基于虚拟差流的励磁涌流按相制动

基于虚拟差流的励磁涌流按相制动

0次谐波含量、间断角和差动保护的消除问题是否快速、准确地区分磁体和故障电流是影响变量保护性能的关键。近年来,随着电压等级的提高、变压器容量的增加、制造材料的变化,变压器正常工作点较过去有所提高,这些变化导致变压器励磁涌流的特征变得越来越不显著,存在着现场空投误动的现象。目前典型的励磁涌流识别方法有二次谐波原理、间断角原理以及基于波形对称原理。利用或门制动的二次谐波原理,空投时制动可靠性较高,但空投于故障时动作速度慢;利用本相的直流分量助增本相二次谐波含量的方式,在一定程度上提高了空投情况下按相制动的可靠性,但有时实际空投涌流波形的谐波含量非常小,助增效果不显著,仍有误动的可能;利用谐波含量的变化趋势实时调整谐波制动系数的方法,在谐波含量较小时的改善效果同样也不明显。间断角原理判据,利用了涌流的间断特征,但在空投下发生电流互感器饱和时,波形会发生畸变,间断角计算困难,影响判据的可靠性。基于波形对称原理,利用了故障波形正负半波对称的特征,采用正负半波采样值和的积分或比值的积分等相关算法,其本质上反映了各偶次谐波含量的和,空投下按相制动的可靠性也存在问题。另外,对于Y0,d接线的变压器,在Y0侧空载合闸时,由于d侧存在环流,Y0侧的相电流其实是由该相励磁支路的电流与环流叠加而成。由于计算差流需要进行幅值相位校正,完成Y侧电流转成d侧接线型式的相间差流或d侧电流转成Y侧接线型式的减零序电流的差流,进一步改变了励磁电流的特征,对采用按相制动的涌流闭锁元件不利。变压器保护双重化配置时,提出的2套不同原理的差动保护是按照避开励磁涌流的方法对变压器差动保护进行分类的。实际上各种原理的涌流闭锁元件都不完善。2套差动保护各用一种原理的涌流闭锁元件,在变压器空载合闸时反而增加了误动的可能性。如何合理地利用涌流的多重特征,采用按相制动,构成涌流闭锁元件,在变压器保护双重化的条件下,更准确地区分励磁涌流和故障电流,提高差动保护的可靠性和快速性,这是本文研究的基本出发点。1励磁涌流识别元件针对现状及存在的问题,快速、准确地区分励磁涌流和故障电流需要解决如下几个方面的问题:如何最大限度地利用励磁涌流的多重特征,如谐波、间断等,发挥每种判据的优势,从而降低单一判据的复杂性且提升判据的整体性能;怎样基于实际可获取的电流量构造用于励磁涌流识别的电流,最大限度地降低各相之间的耦合程度,提高涌流分相制动识别的准确性。本文提出的励磁涌流识别元件主要有2个特点:一是利用波形综合分析法识别励磁涌流;二是采用专门用于励磁涌流判别的虚拟差流。2批量仿真试验为提高涌流识别的准确性,利用在差流中增加零序电流分量的方法,合成专门用于励磁涌流识别的虚拟差流。以Y0,d11接线的降压变压器为例,参与励磁涌流判别的各相虚拟差流如式(1)所示:式中:idA,idB,idC为用于涌流判别的三相虚拟差流;KphH和Kphd分别为Y0和d侧平衡系数;iHA,iHB,iHC为Y0侧三相电流;iLA,iLB,iLC为d侧三相电流;iH0为变压器Y0侧自产零序电流的1/3;x为一常数。对传统的差流方式以及本文采用的虚拟差流方式,进行批量仿真试验。共计12000多次仿真试验中,设置不同的空投合闸角度和剩磁等,其中有83.3%的试验情况,本文采用的虚拟差流方式较传统的差流方式,其二次谐波含量更接近于实际励磁涌流的二次谐波含量。试验从一个侧面反映了本文采用的虚拟差流方式,使本相励磁涌流受其他相励磁涌流的影响更小,为实现单相制动、提高变压器差动保护励磁涌流闭锁的可靠性和空投故障快速性提供了良好的基础。3励磁涌流的特征基于专门用于励磁涌流判别的虚拟差流,再采用波形综合分析法判据,利用二次谐波含量、波形间断程度,区分故障电流和励磁涌流。本文采用波形间断特征识别励磁涌流,主要利用了几个方面的特征:一是励磁涌流波形存在间断;二是励磁涌流波形上升、下降处的边沿斜率比故障电流波形大。同时考虑了防止在空投下电流互感器饱和时,间断角消失情况下的误判。波形综合分析法在波形间断判据的基础上,同时引进了谐波判据,当波形间断判据和谐波判据中的任一判据闭锁,均会闭锁比率差动元件。3.1id采样k-m波形间断判据由以下几个环节构成。