电力变压器差动保护方案的对比分析

电力变压器差动保护方案的对比分析

1变压器励磁电流出现突变低压差动保护是核电站的主要保护之一。差动保护的理论依据是curveletbahns规律。对于在发电机和线路保护的应用中,差动保护表现出了良好的选择性、高灵敏度和高速动性。但对于变压器而言,由于内部磁路的联系,其本质上不再满足基尔霍夫电流定律,变压器励磁电流成了差动保护不平衡电流的一种来源。在正常运行时,变压器励磁电流通常低于额定电流的1%,所以设定差动保护动作值可准确区分变压器内部故障与外部故障。但是,电力变压器运行条件复杂,当变压器过励磁运行时,励磁电流可达到变压器额定电流的水平,将引起差动保护误动作。在变压器空载合闸或者变压器外部短路被切除而变压器电压突然恢复时,励磁涌流达到额定电流的6倍~8倍,可与短路电流相比拟。而励磁涌流流经电源侧,造成变压器两侧电流的不平衡,从而在差动回路内产生不平衡电流,导致差动保护误动作。为解决由于励磁涌流而使变压器差动保护经常出现误动作的问题,寻求正确识别变压器内部故障和励磁涌流的方法,笔者对各种差动保护方案的原理、优缺点及应用情况进行了分析和评价。2热点差动保护电流波形特征识别法是一种传统的识别法,一直是人们研究的热点,目前仍然占据差动保护的主流。该方法是以励磁涌流和内部故障电流波形特征的差异为依据。已应用于实践的有二次谐波制动原理、间断角原理、小波变换方法和神经网络方法等。2.1变压器差动保护二次谐波制动法是计算差动电流中的二次谐波电流与基波电流的幅值之比,若其值较大,则判定为涌流,常用的判别式为:式中Id2——二次谐波电流幅值Id1——基波电流幅值二次谐波制动原理比较简单,目前国内外实际投运的微机变压器保护大都采用该原理。但是,该原理的变压器差动保护存在以下几个问题。(1)励磁涌流是暂态电流,不适合用傅里叶级数的谐波方法。因为对暂态信号而言,傅里叶级数法的周期延拓将导致错误的结果。(2)很难选择制动比。(3)在变压器内部故障不对称的情况下,尤其在变压器附近装配无功补偿设备时,会在故障电流中产生较大的二次谐波分量,使差动保护被迫制动,直到二次谐波分量衰减后不能动作,从而延迟了切除故障时间。(4)随着电网电压等级的提高和系统规模的扩大以及变压器单机容量的扩大,大型变压器内部严重故障时,由于谐波使短路电流中的二次谐波含量增大,有可能使二次谐波制动,引起差动保护延时动作。2.2间断角的保护间断角原理利用了励磁涌流波形具有较大间断角的特征,通过检测差流间断角的大小实现鉴别涌流的目的。该原理的模拟式保护装置已在电力系统中广泛应用,但需解决电流互感器引起间断角变形的问题。当电流互感器饱和时,在涌流的间断区域将产生反向电流,可能导致涌流间断角消失引起差动保护误动,而对于内部故障电流,电流互感器饱和将导致差动电流的间断角增大,从而引起拒动。此外,用微机实现间断原理时,增加了保护装置的硬件成本,主要表现在以下两个方面。(1)需要较高的采样率以准确测量间断角,对CPU的计算速度提出了更高的要求。(2)励磁涌流在间断处的电流非常小,几乎接近于0,而A/D转换芯片在O点附近转换误差最大,因此,需要选用高分辨率的A/D转换芯片。2.3高频检测与奇点检测小波变换在时域和频域中具有表征信号局部特征的能力,非常适合于非平稳信号的分析,克服了傅里叶变换只能适应稳态或准稳态信号分析的缺点,可以准确地提取信号的特征。目前,小波变换在差动保护方面的应用研究较为深入,但一直以来主要集中在高次谐波检测和奇异点检测。实际上两者都是间断角原理的一种推广。高频检测反映的是差流状态突变产生的高次谐波,高频细节出现的位置对应于变压器饱和时刻、退饱和时刻或故障发生时刻。如果差动电流的高频细节突变周期性出现,则为励磁涌流;若出现一次后便很快衰减为0,则为内部故障。