變壓器勵磁涌流識別技術(shù)研究

賈弘德+許曉峰+宋云東+王巍+唐奇

摘要：勵磁涌流的正確識別是電力變壓器保護中的一個非常關(guān)鍵的問題。對大量國內(nèi)外專家學(xué)者與機構(gòu)所提出的勵磁涌流的識別方法進行分析與總結(jié)，并介紹識別電力變壓器勵磁涌流和內(nèi)部故障的幾種方法，以期為變壓器故障分析的深入研究奠定一定的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：變壓器；勵磁涌流；識別；內(nèi)部故障

中圖分類號：TM407 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2016）12-0047-04

隨著國民經(jīng)濟的飛速發(fā)展，我國的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)也在不斷發(fā)展壯大，電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜。作為電力系統(tǒng)中重要的電氣主設(shè)備之一，電力變壓器起到連接不同電壓等級的電網(wǎng)以及能量變換的作用，變壓器的安全穩(wěn)定運行與整個電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行息息相關(guān)。因此，電力系統(tǒng)要求變壓器保護能夠快速動作，具有更高的可靠性與靈敏性等，以便能夠盡快地將故障切除，從而避免整個電力系統(tǒng)故障的發(fā)生。

1 變壓器保護存在的問題

變壓器差動保護是電力變壓器主保護之一，其理論是根據(jù)基爾霍夫電流定律所提出的。變壓器差動保護需要解決的核心問題是如何識別變壓器的勵磁涌流和內(nèi)部故障差流。差動保護作為變壓器的主保護，一直受到勵磁涌流問題的影響，據(jù)統(tǒng)計，在2003—2007年期間，220 kV及以上電力變壓器保護的平均正確動作率僅為85.866%，遠遠低于100 MW及以上發(fā)電機保護的98.852%與220 kV及以上線路保護的99.506%。顯然，對變壓器勵磁涌流的識別技術(shù)的研究還不夠完善，仍存在著許多亟待解決的問題。本課題收集、查閱大量文獻，總結(jié)分析各種實現(xiàn)勵磁涌流識別方法的原理、判據(jù)以及不足之處。

2 勵磁涌流的識別技術(shù)

截至目前，變壓器勵磁涌流的識別技術(shù)主要包括：基于變壓器電流量的勵磁涌流識別技術(shù)，基于變壓器電壓量的勵磁涌流識別技術(shù)，以及基于變壓器電流量和電壓量的勵磁涌流識別技術(shù)。近年來，隨著科學(xué)研究領(lǐng)域的擴大和研究層次的逐漸加深，許多新的方法理論也被應(yīng)用到變壓器勵磁涌流的識別技術(shù)當中。

2.1 基于變壓器電流量的勵磁涌流識別技術(shù)

2.1.1 二次諧波制動原理 基于變壓器勵磁涌流中含有較大的偶次諧波電流分量，并且二次諧波電流分量最大這個特點，有文獻提出采用二次諧波制動原理來判別是變壓器勵磁涌流還是內(nèi)部故障。當變壓器出現(xiàn)勵磁涌流時，其電流中含有較多的二次諧波電流分量；然而當變壓器發(fā)生內(nèi)、外部故障時，其短路電流中二次諧波電流所占的分量卻比較少。因此，利用這個特點構(gòu)成二次諧波制動的差動保護，可以用來躲避勵磁涌流的影響。

二次諧波制動原理的勵磁涌流的判別式為：

式中：Id1為差流中的基波幅值；Id2為差流中的二次諧波幅值；K為二次諧波的制動比。

現(xiàn)階段國內(nèi)外所運用的變壓器微機保護大部分都是采用二次諧波制動原理來實現(xiàn)的，二次諧波的制動比通常取為0.15～0.20。有文獻指出，隨著電力系統(tǒng)規(guī)模逐漸擴大及電壓等級不斷提高，可能導(dǎo)致變壓器發(fā)生內(nèi)部故障，或諧振時產(chǎn)生較大的二次諧波電流，甚至可能由于匝間故障而造成保護延時動作，這些都將導(dǎo)致二次諧波電流“分量大”。

2.1.2 間斷角原理 基于變壓器勵磁涌流波形中有較大間斷角而故障電流中沒有的特征，有文獻提出采用間斷角原理，通過準確測量導(dǎo)數(shù)波的寬度和間斷角的大小來區(qū)分識別勵磁涌流和故障電流。

