直流偏磁對變壓器的影響及治理措施

張夢龍 張 治 商國威

(內(nèi)蒙古蒙東能源有限公司,內(nèi)蒙古 呼倫貝爾021000)

在大型直流高壓工程施工過程中,由于單極直流及其控制系統(tǒng)的異常工作,導(dǎo)致直流變壓器及周圍變壓器發(fā)生噴射,是什么引起了變壓器的恒偏角？直流磁位移并不是變壓器所特有的一種現(xiàn)象。DC可分為直流偏磁、機電偏磁和普通變壓器偏磁,磁差問題的研究具有重要意義。相對于其他磁飽和技術(shù),直流偏角技術(shù)的應(yīng)用更有意義。定常偏置對各種變壓器保護的影響,特別是在安裝了定常偏置裝置之后。但是數(shù)據(jù)分析多以模擬為主,在實際應(yīng)用中,存在屏蔽磁問題。在保護方面出現(xiàn)恒偏后,結(jié)合變壓器波形特性,分析現(xiàn)場數(shù)據(jù)形成恒偏磁場的機理,并注意到滅火器對變壓器保護裝置的影響,針對當前變壓器保護磁力不足的特殊情況,提出了一種優(yōu)化方案,最后,用波形檢驗法模擬驗證標準可靠性。

1 直流偏磁特征

直流畸變的主要原因是流入變壓器的直流電流使變壓器的鐵心飽和。直流畸變的原因、影響和波形特征不同于通常的電流流動和興奮現(xiàn)象。如果使用直流偏壓,磁鏈表達式如下:

公式中,電流的頻率為交流勵磁鏈的頻率,電流的頻率為直流偏磁鏈的頻率。從磁化曲線看,變壓器的勵磁電流與磁鏈之間存在非線性關(guān)系。對于直流偏壓,一個穩(wěn)定的直流偏壓電流應(yīng)該疊加在它上面。根據(jù)有關(guān)基礎(chǔ)知識和現(xiàn)場經(jīng)驗資料,比較了幾種磁飽和方法。附錄A表A1列出了結(jié)果。對直流偏壓的波形特性進行了理論分析。第一種情況下,直流偏壓為正時,并且直流偏壓隨時間飽和產(chǎn)生單相勵磁電流的公式為im (T)n(假定勵磁電壓在0時正大于0)。為了分析起見,忽略額定勵磁電流和磁滯效應(yīng)的影響可以近似地考慮某一特定角度(具體范圍與直流偏磁的嚴重性有關(guān),直流偏磁越嚴重性,角度值越大,若考慮磁滯效應(yīng)和勵磁回路電阻,則會出現(xiàn)一定的偏差)。

約為0其表達式如下:

公式中:F(ωT)是飽和磁化時勵磁電流的函數(shù),只在-α～α處有很大的值,20 ms的周期,結(jié)合現(xiàn)場資料,α通常為30度左右。不飽和態(tài)勵磁電流對變壓器的勵磁性能無影響,飽和態(tài)勵磁曲線假定為線性。根據(jù)公式(1),F(ωT)的近似表達式為:NF(ωT)=ksat(3),ksat是激發(fā)曲線的拐點,ksat是飽和段的斜率。由于直流偏磁下三相電流的波形特征基本相似,所以一般以中性點電流為研究對象來消除負載電流的干擾。在三相負載電流平衡中,中性點零序電流為三相疊加,外部直流電流為IDC,中性點電流Ig近似表示如下:

對普通Yd接線變壓器而言,由于d側(cè)零序線路的存在,會產(chǎn)生較大的三次諧波零序電流,并產(chǎn)生退磁效應(yīng),從而影響變壓器的飽和特性和勵磁電流波形。因此,Yd變壓器和Yy變壓器的中性點電流是不一樣的(如圖1)。3次諧波含量低于Y側(cè),但總體仍高于Y側(cè),電流特性隨各次諧波含量而變化。有953兆瓦的變壓器,1050瓦的主額定電流,100/1中性點電流互感器,三角環(huán)TA為3000/1[1]。

圖1 Yy型變壓器直流偏磁時中性點電流波形

2 現(xiàn)有直流偏磁保護及存在的不足

如前所述,直流畸變會對變壓器造成一定的損壞。考慮到無磁預(yù)壓抑制器的變壓器、磁預(yù)壓抑制器的異常狀態(tài)或故障等因素,必須對直流磁預(yù)壓進行適當?shù)谋Ｗo。

2.1 直流偏磁保護原理

直流偏磁保護又稱飽和保護,廣泛應(yīng)用于變換器和電壓變換器中(如圖2)。傳統(tǒng)的直流保護不能直接測量直流電流,傳統(tǒng)的保護方法是測量變壓器中性點電流并計算其上下限電流。對中性點,由變壓器制造商提供相應(yīng)的峰值電流和直流峰值電壓表,并提供在不同直流電流下連續(xù)運行的時間。電流與時間的預(yù)先關(guān)系取決于變壓器本體的制造特性,直流偏壓值在單位時間內(nèi)一般由生產(chǎn)廠家來保護。如果檢測結(jié)果比預(yù)期的好,將啟動跳閘或報警。中性點雖然是峰值電流,但是在系統(tǒng)狀態(tài)下,電流膨脹、內(nèi)外接地誤差、開關(guān)位置偏差、故障切換后Ta暫態(tài)拖尾等都存在著誤差,使得中性點產(chǎn)生零序電流,從而限制了直流偏磁的應(yīng)用,有時還會出現(xiàn)錯誤“運行發(fā)生”的情況。

