變壓器差動(dòng)保護(hù)涌流分析

陳 浙，呂天光

（1.濟(jì)南供電公司，山東 濟(jì)南 250021；2.山東大學(xué)電氣工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250002）

0 引言

隨著現(xiàn)代電網(wǎng)輸電電壓不斷提高，輸電距離和輸電容量不斷增大，大容量變壓器應(yīng)用日益廣泛，對(duì)變壓器保護(hù)的可靠性和速動(dòng)性提出了更高的要求。目前220 kV及以上的變壓器差動(dòng)保護(hù)普遍采用二次諧波及波形對(duì)稱原理作為勵(lì)磁涌流識(shí)別判據(jù)。二次諧波原理應(yīng)用最長(zhǎng)，但其整定值一直存在較大爭(zhēng)議，理論上也很難計(jì)算出三相變壓器在空載合閘時(shí)各相涌流的大小及諧波比例，國內(nèi)廣泛采用10%～15%的經(jīng)驗(yàn)定值[1]。無論是常規(guī)保護(hù)，還是微機(jī)保護(hù)，勵(lì)磁涌流判別一直是變壓器差動(dòng)保護(hù)中的關(guān)鍵問題。

1 勵(lì)磁涌流產(chǎn)生的原因和特點(diǎn)

變壓器勵(lì)磁涌流的產(chǎn)生根源，是變壓器一側(cè)的電壓突然增大（△U），電壓突變量所引起的磁通與剩磁通相疊加造成變壓器鐵芯飽和所引起的。變壓器空載合閘時(shí)，合閘側(cè)電壓突然升高，外部故障切除后，切除故障側(cè)電壓突然升高，這兩種情況下均可能出現(xiàn)很大的勵(lì)磁涌流[2]。具體過程為：在穩(wěn)態(tài)工作情況下，變壓器鐵芯中的磁通應(yīng)滯后于外加電壓90°，如果空載合閘時(shí)，正好在電壓瞬時(shí)值U=0時(shí)接通電路，則鐵芯中應(yīng)該具有磁通-φm。但是由于鐵芯中的磁通不能突變，因此將出現(xiàn)一個(gè)非周期分量的磁通，其幅值為+φm。這樣在經(jīng)過半個(gè)周期后，鐵芯中的磁通就達(dá)到2φm。如果鐵芯中還有剩余磁通 φs，則總磁通將為 2φm+φs。此時(shí)變壓器的鐵芯嚴(yán)重飽和，勵(lì)磁電流將劇烈增大，最大可達(dá)額定電流的6～8倍。這種勵(lì)磁電流就稱為變壓器的勵(lì)磁涌流。

圖1 變壓器典型的勵(lì)磁涌流一次波形（CT未飽和）

勵(lì)磁涌流的大小和衰減時(shí)間與外加電壓的相位、鐵芯中剩磁的大小和方向、電源容量的大小、回路的阻抗以及變壓器容量的大小和鐵心的性質(zhì)等都有關(guān)系。例如，正好在電壓瞬時(shí)值為最大時(shí)合閘，就不會(huì)出現(xiàn)勵(lì)磁涌流，而只有正常時(shí)的勵(lì)磁電流。對(duì)三相變壓器而言，無論在任何瞬間合閘，至少有兩相要出現(xiàn)程度不同的勵(lì)磁涌流。

圖2 變壓器典型的單向短路故障電流

勵(lì)磁涌流中，含有大量高次諧波和非周期分量，除基波和非周期分量外，高次諧波電流以二次諧波為最大。二次諧波電流是變壓器勵(lì)磁涌流最明顯的特征，因?yàn)樵谄渌r下很少有偶次諧波發(fā)生。圖1為變壓器典型的勵(lì)磁涌流一次波形，圖2為變壓器典型的單相短路故障電流，比較可知，勵(lì)磁涌流的一次波形具有明顯的間斷角，這也是涌流的一個(gè)顯著特點(diǎn)[3]。