奇异点检测利用小波变换模极大值原理,检测的是差流状态突变而产生的第二类间断点,奇异点与励磁涌流间断角对应。该方法还存在以下问题。(1)就微机保护而言,获得高频分量需要提高采样频率,从而增加了技术难度和硬件成本。(2)受到系统谐波的影响时,能否经受住环境高频噪声考验,有待进一步研究。(3)如何正确检测模值还是一个难题。2.4对已训练的神经网络的检测人工神经网络(ANN)应用于变压器内部故障和励磁涌流的判别,主要是利用ANN优秀的模式识别能力进行电流波形识别。设计ANN时要经历如下几个过程。(1)ANN类型的确定。(2)输入和输出层中各节点数目的确定。(3)隐含层及其节点数需多次试凑确定。(4)传递函数的选择。(5)训练样本的获取。(6)数据预处理。(7)训练。(8)对已训练好的神经网络进行测试。该方法存在以下几个问题。(1)由于设计ANN过程需反复进行,若在训练过程中或检验时不能满足要求,那么网络结构及各种参数都需要调整并重新训练,所以训练神经网络是一件非常复杂烦琐的事。(2)训练时需要大量的样本数据,其获取和预处理的工作量相当大,而且仍很难保证训练样本集的完备性,从而出现误判。3励磁涌流算法计算利用内部故障和励磁涌流时变压器磁链—差流ψ-id曲线的差别,文献提出了励磁涌流的磁通特性识别法。变压器发生励磁涌流时,ψ-id曲线即为变压器的空载磁化曲线;发生内部故障时,ψ-id曲线将偏离磁化曲线,且故障越严重偏离越严重。具体判据是:如果ψ-id位于磁化曲线之上,则该不平衡电流为励磁涌流,否则为内部故障电流。该判据虽然理论上可行,但实际上由于受到变压器剩磁的影响,在励磁涌流情况下计算得到的ψ-id将偏离磁化曲线,从而导致误判。文献又对上述方法进行了改进,采用ψ-id曲线斜率dψ/did百分励磁涌流和内部故障电流的方法。如图1所示,变压器正常运行于铁心未饱和时,dψ/did数值较大且为常数;铁心饱和时,dψ/did数值较小;发生励磁涌流时,铁心交替饱和,dψ/did将在大值与小值间周期变化;而内部故障时dψ/did数值较小且为常数。为利用此特征,建立一个自动计数器kc(kc>0)若dψ/did位于区域1内,则kc自动增加1,若dψ/did位于区域2内,则kc自动减1;其他情况下kc值不变。对于变压器内部故障状态,kc呈单调增加,而励磁涌流时kc将从不大于1个阈值。因此可以确定一个阈值kcmax,从而得到下述判据。kc≥kcmax为内部故障;kc<kcmax为励磁涌流。该方法计及了励磁涌流时变压器铁心饱和深入到励磁涌流的产生源,因而实现了判别励磁涌流的目的,具有一定的先进性,但仍然存在如下不足。(1)需要用到变压器的实际磁化曲线及漏抗参数,这些参数若测量不准或者发生变化,是否对励磁涌流的鉴别产生影响尚需研究。(2)确定区域1和区域2较困难。(3)由于磁滞效应,磁化曲线并不是直线而是回线,并且kcmax需要通过试验确定。文献利用变压器磁通特性研究如何构成差动保护时,避开了不容易求得的漏感参数,避开了区域1和区域2之间的模糊性,提出了一种新方法。该方案基于电压与电流微分比值的原理,将变压器磁链方程进行变换,得到:由于漏感L一般较小,可近似认为L=0,上式即变为:设磁化曲线的斜率为k,即变压器正常空载投入和内部故障时的ψ-id关系如图2所示。由图2之中的ψ-id的关系曲线可知,对应于变压器正常时的折线1和2,在变压器铁心未饱和时,在一个很大值和一个很小值之间变化。对应于变压器内部故障时的直线3,近似于一个常数且数值很小。由此可见,通过观察的大小和变化可识别变压器处于正常状还是故障状态,但求需要知道变压器铁心的磁化曲线,是很难实现的。但是由式(1)可知,u和比值与u和比值是相等的,而且u和是很容易得到的,故可用u和的比值得到k值,由k值的变化来确定变压器的运行状态。该方案有以下优点。