智能變電站中勵磁涌流制動功能的現場測試方法

張亮峰，郭茗菘，歐陽帆，陳宏

(1.國網湖南省電力公司電力科學研究院，湖南 長沙 410007；2.國網山東省電力公司煙臺供電分公司，山東 煙臺 264000)

智能變電站中勵磁涌流制動功能的現場測試方法

張亮峰1，郭茗菘2，歐陽帆1，陳宏1

(1.國網湖南省電力公司電力科學研究院，湖南 長沙 410007；2.國網山東省電力公司煙臺供電分公司，山東 煙臺 264000)

提出了應用于智能變電站中主變保護勵磁涌流制動功能的一種現場測試方法，介紹了測試系統的各裝置功能及整體實施方案。該測試方法運用電力系統數字仿真軟件DDRTS作為測試系統主機，通過研究變壓器勵磁涌流產生的機理以及波形特征，在DDRTS中搭建了變壓器仿真測試勵磁涌流模型，將仿真數據實時同步傳輸給現場主變高中低三側的采樣合并單元，通過現場主變保護的動作情況與故障錄波驗證了該測試方法的可實施性。

智能變電站；DDRTS；現場測試；主變保護；勵磁涌流

1 概述

隨著電力系統不斷向大容量、高電壓方向發展，需要繼電保護裝置能夠可靠準確地識別和切除故障，以保證電力系統的穩定運行，因此，在智能變電站投運之前需要對繼電保護裝置進行測試。目前，變壓器的主保護主要是縱聯差動保護〔1〕，通常變壓器內部故障保護的差動電流都遠大于制動電流而外部故障和正常運行差動電流很小，這樣縱聯差動保護能夠很好的判別區外和區內故障。但是當空投變壓器時，變壓器內部會產生勵磁涌流現象，這就如同在變壓器內部發生故障一樣是從變壓器縱聯差動保護范圍內部往外流出的電流，所以勵磁電流將會成為差動電流，最大可達額定電流的6～8倍，造成保護的誤動，需要對勵磁涌流采取制動措施。采用諧波測試儀對勵磁涌流波形進行測量分析，發現絕大多數涌流中二次諧波分量與基波分量的百分比大于15%，有的甚至達50%以上；而且勵磁涌流的波形存在不對稱性〔2〕。一般工程上采用的是檢驗勵磁涌流二次、五次諧波和波形不對稱的方式來閉鎖保護。所以在調試期間需要對主變保護裝置的檢二次、五次諧波和波形不對稱的功能進行測試，以保證主變保護裝置能夠在發生勵磁涌流時候正確閉鎖保護。目前智能變電站調試主要使用傳統的繼電保護測試儀，只能夠通過輸出二次諧波來對勵磁涌流制動功能進行檢測，無法模擬出變壓器在發生勵磁涌流時的波形，不能全面的對勵磁涌流閉鎖保護功能進行測試。

文中研究了應用于智能變電站中主變保護裝置勵磁涌流制動功能測試的方案。在完成現場測試系統的組建的基礎上，利用DDRTS搭建變壓器勵磁涌流模型，仿真得出高中低三側的勵磁涌流波形，然后將其同時同步傳輸給主變三側的合并單元，測試主變保護勵磁涌流制動功能，通過現場主變保護的動作情況與故障錄波驗證了該測試方法可實施性。該方案模擬的勵磁涌流波形涵蓋了勵磁涌流二次、五次諧波、波形不對稱等典型特征，彌補了目前傳統繼電保護測試儀對主變保護裝置勵磁涌流制動功能測試的不足。

2 測試系統的整體實施方案

2.1 系統構成

測試系統由專用測試單元組成，包括:電力系統動態實時仿真系統、主機裝置、子機裝置、功率放大器、通信途徑等。如圖1所示。

圖1 測試系統的結構圖

1)電力系統動態實時仿真系統

電力系統動態實時仿真系統采用DDRTS作為仿真建模核心程序，人機界面運行于數字仿真器中。通過在DDRTS仿真主界面上搭建變壓器勵磁涌流模型，然后在DDRTS系統配置選項中設置好與主機裝置、子機裝置的通信關聯定義后，DDRTS便可以將仿真的測試數據傳輸給下級的主機和子機裝置。

2)主機裝置

主機裝置設于保護室被測保護屏柜前，作為數字仿真器的信息接入設備與之相連。實現對數據的同步處理，并且能夠控制一至多臺子機裝置，并把從DDRTS接收的數據以有線光纖的方式傳給子機裝置。

