1000kv特高压变压器保护的改进

1000kv特高压变压器保护的改进

1励磁涌流的判别中国的特高压试验示范工程正在紧张之中。其中，1000kv主电源是整个工程的主要设备之一，其运行条件直接影响整个特高压线。因此,特高压变压器主保护的可靠性和速动性就非常关键。但是,长期以来变压器差动保护的正确动作率一直不高,问题的症结就在于励磁涌流和内部故障电流的鉴别。许多文献都对励磁涌流的判据问题做了有益的研究工作。励磁涌流判据原理主要分为基于电流波形特征、基于磁通特性、基于等值电路、基于功率损耗等;若干新兴学科也为判别励磁涌流提供了新的手段,其中有代表性的是神经网络和小波变换。但目前广泛应用的还是传统的基于电流波形特征识别法。该方法以励磁涌流和内部故障电流波形特征的差异为依据,包括二次谐波制动原理、间断角原理波和形对称原理等。而其他绝大部分鉴别原理仍然处于理论研究阶段,尚未达到实用化的效果。本文旨在为特高压变压器找到有运行经验、可以立即执行且行之有效的涌流判别方案。所以,首先对特高压变压器进行了空载合闸和内部故障仿真,并对仿真结果进行相关分析,最后对二次谐波制动和波形对城性制动原理进行了评估,总结出适合特高压变压器保护的涌流鉴别原理。2高压压曹的暂时模拟2.1仿真系统设置程序EMTDC是目前世界上被广泛使用的一种电力系统分析软件。典型应用是计算电力系统遭受扰动或参数变化时,电参数随时间变化的规律。本文模型的建立与仿真均基于EMTDC环境。相比普通高压系统,特高压电磁环境更复杂,特高压变压器本身结构和参数也不同于普通大型变压器。所以本文仿真系统的相关参数都是按照特高压工程数据设置。图1为仿真系统图。仿真系统模拟的是我国正在建设当中的1000kV交流特高压试验示范工程。其中,特高压变压器型式:三绕组自耦变压器(降压);高压、中压、低压绕组额定容量分别为1000MVA、1000MVA、334MVA;高压、中压、低压绕组额定电压(方均根值)分别为1050/3√1050/3kV、525/3√525/3kV、110kV;短路阻抗(以高压绕组额定容量为基准)为高压-中压为18%,高压-低压为62%,中压-低压为40%;空载电流:0.07%。在不同合闸角、不同剩磁情况下分别进行空载合闸仿真。图2是A相合闸角为30°,A、B、C三相剩磁分别为0.5Bm、-0.3Bm、-0.3Bm,时波形的励磁涌流波形。图2所示的波形具有典型的励磁涌流波形特征,但看的出来由于丰富的谐波含量,涌流存在一定程度的畸变。2.2并进行故障模型的建立,三转化算法实现事故建模与仿真的方法变压器内部故障包括变压器内部绕组的匝间短路、匝地短路以及端口引出线短路。EMTDC中已有FAULTS模块可以方便的模拟各种端口短路情况,但匝间与匝地故障模型则需要自行建立。一台双绕组变压器发生匝间或匝地短路时,可以把短路部分看作第三绕组,这就相当于一台三绕组变压器在第三绕组发生短路。这种将短路绕组看作一个单独绕组的方法,在文献中有详尽的介绍。本文基于这种思想,在EMTDC中建立了特高压变压器故障模型,并在图1所示的系统中,对A相进行不同短路情况的仿真。图3是不同短路情况下A相一次电流波形。3二次声波源分析3.1涌流的判定二次谐波制动法是计算差流中的二次谐波分量,若其值较大则判定为涌流,常用的判别式为:Id2Id1=k(1)Ιd2Ιd1=k(1)式中:Id2和Id1分别为差流中的二次谐波和基波幅值;k为二次谐波制动比,通常取0.1～0.2。3.2变压器内部故障时二次谐波分析由于变压器采用的是Y-d-11接线,对于变压器差动保护来说,关心的是进行相位校正后的差流情况。表1给出了在不同合闸情况下,对经过相位校正的A、B、C三相差流的二次谐波含量分析。根据表1,当三相剩磁分别为0.9Bm、0、-0.9Bm,A相合闸角为30°时,三相差流的二次谐波含量均降到10%以下。这已经低出了传统谐波制动整定值。表2给出了在不同内部故障情况下,对经过相位校正的A、B、C三相差流的二次谐波含量分析。由于A相变压器发生内部故障时,B-C相差流一直为零,所以没有对其进行谐波分析。根据表2,由于特高压长距离输电线路的分布电容作用,加上特高压变压器的固有特性,变压器内部故障时电流含有较丰富的谐波分量。尤其在2%匝间短路时,两相差流的谐波含量都在20%以上,超出了传统整定值。先前对涌流进行谐波分析已经发现二次谐波制动比k很难选择了,而短路电流谐波又大大超出涌流谐波最严重时刻的最大谐波含量。很明显,如果使用二次谐波制动,无论k如何选择,当变压器发生轻微匝间短路时,保护动作都会延迟甚至可能拒动。4特高压变压器各波形对称原理在不同情况下进行空载合闸和内部故障仿真并获得的三相差流波形,发现故障时差流基本上是工频正弦波,而励磁涌流波形发生畸变、间断、不对称。图4是其中典型的差流波形。由图可见,这种差流波形保持了普通变压器故障和涌流差流的波形特征。所以,已经有运用基础的波形对称原理也能用于特高压变压器保护。波形对称原理是利用励磁涌流的波形特征来实现制动的一种方法,它的基本思路为:首先将流入继电器的差流进行微分,将微分后的差流的前半波与后半波作对称比较,用特征值k(对称系数)来区分故障电流和励磁涌流。设流入差动继电器的差动电流为i(t),其导数为i′(t),将i′(t)的前半波与后半波的对应值作对称比较,构成如下波形对称原理判据:k≥i′(t)+i′(t+T/2)i′(t)−i′(t+T/2)(2)k≥i′(t)+i′(t+Τ/2)i′(t)-i′(t+Τ/2)(2)若故障电流为理想正弦波,则i′(t)与i′(t+T/2)总是大小相等符号相反,故i′(t)+i′(t+T/2)总为零值,式(2)总成立,即差分电流波形i′(t)对称。虽然故障电流并非理想的正弦波形,在总共半个周波的判断中,励磁涌流符合对称条件的角度最多为60°,而故障电流在150°范围内都是对称的。尽管特高压变压器内部故障电流的谐波含量虽较为丰富,但满足对称条件的范围仍远大于励磁涌流符合对称条件的角度。所以,合理选择判据式(2)的对称系数k,即可有效识别励磁涌流和故障电流。5次谐波制动本文通过对特高压变压器进行电磁暂态仿真与分析,考察了传统涌流