有文獻指出，目前該原理的模擬式保護裝置雖然已經(jīng)得到了應(yīng)用，但還是面臨著因電流互感器傳變而引起間斷角變形的問題。當電流互感器飽和時，勵磁涌流在間斷角區(qū)域?qū)a(chǎn)生反向電流，電流互感器如果飽和越嚴重，反向電流就會越大，最終則會導(dǎo)致勵磁涌流的間斷角消失。而對于內(nèi)部故障電流，電流互感器的飽和將使得間斷角變大，并且電流互感器如果飽和越嚴重，差流間斷角就會越大。前者將導(dǎo)致變壓器發(fā)生勵磁涌流時差動保護誤動作，而后者將導(dǎo)致變壓器發(fā)生內(nèi)部故障時差動保護拒動。此外，用微機保護在實現(xiàn)間斷角原理的時候，其硬件成本較高，為了達到測量間斷角的準確性，需要較高的系統(tǒng)采樣頻率和高分辨率的A/D轉(zhuǎn)換芯片。

2.1.3 波形對稱原理 基于變壓器差動電流導(dǎo)數(shù)的前半波和后半波是否對稱的特征，有文獻提出采用波形對稱原理，根據(jù)比較的結(jié)果來判別其是否存在勵磁涌流。

基于波形對稱原理識別勵磁涌流的判據(jù)通常為：

式中：Ii為差動電流導(dǎo)數(shù)的前半波中第i點值；

Ii+180°為差動電流導(dǎo)數(shù)的后半波中對應(yīng)的第i點的值；K為比較值。如果第i點的值滿足式（2），則判別為是對稱的，否則判別為不對稱。通過對半個周期的波形進行連續(xù)比較，若為內(nèi)部故障，則式（2）恒成立；但若為勵磁涌流，則會有至少1/4個周期的點不滿足式（2）。

有文獻指出，由于勵磁涌流和故障電流的波形均具有一定的不確定性，如果K取值過大，可能會導(dǎo)致保護的誤動；如果K取值過小，可能會導(dǎo)致保護的拒動。K值如何確定很難通過嚴格的理論推導(dǎo)或分析來解決，只能根據(jù)實際應(yīng)用中的情況通過試驗來設(shè)定；但是當系統(tǒng)中運行參數(shù)和狀態(tài)等前提條件如果發(fā)生了變化，此原理的方法可能會引起誤判。

2.2 基于變壓器電壓量的勵磁涌流識別技術(shù)

基于變壓器發(fā)生勵磁涌流出現(xiàn)嚴重飽和時，其端電壓會發(fā)生畸變，并且會出現(xiàn)較大的諧波分量的特征，有文獻提出采用諧波電壓制動原理來識別變壓器勵磁涌流。

基于變壓器電壓量的識別勵磁涌流的判據(jù)通常為：

式中：V1為變壓器端電壓基波分量的幅值；Vth，Tth分別為比較閾值；T為一個監(jiān)視量，其目的是防止發(fā)生勵磁涌流時變壓器端電壓畸變而引起電壓下降導(dǎo)致保護誤動作。

式中：Vk為電壓的初始采樣值；V1k為電壓中基波分量的計算采樣值。

當電力變壓器的三相電壓滿足式（3）時，則判別為勵磁涌流，否則為內(nèi)部故障。雖然在發(fā)生勵磁涌流時某些相可能會出現(xiàn)V1Tth可靠地制動。而對于內(nèi)部故障電流，通常情況總有V1

有文獻指出，諧波電壓制動原理的整定與系統(tǒng)阻抗的大小有著密切的聯(lián)系，當系統(tǒng)阻抗小于一定程度時，基于該原理的保護性能將得不到保證。因此，運用此原理需要對系統(tǒng)的阻抗有相對精確的了解與掌握，整定具有一定的復(fù)雜性。

2.3 基于變壓器電流量和電壓量的勵磁涌流識別技術(shù)