2 變壓器差動(dòng)保護(hù)防止勵(lì)磁涌流誤動(dòng)的措施

勵(lì)磁涌流幅值大，可以與短路電流相比擬，變壓器差動(dòng)保護(hù)如果不采取一些措施來躲過勵(lì)磁涌流的話，就有可能誤動(dòng)。防止涌流誤動(dòng)，最主要的的是如何識(shí)別涌流，利用涌流中的一些特性來構(gòu)成差動(dòng)保護(hù)的閉鎖條件，所以找到準(zhǔn)確、可靠的閉鎖判據(jù)是最關(guān)鍵的問題。

目前國外常采用利用涌流中的二次諧波來構(gòu)成差動(dòng)保護(hù)的閉鎖或制動(dòng)條件，國內(nèi)的變壓器保護(hù)也以二次諧波制動(dòng)為主，除此之外，還有利用識(shí)別涌流中的間斷角來閉鎖差動(dòng)保護(hù)。近年來又有一些新的措施，例如通過識(shí)別涌流波形的對(duì)稱性來實(shí)現(xiàn)閉鎖差動(dòng)保護(hù)、基于變壓器磁通特性或基于智能理論如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來識(shí)別涌流并閉鎖差動(dòng)保護(hù)等。本文簡(jiǎn)要介紹我國常采用的二次諧波制動(dòng)原理和間斷角原理。

間斷角原理就是利用短路電流波形連續(xù)變化，而勵(lì)磁涌流波形具有明顯的間斷角特征作為鑒別涌流的判據(jù)。該方法雖然簡(jiǎn)單直接，但是以精確測(cè)量間斷角為基礎(chǔ)的，而間斷角的測(cè)量必須考慮CT傳變對(duì)勵(lì)磁涌流的影響，尤其是CT飽和后對(duì)二次電流波形的影響。圖3為CT飽和后二次側(cè)勵(lì)磁涌流的波形，可見CT飽和后，經(jīng)過CT傳變的二次側(cè)涌流間斷角會(huì)發(fā)生畸變，甚至消失。所以必須采取措施來恢復(fù)間斷角，這增加了保護(hù)硬件的復(fù)雜性，同時(shí)還受到采樣率、采樣精度的影響及硬件的限制，因此這種原理在變壓器差動(dòng)保護(hù)中的應(yīng)用效果曾認(rèn)為不十分理想。但是隨著人們?cè)谶@方面的研究的深入細(xì)致和進(jìn)行了大量的試驗(yàn)工作，有一些新的恢復(fù)間斷角的算法被提出來，如積分法、分段函數(shù)法恢復(fù)間斷角等，改進(jìn)后應(yīng)用效果還比較理想。

圖3 CT飽和后的二次側(cè)勵(lì)磁涌流

現(xiàn)代大型變壓器鐵芯多采用冷軋硅鋼片，Bs/Be比較小，而剩磁可能較大，使進(jìn)入差動(dòng)繼電器的某一相涌流的二次諧波成分將非常小，但是另外兩相或一相將超過20%。因此，國內(nèi)外常采用二次諧波構(gòu)成差動(dòng)保護(hù)的閉鎖條件來防止涌流誤動(dòng)。二次諧波制動(dòng)目前也有幾種方案，最常用的是三相“或”的閉鎖方式，只要判斷出一相差流中的二次諧波的含量滿足涌流制動(dòng)的條件，即閉鎖三相，使保護(hù)不能出口。這種原理的保護(hù)在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的效果還是比較理想，基本能夠有效的區(qū)別變壓器真正故障和空載合閘或外部故障切除后電壓恢復(fù)時(shí)的涌流。

