基于虛擬等效電感的特高壓調(diào)壓變壓器勵(lì)磁涌流判別算法

鄭　濤　陸格野　趙彥杰　陳水耀

(1.新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華北電力大學(xué))　北京　102206

2.國(guó)網(wǎng)南京市供電公司　南京　210019

3.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司　杭州　310007)

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基于虛擬等效電感的特高壓調(diào)壓變壓器勵(lì)磁涌流判別算法

鄭濤1陸格野1趙彥杰2陳水耀3

(1.新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華北電力大學(xué))北京102206

2.國(guó)網(wǎng)南京市供電公司南京210019

3.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司杭州310007)

摘要針對(duì)1 000 kV特高壓試驗(yàn)示范工程現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試過程中特高壓調(diào)壓變壓器差動(dòng)保護(hù)的典型誤動(dòng)案例，分析了現(xiàn)階段采用的二次諧波分相閉鎖判據(jù)在識(shí)別調(diào)壓變壓器勵(lì)磁涌流時(shí)存在的局限性。為解決實(shí)際工程中無法直接測(cè)量調(diào)壓變壓器一次繞組端口電壓?jiǎn)栴}，基于特高壓變壓器的本體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)一種獲取調(diào)壓變壓器一次繞組端口電壓的方法，同時(shí)提出一種基于虛擬等效電感分布特性識(shí)別調(diào)壓變壓器勵(lì)磁涌流的判別算法。基于數(shù)字仿真對(duì)比分析了二次諧波分相閉鎖判據(jù)和波形對(duì)稱制動(dòng)原理應(yīng)用于調(diào)壓變壓器差動(dòng)保護(hù)存在的不足，而基于虛擬等效電感分布特性的算法識(shí)別特征明顯，能夠可靠靈敏地識(shí)別勵(lì)磁涌流和內(nèi)部匝間短路，有效地解決了傳統(tǒng)判據(jù)在調(diào)壓變壓器差動(dòng)保護(hù)中存在的誤動(dòng)和拒動(dòng)問題。

關(guān)鍵詞：特高壓調(diào)壓變壓器勵(lì)磁涌流虛擬等效電感二次諧波波形對(duì)稱

0引言

特高壓變壓器是特高壓輸電網(wǎng)的重要設(shè)備之一，采用分體式調(diào)壓和補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，構(gòu)造復(fù)雜，具有大范圍調(diào)壓和鐵心磁飽和點(diǎn)低等特點(diǎn)。由于長(zhǎng)輸電線路的分布電容、串/并補(bǔ)電容諧振使變壓器內(nèi)部故障時(shí)暫態(tài)電流產(chǎn)生較大的二次諧波，現(xiàn)階段特高壓變壓器差動(dòng)保護(hù)采用傳統(tǒng)二次諧波分相閉鎖判據(jù)將有拒動(dòng)可能[1]。特高壓調(diào)壓變壓器(UHV Voltage-Regulating Transformer，UHV VRT，下文簡(jiǎn)稱VRT)相對(duì)于主變壓器容量較小，且主變壓器空充產(chǎn)生的勵(lì)磁涌流流經(jīng)VRT一次繞組，可能造成鐵心嚴(yán)重飽和。VRT涌流機(jī)理復(fù)雜，在某些情況下三相涌流的二次諧波含量低于10%[2]。事實(shí)上，我國(guó)1 000 kV特高壓試驗(yàn)示范工程現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試過程中已出現(xiàn)兩起500 kV側(cè)空充時(shí)VRT差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)案例[3]。VRT差動(dòng)保護(hù)的可靠性關(guān)系到整個(gè)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，亟需重視。

