基于模型的變壓器保護原理的整定計算分析

1、基于模型的變壓器保護原理的整定計算分析1王雪,王增平華北電力大學電力工程系,河北保定(071003摘要:基于模型的變壓器保護原理由于其本身不受勵磁涌流影響的優(yōu)良性能,得到了廣泛的研究。在以往的分析中,保護的動作值都是按照躲過實驗中變壓器正常時的最大不平衡輸出來確定,不能反應實際可能的最大輸出,在運行中存在保護誤動作的風險。本文從動作方程出發(fā),分析了影響變壓器正常時判據(jù)不平衡輸出的因素,得到了可能的最大不平衡輸出的簡化計算公式,據(jù)此確定保護的動作定值可以保證保護的可靠性。最后利用動模試驗數(shù)據(jù)驗證了上述結論的正確性。關鍵詞:模型;變壓器保護;整定計算;可靠性1 引言變壓器差動保護中,如何區(qū)分勵磁涌

2、流與內(nèi)部故障差電流是一個固有的難題,是影響變壓器差動保護正確動作率的重要因素,多年來一直是研究的熱點。實際運行的變壓器差動保護主要采用二次諧波制動原理和間斷角原理來防止勵磁涌流造成保護誤動作,但是隨著電力系統(tǒng)運行環(huán)境的改變,二次諧波制動原理的制動比很難取到合適的數(shù)值,間斷角原理也受TA傳變的影響1-4。實際上任何以勵磁涌流波形特征為依據(jù)的勵磁涌流識別原理均不可能保證變壓器差動保護在任何情況下都不誤動?；谀Ｐ偷淖儔浩鞅Ｗo原理從變壓器原始正常模型出發(fā),推導出識別變壓器內(nèi)部故障的保護判據(jù)5-7。當變壓器流過勵磁涌流時,變壓器本身結構和參數(shù)均沒有發(fā)生改變,所以等值方程仍然是成立的,保護不會動作。因此

3、由該原理構成的保護避開了勵磁涌流識別難題,成為變壓器主保護的重要研究方向。但是在之前的研究中,并沒有給出基于模型的變壓器保護原理動作值的計算公式,主要是根據(jù)動模實驗數(shù)據(jù)或數(shù)字仿真數(shù)據(jù),得到變壓器正常運行或勵磁涌流時判據(jù)的最大值,然后將其乘以可靠系數(shù)作為保護的定值。據(jù)此確定保護定值的方法具有局限性,依靠有限次的實驗數(shù)據(jù)難以保證得到變壓器正常時判據(jù)的最大輸出值,因此保護存在誤動作的可能性。本文從動作判據(jù)方程入手,分析了變壓器正常時影響判據(jù)輸出的因素,得到保護定值的可行計算式,實驗數(shù)據(jù)驗證了分析過程的正確性。2 基于模型的變壓器保護基本原理圖1所示為Y/接線三相變壓器接線示意圖。 圖1 Y/接線三相

4、變壓器Fig. 1 Three phase Y/ transformer1本課題得到國家自然科學基金項目(50777016、教育部博士點基金項目(20060079009資助。根據(jù)變壓器的等值電路,可得變壓器各相的等值回路方程如下:B B BC cC C a a a c a b bb a bc cc b cd di u i R L N dt dt d di u i R L N dt dt di d u i R L N dt dt di d u u i R L N dt dt di d u u i R L N dt dt di d u u i R L N dt dt =+=+=+=+=+=+(1

5、式中:a b c u u u 、為側繞組各相的電壓,A B C u u u 、為Y 側繞組各相的電壓, a b c i i i 、為側各相繞組的電流,A B C i i i 、為Y 側繞組各相的電流,22R L 、為側繞組各相的電阻和漏感,11R L 、為Y 側繞組各相的電阻和漏感,a b c 、為與兩側繞組交鏈的主磁通,12N N 、分別為Y 側和側各繞組的匝數(shù)。由于三角側的繞組電流無法測量,用三角側的相電流代替繞組電流,再將式(1中Y 側和側對應相的回路方程相減即可消去主磁通項,最后將側的電氣量和參數(shù)歸算到Y 側,可得下面表達式5:(111111222A B La La A B a c b

