變壓器縱聯差動保護和勵磁涌流鑒別方法

摘要：變壓器是電力系統的重要設備，縱差保護是其主保護。在變壓器運行時，由于勵磁涌流等因素的影響會產生不平衡電流，從而影響縱差保護的靈敏度。變壓器縱差保護的核心問題是如何正確識別勵磁涌流和內部故障電流。

關鍵詞：變壓器 縱差保護 勵磁涌流

1 變壓器的縱差保護的意義及誤動原因

電力變壓器是電力系統的重要設備，發生故障時使短路電流產生的電弧破壞繞組絕緣，燒毀鐵芯，油箱爆炸，對電力系統帶來嚴重影響。變壓器的繼電保護常裝設：瓦斯保護、縱差保護、低壓起動的過流保護、復合電壓起動的過流保護、零序電流保護、過負荷保護等。而縱差保護是其主保護，安全可靠性對變壓器保護影響最關鍵。在變壓器正常工作和外部故障時，流過差動繼電器的電流在理想情況下等于零。但實際上由于多種原因，即使在正常運行時，也會有不平衡電流流過差動回路，迫使縱差保護的整定動作值增大，使保護的靈敏度降低。因此要提高縱差保護的靈敏度，關鍵是減小不平衡電流的影響。產生不平衡電流的主要因素有很多，如變壓器兩側TA的型號不同產生不平衡電流；由于TA實際變比與計算變比不一致產生不平衡電流；帶負荷調整變壓器分接頭來調整電壓產生不平衡電流；變壓器穩態過勵磁情況下產生勵磁涌流；變壓器正常的空載合閘，外部故障切除后故障恢復中，鐵芯容易在暫態過程中飽和產生勵磁涌流。在以上五個影響因素中，以變壓器空載合閘時或外部故障被切除后恢復供電時所產生的勵磁涌流的影響最為嚴重。因此，當前變壓器縱差保護的核心問題就是如何正確識別勵磁涌流和內部故障電流。

2 變壓器勵磁涌流特點

單相變壓器勵磁涌流的特點：波形偏向于時間軸一側，并且出現間斷。涌流越大，間斷角越小。含有大量的高次諧波，并且以二次諧波為主。間斷角越小，二次諧波也越小。含有大量的非周期分量，間斷角越小，非周期分量越大。勵磁涌流是否產生以及產生的的大小與合閘角有關。三相變壓器勵磁涌流的特點：與單相變壓器勵磁涌流相比，其中一相或兩相勵磁涌流的二次諧波明顯減少，但至少還有一相勵磁涌流含有大量的二次諧波。勵磁涌流仍然間斷，但是間斷角明顯減少，其中以對稱涌流的間斷角最小。某相勵磁涌流可能不再偏離時間軸的一側，變成了對稱涌流。其它兩相仍然為偏離時間軸一側的非對稱涌流。對稱性涌流的數值較小，非對稱性涌流仍含有大量的非周期分量，但對稱性涌流中無非周期分量。三相電壓之間有相位差，三相勵磁涌流不同，任何情況下空載投入變壓器，至少在兩相中要出現不同程度的勵磁涌流。

3 勵磁涌流鑒別方法

在變壓器的差動保護中，勵磁涌流的識別是關鍵性問題。許多學者提出了許多判別勵磁涌流的新方法新原理。

3.1 二次諧波制動原理 二次諧波制動原理[1]簡單明了，但是在應用時也有較大的局限性。缺點之一是很難適當選擇制動比。其二是勵磁涌流是暫態電流，不適合用傅氏級數的諧波分析方法。因為對于暫態信號而言，傅氏級數的周期延拓將導致錯誤的判斷。其三是大型變壓器勵磁涌流衰減較慢，導致差動保護被長時間閉鎖，內部故障時暫態電流中含有較大的二次諧波，保護不易識別，并且動作延時。在剩磁較多時涌流中二次諧波含量變的很低，很容易導致差動保護誤動。

3.2 電壓諧波制動原理 該原理能可靠鑒別涌流，閉鎖保護[1]。對LC振蕩對不敏感，使二次諧波制動的某些不足得以某種程度的改善。由于只用半個周期的數據，動作速度快。缺點是門檻值的整定比較復雜，應用與系統阻抗密切相關，在整定時需要精確的了解系統的阻抗。而當阻抗很小的時候，保護特性將要受到破壞，到極端情況(系統聯系阻抗為O)，該原理拒動，所以運用該原理的保護必須對系統阻抗有比較精確的了解。