2.3.1 磁通特性識別原理 基于變壓器發(fā)生勵磁涌流時鐵心飽和，而出現(xiàn)內(nèi)部故障時鐵心不飽和的原理，有文獻提出一種基于磁通軌跡特征的變壓器勵磁涌流識別方法。利用實測的變壓器電壓和電流量來推算變壓器主磁通的軌跡，通過提取主磁通軌跡的特征來判斷主磁通變化范圍，從而確定變壓器是否發(fā)生勵磁涌流。該方法采用最大、最小勵磁電流處磁通軌跡曲線傾角的正弦值之差作為區(qū)分勵磁涌流與內(nèi)部故障的特征指標，并將特征指標定義為：

式中：k為特征指標值；α為主磁通嚴重飽和處附近磁通軌跡曲線與橫軸的夾角；β為主磁通非飽和處附近磁通軌跡曲線與橫軸的夾角。

基于變壓器磁通軌跡特征識別勵磁涌流的判據(jù)通常為：

2.3.2 等值回路平衡方程原理 基于通過分析電力變壓器在正常運行狀態(tài)、內(nèi)部故障和外部故障，以及發(fā)生勵磁涌流狀態(tài)時的等值回路方程，并檢測對地導(dǎo)納參數(shù)的變化特征，有文獻提出基于變壓器導(dǎo)納型等值電路參數(shù)的勵磁涌流識別方法。

基于等值回路平衡方程原理識別勵磁涌流的判據(jù)通常為：

式中：u1，u2分別為一、二次側(cè)繞組的電壓；i1，i2分別為一、二次側(cè)繞組的電流；L1，L2分別為一、二次側(cè)繞組的漏電感；r1，r2分別為一、二次側(cè)繞組的電阻；nB為變壓器變比。

變壓器只有在發(fā)生內(nèi)部故障的時候，由于變壓器內(nèi)部參數(shù)和繞組電流發(fā)生變化，不能夠滿足等值回路平衡方程式（7），而在其余的狀態(tài)時均能夠滿足。此種判別方法較為簡單，能夠快速識別內(nèi)部故障和勵磁涌流；但是，變壓器一次側(cè)和二次側(cè)繞組的電阻和漏感值一般很難方便、準確地取得，這也是影響保護靈敏度的主要原因。

2.4 基于新方法進行的勵磁涌流識別技術(shù)

2.4.1 基于波形正弦度特征的識別方法 基于變壓器在正常運行、內(nèi)部故障或外部故障時，其電流波形具有正弦函數(shù)特征，而勵磁涌流中由于含有非周期分量和間斷角，不具有此特征，有文獻提出基于波形正弦度特征的變壓器勵磁涌流識別方法。通過比較分析電流波形的正弦度，從而確定變壓器是否放生勵磁涌流。

基于波形正弦度特征的變壓器勵磁涌流識別方法的判據(jù)通常為：

式中：σS（t）為波形非正弦度，與差流和基波正弦函數(shù)的偏離程度有關(guān)；σSzd為門檻值，通常取值為1。

2.4.2 基于波形互相關(guān)系數(shù)的識別方法 基于變壓器勵磁涌流和內(nèi)部故障的波形特征，有文獻提出基于波形互相關(guān)系數(shù)的涌流識別方法。通過利用勵磁涌流或內(nèi)部故障后的短數(shù)據(jù)窗來構(gòu)造一個標準正弦波作為參考，并分析實際采樣波形與所構(gòu)造的標準正弦波兩信號的相關(guān)性，進而計算出歸一化互相關(guān)系數(shù)，從而確定變壓器是否發(fā)生勵磁涌流。

基于波形互相關(guān)系數(shù)的變壓器勵磁涌流識別方法的判據(jù)通常為：

式中：δ為波動系數(shù)；ρmax為半周波數(shù)據(jù)窗內(nèi)最大互相關(guān)系數(shù)；=ρxy（i）為半周波數(shù)據(jù)窗內(nèi)平均互相關(guān)系數(shù)。

2.4.3 基于能量信息的識別方法 基于變壓器能量信息的特征，有文獻提出基于能量信息的變壓器勵磁涌流識別方法。該方法基于Prony算法給出一種能量表達式，在此表達式下，當變壓器發(fā)生勵磁涌流時基波能量與二次諧波能量之比遠遠小于發(fā)生內(nèi)部故障時的比值。

