基于电流提取的变压器差动保护新方法

基于电流提取的变压器差动保护新方法

0变压器带故障载荷合闸下差动保护理论原油输送是能源系统中最重要的设备之一，在能源系统的运行中起着重要作用。但由于变压器励磁支路的存在,使其等值电路在原理上不再满足差动保护必须满足的基尔霍夫定律,同时变压器的励磁支路又表现为明显的非线性特性,因此空载合闸或外部故障切除电压恢复的过程中会产生很大的励磁涌流,此励磁涌流是实现变压器差动保护的障碍之一;此外,变压器内部发生轻微匝间短路时,变压器端口的电流变化不是很明显,如果变压器带轻微故障空载合闸,在励磁涌流状态下识别轻微故障十分困难。因此变压器差动保护的核心问题是如何鉴别励磁涌流和变压器内部故障差流。目前在工程上普遍采用二次谐波制动原理,但现代大型变压器铁心材料的改进使其磁饱和点降低,三相励磁涌流的二次谐波含量有可能均小于15%;另一方面,由于超高压长输电线(或电缆)的分布电容及串补或并补电容谐振的影响,故障电流中的二次谐波含量也有可能大于15%,这样基于二次谐波制动原理的电流差动保护难免会发生误动和拒动。近年来,国内外学者提出了很多鉴别励磁涌流的新原理和新算法,如磁通特性鉴别法、等值电路参数鉴别法等。这些原理需要对变压器的某些参数进行某些人为的假设,其应用前景取决于理论上的进一步突破[1~4]。基于以上认识,本文针对变压器空载合闸及带故障空载合闸情况,以变压器自身的磁关系为依据,提出了一种提取差流的新方法。并利用数字信号处理中相关函数的基本原理,对采样数据进行综合分析。理论分析和大量的仿真实验表明:新方法能够有效区分励磁涌流和变压器内部故障差流,且对小接地和小匝间情况亦可较好的区分。1变压器磁滞回线理论当变压器空载合闸时,由于铁心饱和的非线性特性,从而可能产生与短路电流可比拟的励磁涌流。为了得到空载合闸励磁涌流,必须有变压器铁心的磁化曲线,图1(a)中曲线OSP为变压器的基本励磁曲线,S点由饱和磁通φs确定,从S点作逼近饱和曲线的近似直线。其中,为变压器正常运行段,变压器铁心不饱和,励磁特性呈线性化,励磁电感非常大;为变压器深度饱和段,励磁特性基本也是线性的,其电感可近似看作一个常数;为非线性段,此时变压器铁心处于饱和过程中,具有非常严重的非线性特性。设合闸方电源电压u=Umsin(ωt+α),当二次侧开路的空载变压器突然合到电压为u的无穷大系统上,忽略变压器漏抗压降,通过变压器的近似磁化特性折线,可得到变压器空载合闸(t=0)时励磁涌流的近似表达式。根据定义,φ<φs时i=0。设φ>φs时的电感为L(近似看作常数),则励磁涌流为:式中:ωL为合闸回路基波阻抗;φ为变压器的铁心磁通;mφ为稳态磁通幅值;rφ为变压器的剩磁。由公式(1)可知,当变压器磁化曲线采用简化的两折线模型时,即不计磁滞回线的影响,如图1(b)所示。励磁涌流为正弦波的一部分(不计直流)。由励磁涌流产生的机理可知:在磁化曲线的非线性段,其励磁涌流的波形是非正弦的,直到变压器进入深度饱和(段)后,励磁涌流波形才呈现正弦特征,因此,实际的励磁涌流波形应是一个具有间断角的尖顶波,其非间断部分的波形与正弦波形存在较大差异。图2为MATLAB仿真得到的励磁涌流波形,其中图2(a)为变压器Y侧空载合闸所得三相非对称性涌流波形,从中可以清楚地看到非对称性涌流的尖顶波特征。图2(b)为变压器角形侧空载合闸励磁涌流,其中,Iaexc、Ibexc仍为非对称性涌流,Icexc为对称性涌流,其间断角有所减小,但其波形与基频正弦波差异性仍然很大。而对于内部故障电流,其基波基本为基频正弦波。2次侧公所的电动势通过铁心并与一、二次绕组相交链的磁通叫做主磁通,用φ表示。变压器空载时,主磁通φ在一次绕组内感应的电动势(二次侧空载)1e与电源电压1u基本相等,而电源电压通常为正弦波,故电动势1e也可认为是正弦波,于是式中,1N为一次侧绕组匝数。上式表明对于已制成的变压器,主磁通的大小和波形主要取决于电源电压的大小和波形。2.1u3000y形侧90合闸相的线电流对于Y,d三相变压器,空载合闸时角侧绕组中存在环流Pi。如图(3)所示,有如前所述,变压器空载合闸时,可能产生与短路电流可比拟的励磁涌流。励磁涌流的大小和衰减时间,与外加电压的相位、铁心中剩磁的大小和方向、电源容量的大小、回路的阻抗以及变压器容量的大小和铁心性质等都有关系。