改進的變壓器涌流制動原理在保障故障響應特性下提高安全性

邢曉娟

摘 要：本文論述一種新的變壓器涌流制動保護原理。新的原理不僅考慮了差動電流二次諧波和基波分量的比值，而且還考慮了兩者的相位。這種原理更能精確區分勵磁涌流和內部故障引起的差動電流。通過數學分析結果以及變壓器數字模擬試驗的波形分析，證明這種原理是正確的。

關鍵詞：變壓器 磁通原理 功率

一、引言

由于變壓器復雜的運行工況，保護變壓器不是一件容易的事，可以說，在電力系統中，保護變壓器對繼電保護是一種挑戰。數字式繼電器具有精確處理信號的能力，從而繼電器設計人員能夠采用傳統的保護原理，并且增強了電力變壓器保護的特性，加快保護速度，提高安全性和可靠性。本文論述變壓器差動繼電器在勵磁涌流過程中的制動問題。

二、勵磁涌流的簡要分析

變壓器勵磁涌流是由激磁電壓任何突然變化引起的結果。雖然一般稱之為對變壓器充電引起的結果，但是勵磁涌流也可能由下列原因引起：（a）發生外部短路（b）切除外部故障后的電壓恢復（c）故障特性的變化，如相對地故障包含相-相-地（d）發電機非同期并列。因為鐵心勵磁支路在變壓器等值電路看成是并聯元件，所以勵磁電流造成變壓器各端的電流不平衡，而且勵磁電流被差動繼電器誤認為是一種差動電流。但是繼電器必須在勵磁涌流過程中保持平衡，不誤動。

三、涌流制動原理 —— 概述

為防止涌流誤跳，保護采用不同的延時方法。不論是采用充電時在一定的時間內閉鎖保護或者采用其他的延時方法，采用延時的方法，在變壓器充電時對保護進行制動的方法，特別對現代變壓器，是不可取的。現在新的涌流的制動方法采用識別差動涌流波形，非直接的（諧波分析）或直接的（波形分析）方法。

1.諧波制動。這是一種傳統方法，在勵磁涌流情況下，為防止誤跳對保護進行制動。勵磁涌流表現為差動信號，并帶有確定的較高的諧波分量。一般來說，較低次的諧波分量會使繼電器動作，而較高次諧波分量表明涌流和對繼電器進行制動。不論構成復合諧波和差動信號的方法如何，諧波制動方法受到一定的限制。即使諧波不出現在差動信號，在時間近似等于檢測器數據窗的長度，一般諧波制動不會跳閘，但存在拒動的可能性，在變壓器充電瞬間，同時存在低微的匝間短路，由于二次諧波制動，差動保護拒動。另外，在現代變壓器的勵磁電流高次諧波的含量可能低于10%的水平，二次諧波低到7%。在這種情況下，整定值必須調整為小于7%。然而，這樣會引起保護延時動作，甚至不動作，這是由于內部短路的差動電流的諧波和伴隨CT飽和引起，交叉制動或時間控制門檻方法也只能部分解決這個問題。

2.波形制動。這種涌流制動方法有兩種：較普遍方法 – 注重涌流波形低值和平坦值的期間（dwell-time – 準則1）;原理注重涌流波形的峰值和衰減速率（準則2）

2.1 準則 1。勵磁電流的假使可能不規則，如在每個周波，不小于1/4周波期間內的波形是平坦和接近零時，沒有出現差動電流。這種保護原理已經在靜態繼電器所采用。不論實施的情況如何，波形直接制動方法的形狀顯示了它的缺點 ：（a）內部故障對勵磁電流的識別需要1個周波的時間。（b）在涌流過程中CT會飽和， （很可能由于電流的直流分量的原因）， 在某些期間內改變了波形的形狀，可能會引起誤跳閘。（c）在嚴重內部故障時，當CT飽和，二次側電流可能會很低而且較平坦，保護拒動。

2.2準則 2。勵磁電流的假設可能不對，如果差動電流峰值在1個半周波轉移，并且兩個連續的峰值的極性不相同。這種方法對峰值的檢測需要非常精確。必須核對兩個連續峰值之間的時間在誤差允許范圍內并考慮到頻率偏差。理論上，為了區別內部短路和涌流工況，這種方法需要3個1/4 周波的時間。在第一個1/4 周波之后才出現短路電流的峰值。在第二個峰值出現時，這種準則就不符合涌流的假設，保護就動作。這種方法的優點：能承受TA在涌流和短路時的嚴重飽和。缺點：需要相間交叉極化的算法。不是始終所有三相的涌流波形都是單側，同時，當變壓器較平穩充電時（會偶然發生，由于合閘角度和磁通的關系較合適），此準則會失效。此準則可以用于修正瞬時差動過電流元件。

