變壓器間及其與電流互感器暫態交互作用分析和保護對策

楊啟帆 彭子健

【摘要】交直流混聯復雜電網出現故障時，變壓器之間及其與電流互感器間會出現暫態交互作用，正由于該暫態過程致使在判斷故障時難度增加，從而影響繼電保護裝置的運作。近幾年，電網發生了很多由于變壓器空投造成的相鄰發電機、變壓器以及輸電線路保護誤動的情況，嚴重影響電網運行的安全性。論文從原理、數字仿真實驗等方面展開研究，論述變壓器與電流互感器暫態交互作用的作用機理，制定相應的保護措施。

【關鍵詞】變壓器;電流互感器;暫態飽和

【中圖分類號】TM721.3;TM41

【文獻標志碼】A

【文章編號】1673-1069（2018）11-0128-02

1引言

大型復雜型配電網絡的交直流混聯布設時必須進行多回直流線路的饋入和饋出，所以進行電網安全防護對直流保護必須反應快速而靈敏，所以對于電網直流保護設備的運行要求較高，也非常容易出現擾動故障。因此想要降低故障的發生率，必須要采取可靠的保護措施，降低錯誤動作，電流差動保護。大型配電網絡中，變壓器空投導致輸電線路保護誤動、相鄰變壓器運行事故頻發，主要的原因是電流互感器以及非周期分量衰減常數增大所致，對電網安全的影響巨大。下文則對變壓器間機器電流互感器暫態交互作用進行分析，并制定針對性的保護措施，以提升電網運行的安全性。

2目前和應涌流的分析法

當前，針對變壓器機器電流互感器暫態交互作用分析以及保護對策的主要方法有磁鏈分析法和數字分析法，即通過物理實驗獲得和應涌流的特征，通過并聯、串聯和應涌流的特征進行區分，并制定具體的保護措施。但在復雜電網的暫態交互中，變壓器間的和應涌流是非線性鐵磁元件暫態過程，這些分析方法無法滿足實際工作需求。復雜和應涌流包括電流互感器的暫態飽和變壓器的勵磁涌流。涌流識別之后，二次諧波含量平緩下降時，可以借助二次諧波分量構成零序二次諧波制動，從而解決保護誤動和暫態分析的問題。一般的和應涌流所導致的誤動問題和差動保護現象多交織在一起，所以作用機理復雜且表現形式多樣，目前尚未進行有效分析。只能使用嚴格的復雜涌流以及電流互感器飽和特性分析等方法進行分析，從而防止差動保護誤動和增大比例制動特性的最小動作電流。對于涉及到變壓器、電流互感器等非線性鐵磁元件的暫態過程，需要使用假設運行將變壓器副方保持斷開狀態，以準確地反映工程情況。3配電網絡復雜和應涌流的研究

以往大多都是針對勵磁涌流等的研究和分析，但是對于復雜性和應涌流的研究較少，因此本文則從理論分析、數字仿真以及動模試驗3個方面對和應涌流進行全面研究。

3.1對單相變壓器的復雜和應涌流的分析

運行變壓器TYl與空投變壓器TY2的系統s1與一次繞組相連，表示負載系統的s2和二次繞組相連，s2電壓為0，即為負載阻抗，使用基爾霍夫定律對其的和應涌流電氣連接圖、等效電路圖進行分析，結果顯示運行變負載有無源和有源兩種。當運行變帶無源負載時，運行變帶有源負載，分為Linel，Line2兩種類型。見圖1所示。

1θ為系統s1等值電壓源的幅值和相位，2θ為系統s2等值電壓源的幅值和相位。系統s2電壓值為非0，則表示電源的內阻抗。構建節點電流方程、賄賂電壓方程分別為空投變勵磁涌流，運行變和應涌流以及系統L2吸收的電流，系統提供電流;1Ψ旨運行變勵磁支路磁鏈;2Ψ表示空投變勵磁支路磁鏈。

3.2和應涌流物理實驗分析

變壓器之間的和應交互作用和系統的等值電阻關系密切，如若系統阻抗增加較大，則鐵芯不會很容易出現飽和狀態，從而導致變壓器的勵磁電壓下降;相反，若空投涌流、和應涌流下降，變壓器涌流則會增加。所以在一定范圍內增加系統阻抗，空投變鐵芯的偏磁現象是由合閘所產生自由直流分量以及剩磁相疊加所構成。若合閘形成的剩磁方向和自由直流分量相同，實驗室中進行的和應涌流物理實驗顯示，合閘角、和應涌流以及產生剩磁會減小。和應涌流和空投涌流較大時，系統等值阻抗。不管空投變和運行變中性點是否接地，運行變涌流僅由和應涌流構成。

行變的涌流共由兩個部分所構成：運行中性點流入的和應涌流、空投勵磁會增大，若運行變和空投變中性點接地，則系統磁涌流、電壓零模分量，則在小容量的變壓器中空投，而大容量變壓器運行，在很短的時間內便會出現非常明顯的涌流特征。

3.3基于二次諧波相位比較的和應涌流識別

以上對復雜和應涌流特征分析的基礎上獲取有同一個變電站中所連接的變壓器勵磁電流，在空投變合閘后，運行變勵磁電流與和應涌流識別主要依靠變壓器類型。通過分析和對比二次諧波分量的相位之差可以對不同變壓器勵磁電流以及并聯和應涌流進行鑒別區分，能夠有效預防和應涌流對保護機制的不良影響;此外，兩臺變壓器中性點全部接地良好的狀態下，變壓器間所發生和應交互作用過程中，借助智能變電站信息共享技術，能夠計算出空投變勵磁涌流和運行變和應涌流之間的二次諧波相位之差（一般為180°），其便為鑒別和應涌流的新方法。

4變壓器間電流互感器交互作用保護措施

4.1保護誤動原因和措施

電流互感器的暫態性能是經相關平臺的有效評估所得，在實際的工程應用中，電流互感器暫態性能對分析變壓器空投導致輸電線路保護誤動，相鄰變壓器/發電機誤動的故障原因意義重大。對于變壓器空投導致相鄰運行變壓器誤動事故，依據互感器飽和會導致差動電流增大的原理，借助二次電流為周期分量的互感器飽和的識別方式預防保護誤動的發生。對于便要求其空投導致相鄰輸電線路、發電機誤動的事故，可以通過降低互感器飽和的無二次電流中的非周期分量，來防止差動保護誤動。

4.2差動保護應對措施

局部暫態飽和在互感器傳播且伴有非周期分量時容易出現差動保護誤動現象，在對互感器飽和以及逆行機理進行分析之后得出：當被保護的設備兩側互感器的二次電流非周期分量增大時，差動電流相對較小。主要的原因在于若一側的互感器直流分量減少，飽和識別程序便迅速啟動;基于二次電流非周期分量額飽和識別方法，在整個過程中互感器均保持飽和的狀態。電流變壓器間以及和電流互感器間會出現差動電流顯示動作，從而出現和應交互作用。互感器保護措施示意圖見圖2。

現代交直流混聯復雜的配電網絡暫態過程中，通過構建各種類型的互感器數字仿真模型開發出了可以用于電流互感器暫態飽和特性的仿真評估平臺，能夠對保護誤動產生的原因進行明確，比使用繼電保護技術對二次電流非周期分量情況進行鑒別更為精確，從而開發了事故分析與維修的工具，更好地服務電力工作。