌流基波与三次谐波之间的相位差为0o，偏向于时间轴负侧的涌流其基波与三次谐波夹角为180o，但是三次谐波ABC三相之间相差360o，因此三次谐波具有类似零序的性质，如图3所示为涌流中基波三倍频与三次谐波的相位关系。A1、B1、C1同方向，由上面分析可知，AC相涌流偏向于时间轴负侧，因此AC相三次谐波在负方向，B相涌流偏向于时间轴正侧，因此B相三次谐波在正方向，如图（3）为旋转平面图：图（3）三相励磁电流中基波与三次谐波相量图Fig3thephasorofbaseand3rdharmonicinthreephaseinrush下面将通过仿真与实际故障录波进一步说明。4仿真与实际录波实例图（4）空载合闸时各相励磁电流与零序环流iDFig4theenergizinginrushandcirculationcurrentiD变压器为接线方式，一次侧为接线方式，A相电压合闸角为120o，，，，通过仿真计算得到变压器侧空载合闸的结果。从图（4）可以明显的看出，从高压Y0侧空载合闸时，ABC三相的励磁支路的励磁电流具有明显的涌流特征，其二次谐波含量也相对较高，但是用式（4）进行幅值相位校正后，高压Y0侧ABC三相转角后的电流波形于励磁电流的波形特征相差很大。如图（5）所示。图（5）幅值相位校正后的ABC三相电流波形Fig5currentofphaseABCbyrevisemethod从中可以看出，B相出现了类似于内部故障短路电流的特征，其波形与二次谐波见图（5）。从图（6）中看出，B相电流类似二次工频正弦波，二次谐波含量非常小，差动保护很难区分是区内故障还是空载合闸涌流，会引起B相差动保护误动，如采用分相电流差动，B相差动动作跳三相，那么必然导致变压器差动保护误动。同时分析可以知道，A、C相的二次谐波也有不同程度的下降，但是还是能够满足15％的制动条件，为了保证差动保护在空载合闸的时候不误动，可将该原理设置成三相或制动模式，同时从图（5）可以看出，差动电流中的三次谐波含量很大，在20%以上，三次谐波的含量是增强的，可以增加三次谐波辅助制动判据。图（6）B电流波形及其二次谐波含量Fig6thewaveformofphaseBandits2ndand3rdharmoniccontent文献[9]报道了一次现场基于减零序原理出现的误动现象，但是并没有分析出变压器差动保护在空载合闸涌流时误动的原因，现将录波图与描述引用如下：图（7）一次实际误动的C相差流与二次谐波含量图Fig7thewaveformofphaseBandits2ndharmoniccontent从图可以看出C相差流的二次谐波含量在10%以上，且逐渐变大，最后才达到14%以上（0-20ms和80-100ms的量是由于采样数据窗暂态造成全波傅氏算法的误差）。根据上述二次谐波含量的分析图，可以看出由于C相差流的励磁涌流判据中的二次谐波含量小于二次谐波闭锁整定值（整定值为15%），C相涌流的初始波形对称性极好，基于波形对称原理差动保护也出口跳闸，而波形对称原理从本质上看是一种偶次谐波制动原理的推广，因此造成了二套不同涌流制动原理的差动保护同时跳闸的现象。但从该波形后面的部分可以看出，该波形出现了对称性畸变，含有丰富的三次次谐波含量，应该充分应用。图（8）实际现场测录到的三相涌流Fig8thethreephasecurrentwaveformoftransformeratsiteexperiments图（8）为实际现场变压器启动试验中的录波数据，可以看出，由于侧环流的助增作用，引起变压器Y0侧的涌流与单相涌流不同，其中B相出现了对称性涌流，但是其励磁支路的电流特征应该和单相变压器的涌流特征相似。对比上面的变压器仿真、保护误动录波，现场启动录波波形特征可以看出，由于侧环流的助增作用，引起三相涌流出现新的特征，其对变压器差动保护的影响也不容忽视，并且其误动原因应该和转角方式有关，需要引起广泛的关注。5结论建议措施论文讨论了零序助增作用给变压器差动保护带来的影响，并分析了不同原理变压器差动保护在涌流情况下的特性，通过对两种不同原理差动保护的分析，可以得到以下结论：（a）变压器差动保护躲励磁涌流的性能与差动保护的原理有关，基于相间电流差的差动保护原理，经过幅值相位校正后，由于其幅值相位校正后的电流只和两相励磁电流有关，其二次谐波含量的损失较小，对基于二次谐波或波形对称原理的变压器差动保护影响较小。（b）基于消除零序的差动保护原理，其在区内故障时，灵敏度较高，但在涌流的情况下，由于其校正后的电流与三相励磁电流都有关，在某些情况下，可能会使得三相励磁电流中的二次谐波含量相互抵消，引起二次谐波制动原理失效，导致差动保护误动，但其它两相的二次谐波可能含量较高，同时通过分析可以发现，二次谐波含量较小差动电流中含有丰富的三次谐波分量，因此更为有效的方法采用三次谐波辅助判据，但三次谐波的整定值的大小需要进一步的探讨。本文中采用的变压器模型由于采用三相磁路相互独立，因此结论只适用于三相五柱式或三相分体变压器，对于三相三柱的变压器，由于三相磁路之间本身存在耦合，理论上看，如将△绕组开断进行空载合闸，Y0侧还可能出现对称性质涌流，因此需要充分考虑三行磁路耦合的变压器模型，进行深入的研究。参考文献王维俭，候炳蕴(WANGWeijian，HOUBingyun)大机组继电保护理论基础(TheTheoryoflargeGeneratorandTransformerProtection)[M]北京：水利电力出版社(Beijing：HydraulicandE1ectricPowerPress)，1989．