6、 La k k A B La B C Lb Lb B C b a c Lb k k B C Lb C A Lc Lc C A c b a Lc k k C A Lc d i i i di u u u u u i R L i i i R L dt dt d i i i di u u u u u i R L i i i R L dt dt d i i i di u u u u u i R L i i i R L dt dt +=+=+= (2 式中:ab c La Lb Lc u u u i i i 、是三角側歸算到星側的相電壓、相電流,k k R L 、是變壓器的短路電阻和短路電抗。將式(2的左

7、側分別表示為dAB u 、dBC u 、dCA u ,同時令dAB A B La i i i i =+、dBC B C Lb i i i i =+、dCA C A Lci i i i =+,式(2可簡化成下面形式: 111000dAB dAB dBC dBC dCA dCA di u L dt di u L dt di u L dt =(3 為了下面分析方便,去掉式(3中各相的下標,統(tǒng)一寫成下面的相量形式:1d d U U jX I =&& (4式中:11X L =。式(4是根據(jù)變壓器正常時的等值電路推導出來的,因此在變壓器正常情況下應該是完全成立的,輸出電壓為零,當變壓器內(nèi)部

8、發(fā)生故障后,由于等值電路遭到破壞,式(4也將不再成立。因此可為保護設定一門檻值,當檢測到任一等式的差值超過門檻值時,即可判定變壓器發(fā)生內(nèi)部故障。門檻值的設定將直接影響保護的可靠性和靈敏性。3 導致判據(jù)不平衡輸出的因素在實際運行中,有載調(diào)壓變壓器分接開關位置是可能改變的,此時如果計算過程中采用的變壓器變比不能隨之進行調(diào)整的話,方程必然會出現(xiàn)一定的差值,此外,接入保護的電氣量取自互感器的二次側,互感器的變換誤差無疑也會帶來影響,尤其是產(chǎn)生勵磁涌流的情況下,變換誤差加大,影響也就更加嚴重。下面對這兩方面的影響進行分析。3.1有載調(diào)壓變壓器分接頭位置改變的影響改變變壓器分接頭當前位置,可使變壓器變比在

9、額定值的基礎上有n ±的變化。設變壓器的額定變比為T n ,則分接頭當前位置對應的變壓器變比為(1T n n ±,將其代入到式(4的AB 相的計算式中,可得:(11111La La AB ac ba k k dAB I nI U U U U n R jX R j L I n n =+&&&&&& (5 不考慮互感器的變化誤差,對式(5進行整理,可得任一相的判據(jù)輸出的表達式為:(22031L nI R jX U U U n n+=+&&& (6 式中:0U & 為三角側的零序電壓。 正常運行時,電

10、壓為額定值,最大負荷電流可取為額定電流。由于電壓值很大,當n 取最大值時,式(6會有較大的輸出。當發(fā)生外部故障時,雖然流過變壓器的故障電流會增大,但是由于變壓器漏抗很小,同時變壓器的電壓會有大幅下降,經(jīng)計算發(fā)現(xiàn),此時式(6的輸出反而會減小。因此,應按照變壓器滿載正常運行狀態(tài)來計算有載調(diào)壓導致的判據(jù)的最大不平衡輸出。將式(6中的電流在漏阻抗上的壓降用用變壓器的阻抗電壓來表示,可得如下計算公式:n U nU = (7 式中:22/k k L L =,L 為負荷阻抗角。對于大型變壓器,%k u 一般在12.517.5%之間,所以2%/1k k u ,也可采用下面 的近似計算公式:n U nU = (