3)子機裝置

子機裝置設于就地智能匯控柜旁，負責將收到的數字仿真數據轉化為標準10 V電壓模擬小信號，傳輸給與之相連的功率放大器。

4)功率放大器

功率放大器位于子機裝置與合并單元之間，主要把從子機裝置接收到的模擬小信號做放大處理，輸出符合二次接入要求的100 V電壓、5 A或1 A電流量給現場合并單元。

5)通信途徑

系統主機與子機通信方式采用有線光纖方式。智能變電站網絡在設計時一般備有足夠的備用光纖，因此通信方式主要借用智能變電站中已有的光纖通道。

本方法能夠模擬較全面的電力系統運行狀態，包括變壓器的勵磁涌流狀態。同時由于光纖傳輸延遲非常小，這樣就保證了主機同多臺子機裝置可以采用統一的時鐘進行通信同步，實現了變壓器高中低三側同時加量測試，滿足對變壓器測試需要。

2.2 測試方案的實施

電力系統動態實時仿真系統和主機裝置跟隨測試人員布置在間隔層保護裝置的旁邊，通過在DDRTS仿真主界面上搭建變壓器勵磁涌流模型，進行仿真計算，將仿真數據傳給主機裝置，主機裝置經過對數據的處理后通過站內備用光纖實時將數據傳送給分布在過程層的變壓器高中低三側的子機裝置。子機裝置和功率放大器就地配置在主變合并單元的旁邊，子機裝置將從主機裝置接收到的信號處理變成模擬小信號，再把模擬小信號通過功率放大器輸出到主變高中低三側的合并單元；合并單元將接收到的模擬量轉換為SV報文，再通過站內光纖上送給主變保護裝置；然后測試人員通過主變保護裝置屏幕上的動作報文信息判別保護裝置的動作正確與否。

3 勵磁涌流產生的機理

為便于理解，選取單相變壓器為例來說明變壓器空投時候產生勵磁涌流的機理。

假設電源電壓為標準的正弦函數:

式中 α為電源合閘的初相角。如果忽略合閘回路電阻、變壓器本身繞組的電阻以及變壓器繞組的漏電抗的影響。當空投變壓器瞬間，變壓器內部鐵心中的磁通和外加電壓的關系為:

式中 W為變壓器空投側繞組的匝數；則變壓器空投時候的鐵心磁通為:

式中 C為積分常數，根據初始條件來確定。當空載合閘瞬間，由于鐵心磁通不能突變，故可以得出:

式中 φs為空載合閘前變壓器鐵心中的剩磁通。所以將式 (4)帶入式 (3)可以得到變壓器空載合閘瞬間t＝0時鐵心磁通為:

設φm＝Um/Wω；由式 (5)可知，在變壓器空載合閘瞬間，根據磁鏈守恒，鐵心中的磁通沒有突變。當合閘相角α＝0時，并且鐵心中的剩磁方向和變壓器主磁通方向一致，則可以得出在空載合閘半個周期以后，變壓器鐵心中的總磁通為2φm＋φs，使得變壓器鐵心嚴重飽和，如圖2所示。勵磁電流猛增，產生勵磁涌流。

圖2 空投變壓器瞬間鐵心中的磁通波形

分析勵磁涌流產生的過程，可以看出在變壓器沒有飽和之前，勵磁電流很小，可以近似為零，當變壓器飽和的時候才會導致勵磁電流的增大，由于存在合閘回路電阻、變壓器本身繞組的電阻以及變壓器繞組的漏電抗的影響，鐵心磁通中的自由分量將會隨著時間衰減。

式中 第1項為磁通的強制分量，第2項為磁通的自由分量；T為時間常數。則勵磁涌流波形是一個含有直流分量偏于時間軸的一側并且隨著時間逐漸衰減的波形。

通過以上對單相變壓器勵磁涌流產生機理的研究分析得出影響勵磁涌流大小的因素:

1)合閘相角α，當α＝0°時勵磁涌流最大，當α＝90°時最小，當α＝180°時反方向最大。

2)剩磁φs，當變壓器空載合閘時，剩磁的方向與變壓器主磁通的方向相同的時候，剩磁越大，勵磁涌流越大。反之亦相反。

3)電源電壓u，由于φm＝Um/Wω，電源電壓越高，磁通越大，勵磁涌流越大。

4 變壓器仿真模型的建立

根據實際測試變電站變壓器確定變壓器涌流仿真模型的一次系統結構，并在DDRTS系統主圖頁上完成模型的搭建，如圖3所示。

圖3 變壓器仿真模型一次系統圖

分析可知，勵磁涌流通常發生在空投變壓器時，所以仿真模型中變壓器中壓側和低壓側的斷路器SKM和SKL都設置為斷開。電源S設置在高壓側，通過高壓側的斷路器SKH來控制變壓器的投入。電流互感器TA變比和方向與現場實際保護裝置保持一致，如圖3所示，高壓側TA指向變壓器，中壓和低壓側TA指向母線。根據現場實際運行情況，高、中壓側電壓互感器選取CVT模型、低壓側電壓互感器選取TV模型。完成一次系統模型的搭建后，按照現場變壓器銘牌上的參數修改模型中變壓器參數，見表1。

