基于等效瞬时电感的变压器快速等效故障分析方法

基于等效瞬时电感的变压器快速等效故障分析方法

0励磁涌流的识别纵差保护是目前运行能源装置的主要保护。然而，据统计，1999年至2003年，曹氏夫妇间差异保护的平均正常操作率仅为73.51%，正确操作率较低。造成纵差保护误动的原因是多方面的,其中由于变压器纵差保护本身原理缺陷造成的保护不正确动作占有很大比重。变压器纵差保护区内不仅有电路还有磁路,因为励磁电流部分是不可直接测量的,这就违反了纵差保护的理论基础——基尔霍夫电流定律。变压器在空载合闸或外部故障切除后电压恢复时,由于变压器铁芯饱和的原因,在暂态过程中会出现很大的励磁涌流。励磁涌流流入纵差保护的差动回路,作为差动电流,如果没有相应的防范措施,差动保护很容易误动,所以变压器纵差保护面临的最严重问题就是励磁涌流。围绕着如何防止励磁涌流导致误动的问题,已提出了多种励磁涌流的鉴别方法。目前,现场主要采用二次谐波制动的方法防止励磁涌流引起纵差保护误动,但随着变压器制造技术的提高和制造材料的改善,现代变压器的饱和磁密低,饱和时二次谐波成份显著减小。在此条件下,当给低饱和磁密的变压器充电时,纵差保护可能会误动。但如果将二次谐波比降低,对大型变压器,由于其电压等级高且常在端部接较长的输电线,输电线的电容效应十分明显,加之静止无功补偿的大容量电容器的广泛使用,当大型变压器内部发生严重故障时,由于电感与电容之间的谐振使短路电流中的谐波含量明显增加,有可能引起纵差延时动作。虽然另外一种应用较广泛的间断角原理的励磁涌流鉴别方法不存在上述问题,但由于电流互感器饱和时,传变到互感器二次侧的励磁涌流产生反向电流,波形变形,造成涌流的间断角消失,要准确地恢复原始间断角并非易事。最近,基于等效瞬时励磁电感变化的鉴别励磁涌流的方法取得了突破。文献利用励磁电感的变化量大小识别励磁涌流。文献根据涌流时变压器经历饱和与非饱和过程,瞬时励磁电感是时变和交替变化的,具有较大的基频分量;而内部故障时,变压器铁芯工作于线性区,瞬时励磁电感恒为常数,无基频分量,实现励磁涌流与内部故障的判别。文献在此基础上进一步根据等效瞬时电感在励磁涌流和内部故障中变化程度的不同,利用等效瞬时电感的方差大小对两者进行区分。但这两种判别方法对判据的门槛值都没能给出统一的整定标准,存在难以整定的不足。文献根据在差流出现间断时,变压器铁芯没有饱和,等效瞬时励磁电感值较大;而匝间短路时,等效瞬时电感较小,计算出对应电流采样值接近零部分的等效瞬时电感平均值,选取稳态时等效瞬时励磁电感值的30%作为门槛值,大于此门槛值为励磁涌流,小于此门槛值为匝间短路。但从本文的试验可以看出,按此整定值在空载合闸时此门槛值作为统一的整定标准是不合理的,电感的门槛值选取过高容易误动。在文献[9～11]基础上,本文详细分析了在由差流大小划分变压器运行的饱和区与非饱和区内等效瞬时电感的变化范围及特点,根据非饱和区内等效瞬时电感平均值的大小识别励磁涌流与短路故障。经过理论分析,合理地确定电感门槛值的选取范围,使判据对励磁涌流可靠闭锁,对短路故障正确开放,达到原理简单、判别可靠的目的。1等效时效规范图1是变压器等效瞬时电感的分析电路。图中u1,i1分别为原边绕组电压和电流;u2′,i2′分别为折算后的副边绕组电压和电流;im为励磁电流;Lsδ为折算后的短路绕组漏感;r1和L1δ分别为原边绕组电阻和漏感;r2′和L2δ′分别为折算后的副边绕组电阻和漏感。当开关K合上时,表示变压器发生匝间短路故障,将短路部分看作第三绕组,相当于1台三绕组变压器在第三绕组发生短路。忽略励磁绕组电阻和短路绕组电阻,原边方程为由于原边绕组电阻与漏感非常小,副边的负载电流在其上的压降相对较小,所以若将它们忽略,并定义原、副边差流△i=i1+i2′,则式(1)可以近似为此时定义变压器内部故障时的等效瞬时电感:其含义为:引入差流的概念后,从原边绕组看进去的基于原边电压及原、副边差流的瞬时电感由两部分构成,一部分为瞬时励磁电感与短路绕组漏感的并联,另一部分为原边绕组漏感,两者之和即为内部故障时的等效瞬时电感。当开关K打开(Lsδ=∞)时,变压器无故障。若i2′=0,表示变压器空载运行或空载合闸;若i2′≠0,表示变压器正常带负载运行,原边方程近似为此时定义变压器无故障时的等效瞬时电感:其含义为:从原边绕组端口看进去的瞬时电感也由两部分组成,一部分为原边漏电感,另一部分为瞬时励磁电感,两者之和即为无故障时的等效瞬时电感。