電力變壓器勵磁涌流識別與差動保護技術

電力變壓器勵磁涌流識別與差動保護技術

1變壓器差動保護的技術隨著我國長距離輸電線的使用越來越廣泛，越來越多的大型輸電站也在增加，對核電站保護的可靠性和速動性提出了更高的要求。但是,目前變壓器保護的正確動作率卻遠遠低于其他保護,而變壓器本身造價昂貴,一旦因發(fā)生故障原因受到損壞,其檢修時間長、難度大、費用高、影響大,就會成為影響安全生產(chǎn)和日常生活的瓶頸。因此,在保證其安全運行的同時,在技術上還要盡可能減少故障和縮小故障帶來的影響,特別是要千方百計防止保護裝置的拒動或誤動。長期的運行經(jīng)驗表明,如何能夠正確地鑒別勵磁涌流和內(nèi)部故障電流,有效防止變壓器保護裝置誤動或拒動,是變壓器差動保護的關鍵問題。本文介紹了勵磁涌流的產(chǎn)生及其特征,分析了各種勵磁涌流識別方法的原理、優(yōu)缺點及應用情況,并展望了變壓器差動保護的技術發(fā)展前景,有望對變壓器的安全運行起到一定保護作用。2勵磁流的產(chǎn)生及其特點2.1變壓器鐵芯飽和時磁流物質(zhì)差動保護的理論依據(jù)是基爾霍夫電流定律,勵磁電流通過電流互感器構成差動回路中不平衡的一部分,其產(chǎn)生的根本原因是變壓器鐵芯的飽和。在正常運行的情況下,鐵芯沒有飽和,勵磁電流只有額定電流的百分之幾,一般不必加以考慮。但是,當空載變壓器突然合閘或變壓器外部短路被突然切除而端電壓突然恢復時,變壓器鐵芯中的磁通會急劇增大,一旦鐵芯飽和,將會出現(xiàn)數(shù)值相當于額定電流5～10倍的沖擊勵磁電流,稱為勵磁涌流。這樣大的不平衡電流就必然會導致差動保護誤動。2.2勵磁涌流的特征(1)勵磁涌流的峰值很大。其最大峰值出現(xiàn)在合閘后大約半個周期的瞬間。變壓器的容量越大,涌流的峰值反而越小。(2)勵磁涌流含有數(shù)值較大的高次諧波分量,尤其是二次諧波。因此,涌流的變化曲線為尖頂波。(3)勵磁涌流的波形在最初的幾個周期會出現(xiàn)間斷角(間斷角說明鐵芯在不飽和區(qū)內(nèi)工作,涌流則對應鐵芯在飽和范圍)。涌流峰值越大,變壓器容量越大,間斷角越明顯。(4)勵磁涌流含有很大的非周期分量,使得涌流波形在最初幾個周期內(nèi)完全偏于時間軸的一側(cè)。(5)勵磁涌流的產(chǎn)生受合閘角度、變壓器鐵芯剩磁的影響,其波形與系統(tǒng)電壓和等值阻抗、三相繞組接線方式、中性點接地方式,以及三相鐵心結構等因素有關。(6)勵磁涌流的衰減時間常數(shù)與鐵芯的飽和程度、變壓器至電源間阻抗的大小、變壓器容量和鐵心材料等因素有關。一般情況下,變壓器的容量越大,越靠近電源,其衰減時間越長;鐵心越飽和,電抗值越小衰減越快。3對壓裂磁流識別方法的比較3.1波形檢測方法3.1.1次諧波動作值勵磁涌流比短路電流含有的二次諧波成分要高很多,因此該方法就是利用差流中的二次諧波分量與基波分量幅值比的大小來判斷勵磁涌流是否存在。判別方程:式中,I1、I2分別為差流中的基波電流和二次諧波電流幅值;Kdz為整定的二次諧波動作值。當大于動作值時,判定為勵磁涌流,保護閉鎖。雖然該方法原理簡單明了,也有多年的運行經(jīng)驗。但是仍然面臨以下一些問題:(1)制動比不易確定;(2)傅氏級數(shù)的諧波分析方法只適用于穩(wěn)態(tài)交流分量,若對勵磁電流這樣的暫態(tài)信號進行周期延拓,會導致誤判;(3)現(xiàn)代大型變壓器勵磁特性的變化,減少了涌流中二次諧波的含量,而大容量變壓器和遠距離輸電的發(fā)展,又增加了內(nèi)部故障時暫態(tài)電流中含有的二次諧波,從而造成保護延時動作。