变压器差动保护涌流制动原理及方案

变压器差动保护涌流制动原理及方案

0励磁涌流制动方案的确定现代广泛应用高导磁轴压制硅钢颗粒的硅钢材料。由于饱和点低，剩余磁较大，因此在磁体涌流中一定存在一相或两相磁流的二次波形分量。特别是经星形(Y)/三角形(△)转换后还可能出现对称涌流,在提高动作速度和降低启动值条件下,传统的涌流制动方案受到了极大威胁。传统的涌流制动方案很难兼顾到差动保护的灵敏性、可靠性、快速性。另外,为防止硬件故障造成差动保护拒动,以及装置定检或调试时主设备失去保护,目前220kV及以上电压等级的主变保护都按双重化配置,2套差动保护或门跳闸。单套保护装置中若仅用一种涌流制动原理,这样会增加差动保护误动的可能性。因此,研究励磁涌流制动更合理的方案是十分重要的。协同合作判据的涌流制动方案力求在一套差动保护必须集成不同原理,在不同工况下发挥各自的优点,达到整体性能最佳。1主变保护的基本原理变压器差动保护的核心问题是如何鉴别励磁涌流和内部故障电流。理想的励磁涌流制动保证正常空投或外部故障切除电压恢复过程中变压器差动保护不误动,空投于故障变压器时要快速动作。当变压器空载投入或外部故障切除后电压恢复时,可能出现数值较大的励磁涌流。在忽略衰减、电源阻抗以及铁心饱和磁滞曲线等情况下,文献简单给出了励磁涌流产生的图解。常规鉴别变压器励磁涌流的方法有二次谐波、波形对称、间断角等原理。这些原理都是基于励磁涌流特征来鉴别的,只是所用方法不同而已,故这些原理都可称为波形识别原理。由于影响励磁涌流的因素复杂,这些原理在对称涌流时可能失效。若主变差动保护采用一相涌流闭锁三相差动的“或闭锁”方式,因为无论理论分析还是实际录波分析,三相涌流中总有一相间断角较大或二次谐波较大,或闭锁逻辑可使差动保护安全躲过涌流。但是,或闭锁逻辑在空投到内部故障主变尤其是非全相故障时,将大大延长差动动作时间或引起保护拒动,这样将导致主变故障发展或扩大故障而造成损失。特别是主变由于某点绝缘不好引起的匝间短路,由于故障切除过迟而导致主变报废,此类故障占主变故障的比例较大。或闭锁逻辑显然不能保证在空投于故障变压器时快速切除故障,因而对主变保护简单地采用涌流或闭锁逻辑是不完善的。或闭锁方式抗误动性能高,但快速性差。另外,有些主变保护采用分相制动原理即“与闭锁”方式,当出现对称涌流时,与闭锁方式差动保护可能会误动,外部故障切除电压恢复过程中变压器差动保护误动会影响系统安全可靠运行。所以变压器差动保护单纯利用分相制动原理,即与闭锁方式也是不完善的。与闭锁方式快速性高但安全性差。2工作原理分析目前微机保护要求各侧电流互感器(TA)都按Y接入。传统方法是选用Y侧电流向△侧转换,变压器空投时,其差电流就是Y侧两相电流差,此时差流易出现对称性涌流。现有选用△侧电流向Y侧转换的方法,其本质与前者相同:去零序电流和相位校正。只是在变压器空投时,其差电流就是相涌流减去零序涌流,此时差流仍易出现对称性涌流。对于Y,d11接线的两卷变压器,Y侧电流向△侧转换的公式如下:式中:Ida,Idb,Idc为三相差电流;Iha,Ihb,Ihc为Y侧三相电流;ILa,ILb,ILc为△侧三相电流。前面谈到对称涌流主要由Y/△转换引起。当a相初相角αa=0,a,b,c相剩磁分别为Ψra=0.9,Ψrb=Ψrc=-0.9,饱和磁通密度Ψs=1.4,由文献的推导得知,此时差电流有可能产生对称涌流,如图1所示。图1中的b相差流为对称性涌流。在某现场主变投运时捕捉到的励磁涌流如图2所示。图2也验证了文献的推导。很明显c相差流通过计算,是对称波形和直流量的叠加,几乎与故障电流一致,这时若用二次谐波、波形对称、间断角等原理简单对差流进行励磁涌流分析很容易误动。现在微机保护的CPU计算能力非常强大,一般都选用计算能力较强的DSP,所以现在不仅要分析差流波形,还要分析与差流相关的各相电流的波形。在判不出差流为励磁涌流时,根据相关相电流的波形分析结果通过合理的逻辑运算,可以分析出差流是否由Y/△转换引起,若是,则判为对称涌流,否则判为故障电流。对图2利用二次谐波和波形对称原理进行了实时回放仿真计算,若只对差流分析时按现场整定值会判为故障电流,而利用了相电流信息可以有效判为励磁涌流。不管采用哪种涌流鉴别原理,不能仅对差流进行分析,还要分析与差流相关的各相电流的波形,该方法对Y,d接线变压器对称涌流的效果很好。3空投混合制动逻辑的应用纯粹利用一相差流闭锁三相的或闭锁方式是不可取的,但是其优点不能忽略,即在正常空投或外部故障切除电压恢复过程中差动保护不会误动。纯粹利用分相制动原理即与闭锁方式也是不可取的,但在空投于故障变压器时差动保护动作速度快。理想的变压器差动保护既要保证正常空投或外部故障切除电压恢复过程中差动保护不误动,又要保证空投于故障变压器时差动保护快速动作,就是要集或闭锁方式和与闭锁方式的优点于一体。