牵引变电所变压器间的供电结构及运行维护

牵引变电所变压器间的供电结构及运行维护

0考虑变压器运行状态的等效方法作为主要的故障排除阻滞器，差动保护可以在现场应用中很好地检测区域外故障和区域故障，但在区分磁体涌流和故障电流的过程中并存在错误。此外，由于磁体涌流和应涌流的影响，有时会发生故障泄漏。误动不是误动发生在相关压压上，而是正常运行的压压器，其隐蔽性强，损坏大。由于牵引供电的特殊性以及牵引变压器工作环境要比电力变压器更加恶劣,因此,有必要寻求更为可靠的和应涌流识别技术闭锁差动保护,以防止误动发生。文献利用非饱和区等效瞬时电感的算法识别和应涌流,该算法能够正确反映变压器的运行状态,较为准确地识别和应涌流,但计算较复杂。目前,牵引供电系统中采用差电流中的综合谐波(2次谐波、3次谐波)含量作为变压器差动保护的闭锁判据,但一方面谐波判据不易准确整定,另一方面和应涌流与励磁涌流的特点不同,现有谐波判据适用性差。文献依据变压器区内故障与区外故障时差动电流与制动电流存在不同时差的基本原理,根据和应涌流中合闸时刻产生和应涌流侧的线电流突变时刻与差流出现时刻存在时间差的理论识别和应涌流,该方法适用于含有三角形接法的牵引变压器,如YNd11、平衡接线主变压器;但对于不含有三角形接法的V/V和Scott牵引变压器等,由于不存在环流影响,该算法无法检测线电流的突变时刻,因此并不适用。文献提出了基于虚拟差流的识别方法,能够实现按相制动的效果,但该方法利用电流的波形特征进行涌流的识别,对于和应涌流导致电流互感器出现暂态饱和的情况,差流近似为正弦波,此时基于虚拟差流的涌流识别方法在识别此类和应涌流时具有一定的局限性。因此,需要有一种更可靠、更通用的方法识别和应涌流,防止和应涌流对差动保护带来不利的影响。结合牵引变压器运行特点,本文从变压器励磁电压变化会引起励磁电流变化的角度出发,以V/V接线牵引变压器为例,由变压器励磁电压的负序平均值比值的大小近似得出牵引变压器的故障或空载合闸时刻,根据差流出现时刻与变压器合闸时刻存在时间差的特点识别和应涌流。该算法具有原理简单、易于实现的特点,且不受差流谐波含量和变压器连接方法的影响,具有更为广泛的适用性。1级联和应涌流的产生在牵引供电系统中变电所电气主接线如图1所示,其中T1为运行牵引变压器,T2为备用变压器,S1—S4为断路器,α和β为变压器副边相,为了保持供电的可靠性,采用不同的供电电源1和电源2。从供电的结构分析,该系统发生并联和应涌流的可能性较小,但发生级联和应涌流的可能性较大:①若S2接触不良或由于某种原因在S1断开而S2或S3因绝缘不良造成断路器误合闸时,会在T2的副边侧产生励磁涌流,同时在T1的原边侧产生级联和应涌流;②在自耦变压器(AT)供电模式下,许多AT是并行接在馈线上,若T1处于运行,S4合闸为AT所空充时同样会在T1侧产生级联和应涌流。通过上述分析可知,牵引变电所中存在级联和应涌流的可能性。针对2台单相变压器级联和应涌流的电气连接图如图2所示。图中:us为电源;Rs为系统等效电阻;rp1和rs1分别为T1原边和副边绕组的等效电阻;rp2和rs2分别为T2原边和副边绕组的等效电阻;S为合闸开关;T1正常运行,T2空载合闸。根据图2可知,在空投变压器T2未投入运行时,T1处于空载稳定运行状态,运行变压器T1中只存在励磁电流。当T2合闸时,会在T2的合闸侧产生励磁涌流(见图3(b)),此时在T1侧的电流为T2的励磁涌流与T1励磁电流之和。