史世文(ShiShiwen),大机组继电保护(Largescalegeneratortransformerunitprotection)[M],水利电力出版社(BeijingHydraulicandElectricPowerPress),1987陈增田(ChenZengtian).电力变压器保护（第二版）(ProtectionofTransformer).北京：水利电力出版社(HydraulicandE1ectricPowerPress)[M]，1989李本瑜(LiBenyu),RCS-978变压器保护二次谐波制动系数整定值探讨(SettingproblemforcoefficientofsecondaryharmonicssuppressiononRCS-978transformerprotectionset),继电器(Relay),2004.8vol32(15).74:75邓祥力,刘世明(DengXiangli,LiuShiming),变压器保护两种转角方式的比较Comparisonoftwocurrentcompensationmethodsintransformerprotection),继电器(Relay),2004.8vol32(16).陈松林,李海英等(ChenSongLin，LiHaiying，eta1)RCS-978变压器成套保护装置(RCS-978DigitalTransformerProtectionSet)[J].电力系统自动化(AutomationofE1ectricPowerSystem)，2000，24(22)：52-56.陈松林,变压器保护应用中一些技术问题的探讨,2004电气主设备保护会议,中国南京.丁网林,骆健,刘强,零序电流对数字变压器差动保护Y,d矢量变换的影响及对策(DingWanglin,LuoJian,LiuQiang,EffectofZero-sequenceCurrentonStar-deltaVectorTransformofDigitalTransformerDifferentialProtection,),电力系统自动化,2004,vol28(5)电力系统自动化,(AutomationofE1ectricPowerSystem),2004,vol28(5)吴奕(WUYi),主变空载合闸涌流造成微机差动保护跳闸的分析与建议(AnalysisandSuggestiontoDigitalDifferentialProtectionbytheEffectofRushCurrentWhenPoweronaUnloadedTransformer),江苏电机工程,2004.6[10]袁宇波（YuanYubo）,自适应变压器差动保护原理与方法的研究，东南大学电气工程系博士学位论文，2004.1TheInfluenceAnalysisonY/DeltaTransformerDifferentialProtectionbyAdd-assistCirculationCurrentatDeltaSideYUANYu-bo1,2，LUYu-ping2，WangXijun2，ChenJiuLin1,LIChen1(1.R&DCenterofJiangsuElectricPowerCo,Nanjing210036,JiangsuProvince,China)2.ElectricalEngineeringDepartmentofSoutheastUniversity,Nanjing210096,JiangsuProvince,China）ABSTRACT：Inrecentyears,Somenewphenomenahavebeenobservedwhenrecordingdatawaveforms,whichleaddifferentialprotectionmal-operations..Ithasbeendiscoveredthatonephaseofinrushcurrentindifferentialcalculatingcurrentissimilartotheinternalfaultcurrent,andthevalueofitssecondharmoniccomponentisalmostequaltozero,whichisverysmallandlowandcausesatransformerdifferentialrelaymal-operation.Inthispaper,thecausesofthiskindofmal-operationsareanalyzed.Itispointedoutthatthestrategyofanglecompensationindifferentialprotectionhasagreatinfluenceonmal-operations.WhenenergizinganunloadtransformeronY0side,thecirculatingcurrentindeltasidemayeliminateordistortinrushcurrentwaveformsonY0side.Thiskindofeliminationeffectphenomenonininrushcurrentiscalledtheaffectionofadd-assistcurrent(AA)ininrush.ItisalsostudiedhowAAcurrentimpactontheperformanceofdifferentialprotectionperformancewithtwodiff