目前，大部分學(xué)者僅對(duì)特高壓變壓器主變差動(dòng)保護(hù)開展了研究[3-8]，而針對(duì)VRT差動(dòng)保護(hù)的相關(guān)研究鮮有報(bào)道。事實(shí)上，大差保護(hù)在VRT發(fā)生內(nèi)部匝間故障時(shí)靈敏度不足，且VRT涌流機(jī)理復(fù)雜，其差動(dòng)保護(hù)正是特高壓變壓器保護(hù)中最脆弱的部分。傳統(tǒng)差動(dòng)保護(hù)為防止勵(lì)磁涌流造成誤動(dòng)設(shè)有二次諧波閉鎖功能；有學(xué)者也提出了一類基于電氣量波形特征的方法來區(qū)分勵(lì)磁涌流和內(nèi)部故障[9-11]，一定程度上能夠提高保護(hù)對(duì)于勵(lì)磁涌流和故障電流的識(shí)別能力。然而根據(jù)本文分析，現(xiàn)階段應(yīng)用廣泛的二次諧波分相閉鎖判據(jù)和波形對(duì)稱制動(dòng)原理應(yīng)用于VRT差動(dòng)保護(hù)中仍可能發(fā)生誤動(dòng)和拒動(dòng)情況。近些年，利用變壓器勵(lì)磁電感分布特性區(qū)分勵(lì)磁涌流和內(nèi)部故障的新方法相繼被提出[12-19]。文獻(xiàn)[18]提出等效瞬時(shí)電感(Equivalent Instantaneous Inductance，EII)的概念，在識(shí)別勵(lì)磁涌流上具有一定的先進(jìn)性，但該方法應(yīng)用于VRT差動(dòng)保護(hù)中仍存在諸多問題：一方面工程中無法直接測(cè)量VRT一次繞組端口電壓致使EII難以計(jì)算；另一方面對(duì)于Y/Δ聯(lián)結(jié)方式的變壓器，相位補(bǔ)償使得差流不能精確表示勵(lì)磁電流，一定程度上影響了EII計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性[20]。

本文根據(jù)特高壓變壓器各繞組結(jié)構(gòu)及電壓比關(guān)系構(gòu)建出VRT一次繞組端口的虛擬電壓，并與差流相配合提出一種基于虛擬等效電感(Virtual Equivalent Inductance，VEI)分布識(shí)別VRT勵(lì)磁涌流的判別算法。VEI能夠準(zhǔn)確反映勵(lì)磁電感在涌流和故障情況下的變化規(guī)律，利用VEI的變化特征實(shí)現(xiàn)對(duì)兩者的識(shí)別。VRT一次繞組端口虛擬電壓的提出，解決了由于VRT一次繞組無法安裝電壓互感器(Potential Transformer，PT)造成的端口電壓無法測(cè)量的難題。在此基礎(chǔ)上，對(duì)比于目前應(yīng)用廣泛的二次諧波分相閉鎖判據(jù)和波形對(duì)稱制動(dòng)原理，數(shù)字仿真結(jié)果表明此算法不僅在識(shí)別VRT勵(lì)磁涌流上具有更高的可靠性，而且能準(zhǔn)確判斷內(nèi)部匝間短路，靈敏度較高。

1特高壓變壓器建模及誤動(dòng)分析

1.1特高壓變壓器結(jié)構(gòu)及誤動(dòng)案例介紹

1 000 kV特高壓變壓器采用分體式結(jié)構(gòu)，由主變壓器、VRT和補(bǔ)償變壓器組成。主變壓器由3個(gè)獨(dú)立的單相自耦變壓器組成，高、中、低壓側(cè)采用YN/yn/d11的聯(lián)結(jié)方式；VRT由調(diào)壓繞組、勵(lì)磁繞組和無勵(lì)磁分接開關(guān)組成，采用Y/Δ聯(lián)結(jié)方式。調(diào)壓方式采用中性點(diǎn)變磁通調(diào)壓，通過改變調(diào)壓分接開關(guān)調(diào)節(jié)VRT端口電壓，調(diào)壓時(shí)各分接位置的匝電動(dòng)勢(shì)和鐵心磁通密度發(fā)生變化。VRT的一次繞組與低壓繞組并聯(lián)，其電壓和極性隨檔位變化而改變；補(bǔ)償繞組與低壓繞組串聯(lián)，其電壓通過鐵心電磁耦合隨檔位變化而改變，從而實(shí)現(xiàn)低壓繞組上電壓的補(bǔ)償，以控制低壓側(cè)電壓偏差在1%以內(nèi)[4]。圖1為特高壓變壓器單相結(jié)構(gòu)及電流互感器(Current Transformer，CT)配置示意圖。VRT二次側(cè)CT接于每相Δ側(cè)繞組內(nèi)部，匝間短路和相間故障時(shí)(故障點(diǎn)在CT內(nèi)側(cè))測(cè)得的VRT一、二次電流不存在相位差，因此無需進(jìn)行相位補(bǔ)償，且能求取準(zhǔn)確的差流id。參照?qǐng)D1的CT配置，取CT4、CT5、CT6電流引入VRT的差動(dòng)保護(hù)裝置中，求得差流為

id=iCT4+iCT6-iCT5

(1)