3.其他方法。

3.1模擬方法。此方法解決無故障變壓器的在線數學模型。對模擬的某些參數進行計算或根據所有剩余信號對變量的某部分進行計算，隨后與測量值進行比較。在第一種情況，對計算的參數從其他擾動量區分出內部故障，在第二種情況，用計算值和測量值的差值進行分類。這種方法要求對各側的電壓和電流進行測量。

3.2功率差動方法。這種方法采用功率差動原理，區分內部故障和其他工況，不是差動電流，而是對差動功率進行計算和測量。變壓器各側的瞬時功率的差值作為動作信號。這種方法需要測量各側電壓，還要考慮變壓器接線組別和變比補償。通過對變壓器損耗的補償，此方法的可靠性還可以提高。

3.3磁通涌流制動。此方法是根據在線計算磁通原理，從涌流和過激磁概況中區分內部故障，采用鐵心磁通現象的識別方法，其優點是考慮到鐵心飽和作為不平衡電流源。

四、新的算法語言

本文介紹的算法語言涉及到在涌流工況的二次諧波暫時下降到低于15-20%的問題。這種情況發生的原因是由于很高的勵磁電流迫使角度a大于900 。依次，產生二次諧波含量降到20%以下。這種現象勵磁電流和二次諧波比值發生的時間范圍，用滿周波傅立葉算法，64點/周波采樣。在這個例子中，在5個周波時間范圍內二次諧波暫時下降到低于20%。依次，保護會引起跳閘或迫使用戶把整定值降低到5%以下，影響保護的速度和靈敏度。隨時間推移，電流上升到典型的涌流波形，二次諧波比值上升到20%安全值。

2.評價。

2.1評價分析，為了評價 l21 的識別能力采用簡化涌流模型。二次諧波和基波的比值和相角差進行分析推導。結論 ： 假定角度非常接近+90或0 度。對波形模型進行重復計算，包括在大范圍內衰減直流分量及其時間常數。另外，經分析證明，二次諧波和基波的相角差接近于900 ，不論比值降到低于20%。即使二次諧波比值跌到幾乎等于零，軌跡還是沿著0度線延伸。值得注意的是 l21 的復數平面，傳統的二次諧波的動作區是一個圓，直徑為0.15-0.20。這種情況下，結果是傳統的繼電器會誤動。

2.2評價的統計數據。經過各種波形的模擬實驗和按比例具體變壓器的記錄數據來看，考慮到下列因數保證了它的分散性，這種方法的識別能力比傳統的二次諧波制動方法強。新的方法的制動量覆蓋了該區域。遠離圓點的數值是由于暫態和分布很不均勻引起。因此，內部短路和涌流的圖案之間的覆蓋程度不明顯。這樣保證了新方法的正確動作。

3.動作/制動區。根據動態制動的結果，獲得一個合成二次諧波比值與時間有關的動作特性。不閉鎖保護所需的時間是l21 的函數。如果后者不及時變化的話，固定的 t-21 關系可以推導出來，獲得的曲線有如下的特點 ：如果 l21 角度接近于 00 或 1800， 不論二次諧波的數值如何，涌流制動瞬速被移去。如果 l21 角度接近于 90，移去涌流制動的時間取決于二次諧波量的大小 ：一是二次諧波比值低時，移去二次諧波的時間非常短。 二是二次諧波比值接近 20% 時，移去二次諧波的時間為5-6 周波;在涌流二次諧波低于20%工況下，這個時間足于防止保護誤動。

4.實施試驗。所述的方法已經在ISC9000序列 L80 繼電器實施。它是一種模塊化，擴展化和可升級的繼電器。論述的新的算法已經通過數字式實時模擬器測試，模擬試驗和現場記錄證明，新的方法的特性非常優越。

五、結語

本文發表一種新的變壓器保護涌流制動方法，原理是在傳統的二次諧波制動原理的擴展，替代傳統的二次諧波和基波分量的比值的測量方法。新的原理不僅考慮了差動電流二次諧波和基波分量的比值，而且考慮了兩者的相位。動作區做成動態形式，從而大大提高保護在內部短路的特性。新方法已經應用在ISC9000序列 L80 繼電器平臺上。試驗結果表明，這種方法不僅增強了繼電器在勵磁涌流工況下的穩定性，同時，保持了內部故障的性能。