變壓器勵(lì)磁涌流引起保護(hù)動(dòng)作的原因分析與改進(jìn)方法研究

謝煜敏

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司江門供電局，廣東江門 529000）

0 引言

電力變壓器是電能輸送環(huán)節(jié)的核心部件，其安全穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)整個(gè)地區(qū)電力系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定與動(dòng)態(tài)穩(wěn)定有著極其重要的影響。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，我國(guó)對(duì)基礎(chǔ)電力設(shè)施的投資也在逐年增加，電力變壓器的投運(yùn)與切除成為變電運(yùn)維倒閘操作工作的重要組成部分，因此認(rèn)真學(xué)習(xí)變壓器勵(lì)磁涌流的影響及其對(duì)策不僅僅是提升自身技能水平的關(guān)鍵，還是保障電網(wǎng)安全運(yùn)行的重要一環(huán)，對(duì)實(shí)際的生產(chǎn)運(yùn)行有著積極意義。而現(xiàn)有的學(xué)術(shù)研究與工程技術(shù)實(shí)踐大多數(shù)集中于常規(guī)電力變壓器涌流的識(shí)別與抑制，少有文獻(xiàn)針對(duì)含DFIG并網(wǎng)的送出變壓器涌流影響差動(dòng)保護(hù)等方面進(jìn)行研究，故本文針對(duì)這種應(yīng)用場(chǎng)景，結(jié)合實(shí)際的生產(chǎn)運(yùn)行案例進(jìn)行了分析，并提出了保護(hù)改進(jìn)措施與建議。

1 變壓器勵(lì)磁涌流研究背景

變壓器的勵(lì)磁支路上會(huì)存在2%～5%額定電流值的勵(lì)磁電流，這也是主變差動(dòng)保護(hù)中不平衡電流產(chǎn)生的原因之一，在正常運(yùn)行時(shí)或外部故障的情況下，勵(lì)磁電流均維持在一個(gè)很小的電流值，不會(huì)使主變的差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作。但是當(dāng)變壓器空載投入或外部故障切除后，則可能出現(xiàn)幅值大（額定電流的8倍左右）、衰減慢的勵(lì)磁涌流，其磁通φ的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

式中：L為勵(lì)磁電感；U為峰值；α為合閘時(shí)的電壓相角；N為原邊繞組線圈匝數(shù)；R為原邊等效電阻；φ為合閘初始狀態(tài)下的剩磁通。

勵(lì)磁電流幅值很大，極易引起主變的差動(dòng)保護(hù)產(chǎn)生很大的差流進(jìn)而發(fā)生誤動(dòng)作，導(dǎo)致主變跳閘。因此，在勵(lì)磁涌流的影響下必須采取有效的措施閉鎖差動(dòng)保護(hù)。如何防止勵(lì)磁涌流引起主變差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)以及區(qū)分勵(lì)磁涌流與內(nèi)部故障電流是當(dāng)前不可回避的難題。

常規(guī)電力變壓器勵(lì)磁涌流識(shí)別技術(shù)主要分為三類：第一類是基于電流量的勵(lì)磁涌流識(shí)別，例如二次諧波制動(dòng)法；第二類是基于電壓量的勵(lì)磁涌流識(shí)別，如諧波電壓制動(dòng)法；第三類是綜合電流與電壓的綜合法，例如磁通特性識(shí)別法。而在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，大多數(shù)采用第一類識(shí)別方法——二次諧波制動(dòng)法，通過檢測(cè)三相差流中的二次諧波含量占比是否達(dá)到閾值來判別是勵(lì)磁涌流還是故障電流，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)及時(shí)閉鎖差動(dòng)保護(hù)的目的，配合三相或門制動(dòng)方案，任意一相二次諧波含量占比達(dá)到閾值時(shí)閉鎖差動(dòng)保護(hù)，反之，開放。

2 含DFIG并網(wǎng)的送出變壓器故障特性與保護(hù)改進(jìn)方案

由于國(guó)家對(duì)新能源產(chǎn)業(yè)的大力支持，中大型整縣光伏電站以及沿海風(fēng)電上網(wǎng)已成為地區(qū)就地消納電力的常態(tài)，依托供電企業(yè)自身的運(yùn)維優(yōu)勢(shì)，未來向客戶提供新能源電站運(yùn)維也是供電企業(yè)的發(fā)展重點(diǎn)。其中，雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的廣泛應(yīng)用，使得地區(qū)電網(wǎng)的繼電保護(hù)不得不重新考慮其特有的故障特性，尤其是故障發(fā)生期間低電壓穿越的要求，使得傳統(tǒng)的二次諧波制動(dòng)不能滿足主變差動(dòng)保護(hù)的要求。

