基于波形正当式管理策略的变压器励磁涌流判别方法

基于波形正当式管理策略的变压器励磁涌流判别方法

0净化原理和应用主要保护因素之一是纵向差异动保护。正确识别中断和室内短路故障仍然是当前保护单元的中心问题。目前运行的变压器差动保护大量利用二次谐波制动原理等构成,但在实际应用中,效果并不十分理想。资料表明,220kV以上变压器保护正确动作率为68.96%,远远低于发电机保护及系统保护的平均动作率。为提高变压器保护的可靠性,近年来,国内、外学者提出了许多鉴别励磁涌流的新原理和新算法。文献利用小波分析提取励磁涌流的特征,来判别励磁涌流;文献通过提取瞬时故障电流特征判别变压器的内部或外部故障;文献提出一种用变压器原、副边正序和负序电流分量的方向区分变压器状态的EANN(专家系统和神经网络)方法;文献提出利用变压器内部故障时电压与电流的波形比较相似,空载合闸且铁心饱和时电压与电流的波形有较大差别的特点区分励磁涌流和内部故障电流;文献利用励磁涌流的波形在一个周期内前半周期与后半周期存在不对称,而变压器内部故障时,故障电流一个周期波形的前半周期与后半周期是对称的特征区分励磁涌流;文献[10,11,12,13,14,15,16,17]分别采用波形相关特征,采样值差动方法、基于励磁阻抗变化的方法、相移比较方法等鉴别励磁涌流;文献基于数学形态学提取电流波形特征实现新原理变压器保护。从变压器保护研究的最新进展可以看出,进一步探索快速、准确的区分变压器励磁涌流和内部故障电流的新原理、新算法,对提高差动保护功能十分必要。本文提出利用差动电流的波形正弦特征来判别励磁涌流。变压器内部短路时差动电流波形具有正弦函数特征,而励磁涌流因其包含非周期分量、间断角,不具有正弦特征,从而提出波形正弦度算法来判别内部短路故障与励磁涌流,该方法具有特征明显,判断精确,实用方便,同时对TA饱和也有制动作用等特点。1变压器非线性特性分析当变压器空载合闸时,由于变压器导磁材料磁化曲线的非线性特点,在一定电压下,可产生与短路电流相比拟的励磁涌流,励磁涌流的波形取决于铁芯的饱和程度,即取决于铁心磁密Bm的大小。当Bm<0.8wb/m2时,可认为磁路不饱和,此时i和Φ成线性关系。当Bm>0.8wb/m2时,磁路开始饱和,i和Φ成非线性关系,i比Φ增加得要快。由于铁心的饱和关系使励磁电流的波形畸变,如图1所示。图1中曲线oab为变压器的基本励磁曲线,设合闸时电源电压为u=Umsin(ωt+α),忽略变压器漏抗,可得变压器空载合闸(i=0)时励磁涌流的表达式为式中:Φ为变压器铁芯磁通;Φm为稳态磁通幅值,工况下为额定磁通幅值Φe;Φr为变压器剩磁;Φsat为饱和磁通幅值;L为Φ<Φsat时变压器的励磁电感,近似看作常数。由式(1)可知,对于变压器,从不饱和到深度饱和之间是一个非线性过程,称之为非线性段,如图1中oab线段所示;图中oa为变压器的正常运行段,此时变压器不饱和,呈线性变化,其励磁电感非常大;b点后变压器进入深度饱和段,由涌流产生的机理可知,在磁化曲线的线性段oa,其电流波形是正弦的,直到变压器进入饱和阶段b点后,电流就呈现非正弦特征。实际的励磁涌流波形应是一个具有间断角的尖顶波,与正弦波形存在着较大的差异。图2为动模试验录波得到的励磁涌流波形,图中自上而下分别为高压侧a、b、c三相电压和高、低压侧三相电流波形;从中可看到变压器Y侧三相涌流波形的尖顶波特征。另外,由于变压器采用Y/Δ接法,因此在形成差动电流时,需要对Y侧电流进行Δ变换,此时的励磁涌流为两相磁化电流之差,由于各相磁化电流进入深度饱和的时间不同,因此两相差流的尖顶波特征更加明显。而对于变压器内部故障电流,其波形基本上为基频正弦波。2波形正当基本原理二次谐波闭锁的差动保护是从励磁涌流波形中提取二次谐波特征,间断角闭锁差动保护是直接提取励磁涌流的波形特征,将变压器在空载合闸时产生的励磁涌流和故障电流区分开来,文献[7,8,9,10,11,13,14,15]分别直接或间接的利用了励磁涌流的波形特征,但以上方法的应用或有一定的局限性,或取决于理论上的进一步突破。本文提出的波形正弦度算法也是提取励磁涌流的波形特征,可更精确地区分涌流和故障电流的波形特征,且直观、易于实现。对变压器经差分后的差动电流波形进行正弦度比较,差分的目的是减少直流分量的影响。对任意正弦函数波形存在:sin2α+cos2α=1;sin2α+sin2(α-90°)=1。设差分后差动电流某一点的瞬时值为Ii,前1/4周的瞬时值为Ii-90°。定义:式中:S为随时间变化的函数,用S(t)表示。对于标准基波正弦电流,S是常数,其数学期望为式中T为一个周期。