经过数个周期后,由于励磁涌流中的直流分量在Rs上的积累导致T1变压器达到磁链的反向饱和点,此时会在超过反向饱和点的区域产生与励磁涌流相反且有间断角的和应涌流。可以看出,在变压器的合闸时刻与和应涌流的发生时刻之间存在着时间差,这主要是由于从变压器的合闸到T1磁链的反向饱和需要时间。随着磁链的负向积累,T1的饱和程度加深,和应涌流也不断增大(见图3(c))。在T1的磁链积累达到0时,和应涌流达到最大值,随后和应涌流会衰减至稳定运行状态。2牵引变压器励磁电压暂态性的变化变压器发生内部故障时,即使电流互感器出现饱和,差动电流与制动电流之间也不存在时间差;外部故障时,即使电流互感器出现饱和,差动电流与制动电流的出现时间也会存在时间差,可以根据该时间差作为电流互感器饱和及变压器故障的识别算法。然而,在牵引变压器发生级联和应涌流时,运行变压器侧励磁涌流与和应涌流交替出现,且变压器的合闸时刻与和应涌流的出现时刻存在着较大的时间差,因此,基于时差法的思想,可以通过检测变压器的合闸时刻与和应涌流的出现时刻鉴定出和应涌流。检测和应涌流的发生时刻可以根据牵引变压器出现和应涌流时总是伴随着差流的出现这个基本原理来实现。因此,此判据的关键所在是如何鉴别合闸时刻。通过上述和应涌流的发生情况可知,在T2未空投时,T1空载稳定运行,T1励磁电流较小,Rs的压降较小,T1的励磁电压不会发生变化,励磁电压的不平衡度维持在一个相对稳定的状态,如图4中t1～t2时段所示。在T2合闸后,T1侧的电流为T2的励磁电流与T1的励磁涌流之和,该电流在Rs上产生较大的电压降,致使T1的励磁电压发生较为显著的变化,导致T1励磁电压的不平衡度迅速增大,如图4中t2～t3时段所示。在合闸操作后由于励磁涌流的衰减,励磁电压不平衡度开始下降,见t3～t4时段。牵引变压器在发生外部故障、内部故障、励磁涌流以及和应涌流时,在故障发生或合闸后,在由稳定运行状态向上述状态转换的瞬态过程中在系统电阻上的压降会突然增大,导致变压器励磁电压的负序电压增大,致使变压器励磁电压的电压不平衡度上升。经过一定时间的衰减后,励磁电压变化的暂态过程结束,负序电压降低,励磁电压的不平衡度会稳定在一个稳定状态,如图4所示。从图中也可以看出:相邻数点的平均值也总是在不断变化,该平均值在合闸时刻突变比较严重,因此,可以定义相邻计算平均值的比值为:k=1j∑i=n−j+1nU2(i)1j∑m=n−jn−1U2(m)=∑i=n−j+1nU2(i)∑m=n−jn−1U2(m)k=1j∑i=n-j+1nU2(i)1j∑m=n-jn-1U2(m)=∑i=n-j+1nU2(i)∑m=n-jn-1U2(m)(1)式中:k为从n-j+1时刻至n时刻j个点平均值与从n-j时刻至n-1时刻j个点平均值的比值;j为点数;U2为由励磁电压计算得到的负序电压值,见附录A。当牵引变压器正常运行时,变压器励磁电压的不平衡度基本不变,所计算得到的k值接近于1。在出现故障或有变压器合闸操作时,变压器励磁电压负序电压相邻3点平均值(以每周期采样24点为例)的比值会在合闸的瞬间较小,在电压不平衡度出现明显变化后,比值才会变大。由于负序电压平均值的变化量计算时需要一定的数据窗,这就导致了部分数据是合闸或故障前的,部分数据是故障或合闸后的,在故障或合闸的瞬间其突变特征由于傅里叶算法的特性而被削弱,但随着故障或合闸后参与计算负序电压的点数增多,其突变特征会变得明显,因此,将其突变时刻近似认为是故障或合闸时刻。