2.1 送出變壓器故障特性分析

雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)正常并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，定子三相繞組輸出電流直接接入地區(qū)電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子繞組則由AC-DCAC變流器采用脈寬調(diào)制PWM控制方式提供可控幅值、相位及頻率的勵(lì)磁電流。采用內(nèi)環(huán)控制有功、外環(huán)控制并網(wǎng)母線電壓的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)組的解耦，再經(jīng)過PI環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)運(yùn)算，得到控制有功功率與無功功率的指令值，調(diào)制信號(hào)后反饋至雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)，進(jìn)一步控制DFIG的勵(lì)磁電流。在機(jī)組內(nèi)部故障的情況下，網(wǎng)側(cè)電壓跌落較大到達(dá)定值時(shí)，轉(zhuǎn)子Crowbar保護(hù)電路的投入使得風(fēng)力雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)不脫網(wǎng)運(yùn)行，并優(yōu)先向電網(wǎng)輸送無功電流支持網(wǎng)側(cè)電壓，定子短路電流的二次諧波含量因?yàn)閯?lì)磁電流變成衰減的直流分量而大幅度上升，未投入轉(zhuǎn)子Crowbar保護(hù)電路時(shí)的送出變壓器故障電流時(shí)域特性與常規(guī)變壓器故障電流保持一致，但投入轉(zhuǎn)子Crowbar保護(hù)電路時(shí)，送出變壓器故障電流時(shí)域特性因轉(zhuǎn)子（1+s）f電流分量使得故障電流不僅含有旋轉(zhuǎn)量、衰減的直流分量，還包括轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速反向旋轉(zhuǎn)暫態(tài)分量，兩種情況下的故障電流時(shí)域波形如圖1所示，故障電流I的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中：i、i、i分別為旋轉(zhuǎn)量幅值、短路時(shí)刻衰減的直流分量初始值、短路時(shí)刻轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速反向旋轉(zhuǎn)暫態(tài)分量幅值；ω為轉(zhuǎn)子角速度；ω為電網(wǎng)同步角速度；T為定子直流衰減時(shí)間常數(shù)；T為投入轉(zhuǎn)子Crowbar保護(hù)電路延時(shí)；T為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速反向旋轉(zhuǎn)暫態(tài)分量衰減時(shí)間常數(shù)。

對(duì)上述低電壓穿越過程中兩種情況下的故障電流進(jìn)行快速傅里葉變換分析，由圖2的結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)，未投入轉(zhuǎn)子Crowbar保護(hù)電路時(shí)的送出變壓器故障電流頻域特性與常規(guī)變壓器故障電流保持一致，其二次諧波含量占比為1.69%，此時(shí)不閉鎖差動(dòng)保護(hù)，差動(dòng)保護(hù)可準(zhǔn)確動(dòng)作。投入轉(zhuǎn)子Crowbar保護(hù)電路時(shí)的送出變壓器故障電流頻域中將含有大量的二次諧波，其占比可高達(dá)40.5%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過閾值設(shè)定值15%，此時(shí)在故障的情況下持續(xù)閉鎖主變差動(dòng)保護(hù)，直到二次諧波隨時(shí)間衰減到15%以下主變差動(dòng)才能正確動(dòng)作，并且衰減時(shí)間在變壓器內(nèi)部故障下二次諧波制動(dòng)比率差動(dòng)保護(hù)超過2～4個(gè)周波，此時(shí)主變差動(dòng)保護(hù)延時(shí)動(dòng)作，一旦故障未及時(shí)切除，保護(hù)延伸至本級(jí)線路縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)，將擴(kuò)大停電面積。

