電力變壓器內(nèi)部勵磁涌流判別方法的新進展

摘要：勵磁涌流是電力變壓器內(nèi)部故障的主要電氣量標(biāo)志，它的判別一直是變壓器差動保護的關(guān)鍵問題。為了準(zhǔn)確判別勵磁涌流，世界各國的科技工作者先后提出了許多方法，但仍不能很好地滿足當(dāng)前電力變壓器保護所要求的可靠、安全及動作的快速性。文中對各種判別方法的原理、優(yōu)缺點、技術(shù)關(guān)鍵及研究和應(yīng)用現(xiàn)狀進行了較詳細(xì)的分析與客觀評價，對比研究后給出了今后勵磁涌流判別方法的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：電力變壓器 勵磁涌流 內(nèi)部故障

1、引言

差動保護一直是電力變壓器的主保護，其理論根據(jù)是基爾霍夫電流定律。由于大型電力變壓器正常運行時的勵磁電流相對于額定電流通常很小，所以適當(dāng)設(shè)定差動保護動作值可以準(zhǔn)確區(qū)分變壓器內(nèi)部故障與外部故障。但是，當(dāng)空載合閘或者變壓器外部短路被突然切除而端電壓突然恢復(fù)時，暫態(tài)勵磁電流(即勵磁涌流)急劇增大，有可能達(dá)到短路電流的數(shù)量級，這樣大的不平衡電流就必然導(dǎo)致差動保護誤動作。為此，變壓器差動保護的主要任務(wù)就是準(zhǔn)確鑒別勵磁涌流和內(nèi)部故障電流。

為解決由于勵磁涌流而使變壓器差動保護經(jīng)常出現(xiàn)誤動作的問題，尋求正確識別變壓器內(nèi)部故障和勵磁涌流的方法，國內(nèi)外學(xué)者提出了電流特征判別法、磁通特性判別法、等值回路參數(shù)法等。本文較為詳細(xì)地對各種判別方法的原理、優(yōu)缺點及應(yīng)用情況進行了分析，并介紹了新近提出的一些判別方法。

2、電流特征判別法

該方法利用勵磁涌流和內(nèi)部故障電流不同的波形特征作為區(qū)別的依據(jù)。主要有二次諧波制動原理、間斷角特征原理、采樣值差動原理、波形對稱原理和尖頂波特征原理及波形正度特征原理…等。

2．1二次諧波制動原理

此原理是計算差動電流中的二次諧波分量與基波的比值，并據(jù)此設(shè)定制動比。若比值大于此制動比，則保護動作。目前國內(nèi)外實際投入運行的變壓器保護大都采用該原理。但是，采用二次諧波制動原理的變壓器保護，存在著以下3個問題：

一是勵磁涌流是暫態(tài)電流，不適合用傅里葉級數(shù)的周期延拓分析方法。

二是對于不同的應(yīng)用環(huán)境很難選擇適當(dāng)?shù)闹苿颖取?/p>

三是現(xiàn)代變壓器涌流時，二次諧波含量低，容易導(dǎo)致誤動：而大容量變壓器、遠(yuǎn)距離輸電的發(fā)展，使得暫態(tài)電流中的二次諧波含量增大，容易導(dǎo)致拒動。

2．2間斷角特征原理

由于涌流波形有較大間斷角，此原理通過檢測差動電流間斷角的大小來鑒別勵磁涌流與故障電流。此原理的模擬式保護裝置已經(jīng)投入應(yīng)用，但是采用間斷角原理的變壓器保護，存在著以下2個問題：

問題一，由于電流互感器發(fā)生飽和，使間斷角發(fā)生變形。

問題二，用微機實現(xiàn)時要求較高的計算速度和高分辨率的轉(zhuǎn)換芯片，導(dǎo)致硬件成本升高。

2．3尖頂波特征原理

此原理的根據(jù)，一方面是由于變壓器鐵心材料的導(dǎo)磁性能隨著飽和程度的增加而下降；另一方面是矽鋼片的飽和是非均勻的，表層較里層容易飽和，所以勵磁涌流波形具有尖頂波的這一特性。由此提出將初始5rns內(nèi)差電流的數(shù)據(jù)拓展為10ms數(shù)據(jù)窗，為便于對差電流進行微分運算，先對數(shù)據(jù)進行擬合，得到電流近似的表達(dá)式，再根據(jù)擬