基于能量信息的變壓器勵磁涌流識別方法的判據(jù)通常為：

式中：E1為基波能量；E2為二次諧波能量；C為比較閾值。

3 結(jié)語

本課題對變壓器勵磁涌流的識別技術(shù)進行綜述性研究，詳細論述了傳統(tǒng)的基于變壓器電流量的勵磁涌流識別技術(shù)、基于變壓器電壓量的勵磁涌流識別技術(shù)與基于變壓器電流量和電壓量的勵磁涌流識別技術(shù)，以及目前廣泛應(yīng)用的基于小波理論、模糊控制等基于波形正弦度特征、波形互相關(guān)系數(shù)、能量信息的識別方法，并列舉了各個方法識別勵磁涌流的判據(jù)，為變壓器故障分析的深入研究奠定了一定的基礎(chǔ)。

參考文獻

[1] 沈曉凡，舒治淮，劉宇，等.2007年國家電網(wǎng)公司繼電保護裝置運行情況[J].電網(wǎng)技術(shù)，2008，32（16）：5-8.

[2] 邱文征，陳德樹.兩種勵磁涌流二次諧波制動判據(jù)的比較[J].電力系統(tǒng)自動化，1998（3）：8-12.

[3] 王國興，張傳利，黃益莊.變壓器勵磁涌流判別方法的現(xiàn)狀及發(fā)展[J].中國電力，1998，10（31）：20-22.

[4] 孫雪.基于諧波-神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的變壓器勵磁涌流識別方法.[D].青島：山東科技大學(xué)，2012.

[5] 林湘寧，劉世明，楊春明，等.幾種波形對稱法變壓器差動保護原理的比較研究[J].電工技術(shù)學(xué)報，2001，16（4）：44-49，70.

[6] 葛寶明，王祥珩，蘇鵬聲，等.電力變壓器的勵磁涌流判據(jù)及其發(fā)展方向[J].電力系統(tǒng)自動化，2003，27（22）：1-5，30.

[7] 王祖光.間斷角原理的變壓器差動保護[J].電力系統(tǒng)自動化，1979，3（1）：18-30.

[8] 盧雪峰，王增平，徐巖，等.基于波形間斷角原理識別變壓器勵磁涌流的新方法[J].繼電器，2007（35）：1-4.

[9] 關(guān)海川.三相-兩相牽引變壓器保護原理[D].成都：西南交通大學(xué)，2005.

[10] 覃斌志.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的變壓器勵磁涌流識別方法的研究[D].青島：山東科技大學(xué)，2012.

[11] 陳宇.變壓器勵磁涌流的特性與識別方法[J].云南水力發(fā)電，2008，6（24）：94-98.

[12] 孫志杰，陳云侖.波形對稱原理的變壓器差動保護[J].電力系統(tǒng)自動化，1996，20（4）：42-46.

[13] THORP J.S，PHADKE A.G..A microprocessor based voltage three-phase transformer differential relay[J].IEEE Transactions on

Power Apparatus and Systems，1983，101（2）：426-432.

[14] PHDAKE A.G，THORP J.S.A new computer-based current-differential relay for power transformer protection[J].IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems，1983，102（11）：3 624-3 629.

[15] 張榮海.變壓器勵磁涌流的識別與抑制技術(shù)研究[D].成都：重慶大學(xué)，2010.

[16] 趙曉坦，柴建云，蘇鵬聲，等.利用磁通軌跡特征識別變壓器勵磁涌流[J].繼電器，2004，32（20）：1-5.

[17] 潭江平.基于磁通軌跡特征的變壓器勵磁涌流識別新方法[J].電力自動化設(shè)備，2008，28（12）：77-80.

[18] YABE K.power differential method for discriminaton between fault and magnetizing inrush current in transformers[J].IEEE Trans

on Power Delivery，1997，13（3）：1 109-1 118.

[19] 郝治國，張保會，褚云龍，等.基于等值回路平衡方程的變壓器保護原理[J].中國電機工程學(xué)報，2006，26（10）：67-72.

[20] 和敬涵，李靜正，姚斌，等.基于波形正弦度特征的變壓器勵磁涌流判別算法[J].中國電機工程學(xué)報，2007，27（4）：54-59.

[21] 邵文權(quán)，喬妮，王建波.基于波形互相關(guān)系數(shù)的變壓器勵磁涌流識別方法[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2015，43（23）：14-20.

[22] 黃少峰，申洪明，劉欣，等.基于能量信息的變壓器勵磁涌流識別方法[J].電力系統(tǒng)自動化，2014，38（18）：110-113.