發電廠變壓器勵磁涌流識別方法

陜西能源趙石畔煤電有限公司 邵治濤

1 引言

變壓器是發電廠電力系統中的主要設備，此設備在運行中的安全性或穩定性不僅關系到發電廠的輸電質量與輸電效率，還會對供電過程的可靠性與動作執行準確性具有較為直接的影響[1]。然而，在深入變壓器運行的研究中發現，大部分變壓器在運行中都存在動作執行準確率低的問題。根據我國電力市場不完全統計可知，2019年變壓器執行保護動作的準確率僅為72%，而輸電線路執行保護動作的準確率卻可以達到99%以上。因此，有必要采取對應的措施進行變壓器在運行中進行保護性能的優化。在常規條件下，只要勵磁電流可以達到一個較小的數值，便可以通過整定的方式，進行勵磁電流影響的規避。但在變壓器的空投運行狀態極易引發較大的勵磁涌流，涌流可以達到變壓器額定電流的5～9 倍，此種涌流現象便造成變壓器運行出現錯誤的差動保護行為[2]。發電站與電力單位會采用二次諧波的方式，進行差動保護行為的閉鎖處理，但隨著發電廠相關作業工作的優化，變電器中的鐵芯材料持續發生改進，涌流中攜帶的二次諧波呈現下降趨勢，此種現象會加劇差動保護的錯誤行為[3]。為解決上述問題，本文將以ABB 發電廠提供的UNTROL6800 變壓器勵磁系統為例，設計一種針對勵磁涌流的全新識別方法，通過此種方式，提高差動保護行為的準確率。

2 提取發電廠變壓器勵磁涌流峭度

為實現對變壓器勵磁涌流的識別，應該將變壓器在運行中的勵磁涌流峭度作為識別標準，進行變壓器運行電流的識別。在此過程中可將勵磁涌流峭度作為反映變壓器運行電流隨機分布特性的關鍵統計量[4]。結合不同情況，不同變量分布下的變壓器勵磁涌流峭度曲線如圖1所示。

圖1 不同變量分布下的變壓器勵磁涌流峭度曲線

在圖1中：1表示為K>0的峭度曲線；2表示為K=0 的峭度曲線；3 表示為K<0 的峭度曲線。其中曲線1符合高斯分布特征；曲線2符合超高斯分布特征；曲線3符合亞高斯分布特征[5]。

3 勵磁涌流信號分解小波熵值計算

定義變壓器勵磁涌流信號表示為X，將X與時刻點進行匹配，對應的信號表示為X(t)。使用Mallat算法對支路信號進行分解，通過此種方式，可以掌握發電廠變壓器在運行中產生勵磁涌流電流信號的能量熵。

假設重構后的信號存在M個流通支路，可以采用在操作界面建立一個滑動窗口的方式，進行信號支路信息的提取。同時，根據窗口中的數據，對M支路中的重構信號進行能量值提取，提取過程如下計算公式（1）:

式（1）中：d為重構信號能量值；w為滑動窗口寬度；m為M支路中的分支路；δ為窗口滑動步長；k為信號尺度；j為信號在空間中的維度。

結合上述方式，進行窗口的滑動，確保在指定寬度內的窗口數據完全被提取后，進行信號的小波熵值計算,計算公式（2）：

式（2）中：E為分解信號的小波熵值。

在此基礎上，將窗口進行上移滑動，重復上述步驟，進行不同窗口數據的歸一化處理，整定所有歸一化數值，將其作為勵磁涌流的判別依據。

4 基于基波能量的變壓器勵磁涌流辨識

在上述設計內容的基礎上，引進基波能量理論，進行變壓器勵磁涌流的辨識設計。在此過程中，應該明確發電廠變電站在發生勵磁涌流現象時，電流產生的基波與變壓器運行產生的二次諧波能量差異較小。當變壓器在運行中出現內部其他故障時，電流產生的基波與變壓器運行產生的二次諧波能量差異較大。可以通過提取能量的方式，進行涌流的識別，對能量的提取過程可用計算公式（3）：