S(t)与其数学期望E(S)的相对均方差为σS(t)随着差流偏离正弦曲线的程度增大而增大,如果差流是标准基波正弦函数,则σS(t)为零。定义σS(t)为非正弦度,它和差流偏离基波正弦函数的程度有关。设σSZd为门槛值,则σS(t>σSZd时,判为涌流;σS(t)<σSZd时,判为故障。从以上判据可知,波形正弦度算法是利用特征值σSZd区分故障和涌流,当变压器空载合闸出现励磁涌流时,差流波形严重畸变,σS(t)很大,大于σSZd;当变压器发生内部短路时,差流波形为较好的基波正弦形状,σS(t)很小,适当选取σSZd的值,可正确区分涌流与短路。相对于波形对称、间断角及二次谐波等涌流判别方法,波形正弦度的处理能更贴切地表征电流畸变的程度,对于电流互感器饱和情况也能给出优秀的表现。从下面的动模试验分析可得到证明。3在不同条件下，动模型试验和波形正交分析3.1相电压及三相电流动模实验中各相电压电流波形如图2所示,UA、UB、UC、IA、IB、Ic分别为高压侧三相电压和三相电流;Ia、Ib、Ic为低压侧三相电流。各种运行及故障情况下的波形分析验证了波形正弦度算法判断涌流与短路的可行性。图3为动模试验系统接线图。3.2空投之后a、b、c三元非正当方程的差流波形及其变化规律图2为变压器空载合闸时高、低压侧各相电流电压试验波形,图4(a)为空投时,a、b、c三相的差流波形,图4(b)为空投时,a、b、c三相非正弦度σS(t)的变化曲线。由图可见,在变压器空载合闸时,出现非正弦变化的励磁涌流,多次试验表明,涌流过程中,涌流相的波形非正弦度σS(t)>2。3.3差流波形及其拟合图5(a)为高压侧A相接地时的各相电流、电压波形,图5(b)为三相差流波形,图5(c)为波形非正弦度σS(t)的变化曲线。由图可以看出,从短路起始点(t=111ms)开始,A、C两相的σS(t)很小,经过多次动模试验表明,σS(t)在故障后10ms已持续小于0.2。3.4错误的输入和失败的输出由图6可见,从变压器故障起始点(t=69ms),13ms后,A相σS(t)已持续小于0.8。3.5变压器轻载运行时涌流判据t图7、图8分别为空投时,变压器A相接地故障的情况和变压器满载时,B相匝间短路故障的情况。由图7可见,空投于内部故障时,从变压器故障起始点(t=184ms)经10ms后,σS(t)已持续小于0.3;由图8可见,变压器内部发生匝间短路时,从故障起始点(t=57ms)10ms后,σS(t)已持续小于0.3。鉴于篇幅所限,将变压器保护的各试验及其波形非正弦度反映情况如表1所示。由表1可见,空投相邻变压器、带负荷投变压器时,涌流判据σS(t)应处于闭锁状态,此时σS(t)大于1.5～2,而变压器轻载运行时C相经过渡电阻接地,σS(t)远小于1。限于篇幅,表2列出了经试验几种有代表性的故障情况下波形正弦度、二次谐波制动和波形对称原理的制动情况比较。由表2可见,对比目前应用较多的二次谐波制动和波形对称原理制动方法,在空投变压器、变压器带负荷合闸、空投相邻变压器等情况下,波形正弦度原理均能可靠制动,而在变压器内部故障、空投时内部故障等情况下,波形正弦度原理开放保护的时间远小于二次谐波制动原理、小于波形对称原理的开放保护的时间。波形正弦度原理可实现分相制动,对于变压器深度饱和的情况,由于正弦度制动方式对波形要求更加严格,较好地体现出了故障和涌流及饱和的区别。运行区域在没有全部进入饱和区情况,就会存在一些波形间断,而且在线性段到饱和段的过渡部分一定会造成波形严重变形,此时正弦度制动会有更好的制动效果。如果运行区域全部进入饱和区,各种制动方式全部失效,而由于饱和段不象线性段那样直,是一个弧线,会给电流波形带来一定变形(主要是三次谐波),正弦度制动可能会有好的表现。当变压器内部故障由于电流很大造成TA饱和,这种情况下各种制动方法都会制动,此时应主要靠差动速断保护切除故障。4变压器载荷计算方法的适用性分析基于波形正弦度算法的变压器差动保护涌流判别方法是利用变压器励磁涌流和内部故障电流的波形特征不同来判别的,变压器内部短路时差动电流波形具有明显的正弦函数特征,而励磁涌流因其包含非周期分量、间断角不具有正弦特征。大量动模试验证明了波形正弦度算法的可行性,利用特征值σSZd区分故障和涌流,经验数据表明设门槛σSZd=1比较合理,且在判别过程中裕度很大,当变压器空载合闸出现励磁涌流时,σS(t)很大,远大于σSZd,判据开放,闭锁保护;当变压器发生各种内部短路时,σS(t)远小于σSZd,判据闭锁,开放保护。各种动模试验及波形分析表明了所提判别方法及判据的正确性。波形正弦度原理在空投变压器等