3.1.2周波的預處理虛擬三次諧波制動的方法是利用勵磁涌流中信息量最為豐富的以尖脈沖為中心的半周波形作為前半周信息,將此半周信號“平移、變號”虛擬構成后半周信息,前后合起來構成一個完整的周波信息。該方法可避免因某一相二次諧波含量過低而引起保護誤動的情況。但也存在一些問題:(1)直流分量的影響。一恒定的直流分量,用平移反號法產(chǎn)生后半周信號時,形成的方波中的基波與尖脈沖中的基波是相同的,而他們的三次諧波卻是相反的,這不利于該保護判據(jù)的應用。(2)數(shù)據(jù)窗位置的影響。用半波工頻周期的數(shù)據(jù)窗截取后進行擬合時,得到的制動比與數(shù)據(jù)窗在信號中的位置有關,因此所確定的諧波比并不一定是最佳狀態(tài)。3.2表面展覽法3.2.1設置過勵磁保護間斷角原理是利用短路電流波形連續(xù)變化,而勵磁涌流波形存在較大間斷角這一顯著特征作為鑒別判據(jù)的方法。采用的一般判據(jù)為:間斷角大于60°,為勵磁涌流;當間斷角小于65°且波寬大于140°時,為內(nèi)部故障。其優(yōu)點是:能較清楚地區(qū)分變壓器勵磁涌流和內(nèi)部故障電流;一般采用分相涌流判別方法,在出現(xiàn)變壓器內(nèi)部故障時能迅速跳閘;具備一定的過勵磁能力。但在微機保護時代,又存在著以下缺點:(1)當電流互感器飽和時,在涌流的間斷角區(qū)域?qū)a(chǎn)生反向電流,會導致間斷角畸變,可能導致保護誤動;而出現(xiàn)內(nèi)部故障電流,電流互感器飽和將使差流的間斷角增大,且飽和越嚴重,其差流間斷角越大,可能導致差動保護拒動。(2)需準確的測量間斷角,增加了對CPU的要求。(3)由于勵磁涌流較小,而A心轉(zhuǎn)換芯片在0點附近轉(zhuǎn)換誤差最大,因此需要選用高分辨率的A/D轉(zhuǎn)換芯片。3.2.2勵磁涌流故障判定波形對稱原理是指先將流入繼電器的差流進行微分,再對微分后差流的前后半波進行比較。設差流導數(shù)前半波某一點的數(shù)值為I′i,后半波對應點的數(shù)值為I′i+180,波形對稱系數(shù)為K,若滿足,為內(nèi)部故障電流(故障電流前后半波都有明顯的對稱性);而勵磁涌流由于間斷角的存在,所以至少有1/4周期以上的點不滿足該判別式。該方法雖然克服了間斷角原理對微機保護硬件要求過高的缺點,也較易實現(xiàn),但當故障電流畸變嚴重時,可能會有延時出口的問題。3.2.3壓器內(nèi)部故障電流和勵磁涌流的計算波形相關性原理是利用勵磁涌流飽和段與非飽和段波形之間的形狀、大小和變化率的不同來區(qū)分變壓器內(nèi)部故障電流和勵磁涌流的。通常是先將一周波數(shù)據(jù)窗內(nèi)的波形用適當?shù)姆椒ㄖ亟M成兩部分,再計算這兩段波形的相關系數(shù)若J接近1,為內(nèi)部故障電流(其前后半周波基本一致);勵磁涌流的J值則相對較小。但該方法也面臨著相關系數(shù)不易確定及如何確定被比較兩段波形的問題。3.3勵磁電流+內(nèi)部事故電流磁通特性識別法是利用內(nèi)部故障和勵磁涌流兩者的變壓器磁鏈一差流曲線的差別,來區(qū)分勵磁涌流與內(nèi)部故障電流的。雖然該方法完全擺脫了勵磁涌流和過勵磁電流的困擾,而且也不再以勵磁電流的波形特征來區(qū)分內(nèi)部短路和空載合閘異常工況。但需要用到具體變壓器的漏感參數(shù),而測量不準或發(fā)生變化的參數(shù)可能會導致誤判,同時門檻值需要用試驗來確定,這也使得保護整定變得更加復雜。3.4正常運行狀態(tài)等值回路法是一種基于等值回路平衡方程的變壓器勵磁涌流識別方法。