基于瞬时功率的变压器励磁涌流和内部故障电流识别

基于瞬时功率的变压器励磁涌流和内部故障电流识别

0变压器主保护的正确识别随着超高压源系统的越来越多地投入运行，并且越来越多地增加的功率源装置越来越多，对装置保护的可靠性和速度提出了更高的要求。传统的变压器主保护由于受条件限制,仅依靠电流量来实现,鉴于电流差动保护原理在众多电气设备上成功的应用,电流差动保护在变压器保护中也发挥了重要的作用。但基于电流量的差动保护对于通过磁路耦合的双绕组或多绕组变压器在原理上存在缺陷(即对于非纯电路,基尔霍夫电流定律并不适用),导致在变压器空载合闸或外部故障切除后电压恢复的过程中产生励磁涌流时,会使差动保护误动。因此,人们不得不长期致力于解决如何正确识别变压器内部故障电流和励磁涌流的问题。在国内外文献已提出的众多区分方法中,本质上大多以识别内部故障电流和励磁涌流的波形特征为主,虽然该类方法具有一定的识别效果,但由于其仅从波形这一外在表征现象入手,并没有从本质上反映出内部故障电流和励磁涌流的差别,因而无法做到“万无一失”。长期以来,变压器主保护的正确动作率一直徘徊不前,与此也不无关系。近几年来,人们已逐渐意识到这一点,努力去寻找更适合于变压器主保护的新原理,部分文献对此进行了有益的探索。本文提出了一种基于瞬时功率的变压器励磁涌流和内部故障电流识别新方法,该方法具有传统变压器电流差动保护简便易行的优势,从能量守恒的角度出发,弥补了电流差动保护在理论上的不足,同时合理利用了瞬时功率与有功功率之间的联系,从变压器两侧三相差瞬时功率的频谱分析入手,进一步揭示了变压器出现励磁涌流状态与发生内部故障状态在本质上的不同。HYBRISIM混合仿真实验的结果表明,该原理简单可靠、识别效果明显,具有较高的工程应用价值。1基本原则1.1.电压和电流均为正当分量时的u-i众所周知,在传统的电工理论中,若二端网络输入端口的电压和电流分别为u(t)和i(t),则此二端网络吸收的瞬时功率s(t)及有功功率(平均功率)P分别为:按照常规电力系统计算中常用的电压和电流表达式及其组合,分3种情况讨论:a.当电压和电流均为正弦周期分量时,记,则由式(1)、式(2)可得:式中:φ=φu-φi。b.当电压是正弦周期分量、电流是非正弦周期分量时,记由式(1)、式(2)可得此时的瞬时功率和平均功率如下:c.当电压和电流均为非正弦周期分量时,记同样,由式(1)、式(2)可得此时的瞬时功率和有功功率如下:观察式(3)～式(12),若将各种不同情况下的瞬时功率s(t)均表示成,其中表示瞬时功率s(t)中的直流成分,而表示瞬时功率s(t)中的交流成分,不难发现瞬时功率中的直流分量s即为相应情况下的有功功率P。同样,对于abc三相系统而言,瞬时功率s(t)也可表示成的形式,且其直流分量即为三相系统的有功功率P。1.2功功率分析保护文献提出了一种基于有功功率差动的变压器主保护新原理,该原理通过计算变压器内部消耗的有功功率来区分励磁涌流和内部故障,是一种较好的保护方案。本文在文献的基础上引入瞬时功率的概念,直接用变压器两侧电压、电流的采样值计算出三相差瞬时功率并对其进行频谱分析,根据变压器在不同状态下三相差瞬时功率所表现出的频谱特性差异来识别励磁涌流和内部故障电流。2混合模型的模拟为了取得真实有效的数据,在华北电力大学智能保护与控制部级重点实验室进行了有关变压器的仿真实验,实验平台是加拿大魁北克TEQSIM公司生产的HYBRISIM(hybridsimulator),即电力系统数字/模拟混合实时仿真系统,其中发电机、无穷大电源、动态负荷等元件采用数字模型,而输电线、变压器、电抗器、补偿电容器等均为物理模型。该系统的实验结果已被证实与动模实验的结果是极为相近的,构建的仿真系统结构如图1所示。2.1瞬时功率对变压器激发的影响图2是由混合仿真得到的变压器励磁涌流波形(角形侧空载合闸)。由变压器两侧电压、电流的采样值计算得到的三相差瞬时功率波形如图3(a)所示,经适当滤波处理后,取用涌流发生后第1周期(从0.02s开始)三相差瞬时功率进行快速傅里叶变换(FFT),得到的幅频特性如图3(b)所示。由图3(b)可发现,差瞬时功率中直流分量较小,说明此时变压器的有功损耗较小。另外,变压器空投侧的三相电压一般是正弦对称的,此时瞬时功率可近似用式(7)表示。由式(7)可知瞬时功率s(t)中基频分量的大小与电流中二次谐波含量的多少有关,在变压器空载合闸过程中,由于磁路饱和等原因使励磁涌流中含有大量二次谐波分量,使差瞬时功率s(t)中基频分量较大。表1给出了变压器发生励磁涌流时差瞬时功率幅频特性中直流分量和基频分量在不同的合闸初相角情况下的比值(其中s0和s1分别表示差瞬时功率的直流分量和基频分量)。