电力变压器励磁涌流识别与差动保护技术

电力变压器励磁涌流识别与差动保护技术

1变压器差动保护的技术随着我国长距离输电线的使用越来越广泛，越来越多的大型输电站也在增加，对核电站保护的可靠性和速动性提出了更高的要求。但是,目前变压器保护的正确动作率却远远低于其他保护,而变压器本身造价昂贵,一旦因发生故障原因受到损坏,其检修时间长、难度大、费用高、影响大,就会成为影响安全生产和日常生活的瓶颈。因此,在保证其安全运行的同时,在技术上还要尽可能减少故障和缩小故障带来的影响,特别是要千方百计防止保护装置的拒动或误动。长期的运行经验表明,如何能够正确地鉴别励磁涌流和内部故障电流,有效防止变压器保护装置误动或拒动,是变压器差动保护的关键问题。本文介绍了励磁涌流的产生及其特征,分析了各种励磁涌流识别方法的原理、优缺点及应用情况,并展望了变压器差动保护的技术发展前景,有望对变压器的安全运行起到一定保护作用。2励磁流的产生及其特点2.1变压器铁芯饱和时磁流物质差动保护的理论依据是基尔霍夫电流定律,励磁电流通过电流互感器构成差动回路中不平衡的一部分,其产生的根本原因是变压器铁芯的饱和。在正常运行的情况下,铁芯没有饱和,励磁电流只有额定电流的百分之几,一般不必加以考虑。但是,当空载变压器突然合闸或变压器外部短路被突然切除而端电压突然恢复时,变压器铁芯中的磁通会急剧增大,一旦铁芯饱和,将会出现数值相当于额定电流5～10倍的冲击励磁电流,称为励磁涌流。这样大的不平衡电流就必然会导致差动保护误动。2.2励磁涌流的特征(1)励磁涌流的峰值很大。其最大峰值出现在合闸后大约半个周期的瞬间。变压器的容量越大,涌流的峰值反而越小。(2)励磁涌流含有数值较大的高次谐波分量,尤其是二次谐波。因此,涌流的变化曲线为尖顶波。(3)励磁涌流的波形在最初的几个周期会出现间断角(间断角说明铁芯在不饱和区内工作,涌流则对应铁芯在饱和范围)。涌流峰值越大,变压器容量越大,间断角越明显。(4)励磁涌流含有很大的非周期分量,使得涌流波形在最初几个周期内完全偏于时间轴的一侧。(5)励磁涌流的产生受合闸角度、变压器铁芯剩磁的影响,其波形与系统电压和等值阻抗、三相绕组接线方式、中性点接地方式,以及三相铁心结构等因素有关。(6)励磁涌流的衰减时间常数与铁芯的饱和程度、变压器至电源间阻抗的大小、变压器容量和铁心材料等因素有关。一般情况下,变压器的容量越大,越靠近电源,其衰减时间越长;铁心越饱和,电抗值越小衰减越快。3对压裂磁流识别方法的比较3.1波形检测方法3.1.1次谐波动作值励磁涌流比短路电流含有的二次谐波成分要高很多,因此该方法就是利用差流中的二次谐波分量与基波分量幅值比的大小来判断励磁涌流是否存在。判别方程:式中,I1、I2分别为差流中的基波电流和二次谐波电流幅值;Kdz为整定的二次谐波动作值。当大于动作值时,判定为励磁涌流,保护闭锁。虽然该方法原理简单明了,也有多年的运行经验。但是仍然面临以下一些问题:(1)制动比不易确定;(2)傅氏级数的谐波分析方法只适用于稳态交流分量,若对励磁电流这样的暂态信号进行周期延拓,会导致误判;(3)现代大型变压器励磁特性的变化,减少了涌流中二次谐波的含量,而大容量变压器和远距离输电的发展,又增加了内部故障时暂态电流中含有的二次谐波,从而造成保护延时动作。3.1.2周波的预处理虚拟三次谐波制动的方法是利用励磁涌流中信息量最为丰富的以尖脉冲为中心的半周波形作为前半周信息,将此半周信号“平移、变号”虚拟构成后半周信息,前后合起来构成一个完整的周波信息。该方法可避免因某一相二次谐波含量过低而引起保护误动的情况。但也存在一些问题:(1)直流分量的影响。一恒定的直流分量,用平移反号法产生后半周信号时,形成的方波中的基波与尖脉冲中的基波是相同的,而他们的三次谐波却是相反的,这不利于该保护判据的应用。(2)数据窗位置的影响。用半波工频周期的数据窗截取后进行拟合时,得到的制动比与数据窗在信号中的位置有关,因此所确定的谐波比并不一定是最佳状态。3.2表面展览法3.2.1设置过励磁保护间断角原理是利用短路电流波形连续变化,而励磁涌流波形存在较大间断角这一显著特征作为鉴别判据的方法。采用的一般判据为:间断角大于60°,为励磁涌流;当间断角小于65°且波宽大于140°时,为内部故障。其优点是:能较清楚地区分变压器励磁涌流和内部故障电流;一般采用分相涌流判别方法,在出现变压器内部故障时能迅速跳闸;具备一定的过励磁能力。但在微机保护时代,又存在着以下缺点:(1)当电流互感器饱和时,在涌流的间断角区域将产生反向电流,会导致间断角畸变,可能导致保护误动;而出现内部故障电流,电流互感器饱和将使差流的间断角增大,且饱和越严重,其差流间断角越大,可能导致差动保护拒动。