若正好在电压瞬时值为最大时合闸,就不会出现励磁涌流,而是正常时的励磁电流。则,控制A相90°合闸,此时A相不会出现励磁涌流,只有正常时的励磁电流。励磁电流是一个很小的电流,一般不超过额定电流的2%~10%,即imA<<iAY。则可以忽略imA,由式(3)得于是即采用Y形侧90°合闸相的线电流取代角侧环流,进而与Y形侧其它两相的线电流分别做差,所得的电流作为差动电流。空载合闸情况下用此算法所得的B、C相差流可很好的反应出励磁支路电流特征,均为涌流特征。2.2高压侧仿真结果普通双绕组电力变压器内部发生单相接地短路时的电压外部特性如图4(a),(b)所示;其发生匝间短路的电压外部特性如图5(a),(b)所示。该电力变压器是三相三柱双绕组变压器,设定变压器低压侧空载,高压侧接对称三相电源,高、低压绕组的接线组别为YN,d11,故障相设在A相,A、B、C三相分别用Ο、+、*表示。从仿真结果可以明显看出,高压侧非故障相电压幅值和相位受故障影响较小,随着故障特性的减弱,三相电压趋于平衡(趋向于各自的额定电压)。如前所述,空载时,对于已制成的变压器,主磁通的大小和波形主要取决于电源电压的大小和波形,所以非故障相的一、二次侧的主要磁关系未被破坏。则,当故障发生在B相或C相时,控制A相90°合闸,A相的一、二次侧的主要磁关系基本保持不变,此时式(4)仍然成立。在由式(5)计算所得的差流中,故障相差流为明显的故障电流特征,非故障相差流为涌流特征。且随着故障百分比的减小,三相电压趋于额定电压,此时用高压侧A相线电流取代角侧环流更加精确,即此算法能较好的反应小接地及小匝间情况。但当故障相为A相时,A相原有的磁关系被破坏,此时A相线电流为故障电流,按照式(5)所取得的B、C相差流受A相故障电流的影响不能准确反应出励磁支路电流的情况,由于此时B、C相电流相位与A相电流相位相反,则B、C相差流为非常明显的故障电流特征。3采样数据处理本节首先利用MATLAB仿真实验来验证新方法。实验变压器是由三个单相变压器组成的三相变压器组,接线组别为YN,d11,变压器低压侧空载,高压侧接对称三相电源。单相变压器的参数为:额定容量20MVA,空载电流1.2%,空载损耗0.15%,原边额定电压110KV,副边额定电压63.5KV。变压器磁化曲线采用简化的两折线模型。图6~图8分别给出了按此方法所得的变压器空载合闸、空载合闸于内部单相接地故障和空载合闸于匝间短路故障情况下的A相线电流、角侧环流以及B、C相差流。MATLAB仿真实验结果完全符合前述理论分析,下面利用数字信号处理中相关函数的基本原理,对采样数据进行综合分析。1)相关函数及相关系数在励磁涌流和故障电流分析中的理论基础相关函数及相关系数是研究两个信号的相似性,或一个信号经过一段延时后自身的相似性,以实现信号的检测、识别与提取等。在实际工程中,常常采用相关系数或自相关系数代替相关函数或自相关函数来分析两信号或同一信号不同时段的相似程度。设x(n),y(n)是两个能量有限的确定性信号,并假设它们是因果的,定义ρxy为x(n)和y(n)的相关系数:进行归一化处理后可得:ρxy称为x(n)和y(n)的归一化相关系数。当x(n)=y(n)时,ρxy=1,两个信号完全相关(相同);当x(n)和y(n)完全不相关时,ρxy=0;当x(n)和y(n)有某种程度的相似时,ρxy在0和1之间取值。因此ρxy可用来描述x(n)和y(n)之间的相似程度。在式(7)中,用信号x(n)滞后一段时间后的x(n+m)来代替y(n),即可得到x(n)归一化自相关系数,可以用来分析信号x(n)的自相似性。2)算法实现本文对MATLAB仿真所得波形分别计算其自相关系数。具体算法为,取故障发生(空载合闸)后,采集到的一个周波采样数据作为信号x(n),取向后延时半个周波得到的采样序列定义为x(n+m),具体表达式可用式(8)来表示:其中x(n)表示差流采样数据,每周期36点采样。利用上式来计算归一化自相关系数,分别分析B、C相差流数据的相关性,以此进一步验证新方法的正确性。计算出的采样数据在一个周波内的自相关系数结果如表1所示。由表1可以看出:对于变压器空载合闸及带故障空载合闸情况,新方法能够正确区分励磁涌流和内部故障差流,且对于小接地和小匝间情况亦能准确判别。4y形侧环流差动电流的计算本文针对变压器空载合闸及带故障空载合闸情况,以变压器自身磁关系为依据,提出了通