2.2差瞬时功率的幅频特性由于近年来纠结式绕组在大型变压器高压绕组中广泛应用,变压器匝间短路故障率显著增加,保护装置应对此种故障进行正确识别。图4给出了由混合仿真得到的变压器星形侧a相绕组于近中性点处发生16.5%匝地短路时,变压器两侧三相电流变化波形。图5(a)给出了利用变压器两侧电压、电流采样值计算得到的三相差瞬时功率波形,经适当滤波处理后,取故障后(从0.08s开始)第1周期差瞬时功率进行FFT,得到的幅频特性如图5(b)所示。在变压器星形侧a相绕组内部发生短路匝比故障分别为1.7%,2.6%,14.0%,16.5%时,三相差瞬时功率幅频特性中直流分量和基频分量对应的比值|s0/s1|分别为24.67,121.96,7.12,1.75。可见,当变压器发生内部故障时,差瞬时功率中直流分量与基频分量的比值大于1,小匝比短路比大匝比短路表现出更高的灵敏度。这一点很令人鼓舞,因为传统的电流差动保护几乎无法感知变压器内部发生小匝比短路故障,理论分析和实践表明,当这类故障发生时,变压器端口的电流变化很小,但短路匝内的电流很大。由于局部铁心严重饱和以及电弧放电等一系列反应,使有功损耗增大。另外,从等值电路来分析,当变压器发生匝间短路时,短路部分绕组可以等效成变压器的第3绕组发生故障(对于双绕组变压器而言),此时由于短路匝数较少,故障点的弧光电阻加上短路部分的绕组电阻可与短路部分的绕组等效电抗相比拟,从而使得功率因数增大,有功损耗增多。2.3变压器星形侧三相电流波形在带有内部故障的变压器空投时,三相差流中既有故障电流的特征,又有涌流的特征,而涌流闭锁判据的存在,常常导致保护动作延时甚至引起保护拒动。因而在变压器空投于带内部故障情况下,保证保护的速动性和可靠性也是亟待解决的问题。图6给出了由混合仿真得到的变压器星形侧a相绕组带有16.5%匝地短路时由三角形侧空投变压器产生的三相电流波形,其中a相和b相电流表现出故障电流特征,而c相电流具有涌流特征。图7(a)给出了利用变压器两侧电压、电流的采样值计算得到的三相差瞬时功率波形,经适当滤波处理,取故障后(从0.08s开始)第1周期差瞬时功率进行FFT,得到的幅频特性如图7(b)所示。变压器空投于短路匝比分别为1.7%,2.6%,14.0%,16.5%时,差瞬时功率幅频特性中直流分量和基频分量的比值|s0/s1|相应为1.96,1.42,0.89,0.93。可以看出,当变压器空投于内部故障时,由于电流中二次谐波分量增加,差瞬时功率中直流分量与基频分量的比值有所减小,比值在1附近,空投于小匝比短路与空投于大匝比短路相比,表现出更高的灵敏度。2.4变压器星形侧a相转化故障仿真实验当变压器高压侧接较长的输电线或低压侧带有并补电容时,变压器发生内部故障,故障电流中可能含有较高的二次谐波分量,差瞬时功率中基频分量会有所增加,可能使差瞬时功率中直流分量与基频分量的比值受到一定的影响。在HYBRISIM仿真实验中通过在变压器低压侧接并补电容以模拟上述现象,仿真实验中发现在大匝比故障情况下,差流中二次谐波的含量较高,可以超过基波分量的15%;而在小匝比故障情况下,差流中二次谐波的含量较低,不超过基波分量的10%。表2给出了在变压器星形侧a相绕组发生大匝比故障情况下,三相差流中二次谐波分量与基波分量的比值以及相应情况下差瞬时功率中直流分量与基频分量的比值。需要说明的是:变压器星形侧a相绕组内部发生匝间短路,c相差流很小。由表2可见,在变压器发生内部匝间短路且差流中二次谐波含量较高的情况下,差瞬时功率中直流分量与基频分量的比值大约在0.8,与励磁涌流情况相比,差瞬时功率中两者的比值仍有较明显的区别。2.5kzd的选取通过前面的分析发现:在变压器发生励磁涌流或内部故障时,利用三相差瞬时功率中直流分量和基频分量的相对比值,可以区分励磁涌流和内部故障电流。据此构造判据如下:令k=s0/s1,s0表示差瞬时功率幅频特性中的直流分量,s1表示差瞬时功率幅频特性中的基频分量,设KZD为门槛值,则有:①k<KZD时,判为励磁涌流;②k>KZD时,判为内部故障。根据大量仿真实验的结果,可选取KZD=0.5。这样,变压器无论是发生励磁涌流、内部故障或是空投于内部故障,都会留有一定的判断裕度,从而保证判别的可靠性。3hybrusim仿真实验a.本文提出了一种利用变压器两侧三相差瞬时功率幅频特性中直流分量和基频分量的比值来识别励磁涌流及内部故障电流的新方法。该方法既借鉴了传统电流二次谐波判别方法的优势,同时又从能量守恒的角度出发,弥补了传统的变压器电流差动保护在理论上的不足。经HYBRISIM仿真实验验证,该方法简单易行,能够有效区分励磁涌流和内部故障电流,并且在变压器