變壓器繞組匝間短路故障判斷方法探析

張 昕， 陳 鵬， 余 平， 王 貴， 朱 猛

(雅礱江流域水電開(kāi)發(fā)有限公司集控中心，四川 成都 610051)

0 引 言

隨著電網(wǎng)容量和規(guī)模的擴(kuò)大，大容量變壓器在電力系統(tǒng)中的作用日顯突出，電力用戶對(duì)其安全穩(wěn)定運(yùn)行和可靠供電提出了越來(lái)越高的要求。差動(dòng)保護(hù)作為電力變壓器的主保護(hù)，隨著科技水平的不斷提高相關(guān)保護(hù)理論得到了不斷的發(fā)展，在工程實(shí)踐中也得到了較好的驗(yàn)證。而根據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計(jì)[1]，變壓器匝間短路占電力系統(tǒng)中大型變壓器故障的50%～60%。匝間短路時(shí)的一個(gè)典型特點(diǎn)是：短路電流可達(dá)額定電流的數(shù)十倍，但三相線電流并未顯著增大[2]。由于外部短路電流等因數(shù)的影響，變壓器三相不平衡電流較大，一般情況下，變壓器差動(dòng)保護(hù)的整定值都設(shè)定較高，不能靈敏反映匝間故障[3]。而傳統(tǒng)的反映變壓器內(nèi)部故障的瓦斯保護(hù)，無(wú)法在故障發(fā)生的初期做出快速準(zhǔn)確的判斷，往往保護(hù)動(dòng)作時(shí)變壓器內(nèi)部故障已經(jīng)發(fā)展到相當(dāng)嚴(yán)重的程度，對(duì)變壓器的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成了不利影響。因此，有必要針對(duì)變壓器匝間短路故障研究出一種更實(shí)用快速準(zhǔn)確的保護(hù)方法。

本文通過(guò)在PSCAD/EMTDC中建立電力變壓器典型內(nèi)部匝間短路故障模型，通過(guò)Db小波函數(shù)研究電流波形數(shù)據(jù)從而獲取準(zhǔn)確鑒別內(nèi)部匝間短路故障的判據(jù)和算法。

2 仿真分析

本文采用PSCAD/EMTDC軟件進(jìn)行仿真研究。該軟件具有精確的元件模型、方便的數(shù)據(jù)輸入方式及強(qiáng)大的分析功能，主要用來(lái)研究電力系統(tǒng)的暫態(tài)過(guò)程，是系統(tǒng)分析和工程研究的有力工具。該軟件包由PSCAD(Power System ComputerAdded Design)和 EMTDC(Electromagnetic Transient Including DC)兩部分軟件組成，其典型應(yīng)用是計(jì)算電力系統(tǒng)遭受擾動(dòng)或者參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，電信號(hào)隨時(shí)間參數(shù)發(fā)生變化的規(guī)律。特別是軟件包含的基于中心幾何學(xué)建立的UMEC變壓器模型，不僅考慮到同相繞組之間的耦合作用，還考慮到不同相繞組間的耦合作用。UMEC模型通過(guò)充分利用插值法，以分段的線性U-I曲線來(lái)描述鐵芯飽和特性，在實(shí)時(shí)計(jì)算時(shí)特別是變壓器鐵芯飽和的情況下可以獲得精確的結(jié)果。

由于電力系統(tǒng)故障的發(fā)生總是會(huì)導(dǎo)致相關(guān)信號(hào)的奇異性產(chǎn)生，因此，分析信號(hào)的奇異性可以確定故障發(fā)生的時(shí)間和原因。而信號(hào)突變點(diǎn)(邊緣)檢測(cè)是小波變換應(yīng)用的一個(gè)重要方面。由小波分析理論可知，信號(hào)的突變點(diǎn)在小波變換域常對(duì)應(yīng)于小波變換系數(shù)模的極值點(diǎn)或過(guò)零點(diǎn)，并且信號(hào)奇異性的大小同小波變換系數(shù)的極值隨尺度的變化規(guī)律相互對(duì)應(yīng)。