11、8 3.2 TV 、TA 的變換誤差的影響電壓、電流互感器的穩(wěn)態(tài)誤差是比較小的,但是勵磁涌流中包含大量的衰減的非周期分量,將使變換誤差大幅增加,此時判據(jù)的不平衡輸出也會明顯增大。用變壓器阻抗電壓來表示式(4中的1d X I ,并轉換到互感器二次側,可得:1d n X I U = (9 式中:11/k k L L =,/I d n n I I =,n I 為變壓器額定電流。理想情況下,電壓應等于1d X I ,但從式(2中可以看到,它是由變壓器兩側幾乎接近相等的兩個電壓的差值,因此d U 受電壓互感器變換誤差影響很大,考慮到TV 的變換誤差后,d U 由下面公式來計算:%2d er n k u

12、n U k U =+ (10 式(4中電壓和電流的相位差理想情況下應為090,考慮到互感器的相位誤差,尤其是勵磁涌流時波形發(fā)生畸變,相位誤差加劇,二者之間的相位差可能嚴重偏離090,為可靠起見,假定其數(shù)值可能落在00到0180之間。這樣,判據(jù)的不平衡輸出為: U U = (11 在計算最大不平衡輸出時,I n 應按可能產(chǎn)生的最大勵磁涌流倍數(shù)來確定,一般為4-8,而不是僅僅按實驗中測得的最大倍數(shù)計算。4 實驗驗證為了檢驗上述分析過程的正確性,我們做了一組動模實驗,測量到了空載合閘、正常運行以及外部故障等運行狀態(tài)下的電壓電流數(shù)據(jù),并對這些數(shù)據(jù)進行了分析。動模實驗變壓器參數(shù)為:額定容量為30kVA

13、,額定電壓為500V/416V ,短路電壓%k u 為14.64%。改變n 的大小,可以分析有載調(diào)壓分接開關的影響。表1給出了計算結果,其中第2列是用實驗數(shù)據(jù)計算得到的判據(jù)的實際輸出值,第3列是按式(7計算得到的計算值。表1 判據(jù)不平衡輸出隨n 的變化Table 1 the unbalanced output via n判據(jù)輸出 n(% 實際值 計算值8 7.55 7.246 5.77 5.434 3.98 3.622 2.12 1.811 1.16 0.91 0 0.41 0從表1中可以看到,隨著n 的增加,判據(jù)的不平衡輸出也隨之增大。實際值和計算值之間存在一個較小的差值,該差值基本不隨n

14、變化,主要是由互感器誤差造成的,去掉這個因素之后,可以認為計算值和實際值是吻合的,按照式(7得到的結果是可信的。圖2給出了某次空載合閘過程中判據(jù)輸出值隨著涌流衰減而變化的曲線。 圖2 空載合閘過程中各相判據(jù)的輸出值Fig.2 output of relaying during switching without load從圖2中可以看到,在空載合閘的初始階段,是涌流最大的時候,此時判據(jù)不平衡輸出也是最大值,此后隨著涌流的衰減,不平衡輸出也減小。因此可以肯定確定保護定值時必須考慮最大涌流的情況。表2給出了變壓器空載合閘和正常運行時判據(jù)實際輸出的最大值和由式(11得到的計算值與實際值的比值的范圍。

15、表2 不同運行狀態(tài)下的不平衡輸出Table 2 the unbalanced output under various operation states運行狀態(tài) 序號判據(jù)輸出最大值 計算值與實際值比值 1 0.77 1.86-2.532 1.52 2.27-18.673 1.42 1.3-3.074 1.26 1.28-2.065 0.39 1.5-4.286 0.35 2.14-3.197 0.19 1.29-5.48 2.24 1.25-3.029 4.35 1.23-2.12空載合閘 10 1.33 1.65-3.142 0.34 1.5-3.93 0.42 1.3-1.96正常運行4 0.36 1.4-1.9 從表2中可知,勵磁涌流時的不平衡輸出會顯著增大,同時可以看到,按照式(11計算得到的不平衡輸出與實際值的比值總是大于1的,也就是說如果按躲過照(11計算得到的不平衡輸出來整定保護,就一定可以保證變壓器本身無故障的情況下保護可靠不動作。5 結論本文分析了影響基于模型的變壓器保護判據(jù)在變壓器正