在判断励磁涌流时要充分利用相电流信息,不能仅判断差流,而且还要根据各相电流中的涌流分布进行综合判断,根据判断结果决定是用或逻辑还是与逻辑,该方式称为混合制动逻辑。混合制动逻辑是在长期运行有效的“三取二方式”上利用相电流信息进行改进的,外特性表现为:①当正常空投无对称涌流差流时,各相差动受制动,无需进行混合制动逻辑判断;②当正常空投有对称涌流差流时,根据相电流信息,判断出对称涌流,只有一相差动动作,此时采用或逻辑制动,差动保护不会误动,安全性强于与逻辑;③当空投故障变压器单相时,由于Y/△转换差流表现在两相,有两相差动不受涌流制动,出口采用与逻辑,快速性强于或逻辑;④空投两相及以上故障变压器时,特性和与逻辑一致;⑤当空投轻微匝间故障时,根据数据回放和理论分析,刚开始时采用或逻辑,1个周期后转换为与逻辑,安全性强于与逻辑,快速性强于或逻辑。利用该原理研制的ISA系列主变差动保护现有几千套在现场运行,效果良好。通过各种动模试验发现,在空投故障变压器时一般不会超过50ms。对于图2波形,通过实时回放技术,跟踪确认保护装置当时处于混合制动逻辑的或闭锁方式模块,若利用混合制动逻辑不会造成误动,若用与逻辑即会误动。4采样值差动保护20世纪90年代提出的采样值差动原理出发点是采样值差动易于考虑TA饱和问题。差动保护原理对稳态电流的相量成立,对电流的瞬时值也成立,而且可以解决暂态过程中相量计算的问题。采样值差动与常规相量差动保护相比,具有动作速度快、计算量少等特点,同时也是微机应用在传统差动保护领域中的一个突破。近年来,采样值差动已陆续在母差保护、线路纵联保护、变压器保护中得到成功应用。采样值差动特性如图3所示。其动作方程如下:式中:id为采样值差动电流,为采样值制动电流,为变压器各侧电流的瞬时采样值;Iicdqd为采样值差动启动电流。采样值差流也要考虑Y/△转换。门槛值和比率定值一般在装置内部确定,无需调度部门整定。与常规相量差动相比,采样值差动的一个突出特点是它不是计算某一数据窗的差流值,而是用各侧瞬时值计算差流与制动电流,并且通过多点重复判别来判定动作与否。利用这个特点,通过合理选择重复判别次数R和S,若在连续数据窗R次判断中有S次满足即可跳闸出口。因此,保护可靠性非常高。一般在主变差动保护中连续判断数据窗R可以小于1个周期采样点,故采样值差动保护速度快。另外,采样值差动保护还具有天然抗励磁涌流能力、天然的抗区外故障TA饱和的能力,以及抗TA断线的能力。该保护在各种动模试验模型上做过若干试验,效果非常好,特别在空投故障变压器和正常区内故障时动作速度比常规相量差动保护快得多,而正常空投和区外故障不误动。5不同保护原理的对比研究目前大部分双重化的变压器差动保护,一般一套使用二次谐波制动,另外一套使用波形识别(或间断角)制动原理。2套制动原理若都用或闭锁方式,一般无误动可能,但肯定对主设备安全不利。若一套用或闭锁方式、另外一套用与闭锁方式,则误动概率增加;若2套都用与闭锁方式,则误动概率大大增加。空投或空投故障变压器时的励磁涌流特征不定,而若用单一的励磁涌流鉴别判据很难保证变压器差动保护灵敏性、可靠性、快速性等要求。双重化情况下若有一套保护达不到灵敏性、可靠性、快速性等要求,双重化保护就失去意义。为此,每套差动保护涌流制动都必须完善。在微机保护不断发展的过程中,各保护元件已不是传统的继电式保护。在一套保护中可集成多种原理,无需再停留在用一种保护原理对付各种故障类型的设计思想,这样不可能兼顾保护的灵敏性、可靠性、快速性等要求。混合制动逻辑的优点是正常空投不误动,且灵敏度高;缺点是该判据受故障电流波形的影响,很难保证在空投变压器故障时100%地快速动作,毕竟鉴别涌流判据要等待涌流特征衰减后才能判出故障。采样值差动的优点明显,但其缺点是门槛较高,主要是躲励磁涌流引起TA饱和反向电流,防止误判,其灵敏性较差。常规差动保护混合制动逻辑与采样值差动保护2种判据若协同合作,对主变差动保护来说,完全可以解决差动保护灵敏性、可靠性、快速性等要求。这种协同合作的思想是充分发挥各判据的优势,在灵敏度方面由常规差动保护混合制动逻辑保证,而快速性由采样值差动保护逻辑保证。基于常规差动保护混合制动逻辑与采样值差动保护2种判据协同合作原理,研制了超高压变压器保护装置,在各种动模试验装置上进行大量的动模试验。典型试验数据见表1。可以明显看到,若纯粹用常规差动时,在变压器空投较严重故障情况下(空投变压器匝间5%故障)保证不了速动性,纯粹用采样值差动时,在非常轻微匝间故障时(空投变压器匝间1%故障)保证不了灵敏性,而2个判据协同合作,既可保证灵敏性,又可保证快速性。混合制动与采样值差动协同合作判据涌流制动方案可解决以下问题:①双重化或门出口,每套保护因涌流制动逻辑不完善造成误动;②对称涌流不误动,同时空投各类故障变压器时可快速动作;③间断角制动原理因处理TA饱和反向电流而增加的硬件