式中:id(k)为当前差动电流采样;id(k-m)为差动电流前m个采样(以采样率为每周期40点为例,m=2);idif(k)为当前差动电流差分后的采样电流。2比赛式中:Idif-int(k)为虚拟差流差分后s点间的积分值。3比例式中:ε为预设的门槛值。若时间T内比值始终大于ε,判别为故障,反之判别为涌流。3.2次谐波制动系数u本文也采用了传统的方法,即利用差电流的二次谐波含量识别涌流,进一步保证了涌流识别元件的可靠性,如在空投电流互感器饱和的情况下,二次谐波含量相对较高,可以有效地识别涌流,闭锁差动。判据如下:式中:Id1和Id2分别为每相差动电流的基波和二次谐波;kxb2为二次谐波制动系数。二次谐波判据和波形间断判据共同作用,用于励磁涌流的识别。4磁涌流波形的间断和波形上升处的沿边斜率大的特征波形间断判据不仅算法简单,而且抓住了励磁涌流波形的间断和波形上升、下降处的边沿斜率大的特征。以下通过对典型波形的分析,阐释波形间断判据的特点和实施效果。4.1励磁涌流的波形图1所示为空投下经过处理后的虚拟差流。由于励磁涌流的尖顶波特征,可以看到波形上升、下降处的边沿斜率较大。根据式(2)进行差分运算,得到经过差分处理后的波形如图2所示。通过波形可以看到,由于励磁涌流波形上升、下降处的边沿斜率较大的特征,经过差分处理后,进一步放大了涌流波形上升、下降处的边沿斜率,各个点的幅值绝对值也相应增加,同时差分运算可以去除偏移直流分量的影响。根据式(3),从图2可以看到,在一个周期内,其峰值处积分窗面积较大,涌流间断处积分窗面积很小,趋向于0,如图2中阴影面积。通过利用一周期内的各积分窗面积与最大面积的比值同预先设定的门槛值(图中设为0.1)比较,就可以识别出励磁涌流的波形(见图3)。对于励磁涌流,其比值在一周期内存在小于门槛值的情况。4.2分量的积分运算按照3.1节中所述的方法,对故障波形进行了波形间断判据的分析。图4所示为故障时的虚拟差流。经差分运算,去除直流分量后的波形如图5所示。波形边沿较励磁涌流波形边沿平缓。进行积分运算,其峰值处的面积比较大,但由于波形边沿较励磁涌流波形平缓,所以积分值相对较小,过零点处面积相对较大。所以一周期内的最小面积与最大面积的比值,远较4.1节中的比值大。如图6所示,对于故障电流,其比值在一周期内均大于门槛值(图中设为0.1),可以准确地识别出故障电流。4.3积分窗面积值大,有在空投时发生电流互感器饱和情况下,即使间断角消失,由于涌流波形上升、下降处的边沿斜率大,导致积分窗面积值较大,一周期内最小面积与最大面积比值仍然较小,判据能可靠闭锁。图7所示为空投试验中电流互感器饱和情况下间断角消失、判据可靠闭锁的波形图。此时波形的二次谐波含量仍较高,二次谐波判据也能起到闭锁作用。5实际空投情况下,二次谐波解据误动采用专门用于励磁涌流的虚拟差流,综合利用波形间断、波形谐波等特征,发挥各自判据的优势,提高了采用按相制动的励磁涌流识别元件的可靠性和快速性。1)图8所示为现场实际空投情况下,仅采用二次谐波闭锁原理判据误动的录波图。空投时,二次谐波含量长时间较低,有近2个周期的时间低于15%,最低值仅8%。通过录波回放后验证本文的判据,尽管二次谐波判据开放,但波形间断判据闭锁,保护不误动。2)图9所示为动模试验中,空投时B相2%匝间故障,尽管C相涌流特征非常明显,C相励磁涌流识别判据没有开放,B相故障特征明显,涌流识别判据开放,由于采用按相闭锁原则,所以差动保护快速动作,不受非故障相涌流的影响。6新型励磁涌流识别元件的运行效果本文提出的励磁涌流识别元件,利用零序电流分量合成了专用于励磁涌流识别的虚拟差流,采用的波形间断判据不仅抓住了励磁涌流波形的间断特征,而且抓住了励磁涌流的尖顶波和波形上升、下降的边沿处斜率较大的特征,通过综合波形谐波、波形间断特征实现按相制动,提高了差动保护的可靠性和快速性。上述新型励磁涌流识别元件已在变压器保护装置中实现,动模试验的性能表现优越。该装置已在福建、湖北、浙江、陕西、广西等地试运行,电压等级涵盖220~500kV。装置运行稳定可靠,所有现场空投均可靠闭锁。在运行过程中,经历了区外故障和系统扰动,装置无任何误动及异常。1特性差分运算变压器在空投过程中或有故障发生时,电流波形会含有较大的直流分量,采用差分