文中选取kth为门槛值作为区分故障或变压器合闸操作与正常运行的分界线。考虑到正常运行时,电压不平衡度的波动较小,kth≈1;而在变压器故障或存在变压器合闸的暂态过程中,变压器的电压不平衡度变化较大,选取一定的裕量后,取kth=2。若满足k>kth,可认为负序电压出现突变,则变压器可能出现故障或变压器合闸操作。对于差流出现时刻的判断可以以变压器差动保护的最小动作电流作为选取依据,如果差动电流大于最小动作电流,则认为差流出现,否则认为差流没有出现。在合闸或故障的瞬间,负序电压平均值的比值较低,在经过数毫秒时间以后才会超越门槛值。对于励磁涌流和内部故障电流,可以检测出该近似合闸时刻的差流满足差动保护,不存在时间差;而外部故障和级联和应涌流的开始阶段差动电流很小,不满足差动保护。由于级联和应涌流的出现通常要比合闸时刻晚一个周期以上,因此,可以将负序电压平均值的比值大于门槛值的时刻近似认为是牵引变压器发生故障或合闸时刻,而不会对级联和应涌流的判别结果造成影响。在检测到比值大于门槛值时,记录该时刻t1,同时检测该时刻的差流,若差流满足差动保护,可认为变压器发生励磁涌流或内部故障,此时可进一步通过励磁涌流识别算法识别励磁涌流;若经过一段时间以后出现差流,记录该时刻t2,同时检测k的大小,若k不满足k>kth的条件,并且t2与t1之间存在T/2以上的时间差(T为每个周期的时间),可认为变压器没有发生转换性故障,即可判别为和应涌流;若没有出现差流,则为外部故障电流。满足k>kth的点数与j值的选取有关,j值较小时负序电压突变较易启动。为消除现场扰动对判断结果的影响,算法中选取j=3,计算相邻3个点的负序电压平均值,平均值合闸后的3～5个点以内会超越文中所设定的门槛值,对合闸一周期内出现和应涌流情况的判断也有足够的灵敏度。3实验频率和频率为了验证级联和应涌流识别算法的有效性,在清华大学电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室进行了动模实验,牵引变压器采用单相变压器接成V/V接线变压器,进行了多组空载合闸、空投匝间故障、级联和应涌流等实验。为了离线分析算法的有效性,对实验波形进行了录波,录波装置的采样频率为1200Hz。单相变压器的参数为:额定容量1.5kVA,高压侧电压230V,低压侧电压230V,高压侧额定电流6.52A,空载损耗21W,空载电流0.175A,短路损耗0.31%,短路阻抗13.4%,漏电感0.035H。实验中合闸时刻为0.42s,系统相电压为220V。在序分量的计算中,通常选取特殊相作为基准相,但对于非故障的系统来说,可以选取任一相作为基准相,文中对于非故障的实验,以A相作为基准相。1励磁涌流对系统运行状态的影响图5(a)所示为0.42s发生空载合闸时,牵引变压器的励磁电压波形。可以看出,在牵引变压器发生空载合闸时的各相电压与发生空载合闸之前的电压相比,三相均发生了比较严重的变化,此时三相不平衡度较大。结合图5(b)中三相励磁涌流可以看出:在发生励磁涌流时,励磁涌流较大,在传输线路上的电压损耗也相应较大,相应地系统公共侧各相的励磁电压也出现了明显的较大缺损。经过数个周期后,励磁电流衰减至稳定运行状态时,励磁电压也基本恢复至稳定状态。