1000kv特高壓變壓器保護的改進

1000kv特高壓變壓器保護的改進

1勵磁涌流的判別中國的特高壓試驗示范工程正在緊張之中。其中，1000kv主電源是整個工程的主要設(shè)備之一，其運行條件直接影響整個特高壓線。因此,特高壓變壓器主保護的可靠性和速動性就非常關(guān)鍵。但是,長期以來變壓器差動保護的正確動作率一直不高,問題的癥結(jié)就在于勵磁涌流和內(nèi)部故障電流的鑒別。許多文獻都對勵磁涌流的判據(jù)問題做了有益的研究工作。勵磁涌流判據(jù)原理主要分為基于電流波形特征、基于磁通特性、基于等值電路、基于功率損耗等;若干新興學(xué)科也為判別勵磁涌流提供了新的手段,其中有代表性的是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和小波變換。但目前廣泛應(yīng)用的還是傳統(tǒng)的基于電流波形特征識別法。該方法以勵磁涌流和內(nèi)部故障電流波形特征的差異為依據(jù),包括二次諧波制動原理、間斷角原理波和形對稱原理等。而其他絕大部分鑒別原理仍然處于理論研究階段,尚未達到實用化的效果。本文旨在為特高壓變壓器找到有運行經(jīng)驗、可以立即執(zhí)行且行之有效的涌流判別方案。所以,首先對特高壓變壓器進行了空載合閘和內(nèi)部故障仿真,并對仿真結(jié)果進行相關(guān)分析,最后對二次諧波制動和波形對城性制動原理進行了評估,總結(jié)出適合特高壓變壓器保護的涌流鑒別原理。2高壓壓曹的暫時模擬2.1仿真系統(tǒng)設(shè)置程序EMTDC是目前世界上被廣泛使用的一種電力系統(tǒng)分析軟件。典型應(yīng)用是計算電力系統(tǒng)遭受擾動或參數(shù)變化時,電參數(shù)隨時間變化的規(guī)律。本文模型的建立與仿真均基于EMTDC環(huán)境。相比普通高壓系統(tǒng),特高壓電磁環(huán)境更復(fù)雜,特高壓變壓器本身結(jié)構(gòu)和參數(shù)也不同于普通大型變壓器。所以本文仿真系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)都是按照特高壓工程數(shù)據(jù)設(shè)置。圖1為仿真系統(tǒng)圖。仿真系統(tǒng)模擬的是我國正在建設(shè)當中的1000kV交流特高壓試驗示范工程。其中,特高壓變壓器型式:三繞組自耦變壓器(降壓);高壓、中壓、低壓繞組額定容量分別為1000MVA、1000MVA、334MVA;高壓、中壓、低壓繞組額定電壓(方均根值)分別為1050/3√1050/3kV、525/3√525/3kV、110kV;短路阻抗(以高壓繞組額定容量為基準)為高壓-中壓為18%,高壓-低壓為62%,中壓-低壓為40%;空載電流:0.07%。在不同合閘角、不同剩磁情況下分別進行空載合閘仿真。圖2是A相合閘角為30°,A、B、C三相剩磁分別為0.5Bm、-0.3Bm、-0.3Bm,時波形的勵磁涌流波形。圖2所示的波形具有典型的勵磁涌流波形特征,但看的出來由于豐富的諧波含量,涌流存在一定程度的畸變。2.2并進行故障模型的建立,三轉(zhuǎn)化算法實現(xiàn)事故建模與仿真的方法變壓器內(nèi)部故障包括變壓器內(nèi)部繞組的匝間短路、匝地短路以及端口引出線短路。EMTDC中已有FAULTS模塊可以方便的模擬各種端口短路情況,但匝間與匝地故障模型則需要自行建立。一臺雙繞組變壓器發(fā)生匝間或匝地短路時,可以把短路部分看作第三繞組,這就相當于一臺三繞組變壓器在第三繞組發(fā)生短路。