涌流中的三次諧波成分也比較大，僅次于二次諧波，但是三次諧波不能作為涌流的特征量來組成差動(dòng)保護(hù)的制動(dòng)或閉鎖部分，因?yàn)樵谄渌r下三次諧波電流經(jīng)常出現(xiàn)，特別是內(nèi)部短路電流很大時(shí)也有很顯著的三次諧波成分。涌流中含量很大的直流分量也不能作為涌流的特征量來組成差動(dòng)保護(hù)的制動(dòng)或閉鎖部分，因?yàn)橹绷鞣至恳膊⒎怯苛鳘?dú)有的特征，變壓器內(nèi)部短路的暫態(tài)過程中也有大量的直流分量。如果以直流分量來構(gòu)成差動(dòng)保護(hù)的閉鎖條件的話，變壓器內(nèi)部短路時(shí)勢(shì)必會(huì)延緩保護(hù)的動(dòng)作速度，并且三相涌流中往往有一相為周期性電流，即它不含有直流分量，這時(shí)還必須增大差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作電流來躲過這種周期性涌流，這又使保護(hù)的靈敏度降低。所以三次諧波和直流分量都不能作為防止涌流誤動(dòng)的措施。

3 一種改進(jìn)的二次諧波制動(dòng)原理

常用的二次諧波制動(dòng)方案，在變壓器空投于故障時(shí)，由于一相或兩相差流中存在勵(lì)磁涌流，會(huì)閉鎖差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作出口，只有等涌流衰減到一定程度后才重新開放差動(dòng)保護(hù)，而涌流的衰減往往比較慢，這樣勢(shì)必延緩了保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間，對(duì)變壓器這種大型的電力設(shè)備的安全運(yùn)行是不利的[4]。當(dāng)空載合閘時(shí)相電流中存在對(duì)稱涌流時(shí)，也有可能由于差流中判不出諧波而使差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)，這在現(xiàn)場(chǎng)也是不允許的。

基于上述的二次諧波制動(dòng)原理可能引起保護(hù)誤動(dòng)和拒動(dòng)的考慮，提出這樣一種改進(jìn)的制動(dòng)方案，當(dāng)一相差流大于起動(dòng)門檻后，先判差流中二次諧波是否滿足制動(dòng)條件，若不滿足的話，再判與該相差流有關(guān)的兩個(gè)相電流中的二次諧波是否滿足制動(dòng)條件。由于微機(jī)差動(dòng)保護(hù)的各側(cè)CT均可按Y形接入，降壓變壓器高壓側(cè)合閘時(shí)可以在差動(dòng)電流和相電流中都可以檢測(cè)到諧波分量，采用這種制動(dòng)方案后，即使在出現(xiàn)對(duì)稱涌流時(shí)也能閉鎖保護(hù)。

變壓器內(nèi)部故障時(shí)，單相故障電流經(jīng)Y/△變換后，將反映在兩相差流中。根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)二次諧波制動(dòng)方案可以改進(jìn)為在變壓器無故障時(shí)采用“或”閉鎖方式，而在空投于故障變壓器時(shí)，根據(jù)涌流和故障電流在三相差流中的反映，自動(dòng)轉(zhuǎn)換為分相制動(dòng)方式。采用這樣的制動(dòng)方案，既可保證空投或電壓恢復(fù)時(shí)涌流制動(dòng)的可靠，又保證了空投于故障變壓器時(shí)的靈敏動(dòng)作。

4 結(jié)語

變壓器差動(dòng)保護(hù)中，解決涌流制動(dòng)問題是一個(gè)關(guān)鍵。為滿足電力系統(tǒng)不斷發(fā)展的需要，近十多年國內(nèi)外學(xué)者對(duì)變壓器保護(hù)的原理從各方面進(jìn)行了深入的研究和試驗(yàn)，提出了許多不同的方案。其中大多數(shù)進(jìn)行的動(dòng)模試驗(yàn)和仿真試驗(yàn)證明具有較高的靈敏度和可靠性，但離微機(jī)保護(hù)的實(shí)現(xiàn)還有一段距離。而原來已用于實(shí)際的一些方法隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展也面臨著新的考驗(yàn)。因此，為適應(yīng)未來電力系統(tǒng)的發(fā)展要求，盡快研制出新原理的微機(jī)變壓器保護(hù)已成為一個(gè)非常現(xiàn)實(shí)和迫切的要求。