通過(guò)綜合考慮，仿真所得數(shù)據(jù)采用MATLAB小波工具包中的Db小波函數(shù)進(jìn)行處理，選用分解尺度為5，以特征較為明顯的第3尺度下模極大值作為判斷依據(jù)，原始信號(hào)S=d1+d2+d3+d4+d5+a5,d1至d5分別為第一至第五尺度的高頻細(xì)節(jié)部分，a5為第五尺度下的低頻粗糙部分。

圖1為仿真變壓器匝間短路故障的模型，簡(jiǎn)要說(shuō)明如下：

圖1 匝間短路故障仿真模型

(1)變壓器主要參數(shù)為100.0 MVA，YNd11，110/35。采用三個(gè)單相變壓器進(jìn)行建模。

(2)由于變壓器發(fā)生內(nèi)部匝間故障時(shí)電流變化值一般很小，以至傳統(tǒng)的繼電保護(hù)裝置無(wú)法及時(shí)監(jiān)測(cè)到故障信號(hào)，考慮到發(fā)生小匝數(shù)的匝間短路時(shí)，所引起的變比變化不明顯，因此，設(shè)置極端的情況下對(duì)保護(hù)方案的檢驗(yàn)，在匝間短路模型中設(shè)定A相發(fā)生匝間短路，短路匝數(shù)為總匝數(shù)的2%。按照參考文獻(xiàn)[4]中的思路，一臺(tái)雙繞組變壓器發(fā)生匝間短路時(shí)，可以把短路部分看作第三繞組，這就相當(dāng)于一臺(tái)三繞組變壓器在第三繞組發(fā)生短路，匝間短路模型設(shè)計(jì)如圖1所示。

(3)PSCAD/EMTDC中對(duì)原始電流信號(hào)每工頻周期采樣200點(diǎn)，即采樣頻率為10 kHz。MATLAB中設(shè)定在0.2S時(shí)發(fā)生故障，對(duì)一、二次側(cè)采樣電流一工頻周期時(shí)間內(nèi)的信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行小波分析。

圖2、3、4分別為A相發(fā)生匝間短路故障后A、B、C三相一、二次側(cè)電流經(jīng)小波變換后的波形。

圖2 A相匝間短路時(shí)，A相一、二次側(cè)電流小波變換

圖3 A相匝間短路時(shí)，B相一、二次側(cè)電流小波變換

圖4 A相匝間短路時(shí)，C相一、二次側(cè)電流小波變換

由以上波形可以看出：A相在故障發(fā)生后的一工頻周期時(shí)間范圍內(nèi)的模極大值對(duì)應(yīng)或者接近于于故障發(fā)生時(shí)刻，并且一、二次側(cè)的模極大值符號(hào)相反且絕對(duì)值分別為0.0065和0.00679；B相一、二次側(cè)在故障發(fā)生后的一工頻周期時(shí)間范圍內(nèi)的模極大值符號(hào)相反且絕對(duì)值分別為0.002736和0.0006036；C相一、二次側(cè)在故障發(fā)生后的一工頻周期時(shí)間范圍內(nèi)的模極大值符號(hào)相反且絕對(duì)值分別為0.00287和0.00638。

上述仿真研究是直接對(duì)一、二次側(cè)電流進(jìn)行信號(hào)采樣分析，但實(shí)際工程運(yùn)用中往往是通過(guò)電流互感器將信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)化并接入保護(hù)回路進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，通常我們會(huì)假定電流互感器是線性傳變信號(hào)的，但實(shí)際運(yùn)用中電流互感器存在著磁飽和問(wèn)題。對(duì)于電壓等級(jí)較低的電網(wǎng)，一般只要有所注意，保護(hù)裝置適應(yīng)電流互感器的飽和并無(wú)太大困難。但在較高等級(jí)電壓的電網(wǎng)中，考慮到故障電流初始值中含有的直流分量，若要滿足快速保護(hù)對(duì)電流互感器過(guò)渡過(guò)程飽和時(shí)的要求就要復(fù)雜困難得多。