下面进一步分析按上述定义的变压器等效瞬时电感在不同工况下的变化特点及范围。当变压器正常(空载或带负载)运行,没有短路故障发生时,由式(4)可知,此时的等效瞬时电感为原边的漏感与瞬时励磁电感之和,因为变压器在非饱和线性区的瞬时励磁电感远大于原边漏感,所以此时等效瞬时电感也远大于原边的漏感。当变压器空载合闸时,若其磁链存在较大的非周期分量,由于变压器铁芯的饱和特性,将会产生较大的励磁涌流。随着磁链的变化,变压器由非饱和区进入到饱和区,再由饱和区退出到非饱和区,随着磁链的不断衰减,涌流逐渐减小,直到达到稳态励磁电流的状态。在饱和区时,由于饱和变压器的励磁电感很小,由式(4)可知,这时等效瞬时电感将很小;而在非饱和线性区时,变压器的励磁电感很大,这时等效瞬时电感也将很大,与正常运行时一致。变压器在正常运行中发生短路故障时,故障相一直运行在非饱和状态。由式(3)可知,尽管励磁电感很大,但由于短路绕组的漏电感很小,其与瞬时励磁电感并联后,还近似等于短路绕组的漏电感,此时等效瞬时电感约为原边绕组的漏感与短路绕组的漏电感之和。由于短路绕组的漏电感小于原边绕组健全时的漏电感,所以等效瞬时电感不大于2倍的原边绕组漏感。当变压器带故障空载合闸时,最严重的情况是故障相发生涌流,在发生涌流的饱和区,励磁电感很小,极限情况变压器的励磁电感为零,这时等效瞬时电感不大于原边绕组的漏电感;在退出饱和的线性区域,同正常运行发生短路故障一致,等效瞬时电感不大于2倍的原边绕组漏感。表1是不同运行工况下变压器等效瞬时电感在饱和与非饱和区内变化的特点。2等效时效规范综合以上分析,在饱和区无论变压器有无故障,等效瞬时电感都较小,利用此区域内等效瞬时电感的大小无法判断变压器的状态。而在非饱和区域,无故障变压器的等效励磁电感很大,有故障变压器的等效瞬时电感很小,这样在此区域内利用等效瞬时电感的大小就能够简便地区分涌流与故障。变压器的非饱和区可通过差流的大小判断。下面介绍具体鉴别判据。a.由电流突变启动。计算各相电流的突变量为采样点序号,M为每周期采样点数。若某相电流突变量△i>0.2IN,IN为变压器额定电流,则经20ms延时采满一个周期数据后,进行等效瞬时电感的计算。b.根据差流门槛ith确定非饱和区。因为一般电力变压器在额定电压时,空载电流约为额定电流的2%～10%,负载时激磁电流与空载电流相差很小,可近似认为相等,故取差流门槛一个周期内差流id在-ith<id<ith范围内时为非饱和区。c.计算非饱和区内等效瞬时电感绝对值的平均值Lav。按照文献计算等效瞬时电感:式中k为采样点序号;T为采样周期;u为变压器的原边相电压;id为差流。计算非饱和区内各采样点的等效瞬时电感后,再计算它们绝对值的平均值Lav。需注意的是,为避免三角侧环流的影响,差流通过测量各侧相电流计算。d.鉴别励磁涌流与短路故障。若某相非饱和区内等效瞬时电感绝对值的平均值Lav>Lth,则为励磁涌流;若平均值Lav<Lth,则为短路故障,Lth为鉴别励磁涌流与短路故障的等效瞬时电感平均值的门槛值。上面已经分析,发生励磁涌流过程中,每个周期的非饱和区内等效瞬时电感为原边漏感加励磁电感,由于励磁电感远大于原边漏感,所以此时的等效瞬时电感也远大于原边漏感。发生短路故障过程中,等效瞬时电感不大于2倍的原边漏感,按变压器原、副边的漏感近似相同处理,即不大于变压器的漏感。进一步考虑公式简化和实际计算误差,以及判据的可靠性裕度,选择Lth=2.5Lδ(Lδ为变压器的漏感)就能可靠地鉴别励磁涌流与短路故障。考虑到变压器区外短路故障时,计算的等效瞬时电感也很小且基本不变化,以上鉴别判据需要与差动保护配合使用。在差动保护判据满足保护准备出口前,检验非饱和区内等效瞬时电感平均值大小,若满足Lav<Lth,则开放保护;若满足Lav>Lth,则闭锁保护,以区分正常运行、空载合闸、区内故障和区外故障等情况,使保护执行正确的动作行为。3电流变压器特性为验证以上鉴别方法的正确性和可靠性,在许继动模实验室Y0/△-11三单相变压器组上做了多次空载合闸、带匝间故障空载合闸、运行中匝间短路故障等试验。在清华大学电机实验室Y0/△-11三单相变压器组上做了空载合闸时电流互感器饱和试验。