(2)需准确的测量间断角,增加了对CPU的要求。(3)由于励磁涌流较小,而A心转换芯片在0点附近转换误差最大,因此需要选用高分辨率的A/D转换芯片。3.2.2励磁涌流故障判定波形对称原理是指先将流入继电器的差流进行微分,再对微分后差流的前后半波进行比较。设差流导数前半波某一点的数值为I′i,后半波对应点的数值为I′i+180,波形对称系数为K,若满足,为内部故障电流(故障电流前后半波都有明显的对称性);而励磁涌流由于间断角的存在,所以至少有1/4周期以上的点不满足该判别式。该方法虽然克服了间断角原理对微机保护硬件要求过高的缺点,也较易实现,但当故障电流畸变严重时,可能会有延时出口的问题。3.2.3压器内部故障电流和励磁涌流的计算波形相关性原理是利用励磁涌流饱和段与非饱和段波形之间的形状、大小和变化率的不同来区分变压器内部故障电流和励磁涌流的。通常是先将一周波数据窗内的波形用适当的方法重组成两部分,再计算这两段波形的相关系数若J接近1,为内部故障电流(其前后半周波基本一致);励磁涌流的J值则相对较小。但该方法也面临着相关系数不易确定及如何确定被比较两段波形的问题。3.3励磁电流+内部事故电流磁通特性识别法是利用内部故障和励磁涌流两者的变压器磁链一差流曲线的差别,来区分励磁涌流与内部故障电流的。虽然该方法完全摆脱了励磁涌流和过励磁电流的困扰,而且也不再以励磁电流的波形特征来区分内部短路和空载合闸异常工况。但需要用到具体变压器的漏感参数,而测量不准或发生变化的参数可能会导致误判,同时门槛值需要用试验来确定,这也使得保护整定变得更加复杂。3.4正常运行状态等值回路法是一种基于等值回路平衡方程的变压器励磁涌流识别方法。在正常运行状态或励磁涌流条件下,原副边回路方程的值为零;而在变压器发生内部故障时,由于其内部结构参数及绕组电流发生了变化,因此回路方程值不再等于零,以此对励磁涌流和内部故障电流进行区分。3.5变压器内部故障的鉴别功率差动原理是利用正常运行时,变压器消耗的有功比较小(铜损和铁损之和小于变压器容量的1%);励磁涌流时,由于绕组在储能,第一个周期流入变压器的有功较大,但第二个周期之后,变压器消耗的有功功率也比较小;而变压器发生内部故障时,将消耗大量有功这一特征,从而根据变压器消耗的平均有功功率与预先设定的门槛值进行比较来鉴别励磁涌流和内部故障。该方法虽然不再纠结于涌流波形特征,但也存在需要避开涌流第一周期的充电过程、不易整定等问题,应用于实际还有一定困难。3.6基于智能理论的识别方法3.6.1综合模糊化后的各自联系统基于模糊控制的鉴别原理是指对多个输入量和现有的多个保护判据(二次谐波含量、低电压判据、差流波形对称性、铁芯饱和程度等)给予不同的置信度,然后进行综合模糊化,即:式中,ωi(i=1,2,3,4)对应判据的权重;ui(i=1,2,3,4)对应模糊逻辑中的隶属函数。这种方法综合了多种判据的优点,弥补了各方法的不足,提高了保护的可靠性,体现了智能化的特点。但模糊逻辑中如何选择权重与隶属函数也成为这种方法的瓶颈,需要科研工作者进行深入研究。3.6.2原理和设计步骤人工神经网络(ANN)拥有优秀的模式识别能力,通过对神经网络进行训练,可以对电压电流波形及诸多特征量进行识别。因此可以将该方法应用于变压器内部故障和励磁涌流判别,其设计步骤通常包括:(1)确定ANN类型。(2)确定输入和输出层中各节点数目。(3)隐含层及其节点数需多次试凑确定。(4)选择传递函数。(5)获取训练样本。(6)数据预处理。(7)训练,并对已训练好的神经网络进行测试。虽然ANN具有较强的自学习能力和自适应能力,但是神经网络需要对样本数据进行大量的训练,样本数据的获取和预处理的工作量也很大,且很难保证训练样本集的完备性,易造成误判。3.6.3小波分析应用于励磁涌流鉴别小波变换具有良好的时域和频域特征,非常适用于分析非平衡信号,能准确提取信号的变化特征。目前,小波分析应用在励磁涌流鉴别方面,主要集中于高次谐波检测和奇异点检测这两个方面。它虽然克服了傅里叶变换只能适应稳态或准稳态信号分析的缺点,但需要较高的采样频率来获得高频分量,另外系统谐波和环境噪声也可能对其产生影响,小波分析法的实际应用还有待进一步研究。4其它常用的波制动原理通过以上列出的目前比较常用的励磁涌流鉴别方法和一些基于现代智能控制理论的识别方法的分析,我们不难发现:长期以来,虽然变压器励磁涌流识别的方法多种多样,但实际反映出的效果还不够理想,如:二次谐波制动原理虽已经有多年的运行经验,在微机保护中也比较容易实现,但还是达不到理想的运行成效,不能满足现代电力系统变压器保护的安全要求。除此之外,还有很多新的识别