表1 三相三繞組變壓器相關參數

變壓器發生勵磁涌流時，變壓器鐵心會嚴重飽和，所以仿真模型需要考慮變壓器的飽和特性，需要填寫變壓器飽和參數，見表2。文獻 〔3〕說明:在電磁暫態仿真中非線性電感通常可以用兩段斜率的分段線性電感來模擬的非常精確，則飽和采用拐點式輸入。文中將飽和支路放置在繞組2上面，則剩磁、飽和電抗和膝點電壓的選取都以繞組2的相關參數作為基準。其中，變壓器剩磁，實用的數據并不多，根據現場運行經驗及大量仿真試驗可得出相應最優參數值；飽和電抗和膝點電壓可從變壓器飽和試驗中得出，這里通過咨詢變壓器廠家，并通過對多次的仿真波形結果試驗分析比較，得出最優的仿真參數，見表2。

表2 DDRTS變壓器仿真模型飽和參數設置

變壓器勵磁涌流的大小除了剩磁還與空投變壓器合閘相角有關。DDRTS并無直接對合閘相角的控制設置，但是DDRTS每次仿真的起始時刻是一定的，也就是說仿真的初始狀態都是一定的，可通過對合閘時間的控制來控制合閘相角，通過多次仿真，設置合閘時刻為2.200 9 s。完成參數設置之后，配置輸出通道把高中低三側的電流互感器TA關聯到各側的子機裝置，將仿真數據輸出給各側的合并單元。

5 現場測試驗證

對某省將要投運的智能變電站進行現場測試，將測試裝置按照上文所述的方法連接起來。啟動仿真，記錄仿真波形如圖4。現場故障錄波如圖5。對比圖4和圖5的波形一致，說明測試裝置工作正常、輸出結果正確。

圖4 DDRTS仿真輸出波形

圖5 現場故障錄波

圖4 中仿真波形為尖頂波，波形隨著時間逐漸衰減，且明顯偏于時間軸一側有很大的不對稱性。可見，通過本方法仿真輸出的變壓器勵磁涌流波形滿足勵磁涌流波形的典型特征，可以用來作為主變保護裝置對勵磁涌流制動功能的檢測波形。

現場被測試的主變保護裝置型號為PCS－978，二次額定值電流為1 A。從圖5看出每一相的電流峰值達到了4.15 A，為額定電流值的4倍，保護啟動，但是該仿真波形具備勵磁涌流的典型特征，理論上保護不應該動作。通過現場保護裝置的動作情況，可知由文中所述方法輸出的波形不論保護裝置是否投入二次諧波制動功能，保護都不會誤動作，見表3。而按照傳統繼保測試儀輸出的波形不存在波形不對稱性，在不投入二次諧波制動軟壓板的時候，保護動作。從測試結果來看本方法能夠用來檢測主變保護裝置勵磁涌流制動功能，彌補了傳統繼保測試儀對主變保護裝置的測試不足。

Field test method of intelligent substation's magnetizing surge current restraint function

ZHANG Liang-feng1，GUO Ming-song2，OUYANG Fan1，CHEN Hong1
(1.State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China；2.State Grid Shandong Electric Power Corporation Yantai Power Supply Company，Yantai 264000，China)

A field test method is proposed for the intelligent substation's magnetizing surge current restraint function and the function of test system's each device and the overall implementation of the program is described.The test program uses DDRTS (a digital power system simulation software)as a test system mainframe.By studying the generated mechanism of transformer inrush and waveform characteristics，the transformer magnetizing inrush model is built in DDRTS and the simulation data are transferred in real time synchronously to the main transformer's three side sampling merging unit.The implement-ability of test method is verified through the actions of main transformer protection and fault recording.

intelligent substation；DDRTS；field test；main transformer protection；magnetizing surge current

10.3969/j.issn.1008-0198.2015.02.005

TM77

B

1008-0198(2015)02-0017-04

2013-10-30 改回日期:2014-12-15