如图6(a)所示,波形为发生励磁涌流时A相负序电压的幅值变化情况,在空载合闸后很短的时间内负序电压值很大,经过1个周期的衰减后,负序电压值变得很小;图6(b)为由式(1)计算得到的负序电压平均值的比值,A相负序电压平均值的比值在0.4235s时刻的值大于门槛值kth,A相在0.4235s时刻基波含量值为6A,满足差动判据,可以判定该电流为非和应涌流。可以继续通过励磁涌流的识别方法识别出励磁涌流与内部故障电流。2a、b两相励磁电流特征图7(a)为牵引变压器空投于A相4%匝间短路故障时的各相励磁电压波形,在变压器空投合闸后,励磁电压发生严重变化,根据发生励磁电流时的结论,此时电压的不平衡度增大。通过图7(b)中各相励磁电流可以看出,在空投于匝间故障时,A相与C相除了有涌流的特征外,还有故障电流的特征;而B相没有故障,B相呈现的是励磁涌流的特征,并且经过数个周期后电流衰减至稳定状态。在图8(a)与图8(b)中可以发现,负序电压及负序电压平均值的比值在0.47s的时间内有上升阶段,这可以通过变压器的励磁电流解释说明,在图7(b)中0.46s以前励磁涌流值较故障电流值大得多,电流特征以励磁涌流为主,故负序电压的特征也以励磁涌流为主;而0.46s以后,励磁涌流衰减较大,电流特征以故障电流为主,在这个转化的暂态过程中,由不对称故障电流引起的励磁电压不对称逐渐增加,并经过一段时间后达到一个新的稳定状态。A相负序电压平均值的比值在0.4219s时刻已经超越门槛值kth,此时A相电流基波含量大于3.24A,满足差动判据,可判定该电流为非和应涌流。3变压器副边侧励磁电流的运行图9(a)所示为牵引变压器发生和应涌流时的励磁电压波形。可以看出,级联和应涌流在合闸时刻励磁电压的变化与励磁涌流时励磁电压的变化相比不是很明显。图9(b)为运行变压器原边侧的电流,A相在0.445s时开始发生和应涌流;图9(c)为运行变压器副边侧的励磁电流,即空投变压器的励磁涌流。从差流的波形中,大致可以看出各相和应涌流的出现时刻,由于测量精度的原因,各相测量电流在零值附近的波动比较明显,因此,差流中的扰动较大。从图10(a)可以看出,发生级联和应涌流时,运行变压器励磁电压的不平衡度较励磁涌流时要小。根据负序电压平均值的比值可以看出,在近似合闸时刻k值较大,随后又稳定在1附近。图10(b)中,在0.4244s时刻k>kth,并且基波含量小于0.5A,考虑扰动情况下可以设置一个ε,ε可以取为差动保护的最小动作电流,当差流基波含量IdA<ε时,即可认为无差流。在0.456s时刻差流开始增大,在0.48s时刻,IdA>ε并且k<kth,可见差流出现时刻与比值突变时刻存在0.0556s的时间差,即可认为出现和应涌流。4区外故障转区内缺乏有效防护除了上述几种工况外,还有很多工况可能会引起负序电压比值的突变增大,下面通过几种特殊严酷的工况对判据的动作性质进行讨论。1)牵引变压器在运行时会有突增负荷或突减负荷的运行工况,负序电压平均值的比值可能会超过所设置的门槛值,但此时不会有差流出现,即使有差流出现也不会超过差动保护的最小动作门槛值,负序电压的启动信号可以保持,等待下一次的电压启动,同时释放上次的电压信息,不会造成误判。2)当系统出现区外故障转区内故障情况时,由于区外故障发生时刻会有门槛值启动计时,通过负序电压包络线可以看出:负序电压是先上升然后逐渐衰减,衰减的过程中比值可能会有反向增加的过程,但此时没有差流出现,不会出现误判现象;外部故障转为内部故障时,比值会再次启动,同时会有差流出现,即可判断为故障电流。3)级联和应涌流产生过程中出现内部故障的情况可以分为2种情况:一种是级