圖1　特高壓變壓器單相結(jié)構(gòu)及CT配置示意圖Fig.1　The single-phase structure and CT configuration of UHV transformer

特高壓變壓器在投入運(yùn)行前需進(jìn)行多次空載勵(lì)磁試驗(yàn)，在特高壓試驗(yàn)示范工程荊門變電站現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試過程中發(fā)生過兩起500 kV側(cè)空充時(shí)VRT差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)案例[3]。圖2為其中一起保護(hù)誤動(dòng)情況下VRT差流的現(xiàn)場(chǎng)錄波波形(折算到CT一次側(cè))。

圖2　誤動(dòng)案例VRT差流現(xiàn)場(chǎng)錄波波形Fig.2　Field record of differential currents of VRT in the mal-operation case

1.2誤動(dòng)案例建模及仿真

基于1 000 kV特高壓變壓器實(shí)際結(jié)構(gòu)和相關(guān)參數(shù)，利用Matlab/Simulink建立了數(shù)字仿真模型[3]，進(jìn)一步研究分析500 kV側(cè)空充(下文空充均指500 kV中壓側(cè)空充)時(shí)VRT差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)案例。特高壓變壓器相關(guān)參數(shù)見表1[4]，變壓器鐵心的磁化特性用兩段式折線形表示。

表1　特高壓變壓器單相參數(shù)

VRT勵(lì)磁涌流受合閘條件(如合閘角、鐵心剩磁及其磁化特性等)影響，為使誤動(dòng)案例的仿真結(jié)果接近實(shí)際情況，本文在不同初始條件下進(jìn)行了大量數(shù)字仿真得到以下合閘條件：500 kV中壓側(cè)A相合閘角為240°，VRT三相剩磁為φra=-0.86φm，φrb=-0.69φm，φrc=0.74φm(φm為VRT鐵心的額定磁通)。VRT差流的仿真波形如圖3a所示，與圖2現(xiàn)場(chǎng)錄波波形基本吻合；圖3b為合閘后二次諧波含量。表2為各相差流二次諧波含量的仿真結(jié)果，與現(xiàn)場(chǎng)錄波的分析結(jié)果十分接近，同時(shí)驗(yàn)證了數(shù)字仿真模型與合閘條件的準(zhǔn)確性。

圖3　誤動(dòng)案例仿真結(jié)果Fig.3　Experimental results in the mal-operation case

A相B相C相現(xiàn)場(chǎng)錄波(%)22.839.63.2仿真數(shù)據(jù)(%)23.139.53.2

1.3誤動(dòng)案例分析

根據(jù)圖1，主變壓器公共繞組與VRT一次繞組串聯(lián)，由于VRT容量相對(duì)較小，主變壓器中壓側(cè)空充產(chǎn)生的勵(lì)磁涌流幅值較大，流經(jīng)VRT一次繞組，導(dǎo)致鐵心飽和；同時(shí)，VRT二次電壓受低壓繞組電壓的影響使得流經(jīng)勵(lì)磁支路的電流機(jī)理復(fù)雜，以上情況均可能導(dǎo)致差流的二次諧波含量低于閾值(通常設(shè)定在15%～20%)。表2數(shù)據(jù)顯示，C相勵(lì)磁涌流的二次諧波含量?jī)H為3.2%。根據(jù)上述分析，VRT三相剩磁很大，造成鐵心嚴(yán)重飽和，傳統(tǒng)的二次諧波分相閉鎖判據(jù)在空充時(shí)無法準(zhǔn)確識(shí)別VRT勵(lì)磁涌流。