式（3）中：A1為變壓器在運行中基波能量；r為能量覆蓋范圍；s為均方根函數；x'為動態可調參數；n為數據擬合行為發生次數。

按照上述計算公式可知，勵磁涌流能量的大小與多個參數變量有關。為更加直觀地識別勵磁涌流，可設定一個門限參數，將其作為識別門檻。按照上述方式，實現基于基波能量的勵磁涌流辨識，完成對勵磁涌流識別方法的設計。

5 對比試驗

本文從三個方面完成UNTROL6800 變壓器勵磁涌流識別方法的設計，為檢驗此方法的可行性，開展實例應用試驗。此次選用的勵磁系統由調節柜、交、直流勵磁共箱母線、整流柜等構成，為滿足試驗需求，為此勵磁系統配備兩套呈現獨立狀態的勵磁調節裝置，將其表示為CH1 與CH2，配置一套獨立的備用控制器BU（備用控制器BU僅具有手動勵磁電流調節功能）。

勵磁系統配置四面三相可控硅整流柜，通過調節硅通角度，進行變壓器勵磁電流的調整，四面整流柜設置有智能均流裝置，提高了整流柜運行中的均流度。試驗前，設計勵磁系統技術規范如表1所示。

表1 勵磁系統技術規范

在此基礎上，設計發電廠變壓器，此變壓器為單相雙線圈無載調壓強油循環風冷裝置，發電廠變壓器技術參數如表2所示。

表2 發電廠變壓器技術參數

分別利用本文提出的識別方法和傳統識別方法完成對發電廠中變壓器勵磁涌流問題的識別，傳統識別方法為基于矩陣束的識別方法。在已知此變壓器在運行中存在2 處勵磁涌流現象后，輸出本文識別方法識別結果如圖2所示。

圖2中虛線代表變壓器額定電流允許波動范圍，從圖2可以看出，利用本文識別方法共找出該變壓器勵磁涌流異常問題發生的兩個節點，針對電流正常波動和涌流現象可實現準確識別。再將傳統識別方法得到的結果進行繪制，得到基于矩陣束的識別方法識別結果如圖3所示。

圖2 本文識別方法識別結果

圖3 基于矩陣束的識別方法識別結果

由圖3可知，基于矩陣束的識別方法針對該變壓器共找出6 處異常涌流節點。這一識別方法將變壓器的正常電流波動問題也識別歸類為異常涌流，未實現對涌流的準確識別。根據試驗結果，證明本文提出的識別方法在實際應用中可以實現對變壓器勵磁涌流的正確識別，并通過額定電流的變化情況實現對異常涌流和正常波動的區分，為發電廠變壓器的運行維護提供更有利的技術條件。結合本文識別方法得出的識別結果，可為變壓器勵磁涌流治理方案的提出提供更精準的數據支持。

6 結語

差動保護是勵磁保護中的主要保護行為，相比其他保護措施，差動保護具有更高的速率與更強的靈活性。但變壓器的差動保護屬于一種基于霍夫電流定律的保護模式，由于變壓器的純電聯系較差，保護聯系中存在大量的電磁聯系。因此，變壓器中的勵磁支路無法滿足基爾霍夫電流定律，而在此種條件下便會出現勵磁系統涌流的問題。為避免由于勵磁涌流造成的變壓器錯誤保護動作，本文從提取發電廠變壓器勵磁涌流峭度、發勵磁涌流信號分解小波熵值計算、基于基波能量的變壓器勵磁涌流辨識三個方面，完成發電廠變壓器勵磁涌流識別方法的設計研究。并在此基礎上，通過對比試驗證明本文設計的識別方法在實際應用中具有可行性，但需要進一步實現對本文設計內容的優化，還應該結合實際情況，設計更多的試驗指標，通過此種方式，對設計的方法進行全面優化，實現對設計方法綜合性能的完善，為發電廠變壓器的穩定、持續、安全運行提供進一步的指導與幫助。