實(shí)際上，由于電流互感器只能在故障發(fā)生一定時(shí)間之后才會(huì)飽和，這一時(shí)間段至少有四分之一個(gè)周期[5]。而仿真數(shù)據(jù)結(jié)果表明，在一個(gè)工頻周期內(nèi)，所需要進(jìn)行分析判斷的模極大值部分均在1/4周期內(nèi)，因此可以認(rèn)為分析數(shù)據(jù)基本不受電流互感器飽和的影響。

3 保護(hù)方法設(shè)計(jì)

上述仿真研究結(jié)果表明：對(duì)于匝間短路故障情況，故障發(fā)生相一二次側(cè)對(duì)應(yīng)的模極大值點(diǎn)的幅值其正負(fù)性是相反的，若采用適當(dāng)?shù)拈T檻值，將模極大值過(guò)小的點(diǎn)歸結(jié)為零，則可以認(rèn)為非故障相兩側(cè)的模極大值點(diǎn)總是有存在為零的情況。

對(duì)應(yīng)于本文的研究?jī)?nèi)容，可設(shè)定門檻值K為0.003，絕對(duì)值小于該門檻值的模極大值均設(shè)定為零。表1是將仿真所得到的數(shù)據(jù)處理后的結(jié)果。可以看出當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，故障相一、二次側(cè)電流信號(hào)模極大值電流幅值符號(hào)相反，而正常相的乘積則為零。因此，不但可以依據(jù)其乘積的符號(hào)對(duì)故障的發(fā)生做出判斷并且可以進(jìn)一步判斷出故障所在相。

表1 匝間短路故障時(shí)小波變換模極大值點(diǎn)電流幅值

綜上所述，所設(shè)計(jì)的判據(jù)如下：

假設(shè)變壓器差動(dòng)保護(hù)回路分別在三相各自獨(dú)立判斷，I1(t)、I2(t)分別為采樣區(qū)間內(nèi)某相一、二次側(cè)電流小波變換模極大值點(diǎn)的幅值，設(shè)K為門檻值且K=0.003，若

|I1(t)|

(1)

|I2(t)|

(2)

有：

S=I1(t)×I2(t)

(3)

若數(shù)據(jù)運(yùn)算后S<0，保護(hù)回路發(fā)出信號(hào)“1”；若小波變換后某相一次或二次側(cè)電流幅值的絕對(duì)值低于門檻值K則S=0，保護(hù)回路發(fā)出信號(hào)“0”。將三相各自一二次側(cè)電流數(shù)據(jù)計(jì)算后發(fā)出的“0”和“1”進(jìn)行“或”運(yùn)算，若結(jié)果為“1”則保護(hù)裝置發(fā)出變壓器跳閘信號(hào)，并根據(jù)各相反饋回的“0”“1”信號(hào)判斷故障具體發(fā)生在哪一相。若“或”運(yùn)算結(jié)果為“0”，保護(hù)裝置則繼續(xù)對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行分析判斷。

4 結(jié) 語(yǔ)

考慮到工程應(yīng)用環(huán)境的復(fù)雜，在實(shí)際應(yīng)用中還需不斷完善判據(jù)。若門檻值K選取過(guò)高，有可能使得輕微故障情況下僅憑判斷S的數(shù)值并不能做到足夠準(zhǔn)確的判斷，甚至?xí)?dǎo)致拒動(dòng)情況發(fā)生。同時(shí)在對(duì)電流信號(hào)的分析處理過(guò)程中也存在著電流信號(hào)波動(dòng)干擾導(dǎo)致的誤判可能，因此，該判據(jù)的具體設(shè)定還需要在實(shí)際工作中不斷總結(jié)歸納以取得更合理的設(shè)置。總體來(lái)說(shuō)，該方法計(jì)算簡(jiǎn)單，所用數(shù)據(jù)量較少，能在匝間短路故障發(fā)生初期就做出快速準(zhǔn)確判斷，具有一定的可行性和實(shí)用性。

參考文獻(xiàn)：

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