2虛擬等效電感(VEI)分布特性的勵(lì)磁涌流判別算法

2.1EII識(shí)別勵(lì)磁涌流原理

本文采用兩段式折線模擬鐵心磁化特性，如圖4所示，ab段為線性區(qū)，bc段為飽和區(qū)。由L=d(Nφ)/die知，勵(lì)磁電感L與磁化特性曲線的斜率呈正相關(guān)。變壓器正常運(yùn)行時(shí)，鐵心工作在線性區(qū)，勵(lì)磁電感恒定不變；記飽和磁通為φs，若考慮到剩磁影響，磁通在半周內(nèi)可能超過φs，此時(shí)鐵心工作在飽和區(qū)(如M點(diǎn))，對(duì)應(yīng)磁通為φx，鐵心的工作點(diǎn)在一個(gè)工頻周期內(nèi)交替位于線性區(qū)和飽和區(qū)，勵(lì)磁電感劇烈波動(dòng)；而發(fā)生匝間短路時(shí)相當(dāng)于在勵(lì)磁支路上并聯(lián)一個(gè)短路阻抗支路，勵(lì)磁電感數(shù)值比勵(lì)磁涌流時(shí)小的多，且基本維持不變[19]。

圖4　兩段式折線形勵(lì)磁特性Fig.4　Magnetizing characteristic of two sections of line

文獻(xiàn)[18]通過勵(lì)磁電感的變化規(guī)律來識(shí)別勵(lì)磁涌流，從變壓器一次繞組端口看進(jìn)去勵(lì)磁電感記為等效瞬時(shí)電感(EII)，計(jì)算公式為

(2)

式中，Ts為采樣周期；i(k)為勵(lì)磁回路電流的第k個(gè)采樣值；u(k)為一次繞組端口電壓的第k個(gè)采樣值；L(k)為EII在kTs時(shí)刻的數(shù)值。

值得注意的是，利用EII的變化規(guī)律來區(qū)分勵(lì)磁涌流與內(nèi)部故障必須以準(zhǔn)確計(jì)算EII為前提，即準(zhǔn)確獲取變壓器一次繞組端口電壓u和勵(lì)磁回路的電流值i。對(duì)于具有Y/Δ聯(lián)結(jié)方式的變壓器而言，若Δ側(cè)電流取自Δ側(cè)繞組外部CT，差流需經(jīng)過相位補(bǔ)償，補(bǔ)償后的差流和流經(jīng)勵(lì)磁回路的電流不相符，且無法計(jì)及Δ側(cè)繞組內(nèi)部環(huán)流帶來的影響[20]，計(jì)算出EII不能準(zhǔn)確表示勵(lì)磁電感的變化規(guī)律。此外，由于VRT和主變壓器一體化的設(shè)計(jì)，實(shí)際工程中VRT一次側(cè)無法安裝PT，造成其端口電壓無法測(cè)量，即無法通過式(2)計(jì)算EII，以上兩點(diǎn)均限制了利用EII變化規(guī)律識(shí)別勵(lì)磁涌流的原理在變壓器差動(dòng)保護(hù)中的廣泛應(yīng)用。

2.2虛擬電壓的構(gòu)建分析

VRT雖然采用Y/Δ聯(lián)結(jié)方式，但Δ側(cè)CT(圖1中CT5)接于每相繞組內(nèi)部，可直接測(cè)量各相電流，因此無需相位補(bǔ)償，由式(1)計(jì)算得到的差流能準(zhǔn)確表示勵(lì)磁回路電流。但工程中無法直接測(cè)量VRT一次繞組端口電壓是限制EII應(yīng)用于VRT差動(dòng)保護(hù)的主要難題。鑒于此，本文根據(jù)特高壓變壓器各繞組結(jié)構(gòu)及電壓比關(guān)系，設(shè)計(jì)出一種VRT一次繞組端口電壓的虛擬測(cè)量方法。

如圖1所示，設(shè)VRT一次繞組端口電壓為uRegu.1，根據(jù)分接頭所處的檔位得到電壓比，即一、二次繞組匝數(shù)之比KRegu，則二次繞組端口電壓為

(3)

VRT二次繞組與低壓繞組并聯(lián)，由公共繞組和低壓繞組的電壓比KM-L計(jì)算公共繞組端口電壓為

(4)

主變壓器500 kV中壓側(cè)相電壓由母線處安裝的PT測(cè)得，記為uP，則

(5)

VRT一次繞組的端口電壓可表示為

(6)

