變壓器間及其與電流互感器暫態(tài)交互作用分析和保護(hù)對策

楊啟帆，彭子健

（國網(wǎng)湖北省電力有限公司檢修公司，武漢 430000)

1 引言

大型復(fù)雜型配電網(wǎng)絡(luò)的交直流混聯(lián)布設(shè)時必須進(jìn)行多回直流線路的饋入和饋出，所以進(jìn)行電網(wǎng)安全防護(hù)對直流保護(hù)必須反應(yīng)快速而靈敏，所以對于電網(wǎng)直流保護(hù)設(shè)備的運行要求較高，也非常容易出現(xiàn)擾動故障。因此想要降低故障的發(fā)生率，必須要采取可靠的保護(hù)措施，降低錯誤動作，電流差動保護(hù)。大型配電網(wǎng)絡(luò)中，變壓器空投導(dǎo)致輸電線路保護(hù)誤動、相鄰變壓器運行事故頻發(fā)，主要的原因是電流互感器以及非周期分量衰減常數(shù)增大所致，對電網(wǎng)安全的影響巨大。下文則對變壓器間機(jī)器電流互感器暫態(tài)交互作用進(jìn)行分析，并制定針對性的保護(hù)措施，以提升電網(wǎng)運行的安全性。

2 目前和應(yīng)涌流的分析法

當(dāng)前，針對變壓器機(jī)器電流互感器暫態(tài)交互作用分析以及保護(hù)對策的主要方法有磁鏈分析法和數(shù)字分析法，即通過物理實驗獲得和應(yīng)涌流的特征，通過并聯(lián)、串聯(lián)和應(yīng)涌流的特征進(jìn)行區(qū)分，并制定具體的保護(hù)措施[1]。但在復(fù)雜電網(wǎng)的暫態(tài)交互中，變壓器間的和應(yīng)涌流是非線性鐵磁元件暫態(tài)過程，這些分析方法無法滿足實際工作需求。復(fù)雜和應(yīng)涌流包括電流互感器的暫態(tài)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(gòu)成零序二次諧波制動，從而解決保護(hù)誤動和暫態(tài)分析的問題。一般的和應(yīng)涌流所導(dǎo)致的誤動問題和差動保護(hù)現(xiàn)象多交織在一起，所以作用機(jī)理復(fù)雜且表現(xiàn)形式多樣，目前尚未進(jìn)行有效分析。只能使用嚴(yán)格的復(fù)雜涌流以及電流互感器飽和特性分析等方法進(jìn)行分析，從而防止差動保護(hù)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(tài)過程，需要使用假設(shè)運行將變壓器副方保持?jǐn)嚅_狀態(tài)，以準(zhǔn)確地反映工程情況。

3 配電網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜和應(yīng)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(fù)雜性和應(yīng)涌流的研究較少，因此本文則從理論分析、數(shù)字仿真以及動模試驗3個方面對和應(yīng)涌流進(jìn)行全面研究。

3.1 對單相變壓器的復(fù)雜和應(yīng)涌流的分析

運行變壓器TY1與空投變壓器TY2的系統(tǒng)S1與一次繞組相連，表示負(fù)載系統(tǒng)的S2和二次繞組相連，S2電壓為0,即為負(fù)載阻抗，使用基爾霍夫定律對其的和應(yīng)涌流電氣連接圖、等效電路圖進(jìn)行分析，結(jié)果顯示運行變負(fù)載有無源和有源兩種。當(dāng)運行變帶無源負(fù)載時，運行變帶有源負(fù)載，分為Line1，Line2兩種類型。見圖1所示。

圖1 一次性系統(tǒng)連接圖

1θ為系統(tǒng)S1等值電壓源的幅值和相位，2θ為系統(tǒng)S2等值電壓源的幅值和相位。系統(tǒng)S2電壓值為非0，則表示電源的內(nèi)阻抗。構(gòu)建節(jié)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(yīng)涌流以及系統(tǒng)L2吸收的電流，系統(tǒng)L1提供電流；1Ψ指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(yīng)涌流物理實驗分析