合曲線的相關(guān)特性構(gòu)成判據(jù)，以識別勵磁涌流和內(nèi)部故障。

這是波形特征判別原理的新方法，利用最小二乘法擬合出差電流波形的表達(dá)多項式，再根據(jù)曲線在各點處的曲率大小和凹凸特性構(gòu)成判據(jù)。但由于涌流波形與許多因素有關(guān)，使得在應(yīng)用中存在的問題是：比較閾值難以確定，如果取得太大，保護可能誤動；如果選得太小，保護可能拒動。

3、磁通特性判別法

該方法利用發(fā)生勵磁涌流和內(nèi)部故障電流時磁通特性的不同作為區(qū)別的依據(jù)。主要有勵磁阻抗變化原理、瞬時勵磁電感基頻分量原理，等效瞬時漏感原理等。

3．1勵磁阻抗變化原理

此原理利用測量阻抗在正常運行和故障時是基本不變的，而當(dāng)勵磁涌流時則是急劇變化的特性來區(qū)分勵磁涌流與故障電流。用測量阻抗與其數(shù)學(xué)期望的均方差方差

3．2瞬時勵磁電感基頻分量原理

由于涌流時變壓器鐵心必然經(jīng)歷飽和與非飽和過程，瞬時勵磁電感是時變、交替變化的，具有較大的基頻分量：內(nèi)部故障時，變壓器鐵心工作于線性區(qū)，瞬時勵磁電感恒為常數(shù)，無基頻分量。據(jù)此，可實現(xiàn)勵磁涌流與內(nèi)部故障的有效判別。但瞬時勵磁電感很難精確求取，為方便計算提出了等效瞬時電感的概念。對于大型電力變壓器來說，其等效電阻非常小，因此變壓器的統(tǒng)

通過對等效瞬時電感進行傅里葉數(shù)分解，提取基頻分量，即可實現(xiàn)區(qū)別勵磁涌流與內(nèi)部故障的目的。

上述兩種原理，應(yīng)用變壓器電壓和電流信號，不需要變壓器的勵磁阻抗及一、二次繞組漏阻抗等的具體數(shù)值，不但能夠快速、可靠、安全地區(qū)分勵磁涌流和內(nèi)部故障電流，而且即使合閘于輕微故障情況，也可無延時地進行判別，準(zhǔn)確地確定出故障相與涌流相，所以在實際應(yīng)用中會有很好的前景。但是，目前它們僅適合于三單相變壓器組，尚未推廣到三柱式或五柱式變壓器。

3．3 等效瞬時漏感原理

當(dāng)變壓器繞組發(fā)生變形或故障時，由于繞組的幾何尺寸的變化，不論橫向漏電感還是縱向漏電感磁場分布都將發(fā)生較大改變，從而使變壓器繞組的漏感值發(fā)生變化，且故障相與非故障相的漏感值也會有明顯的差異，基于這種差異或變化量制定了變壓器保護判據(jù)。

在此假設(shè)下得到的判據(jù)是可行的，但在實際運行中由于制造工藝、老化程度和外部不平衡等因素的影響，常常出現(xiàn)三相繞組參數(shù)不平衡的情況，這時就會引起保護裝置的誤動。

4、等值回路參數(shù)法

該方法利用發(fā)生勵磁涌流和內(nèi)部故障電流時等值方程或參數(shù)的不同作為區(qū)別的依據(jù)。主要有等值回路原理nu和等值參數(shù)原理u副。

4．1等值回路原理

此原理利用△側(cè)繞組內(nèi)的不平衡電流推導(dǎo)得到變壓器正常運行時的繞組不平衡參數(shù)回路方程，而在內(nèi)部發(fā)生故障時回路方程不再成立這一特征來區(qū)分勵磁涌流與故障電流。