录取试验中的波形,离线进行分析,分析中采样频率为1200Hz。许继单相变压器参数:额定容量10kV·A,高压侧额定电压低压侧额定电压为400V,高压侧额定电流17.3A,空载损耗92W,空载电流1.635%,短路损耗0.27%,短路电压19%,稳态励磁电感为5.37H,漏电感为0.02H。清华单相变压器参数:额定容量1kV·A,高压侧额定电压220V,低压侧额定电压为110V,高压侧额定电流4.55A,空载电流9.38%,短路电压5.7%,漏电感为0.0088H。3.1稳态时等效发生率是否稳定图2是变压器空载合闸产生励磁涌流时,2种不同整定原则的基于等效瞬时电感鉴别励磁涌流方法的判断结果比较。图2(a)是三相电压和差流波形,可以看出,A相励磁涌流最大,饱和最严重。图2(b)是按本文的非饱和区划分标准计算的各相非饱和区内等效瞬时电感平均值,各相非饱和区域等效瞬时电感平均值远大于门槛值0.05H,尽管差流很大,但纵差保护可靠不会动作。图2(c)是文献中的基于非饱和区等效瞬时电感平均值判断方法的计算结果,按原文献取故障后每个周期的基波最大值的20%作为区分饱和与非饱和的电流门槛值,励磁电感门槛值选为稳态时等效瞬时励磁电感的30%(1.61H)。可以看出,A相在故障后的一个周期之后计算的非饱和区(差流小于门槛值)的等效瞬时电感平均值小于1.5H,所以误判断为短路故障,而A相差流很大,将导致A相纵差保护误动。B相和C相可以识别为励磁涌流。文献中的方法有误动,原因在于当励磁涌流较大时,非饱和区的电流门槛过高降低了实际非饱和区励磁电感的平均值,在这种情况下,加之等效瞬时励磁电感的门槛值取得较大,所以可能导致在空投过程中误动。而本文方法中区分饱和区与非饱和区的差流门槛值较低,能够更准确地捕捉非饱和区,并且等效瞬时励磁电感的门槛值取得较低,因此判据能够可靠识别励磁涌流。3.2等效发生率过错识别图3是变压器空载合闸于A相匝间短路故障(2.64%)。由图3(a)中差流波形和大小可以看出,A相虽为故障相,但具有很大的励磁涌流;B相和C相励磁涌流较小。由图3(b)本文方法的计算结果可以看出,A相非饱和区内等效瞬时电感的平均值小于门槛值0.05H,能够正确地判断为短路故障,识别速度很快。B相和C相非饱和区内等效瞬时电感的平均值远大于该门槛值,正确地判断为励磁涌流。因此,本文的判据能够正确识别短路故障,开放纵差保护;能够正确识别励磁涌流,可以实现分相闭锁纵差保护,加快保护的动作速度。图3(c)为二次谐波制动判据的结果分析,其中A,B,C相谐波比δA,δB,δC为本相差流中二次谐波与基波的比值,综合谐波比δ为各相差流中的二次谐波最大值与基波最大值的比值,可以看出,按通常二次谐波制动比取0.2,故障A相的二次谐波比和综合谐波比都大于0.2,按这2种二次谐波闭锁方式,差动保护都将被闭锁,保护将拒动。3.3等效战时电弧图4是变压器正常运行时发生A相匝间短路故障(2.2%),由图4(a)中的差流可以看出,A相差流较大,启动判据满足。由图4(b)中计算的等效瞬时电感可以看出,A相非饱和区内等效瞬时电感的平均值小于门槛值0.05H,开放纵差保护,纵差判据满足则保护动作。而B相和C相由于差流很小,启动判据不满足,不计算等效瞬时电感,纵差保护也不会动作。3.4等效战时规范计算的相间环境压力图5是在变压器空载合闸下电流互感器发生饱和时本文方法的鉴别结果。图5(a)中给出了高压侧的各相电流,其中实线是由电流互感器(可能饱和)测量的电流,虚线是由采样电阻(不会饱和)测量的电流。可看出,A相由电流互感器和采样电阻测量的电流一样,A相电流互感器没有饱和,由A相电流的波形可以看出是对称励磁涌流;而B相和C相电流由电流互感器和采样电阻测量的电流相差较大,由电流互感器测量的电流由较大值迅速降为零,并且在于涌流相反的方向上有反方向充电电流产生,B相和C相电流互感器饱和。图5(b)为各相电压和由电流互感器测得的差流波形。图5(c)为本文方法计算的各相非饱和区内等效瞬时电感平均值的变化,可以看出它们均大于门槛值0.022H,能可靠地闭锁纵差保护判据,不会发生误动。这是因为,虽然在电流互感器饱和的反充电电流增大过程中计算的等效瞬时电感较小,但在充电电流衰减过程中计算的等效瞬时电感较大,足以反映变压器退出饱和的性质。因此,基于非饱和区等效瞬时电感平均值鉴别