(1)该方案构成原理简单、数据采集方便、计算量小、判据清楚,并具有较高的实用价值。(2)无需知道具体变压器的磁化曲线及漏感参数,因此构成的保护装置简单方便。(3)利用比值原理根据比值系数的大小和变化趋势来判断变压器的状态,内部故障和正常合闸分界线很明显。但该方案的原理忽略了漏感L的大小,是否对励磁涌流的鉴别产生不利的影响还需做进一步的研究和证明。4变压器保护的参数辨识法该方法基于变压器一次侧、二次侧的互感磁链平衡方程与一次侧和二次侧电压关于电流和互感磁链的方程,消去互感磁链,得到只包含一次侧、二次侧电压和电流的线性模型。该模型不直接反映变压器铁心磁通的非线性,只表达变压器一次和二次绕组漏感(l1、l2)、电阻(r1、r2)、电压(u1、u2)及电流(i1、i2)间的关系。以单相变压器为例,设变比为1,其表达式为:当变压器无故障时,式(2)恒成立,而内部故障时,式(2)不再成立,定义,则当|ε|>α时,变压器为内部故障。当变压器在正常运行时,励磁涌流、过励磁或外部短路时,绕组漏感和电阻为常数,而在内部故障时就会发生变化。因此,可将绕组漏感和电阻是否发生变化作为区分变压器内部故障的判据,变压器保护的参数辨识法就是基于此原理。该方法不同于前述几种方法,摆脱了励磁涌流和过励磁电流的困扰,其原理简单,但是在实践中还存在如下困难。(1)变压器一、二次绕组漏电感极难准确获得,导致整定困难。(2)对于具体变压器需要大量试验以确定制动阈值α,其应用前景取决于理论上的进一步突破。5变压器故障的判据文献提出了一种基于有功功率差动的变压器主保护新原理,该原理通过计算变压器内部消耗的有功功率来区分励磁涌流和内部故障。其基本原理是:正常运行时变压器消耗有功非常小,励磁涌流时由于绕组存在储能,第1个周期流入变压器的有功较大,但是第2个周期之后,变压器消耗的有功都非常小,当变压器绝缘损坏时,电弧放电发热将消耗大量的有功。所以通过检测变压器消耗有功的大小,即差有功功率可判别变压器是否发生内部故障。差有功率法的判据为:如果W(t)>ξ,则为内部故障。对于单相双绕组变压器有:式中,u1、u2、i1、i2、r1、r2分别是变压器一、二次绕组的瞬时电压、电流和电阻。差有功率法不再受限制于励磁涌流波形特征的鉴别中,从物理机理出发综合考虑电压和电流信息,是一种全新的方案,但是存在以下不足。(1)该方案仍然无法回避励磁涌流带来的不利影响,需要避开涌流时变压器第1周期的充电过程,使判别延时。(2)由于涌流时负载损耗很难精确计算,空载损耗增加,整定不容易。(3)变压器外部故障时流过变压器的较大穿越电流使变压器消耗较大的有功,差有功率法带来的影响不容忽视。文献在文献的基础上引入了瞬时功率的概念,直接利用变压器两侧电压和电流的采样值计算出三相差瞬时功率并对其进行频谱分析,根据变压器在不同状态下三相差瞬时功率所表现出的频谱特性差异来识别励磁涌流和内部故障电流。该方案从能量守恒的角度出发,弥补了电流差动保护在理论上的不足,同时合理利用了瞬时功率与有功功率之间的联系,具有一定的优越性。但励磁涌流时变压器的负载损耗和空载损耗并不小,而少匝数短路时形成的负载损耗也不大,单纯利用有功损耗难以区分。因此该方案需利用瞬时功率幅频特性中直流分量与基频分量的比值来识别,在实现上增加了难度。目前该方案处于理论研究中。6多判据法的特点文献提出的基于模糊逻辑的多判据法,在励磁涌流识别法的基础上,借助于模糊逻辑隶属度和权重的概念,综合了二次谐波制动原理波形特征识别法、磁通特性识别法和低电压判据的优点,利用模糊集合理论提出了一种多判据法。该方法体现了智能化特点。目前该方法只是变压器差动保护中识别励磁涌流的一个新探索,还有许多问题难以解决。一是模糊逻辑中隶属函数与权重应当如何选择?二是该方案需要技术人员对该原理有较深入的认识。因此该方法仍需科研工作者进行深入的研究。7变压器差动保护的发展趋势