3.3 間斷角原理 間斷角閉鎖原理[1]是利用勵磁涌流波形具有較大的間斷而短路電流波形連續變化不間斷的特征作為鑒別判據，簡單直接。但它是以精確測量間斷角為基礎，如遇到暫態飽和傳變會使涌流二次側間斷角發生畸變，有時會消失，必須采取某些措施來恢復間斷角，這樣就增加了保護硬件的復雜性。同時間斷角原理還要受到采樣率、采樣精度的影響及硬件的限制，它面臨著因TA傳變引起的間斷角變形問題。它需要較高的采樣率以準確地測量間斷角，這對CPU的計算速度提出了更高的要求。此外，用微機實現間斷角原理時硬件成本高。

3.4 波形對稱原理 波形對稱原理原理[1]是利用差電流導數的前半波與后半波進行對稱比較，根據比較的結果判斷是否發生了勵磁涌流。該原理是間斷角原理的推廣，比間斷角原理容易實現，克服了間斷角原理對微機硬件要求太高的缺點，可實現快速出口和可靠閉鎖于涌流。但是該原理的應用的問題有:比較閾值K如何確定？對稱范圍（對稱角度）應當取多大？這兩個問題很難通過嚴格的理論分析解決，應用中只能根據實際情況，通過試驗的方式設定或修正，結果潛伏了誤判的隱患。該判據還受到諧波的影響，如在剩磁較多的時候，其勵磁涌流中的諧波含量較少，容易誤判為故障電流，在對對稱度較高的對稱涌流進行判別的時候可能產生誤動。另外，當故障電流畸變嚴重時，需要延時出口。

3.5 小波變換方法 小波變換[2]運用于差動保護，能更加精細地提取信號的幅值、相位等特征，檢測信號的突變點，用以判斷鐵芯是否進入了飽和。它通過比較各種波形奇異度的差異區分涌流和故障情況，能提取出涌流波形與各種故障波形的奇異性。如果實際運行現場的干擾較重，信號的奇異度是否被干擾噪聲所淹沒而無法提供足夠的裕度以滿足保護可靠性的問題還有待商榷。另外，一般情況下小波算法的計算量較大，應用于實際的徽機保護，面臨實時性不能得到滿足的問題。目前小波變換在此方面的應用主要集中于高次諧波檢測和奇異點檢測，此外并未發現大的突破。另外，對微機保護來講，獲得高頻分量勢必需要提高采樣頻率，從而增加了技術難度和成本，而且可能會受到系統諧波的影響，能否經受住環境高頻噪聲的考驗，有待進一步研究。另外，如何正確檢測模值也是一個難題。

3.6 神經網絡方法 人工神經網絡[2]用由短路電流仿真模型和涌流仿真模型得到的頻域及時域數據樣本訓練，按照系統判別勵磁涌流的實際要求設計頻域和時域神經網絡模塊。其出發點是把多種判據綜合應用于差動保護，能提高差動保護正確率，具有廣泛的適用性，神經計算能力、極強的自適應性、容錯性，不需要調試，安裝簡單，運行可靠。但是突出矛盾體現在訓練樣本能否涵蓋過去及將來電力系統，各種運行方式下可能發生的不同故障類型。將同一權值網絡應用于不同類型的變壓器，其可能性微乎其微。此外，該技術手段應用于實際保護的癥結是如何提取神經網絡的訓練樣本。

4 小結

除了以上介紹的幾種判據，還有模糊貼近度原理、逆電感等效電路原理、等值電路法等等。以上各個判別法各有利弊。相比而言，目前以數字信號處理的方法應用最廣泛，但離微機保護的實現還有一段距離。因此，為適應未來電力系統的要求，需要盡快在工作原理、整定計算、判斷邏輯上多方位進行綜合優化和改進，還要在日常的維護過程中加強技術管理工作，才能將變壓器的穩定運行提高的理想水平，確保電網安全。

參考文獻：

[1]王國興，張傳利，黃益莊.變壓器勵磁涌流判別方法的現狀及發展.中國電力.1998.31(10).

[2]馮勇，柳煥章，陳學道.變壓器勵磁涌流的新判據.繼電器.2002.30(10).