鑒于實(shí)際工程中并不能通過測(cè)量得到VRT一次繞組端口電壓，故此處定義uRegu.1為VRT一次繞組端口的虛擬電壓。事實(shí)上，變壓器電壓比精確等于一、二次繞組電動(dòng)勢(shì)之比，若計(jì)及繞組電阻及漏抗的影響，已知二次繞組端口電壓再利用電壓比關(guān)系求得的一次繞組端口電壓，與實(shí)際電壓相比并不完全一致。在正常運(yùn)行情況下，一、二次電流接近額定電流，在繞組電阻和漏抗上產(chǎn)生的壓降較小，近似為零，因而該虛擬電壓能夠準(zhǔn)確表示VRT正常運(yùn)行情況下一次繞組端口電壓。但在空充涌流及內(nèi)部匝間故障情況下VRT一次側(cè)實(shí)際電壓和虛擬電壓存在一定偏差。

圖5　VRT端口電壓對(duì)比 (涌流)Fig.5　The comparison of terminal voltage of VRT (inrush)

圖5為VRT空充涌流時(shí)一次繞組端口的實(shí)際電壓和虛擬電壓的仿真對(duì)比。根據(jù)式(6)，計(jì)算虛擬電壓時(shí)利用KRegu和KM-L對(duì)電壓進(jìn)行了兩次折算，忽略了主變壓器和VRT的繞組電阻和漏抗上的壓降。此外，主變壓器容量遠(yuǎn)大于調(diào)壓變壓器容量，中壓側(cè)空充產(chǎn)生的勵(lì)磁涌流流經(jīng)VRT一次側(cè)，在繞組電阻和漏抗上產(chǎn)生的壓降較大，VRT端口電壓發(fā)生畸變，導(dǎo)致實(shí)際電壓與虛擬電壓之間存在一定偏差。

當(dāng)VRT發(fā)生內(nèi)部匝間短路時(shí)，其電壓比KRegu發(fā)生改變，顯然，式(6)計(jì)算得到的uRegu.1與實(shí)際值不符，但從式(2)可以看出，變壓器一次繞組端口電壓u的大小并不影響勵(lì)磁電感的變化規(guī)律。圖6為VRT發(fā)生20%內(nèi)部匝間短路時(shí)實(shí)際端口電壓和虛擬電壓的對(duì)比圖，兩者幅值大小不同，但相位和變化趨勢(shì)一致，即利用構(gòu)建的虛擬電壓和實(shí)際電壓計(jì)算得到的勵(lì)磁電感變化規(guī)律相同。

圖6　VRT端口電壓對(duì)比(20%匝間短路)Fig.6　The comparison of terminal voltage of VRT (20% turn-to-turn fault)

2.3基于VEI的勵(lì)磁涌流識(shí)別判據(jù)

上述分析表明，采用勵(lì)磁電感的變化規(guī)律識(shí)別勵(lì)磁涌流和故障電流的關(guān)鍵在于其變化規(guī)律而非數(shù)值大小，定義由虛擬電壓計(jì)算得到的勵(lì)磁電感為虛擬等效電感(VEI)，記為L(zhǎng)v(k)。VEI的分布特性在勵(lì)磁涌流和匝間短路情況下差別顯著，前者急劇變化而后者幾乎不變。因此，可以通過一個(gè)工頻周期內(nèi)的Lv(k)考察VEI變化規(guī)律，其平均值和方差分別為

(7)

式中，N為一個(gè)工頻周期的采樣數(shù)；Lave為VEI在一個(gè)工頻周期內(nèi)的平均值；σ(L)為一個(gè)工頻周期內(nèi)Lv(k)的均方差。

σ(L)表征了VEI的波動(dòng)程度，反映了VEI在平均值Lave上下變化的幅度大小。根據(jù)VEI在勵(lì)磁涌流和匝間短路時(shí)不同的變化規(guī)律，即：勵(lì)磁涌流時(shí)Lv(k)變化劇烈，σ(L)相對(duì)較大；而匝間短路時(shí)Lv(k)波動(dòng)小，σ(L)相對(duì)較小，可以通過σ(L)的大小區(qū)分勵(lì)磁涌流和故障電流。具體判據(jù)為

(8)