聯(lián)立變壓器兩側(cè)各項回路方程可得包含電壓電流及其一階導(dǎo)數(shù)的方程：

其電壓項的系數(shù)由變壓器原、副邊繞組的電阻及漏感值決定，在變壓器正常運行狀態(tài)下(包括勵磁涌流及外部故障)，繞組電阻及漏感不會發(fā)生變化，式恒成但當(dāng)變壓器內(nèi)部故障時，繞組電阻及漏感發(fā)生變化，式不再成立。所以可以通過判別式是否立來區(qū)分勵磁涌流與故障電流。

此原理的不平衡系數(shù)需要變壓器的勵磁阻抗及一、二次繞組漏阻抗等的具體數(shù)值，文中是通過對變壓器正常運行時原副邊電流進行參數(shù)辨識而取得的，而且故障時的準(zhǔn)確參數(shù)尚無可行的測取方法，導(dǎo)致整定困難，不利于實際應(yīng)用。

4．2等值參數(shù)原理

此原理基于變壓器導(dǎo)納型等值電路，利用在勵磁涌流時等值導(dǎo)納為大于0的常值，而故障時的導(dǎo)納隨故障匝比而改變的特性區(qū)分變壓器是否發(fā)生勵磁涌流。

對于此等效電路，導(dǎo)納Y13，Y23和Y12壓器運行狀況無關(guān)，是一個常數(shù)，而導(dǎo)納Y10，Y20和Y30與變壓器的運行狀況相關(guān)。如果主繞組1在最外層，第3繞組在最里層，則勵磁涌流時，Y10和Y30為大于0的常值；內(nèi)部故障時，故障繞組的導(dǎo)納(Y10，Y20或Y30)隨故障匝比的增加而變正，但非故障繞組的導(dǎo)納仍舊幾乎為0或稍微變負(fù)。所以，根據(jù)導(dǎo)納Y1O和Y30的瞬時值建立

此原理需要獲取變壓器漏電感參數(shù)，以求取Y13，Y23和Y12，進而根據(jù)實時采樣得組電壓、電流值計算瞬時導(dǎo)納YI0和Y30，檻值的整定較難。

5．結(jié)論及展望

目前使用的勵磁涌流與內(nèi)部故障判別方法雖然種類繁多，但都不夠完善，不能滿足電力變壓器繼電保護的要求。為此，加速研制新判據(jù)非常迫切與重要。科學(xué)地講，由于變壓器發(fā)生勵磁涌流時磁路的飽和，變壓器是一個非線性時變系統(tǒng)，其電壓、電流并非線性相關(guān)，而是系統(tǒng)中獨立的2個變量。所以，只有應(yīng)用電壓、電流2個狀態(tài)變量同時表述變壓器的運行狀態(tài)，信息才具有完備性。就理論而言，存在2種途徑判別變壓器勵磁涌流與內(nèi)部故障：一種途徑是拋開差動保護的思路，應(yīng)用變壓器電流、電壓信息，從解決問題的開始就避開勵磁涌流的問題，如基于變壓器回路方程的算法消去了直接體現(xiàn)變壓器鐵心磁通的非線性項，從而避開了勵磁涌流的糾纏；另一種途徑就是直面勵磁涌流，尋求判別勵磁涌流和內(nèi)部故障的方法，這種途徑應(yīng)充分考慮勵磁涌流時變壓器鐵心的非線性，如磁通特性法。此外，這一問題的解決還必須借助先進的科技識別手段，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，這一問題必將得到解決。

參考文獻(xiàn)：

[1]王維儉．變壓器保護運行不良的反思[M]．電力自動化設(shè)備，2001，21(10)：1～3．

[2]徐健，王翔．跟蹤式二次諧波涌流制動改進方法[M]．電力系統(tǒng)自動化，2007，31(19)：45．

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

[4]胡玉峰，陳德樹．基于采樣值差動的勵磁涌流鑒別方法[J]．中國電機工程學(xué)報，2000，20(9)：55-58，63．

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文