這種將短路繞組看作一個單獨繞組的方法,在文獻中有詳盡的介紹。本文基于這種思想,在EMTDC中建立了特高壓變壓器故障模型,并在圖1所示的系統(tǒng)中,對A相進行不同短路情況的仿真。圖3是不同短路情況下A相一次電流波形。3二次聲波源分析3.1涌流的判定二次諧波制動法是計算差流中的二次諧波分量,若其值較大則判定為涌流,常用的判別式為:Id2Id1=k(1)Ιd2Ιd1=k(1)式中:Id2和Id1分別為差流中的二次諧波和基波幅值;k為二次諧波制動比,通常取0.1～0.2。3.2變壓器內(nèi)部故障時二次諧波分析由于變壓器采用的是Y-d-11接線,對于變壓器差動保護來說,關(guān)心的是進行相位校正后的差流情況。表1給出了在不同合閘情況下,對經(jīng)過相位校正的A、B、C三相差流的二次諧波含量分析。根據(jù)表1,當三相剩磁分別為0.9Bm、0、-0.9Bm,A相合閘角為30°時,三相差流的二次諧波含量均降到10%以下。這已經(jīng)低出了傳統(tǒng)諧波制動整定值。表2給出了在不同內(nèi)部故障情況下,對經(jīng)過相位校正的A、B、C三相差流的二次諧波含量分析。由于A相變壓器發(fā)生內(nèi)部故障時,B-C相差流一直為零,所以沒有對其進行諧波分析。根據(jù)表2,由于特高壓長距離輸電線路的分布電容作用,加上特高壓變壓器的固有特性,變壓器內(nèi)部故障時電流含有較豐富的諧波分量。尤其在2%匝間短路時,兩相差流的諧波含量都在20%以上,超出了傳統(tǒng)整定值。先前對涌流進行諧波分析已經(jīng)發(fā)現(xiàn)二次諧波制動比k很難選擇了,而短路電流諧波又大大超出涌流諧波最嚴重時刻的最大諧波含量。很明顯,如果使用二次諧波制動,無論k如何選擇,當變壓器發(fā)生輕微匝間短路時,保護動作都會延遲甚至可能拒動。4特高壓變壓器各波形對稱原理在不同情況下進行空載合閘和內(nèi)部故障仿真并獲得的三相差流波形,發(fā)現(xiàn)故障時差流基本上是工頻正弦波,而勵磁涌流波形發(fā)生畸變、間斷、不對稱。圖4是其中典型的差流波形。由圖可見,這種差流波形保持了普通變壓器故障和涌流差流的波形特征。所以,已經(jīng)有運用基礎(chǔ)的波形對稱原理也能用于特高壓變壓器保護。波形對稱原理是利用勵磁涌流的波形特征來實現(xiàn)制動的一種方法,它的基本思路為:首先將流入繼電器的差流進行微分,將微分后的差流的前半波與后半波作對稱比較,用特征值k(對稱系數(shù))來區(qū)分故障電流和勵磁涌流。設(shè)流入差動繼電器的差動電流為i(t),其導(dǎo)數(shù)為i′(t),將i′(t)的前半波與后半波的對應(yīng)值作對稱比較,構(gòu)成如下波形對稱原理判據(jù):k≥i′(t)+i′(t+T/2)i′(t)?i′(t+T/2)(2)k≥i′(t)+i′(t+Τ/2)i′(t)-i′(t+Τ/2)(2)若故障電流為理想正弦波,則i′(t)與i′(t+T/2)總是大小相等符號相反,故i′(t)+i′(t+T/2)總為零值,式(2)總成立,即差分電流波形i′(t)對稱。雖然故障電流并非理想的正弦波形,在總共半個周波的判斷中,勵磁涌流符合對稱條件的角度最多為60°,而故障電流在150°范圍內(nèi)都是對稱的。盡管特高壓變壓器內(nèi)部故障電流的諧波含量雖較為豐富,但滿足對稱條件的范圍仍遠大于勵磁涌流符合對稱條件的角度。所以,合理選擇判據(jù)式(2)的對稱系數(shù)k,即可有效識別勵磁涌流和故障電流。5次諧波制動本文通過對特高壓變壓器進行電磁暫態(tài)仿真與分析,考察了傳統(tǒng)涌流