圖2 直流偏磁抑制裝置示意圖

2.2 空充勵磁涌流對直流偏磁保護的影響

經(jīng)過比較和分析,如果不過載,變壓器也會出現(xiàn)暫時飽和,因為進水流量可能更大,導(dǎo)致中性點5處的峰值電流更高(如表1)。然而,這不是由直流余壓引起的電能,簡單的空載合閘將不會對變壓器進行任何額外的處理,直流偏壓保護可能會出現(xiàn)故障,此外,氣流還具有無功流動和恢復(fù)流動的風(fēng)險。雖然這兩種電流的值一般都很低,但它們對直流電失真的辨別也有一些負面影響[2]。

表1 直流偏磁時中性點電流

2.3 零序通路對直流偏磁的影響

常規(guī)變壓器常采用三角形連接線圈或平衡線圈。由于三角環(huán)的存在,變壓器始終有零序通過圓。當接地側(cè)發(fā)生內(nèi)外兩種故障時,中性點電流較大,且電流峰值較大,同樣會引起直流偏磁保護誤動作,為了避免這種誤動作,三角圓變壓器一般不裝直流偏磁保護。雖然可靠性得到了保證,但由于沒有足夠的直流偏壓保護,在極端情況下設(shè)備的安全運行可能受到影響。

2.4 擋位不一致問題

如果變壓器的三相在不同的通道中,則一定的零序電流流過與負載電流相關(guān)的中性點。雖然常數(shù)不是很大,但它存在的時間很長。采用反時限累計計算方法,對直流偏磁保護有一定的影響。

3 直流偏磁保護優(yōu)化

3.1 勵磁涌流識別及閉鎖

當前對電流互感器的識別方法是完善的。盡管不同算法在識別沖擊電流方面取得了很好的效果,但是由于直流偏壓的特性和沖擊電流有一些相似之處,如二次諧波含量高,波長不對稱,不連續(xù)角等,如果直接采用已有的沖擊電流判據(jù),會造成誤判等。第一個阻尼,而第二個不阻尼；第一個值較大,而第二個值較小。因此,可以設(shè)置以下兩種閉合模式。隔離直流偏壓保護阻斷大差動電流,當差動電流有一定值時,比率差動的初值通常可用。如果中性點電流在給定的時間段內(nèi)有明顯的衰減,則偏置保護被阻斷。

3.2 低三次諧波閉鎖判據(jù)

在直流偏磁作用下,中性點產(chǎn)生較高的三次諧波,通過對三次諧波含量的識別,可以協(xié)調(diào)地識別直流偏磁。設(shè)定三次諧波含量固定值。當真實值低于定值時,DC偏磁保護閉鎖。實踐證明,該整定值可調(diào)高50%～100%,既保證了直流偏磁的可靠效果,又有效地防止了各種異常情況的誤操作。

3.3 擋位異常閉鎖

在異常傳輸?shù)那闆r下,控制系統(tǒng)可能會與異常傳輸或不一致傳輸產(chǎn)生相應(yīng)的聯(lián)系,并且在輸入開關(guān)量后,保護將鎖定直流偏壓保護[3]。

3.4 TA拖尾閉鎖

針對直流偏磁在實際中的應(yīng)用,提出了一些定性鑒別直流偏磁的方法。在較長時間內(nèi),若有較小的梯度,則可阻斷直流偏磁保護。電流直流分量由一階微分算法濾波,濾波后電流峰值由濾波后計算出來,若較低,則阻斷偏壓保護。不同的濾波算法對實際的直流偏磁信號有不同的影響,所以需要結(jié)合濾波算法確定電流判據(jù)的權(quán)重。計算直流電流分量和交流分量(例如,當直流分量大于交流分量時,基波和次諧波的均方根值),或共享和阻斷直流偏磁保護[4]。

結(jié)束語

根據(jù)直流降的磁通特性,對變壓器的幾種磁飽和特性進行了比較分析,得出了直流降的成波特性及其對保護的影響。分析了安裝磁預(yù)壓抑制裝置對直流偏磁保護的影響,指出了現(xiàn)行直流偏磁保護判據(jù)的不足。此外,還提出了一些優(yōu)化措施,如充氣準則、低諧波準則、延時準則、拖尾阻塞準則、低諧波準則以及零序差流算法,有效地提高了直流偏磁保護的可靠性,解決了變壓器不能裝三角形電路直流偏磁保護的實際問題,仿真結(jié)果表明,該判據(jù)的有效性與直流偏磁保護的適用范圍相矛盾。