變壓器勵(lì)磁涌流畸變度檢測(cè)法

李亞紅,常旭東

(1.開灤協(xié)鑫發(fā)電有限公司, 河北 唐山 063000;2.南京南電繼保自動(dòng)化有限公司,南京 211106)

變壓器勵(lì)磁涌流畸變度檢測(cè)法

李亞紅1,常旭東2

(1.開灤協(xié)鑫發(fā)電有限公司, 河北 唐山 063000;2.南京南電繼保自動(dòng)化有限公司,南京 211106)

為了保證變壓器安全運(yùn)行,防止空載合閘時(shí)勵(lì)磁涌流造成的誤動(dòng),針對(duì)當(dāng)今常用的變壓器勵(lì)磁涌流檢測(cè)方法存在的缺陷和不足,提出了一種新的變壓器涌流畸變度檢測(cè)方法,即利用涌流畸變產(chǎn)生的高次諧波來(lái)檢測(cè)勵(lì)磁涌流。算例仿真驗(yàn)證,該方法能夠可靠區(qū)分勵(lì)磁涌流和故障電流,防止了變壓器差動(dòng)保護(hù)的誤動(dòng)和拒動(dòng)。

變壓器；勵(lì)磁涌流；畸變度

變壓器是電力系統(tǒng)中不可缺少的重要設(shè)備,一旦出現(xiàn)問(wèn)題將會(huì)出現(xiàn)大面積停電,帶來(lái)巨大的損失,因此變壓器的安全性顯得特別重要。通常變壓器采用性能良好的差動(dòng)保護(hù)作為主保護(hù)[1-2]。當(dāng)差動(dòng)保護(hù)用于變壓器時(shí),需要防止空載合閘時(shí)勵(lì)磁涌流造成的誤動(dòng)。因?yàn)樽儔浩髟诳蛰d合閘時(shí)一般總是要在合閘側(cè)產(chǎn)生勵(lì)磁涌流,所以此電流僅在一側(cè)(合閘側(cè))存在,必然形成差流。如果不采取一定的措施,將使得差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)。因此,如何防止空載合閘時(shí)勵(lì)磁涌流造成的誤動(dòng),則成為變壓器差動(dòng)保護(hù)的一個(gè)重要課題。本文針對(duì)已有變壓器勵(lì)磁涌流檢測(cè)方法的局限性,提出了勵(lì)磁涌流畸變度檢測(cè)方法。

1 變壓器勵(lì)磁涌流檢測(cè)方法

1.1 二次諧波檢測(cè)方法

二次諧波檢測(cè)方法是最早采用的方法,有的差動(dòng)保護(hù)裝置現(xiàn)在仍在沿用。因?yàn)閯?lì)磁涌流的畸變程度與許多因素有關(guān),如鐵芯工作磁密、飽和磁密、剩磁、空投時(shí)的合閘角等,其中剩磁與合閘角是隨機(jī)的,所以涌流的畸變是不確定的,需要檢測(cè)的特征量也是不確定的。如涌流中二次諧波所占比例相對(duì)比較大,但卻不是一個(gè)確定的值,而是在一定范圍里隨有關(guān)因素的變化而變化。只能得出這樣的結(jié)論:三相涌流中總有一相大于20%。根據(jù)這一結(jié)論,制動(dòng)方式也只能采用“或” 制動(dòng),這正是二次諧波制動(dòng)方法的缺陷之一。

1.2 間斷角檢測(cè)方法

間斷角檢測(cè)方法與二次諧波檢測(cè)方法類似,由于剩磁與合閘角是隨機(jī)的,因而涌流的畸變所形成的間斷角也是不確定的[3]。為了消除反向電流的影響,一般要為電流設(shè)置一個(gè)門檻,這一門檻的設(shè)置使得故障電流也具有間斷角。目前“間斷角”定值取為65°,只能保證飽和磁密與工作磁密之比為1.2、 剩磁為0.5時(shí)可靠制動(dòng)。雖然這一方法可以采用“與”門制動(dòng),但冗余度明顯不足。而且,為了精確測(cè)量“間斷角”的大小,需要大幅提高采樣點(diǎn)的數(shù)值,這顯然不是什么優(yōu)點(diǎn)。

1.3 波形對(duì)稱度檢測(cè)方法

波形對(duì)稱度檢測(cè)方法的原理:在濾除非周期分量之后,故障電流基本是正弦波,正弦波的正半波和負(fù)半波是對(duì)稱的,而勵(lì)磁涌流因畸變就不能滿足這一要求。對(duì)于故障電流來(lái)說(shuō),正、負(fù)半波是對(duì)稱的,此時(shí)不應(yīng)閉鎖差動(dòng)保護(hù),而應(yīng)開放保護(hù);對(duì)于勵(lì)磁涌流來(lái)說(shuō),此時(shí)應(yīng)該閉鎖差動(dòng)保護(hù),防止差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)[4-5]。對(duì)于高次諧波來(lái)說(shuō),3、5、7等次諧波與基波一樣同屬奇次諧波,因此也是對(duì)稱的;而偶次諧波正是造成勵(lì)磁涌流不對(duì)稱的原因。故此方法也可稱為偶次諧波制動(dòng)。在變壓器過(guò)勵(lì)磁時(shí),其勵(lì)磁電流的波形是對(duì)稱的,此方法也和前面2種方法一樣,需要增加5次諧波制動(dòng),以防變壓器過(guò)勵(lì)磁時(shí)的誤動(dòng)。