變壓器之間的和應(yīng)交互作用和系統(tǒng)的等值電阻關(guān)系密切，如若系統(tǒng)阻抗增加較大，則鐵芯不會很容易出現(xiàn)飽和狀態(tài)，從而導(dǎo)致變壓器的勵磁電壓下降；相反，若空投涌流、和應(yīng)涌流下降，變壓器涌流則會增加。所以在一定范圍內(nèi)增加系統(tǒng)阻抗，空投變鐵芯的偏磁現(xiàn)象是由合閘所產(chǎn)生自由直流分量以及剩磁相疊加所構(gòu)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(jìn)行的和應(yīng)涌流物理實驗顯示，合閘角、和應(yīng)涌流以及產(chǎn)生剩磁會減小。和應(yīng)涌流和空投涌流較大時，系統(tǒng)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(yīng)涌流構(gòu)成。

行變的涌流共由兩個部分所構(gòu)成：運行中性點流入的和應(yīng)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(tǒng)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(nèi)便會出現(xiàn)非常明顯的涌流特征。

3.3 基于二次諧波相位比較的和應(yīng)涌流識別

以上對復(fù)雜和應(yīng)涌流特征分析的基礎(chǔ)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(yīng)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(lián)和應(yīng)涌流進(jìn)行鑒別區(qū)分，能夠有效預(yù)防和應(yīng)涌流對保護(hù)機(jī)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(tài)下，變壓器間所發(fā)生和應(yīng)交互作用過程中，借助智能變電站信息共享技術(shù)，能夠計算出空投變勵磁涌流和運行變和應(yīng)涌流之間的二次諧波相位之差（一般為180°），其便為鑒別和應(yīng)涌流的新方法。

4 變壓器間電流互感器交互作用保護(hù)措施

4.1 保護(hù)誤動原因和措施

電流互感器的暫態(tài)性能是經(jīng)相關(guān)平臺的有效評估所得，在實際的工程應(yīng)用中，電流互感器暫態(tài)性能對分析變壓器空投導(dǎo)致輸電線路保護(hù)誤動，相鄰變壓器/發(fā)電機(jī)誤動的故障原因意義重大。對于變壓器空投導(dǎo)致相鄰運行變壓器誤動事故，依據(jù)互感器飽和會導(dǎo)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(yù)防保護(hù)誤動的發(fā)生。對于便要求其空投導(dǎo)致相鄰輸電線路、發(fā)電機(jī)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(hù)誤動。

4.2 差動保護(hù)應(yīng)對措施

局部暫態(tài)飽和在互感器傳播且伴有非周期分量時容易出現(xiàn)差動保護(hù)誤動現(xiàn)象[2]，在對互感器飽和以及逆行機(jī)理進(jìn)行分析之后得出：當(dāng)被保護(hù)的設(shè)備兩側(cè)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(cè)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(tài)。電流變壓器間以及和電流互感器間會出現(xiàn)差動電流顯示動作，從而出現(xiàn)和應(yīng)交互作用。互感器保護(hù)措施示意圖見圖2。

圖2 互感器保護(hù)措施示意圖

現(xiàn)代交直流混聯(lián)復(fù)雜的配電網(wǎng)絡(luò)暫態(tài)過程中，通過構(gòu)建各種類型的互感器數(shù)字仿真模型開發(fā)出了可以用于電流互感器暫態(tài)飽和特性的仿真評估平臺，能夠?qū)ΡＷo(hù)誤動產(chǎn)生的原因進(jìn)行明確，比使用繼電保護(hù)技術(shù)對二次電流非周期分量情況進(jìn)行鑒別更為精確，從而開發(fā)了事故分析與維修的工具，更好地服務(wù)電力工作。