式中，e為閾值，本文采用e=0.5。

3仿真驗(yàn)證及分析

為驗(yàn)證算法的有效性，并與實(shí)際工程中VRT差動(dòng)保護(hù)采用的二次諧波閉鎖判據(jù)和目前變壓器差動(dòng)保護(hù)中應(yīng)用廣泛的波形對(duì)稱制動(dòng)原理對(duì)比，本文基于表1中的相關(guān)參數(shù)，在Matlab/Simulink中構(gòu)建仿真模型，對(duì)VRT空充于勵(lì)磁涌流、空充于匝間短路、正常運(yùn)行時(shí)發(fā)生匝間短路3種情況進(jìn)行仿真驗(yàn)證。針對(duì)不同的仿真條件(合閘角、VRT剩磁)，列舉10個(gè)案例進(jìn)行比較分析，各案例對(duì)應(yīng)的仿真條件見表3，結(jié)果列于表4。表4中，案例1～5(C1～C5)為空充于勵(lì)磁涌流，案例6～8為空充于A相匝間短路，案例9-10為正常運(yùn)行過程中發(fā)生A相匝間短路。設(shè)保護(hù)啟動(dòng)值為0.3IN，IN為VRT一次側(cè)額定電流。

表3　表4中案例的初始條件

本文取二次諧波閉鎖判據(jù)的閾值為15%，高于15%保護(hù)閉鎖；波形對(duì)稱制動(dòng)原理采用全周36點(diǎn)采樣，一個(gè)工頻周期內(nèi)差動(dòng)電流對(duì)稱點(diǎn)數(shù)量Ns>11，記為故障，保護(hù)動(dòng)作[21]。

3.1勵(lì)磁涌流實(shí)驗(yàn)

案例3為前述荊門站VRT典型誤動(dòng)案例的模擬仿真，A、B、C三相差流均達(dá)到保護(hù)啟動(dòng)值，C相二次諧波含量?jī)H為3.2%，遠(yuǎn)低于15%，若采用二次諧波分相閉鎖判據(jù)，保護(hù)誤動(dòng)；C相涌流差分后進(jìn)行對(duì)稱度分析，波形對(duì)稱點(diǎn)數(shù)量Ns=10，接近波形對(duì)稱法制動(dòng)原理的動(dòng)作邊界值，保護(hù)雖閉鎖，但靈敏度相對(duì)較低。基于VRT一次繞組端口實(shí)際電壓計(jì)算的三相EII的方差為3.120/2.530/6.2183，基于虛擬電壓計(jì)算的三相VEI的方差為3.880/2.691/5.752，三相VEI分布

表4　兩種傳統(tǒng)的涌流閉鎖判據(jù)和基于VEI分布特性算法結(jié)果對(duì)比

注：C1～C10指案例1～案例10；5%指調(diào)壓變壓器發(fā)生5%匝間短路，依此類推；“*”表示判斷錯(cuò)誤；“—”表示該相差流未達(dá)到保護(hù)啟動(dòng)值。

特性如圖7所示，呈現(xiàn)周期性的劇烈波動(dòng)，三相VEI的方差均大于閾值0.5，能夠正確判斷為勵(lì)磁涌流，且靈敏度高。因此，空充涌流時(shí)即使虛擬電壓與實(shí)際電壓存在一定偏差，但并不影響VEI分布特性反映出勵(lì)磁涌流時(shí)勵(lì)磁電感劇烈波動(dòng)的本質(zhì)特征。

圖7　案例3仿真結(jié)果Fig.7　Experimental results of case 3

3.2空充于匝間短路實(shí)驗(yàn)

案例6為VRT空充于A相5%匝間短路故障情況，圖8a為三相差流波形，B、C兩相差動(dòng)保護(hù)未啟動(dòng)。

表4仿真結(jié)果顯示：A相二次諧波含量達(dá)到27.5%，波形對(duì)稱點(diǎn)數(shù)量Ns=6，采用二次諧波分相閉鎖判據(jù)和波形對(duì)稱原理的差動(dòng)保護(hù)均將拒動(dòng)，可見以上兩種傳統(tǒng)的涌流閉鎖判據(jù)在空充于輕微匝間故障時(shí)可靠性不足。A相VEI分布情況如圖8c所示，VEI數(shù)值較小，且波動(dòng)的劇烈程度相較于圖7大為降低，σ(L)=0.083，正確判斷為故障，且靈敏度較高，基于VEI分布特性的差動(dòng)保護(hù)可靠動(dòng)作。

圖8　案例6仿真結(jié)果Fig.8　Experimental results of case 6

3.3匝間短路實(shí)驗(yàn)