由于上述3種方法僅僅從某一個(gè)方面來(lái)反映涌流的畸變,并沒(méi)有全面反映涌流的畸變,因而不可避免地具有這樣或那樣的局限性[6]。為了彌補(bǔ)它們的不足,更嚴(yán)格地區(qū)分勵(lì)磁涌流和故障電流,更可靠地保證差動(dòng)保護(hù)在空載合閘和過(guò)勵(lì)磁時(shí)不誤動(dòng), 本文提出了畸變度檢測(cè)方法。

2 畸變度檢測(cè)法

變壓器勵(lì)磁涌流的嚴(yán)重畸變產(chǎn)生了豐富的高次諧波,而故障電流就不含有這樣豐富的高次諧波。因此,如果能利用這些豐富的高次諧波來(lái)檢測(cè)勵(lì)磁涌流,就能夠全面反映涌流的畸變程度。

為了全面反映涌流的畸變程度,提出一個(gè)全新的物理量——畸變度,其定義為

式中:ik為某一時(shí)刻濾除直流分量的檢測(cè)電流信號(hào)值;i1k為該時(shí)刻的基波數(shù)值;I1為基波的有效值;n為采樣點(diǎn)數(shù)。

為了計(jì)算出Q值,首先對(duì)被檢測(cè)電流用差分算法濾去其中的直流分量,得到ik序列,再用數(shù)字余弦濾波器濾出基波分量的i1k序列。因?yàn)橛嘞覟V波前后沒(méi)有相位移,可以準(zhǔn)確和原序列進(jìn)行比較,所以用常規(guī)的傅立葉變換計(jì)算出I1,就可根據(jù)Q值的計(jì)算公式計(jì)算出Q值。

對(duì)于故障電流來(lái)說(shuō),濾去直流分量后基本為一個(gè)正弦波,再經(jīng)余弦濾波依然是一個(gè)正弦波,而數(shù)字余弦濾波器濾波前后沒(méi)有相位移,故障電流的ik序列與i1k序列基本相同,故計(jì)算出的Q值很小。而對(duì)于勵(lì)磁涌流來(lái)說(shuō),差分算法除能濾去直流分量以外,對(duì)各高次諧波也有放大作用,ik序列中包含基波和被放大的高次諧波,再經(jīng)余弦濾波濾出基波的i1k序列。顯然,此時(shí)的ik與i1k兩序列相差甚遠(yuǎn),故計(jì)算出的Q值很大。

由于Q值全面反映了變壓器涌流的畸變程度,因此能夠更可靠地保證差動(dòng)保護(hù)在變壓器空載合閘時(shí)不誤動(dòng),并且能夠更嚴(yán)格區(qū)分勵(lì)磁電流與故障電流,從而保證差動(dòng)保護(hù)在故障時(shí)不拒動(dòng)。此判據(jù)具有較高的冗余度,而且可以采用 “與”門制動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)變壓器三相的差動(dòng)保護(hù),保證了在空投于有故障的變壓器時(shí)差動(dòng)保護(hù)不會(huì)延時(shí)動(dòng)作。此方法適用于變壓器差動(dòng)保護(hù)長(zhǎng)期正確動(dòng)作率不高的狀況。

3 仿真驗(yàn)證與分析

以兩個(gè)現(xiàn)場(chǎng)具體的錄波數(shù)據(jù)為例,分別計(jì)算出Q值。一個(gè)是含有較大非周期分量的故障電流;一個(gè)是典型的對(duì)稱性勵(lì)磁涌流。

3.1 故障電流的仿真驗(yàn)證與分析

以銀川新城變壓器一次故障電流的錄波數(shù)據(jù)為依據(jù),錄波圖如圖1所示。

圖1 銀川新城變壓器故障電流的錄波波形

根據(jù)圖1的錄波波形的原始數(shù)據(jù),經(jīng)差分算法和余弦濾波算出ik和i1k如表1所示,其中i為原始錄波數(shù)據(jù)。

I1可用常規(guī)的傅里葉變換計(jì)算出來(lái),約為31.8。有了以上這些數(shù)據(jù)就可計(jì)算此電流的Q值約為1.85。

3.2 勵(lì)磁電流的仿真驗(yàn)證與分析

以茬平變壓器一次空載合閘時(shí)勵(lì)磁電流的錄波數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),錄波圖如圖2所示。根據(jù)圖2的錄波波形的原始數(shù)據(jù),經(jīng)差分算法和余弦濾波算出ik和i1k如表2所示,其中i為原始錄波數(shù)據(jù)。I1可用常規(guī)的傅里葉變換計(jì)算出來(lái),約為9.0。有了這些數(shù)據(jù)就可計(jì)算此電流的Q值約為25.7。