2.2 送出變壓器差動(dòng)保護(hù)改進(jìn)方案

上述分析表明，原有的二次諧波制動(dòng)方案并不能在含DFIG并網(wǎng)的送出變壓器內(nèi)部故障時(shí)開放主變差動(dòng)保護(hù)，因此需要提出一種新的保護(hù)判據(jù)來解決變壓器內(nèi)部故障時(shí)諧波含量過高的問題。利用變壓器勵(lì)磁涌流（對(duì)稱性或非對(duì)稱性涌流）出現(xiàn)明顯的間斷特征（一般為間斷角大于65°或者半周波寬小于140°），內(nèi)部故障時(shí)故障電流為連續(xù)的衰減波，沒有間斷這一特征，即間斷角原理識(shí)別勵(lì)磁涌流。但傳統(tǒng)的間斷角原理判據(jù)并不具有抗電流互感器飽和與數(shù)據(jù)采集小部分缺失的能力，因此本文提出符號(hào)序列比例制動(dòng)法，將涌流與故障電流進(jìn)行符號(hào)化處理，再利用符號(hào)序列中特定符號(hào)模式出現(xiàn)的比例構(gòu)成判據(jù)來辨識(shí)勵(lì)磁涌流和故障差流。根據(jù)式（3）符號(hào)序列的定義，相鄰兩個(gè)采樣點(diǎn)的差流采樣值呈現(xiàn)下降趨勢(shì)記作0，基本保持不變記作1，呈現(xiàn)上升趨勢(shì)記作2。

式中：X（m）為符號(hào)序列；I（k）為數(shù)據(jù)窗第k個(gè)采樣值；ε為符號(hào)序列的閾值因子，一般取0.003。

在勵(lì)磁涌流中，由于間斷角的存在，勵(lì)磁涌流會(huì)出現(xiàn)0、1、2三種特征，總共包含00、01、02、10、11、12、20、21、22九種符號(hào)序列，而故障電流只存在02特征。

通過上述方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行符號(hào)序列化后，保留其中00、11、22三種模式進(jìn)行計(jì)算，并引入電壓閉鎖功能作為輔助判據(jù)，因送出變壓器區(qū)內(nèi)故障時(shí)一般伴隨電壓降低、電流升高，而勵(lì)磁涌流時(shí)電壓反而有所升高，11模式出現(xiàn)的比例r的計(jì)算公式如下：

式中：N、N、N分別為模式00、11、22出現(xiàn)的事件數(shù)；r為符號(hào)序列門檻值，一般取0.2；U為故障時(shí)刻主變高壓側(cè)并網(wǎng)點(diǎn)電壓；U為電壓?jiǎn)?dòng)閾值，一般取低電壓穿越無功補(bǔ)償時(shí)電壓跌落值0.9U，U為變壓器原邊電壓。

當(dāng)公式（4）滿足時(shí)，則判斷為勵(lì)磁涌流閉鎖主變差動(dòng)保護(hù)，否則判定為區(qū)內(nèi)故障，并開放差動(dòng)保護(hù)使其動(dòng)作。

本文利用PSCAD/EMTDC平臺(tái)模擬空載合閘勵(lì)磁涌流（模擬1）、變壓器匝間故障（模擬2）、勵(lì)磁涌流疊加匝間5%輕微短路故障（模擬3）三種不同類型的故障或涌流情景，在不考慮主變差動(dòng)延時(shí)元件閉鎖的前提下，分別對(duì)比改進(jìn)前后保護(hù)是否正確啟動(dòng)，仿真結(jié)果如表1所示，結(jié)果表明所提保護(hù)方案能有效解決傳統(tǒng)二次諧波制動(dòng)法不適用于含DFIG并網(wǎng)的送出變壓器故障時(shí)差動(dòng)保護(hù)延時(shí)動(dòng)作的問題。

3 結(jié)語

對(duì)于含DFIG并網(wǎng)的送出變壓器發(fā)生內(nèi)部故障時(shí)，因轉(zhuǎn)子Crowbar保護(hù)電路的投入，二次諧波制動(dòng)法會(huì)閉鎖主變差動(dòng)保護(hù)。鑒于此，本文提出了基于間斷角識(shí)別原理的符號(hào)序列比例制動(dòng)法，具有抗電流互感器飽和與數(shù)據(jù)采集小部分缺失的能力，并引入母線電壓作為輔助判據(jù)。算例表明，改進(jìn)后的保護(hù)方案能有效識(shí)別變壓器涌流和內(nèi)部故障電流，在各種運(yùn)行工況下均能可靠動(dòng)作。