在正常運行狀態(tài)或勵磁涌流條件下,原副邊回路方程的值為零;而在變壓器發(fā)生內(nèi)部故障時,由于其內(nèi)部結構參數(shù)及繞組電流發(fā)生了變化,因此回路方程值不再等于零,以此對勵磁涌流和內(nèi)部故障電流進行區(qū)分。3.5變壓器內(nèi)部故障的鑒別功率差動原理是利用正常運行時,變壓器消耗的有功比較小(銅損和鐵損之和小于變壓器容量的1%);勵磁涌流時,由于繞組在儲能,第一個周期流入變壓器的有功較大,但第二個周期之后,變壓器消耗的有功功率也比較小;而變壓器發(fā)生內(nèi)部故障時,將消耗大量有功這一特征,從而根據(jù)變壓器消耗的平均有功功率與預先設定的門檻值進行比較來鑒別勵磁涌流和內(nèi)部故障。該方法雖然不再糾結于涌流波形特征,但也存在需要避開涌流第一周期的充電過程、不易整定等問題,應用于實際還有一定困難。3.6基于智能理論的識別方法3.6.1綜合模糊化后的各自聯(lián)系統(tǒng)基于模糊控制的鑒別原理是指對多個輸入量和現(xiàn)有的多個保護判據(jù)(二次諧波含量、低電壓判據(jù)、差流波形對稱性、鐵芯飽和程度等)給予不同的置信度,然后進行綜合模糊化,即:式中,ωi(i=1,2,3,4)對應判據(jù)的權重;ui(i=1,2,3,4)對應模糊邏輯中的隸屬函數(shù)。這種方法綜合了多種判據(jù)的優(yōu)點,彌補了各方法的不足,提高了保護的可靠性,體現(xiàn)了智能化的特點。但模糊邏輯中如何選擇權重與隸屬函數(shù)也成為這種方法的瓶頸,需要科研工作者進行深入研究。3.6.2原理和設計步驟人工神經(jīng)網(wǎng)絡(ANN)擁有優(yōu)秀的模式識別能力,通過對神經(jīng)網(wǎng)絡進行訓練,可以對電壓電流波形及諸多特征量進行識別。因此可以將該方法應用于變壓器內(nèi)部故障和勵磁涌流判別,其設計步驟通常包括:(1)確定ANN類型。(2)確定輸入和輸出層中各節(jié)點數(shù)目。(3)隱含層及其節(jié)點數(shù)需多次試湊確定。(4)選擇傳遞函數(shù)。(5)獲取訓練樣本。(6)數(shù)據(jù)預處理。(7)訓練,并對已訓練好的神經(jīng)網(wǎng)絡進行測試。雖然ANN具有較強的自學習能力和自適應能力,但是神經(jīng)網(wǎng)絡需要對樣本數(shù)據(jù)進行大量的訓練,樣本數(shù)據(jù)的獲取和預處理的工作量也很大,且很難保證訓練樣本集的完備性,易造成誤判。3.6.3小波分析應用于勵磁涌流鑒別小波變換具有良好的時域和頻域特征,非常適用于分析非平衡信號,能準確提取信號的變化特征。目前,小波分析應用在勵磁涌流鑒別方面,主要集中于高次諧波檢測和奇異點檢測這兩個方面。它雖然克服了傅里葉變換只能適應穩(wěn)態(tài)或準穩(wěn)態(tài)信號分析的缺點,但需要較高的采樣頻率來獲得高頻分量,另外系統(tǒng)諧波和環(huán)境噪聲也可能對其產(chǎn)生影響,小波分析法的實際應用還有待進一步研究。4其它常用的波制動原理通過以上列出的目前比較常用的勵磁涌流鑒別方法和一些基于現(xiàn)代智能控制理論的識別方法的分析,我們不難發(fā)現(xiàn):長期以來,雖然變壓器勵磁涌流識別的方法多種多樣,但實際反映出的效果還不夠理想,如:二次諧波制動原理雖已經(jīng)有多年的運行經(jīng)驗,在微機保護中也比較容易實現(xiàn),但還是達不到理想的運行成效,不能滿足現(xiàn)代電力系統(tǒng)變壓器保護的安全要求。除此之外,還有很多新的識別