通過(guò)以上兩個(gè)典型的具體例子可以看到:故障電流時(shí),Q值僅為1.85,而空投時(shí)的勵(lì)磁涌流Q值為25.7,兩者之間的差距很大。所以只有適當(dāng)選擇Q的閥值,才能可靠地區(qū)分故障電流和勵(lì)磁涌流。閥值Q的選擇要注意以下問(wèn)題:

表1 銀川新城變壓器錄波數(shù)據(jù)及計(jì)算數(shù)據(jù)

圖2 茬平變壓器空投時(shí)的勵(lì)磁電流的錄波波形

1)Q值的計(jì)算與采樣點(diǎn)有關(guān),采樣點(diǎn)越高,計(jì)算出的Q值越大。上面兩個(gè)具體的實(shí)例中,采樣點(diǎn)都是20。如果采樣點(diǎn)是12、24、32等,對(duì)同樣的波形,計(jì)算出的Q值也不一樣。采樣點(diǎn)越高,計(jì)算出的Q值越大,判斷結(jié)果的準(zhǔn)確度越高。同樣,閥值Q的選取也與采樣點(diǎn)有關(guān),采樣點(diǎn)越高,閥值也應(yīng)相應(yīng)選得高一些。

表2 茬平變壓器空投時(shí)的勵(lì)磁電流錄波數(shù)據(jù)及計(jì)算數(shù)據(jù)

2) 故障電流的Q值較小,且波動(dòng)也很小,而勵(lì)磁涌流的Q值很大,且波動(dòng)也很大。故閥值Q應(yīng)選擇偏向故障電流。根據(jù)以上兩個(gè)具體實(shí)例來(lái)看,當(dāng)采樣點(diǎn)為20時(shí)可選擇Q的閥值為4,此時(shí)的安全系數(shù)為2.16。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文定義了反映畸變程度的物理量——畸變度,從畸變度的計(jì)算方法來(lái)看,計(jì)算出來(lái)的畸變度必然無(wú)一例外地包含了全部高次諧波,因此也就全面反映了涌流的畸變程度。經(jīng)仿真算例驗(yàn)證,該方法具有很高的冗余度,能夠可靠區(qū)分勵(lì)磁涌流和故障電流,防止變壓器差動(dòng)保護(hù)的誤動(dòng)和拒動(dòng),改善變壓器差動(dòng)保護(hù)正確動(dòng)作率不高的現(xiàn)狀。

[1] 高春如.大型發(fā)電機(jī)組繼電保護(hù)整定計(jì)算與運(yùn)行技術(shù)[M]：第二版.北京:中國(guó)電力出版社,2010. GAO Chunru. Setting calculation and operation technology of relay protection for large-scale generator units [M]. Beijing: China Electric Power Press, 2010.

[2] 許正亞.發(fā)電廠繼電保護(hù)整定計(jì)算及其運(yùn)行技術(shù)[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,2009. XU Zhengya. Setting calculation and operation technology for power plants [M]. Beijing: China Water & Power Press, 2009.

[3] 王祖光.間斷角原理變壓器差動(dòng)保護(hù)[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化,1979,3(1):18-30. WANG Zuguang. Transformer differential protection based on intermission angle principle [J]. Automation of Electric Power Systems, 1979,3(1):18-30.

[4] 孫志杰, 陳云侖.波形對(duì)稱原理的差動(dòng)保護(hù)[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 1996,20(4):42-46. SUN Zhijie, CHEN Yunlun. Transformer differential protection based on symmetry principle of current waveforms [J]. Automation of Electric Power Systems, 1996,20(4):42-46.

[5] 聶永輝.基于EMD 和SVM 的變壓器勵(lì)磁涌流和短路電流識(shí)別[J].黑龍江電力,2013,35(4):303-306. NIE Yonghui. Identification of inrush current and short circuit current for transformer based on EMD and SVM [J]. Heilongjiang Electric Power, 2013,35(4):303-306.

[6] 郭偉偉.馬力.防止變壓器勵(lì)磁涌流造成差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)的方法[J].電工技術(shù),2012(6): 10-11. GUO Weiwei, MA Li. Prevention of differential protection malfunction generated by transformer inrush current [J]. Electric Engineering, 2012(6): 10-11.

(責(zé)任編輯 郭金光)

Method for detecting the distortion of transformer inrush current

LI Yahong1, CHANG Xudong2

(1. Kailuan GCL Power Co. Ltd.， Tangshan 063000, China; 2. Nandian Automation Co. Ltd., Nanjing 211106, China)

In order to guarantee the safe operation of transformers, and to prevent them from the malfunction caused by inrush current under the situation of no-load closing, the paper proposed, aiming at the defects of the common detecting method for transformer inrush current, a new method for detecting the distortion of transformer inrush current. It is a method that uses the high harmonics generated by inrush distortion to detect inrush current. The simulation example proves that this method is able to distinguish inrush current from fault current so as to prevent malfunction and misstrip of transformer differential protection.

transformer; inrush current; degree of distortion

2015-03-16。

李亞紅(1971—)，男，工程師,主要從事火力發(fā)電廠生產(chǎn)管理工作。

TM41

A

2095-6843(2015)06-0512-03