對(duì)比于案例6，案例9模擬正常運(yùn)行時(shí)發(fā)生A相5%匝間短路故障。A相VEI數(shù)值較小，在極小的范圍波動(dòng)，σ(L)近似為零，可見基于VEI分布特性的差動(dòng)保護(hù)具有很高的靈敏度，圖9為A相VEI的仿真結(jié)果。

圖9　案例9仿真結(jié)果Fig.9　Experimental results of case 9

上述分析表明，傳統(tǒng)的二次諧波分相閉鎖判據(jù)和波形對(duì)稱制動(dòng)原理應(yīng)用于VRT差動(dòng)保護(hù)識(shí)別勵(lì)磁涌流和內(nèi)部匝間短路電流的可靠性和靈敏度較低。然而，基于VEI分布特性的VRT差動(dòng)保護(hù)不僅能在空充于勵(lì)磁涌流時(shí)可靠閉鎖，而且在內(nèi)部匝間短路以及空充于輕微匝間短路時(shí)能夠可靠靈敏動(dòng)作，數(shù)字仿真結(jié)果驗(yàn)證了基于VEI分布特性的差動(dòng)保護(hù)算法的有效性。

4結(jié)論

本文針對(duì)特高壓試驗(yàn)示范工程現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試過程中出現(xiàn)的一起500 kV側(cè)空充時(shí)VRT差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)案例，分析研究了現(xiàn)場(chǎng)采用的基于二次諧波分相閉鎖判據(jù)的VRT差動(dòng)保護(hù)在主變壓器空充時(shí)存在的誤動(dòng)問題。此外，根據(jù)特高壓變壓器各繞組結(jié)構(gòu)及電壓比關(guān)系構(gòu)建出VRT一次繞組端口的虛擬電壓，解決了VRT一次側(cè)無法安裝PT測(cè)量端口電壓的工程難題。結(jié)合誤動(dòng)案例，給出一種基于VEI分布特性的VRT勵(lì)磁涌流判別算法，仿真結(jié)果表明新算法相比于二次諧波分相閉鎖判據(jù)和波形對(duì)稱制動(dòng)原理能夠更為準(zhǔn)確地識(shí)別VRT勵(lì)磁涌流和內(nèi)部匝間短路電流，提升差動(dòng)保護(hù)的可靠性和靈敏度。

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鄭濤男，1975年生，博士，副教授，研究方向?yàn)樾履茉措娏ο到y(tǒng)保護(hù)與控制。

E-mail：zhengtao_sf@126.com

陸格野女，1993年生，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)保護(hù)與控制。

E-mail：327522647@qq.com(通信作者)

A Discriminating Algorithm for Identifying Inrush of UHV Voltage-Regulating Transformer Based on Virtual Equivalent Inductance

ZhengTao1LuGeye1ZhaoYanjie2ChenShuiyao3

(1.State Key Laboratory of New Energy Power SystemNorth China Electric Power University Beijing102206China 2.SGCC-Nanjing Electric Power CompanyNanjing210019China 3.SGCC-Zhejiang Electric Power CompanyHangzhou310007China)

AbstractAiming at a typical mal-operation case of the differential protection of the ultra-high voltage (UHV) voltage-regulating transformer (VRT) in the 1 000 kV UHV experimental demonstration project, this paper analyzes the limitations of the 2nd harmonics with split-phrase lockout criterion on the spot for discriminating the VRT inrush. On the other hand, the terminal voltage of the VRT is unable to be measured, which limits the application of the equivalent instantaneous inductance. This paper suggests a method to obtain the terminal voltage of the VRT according to the structure of the UHV transformer. Meanwhile, it puts forward a discriminating algorithm for identifying inrush based on the distribution characteristics of the virtual equivalent inductance. By simulation, the 2nd harmonics with split-phrase lockout criterion and the waveform symmetry restraint principle are found to be inadequate for the VRT’s differential protection. Meanwhile, the proposed algorithm based on the virtual equivalent inductance has clear discriminating property. So it can distinguish inrush and a slight turn-to-turn fault reliably, which solves the miss-operation and mal-operation problems of the traditional methods in the VRT differential protection.

Keywords：UHV voltage-regulating transformer, inrush, virtual equivalent inductance (VEI), 2nd harmonics, waveform symmetry

作者簡(jiǎn)介

中圖分類號(hào)：TM406

收稿日期2015-03-24改稿日期2015-06-24

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973)資助項(xiàng)目(2012CB215206)。