電力變壓器差動保護中勵磁涌流識別技術綜述

電力變壓器差動保護中勵磁涌流識別技術綜述

電力壓力器是電氣系統(tǒng)中最重要的電源之一。由于變壓器保護的復雜性,20世紀90年代以來,我國220kV以上等級變壓器保護的正確動作率不到70%。因此,對其保護要求的可靠(不拒動)、安全(不誤動)和快速動作一直受到國內(nèi)外學者的重視和關注。目前,在實施變壓器差動保護時,主要要解決2個問題:1是區(qū)外故障時最大不平衡電流與內(nèi)部故障時靈敏度間的矛盾;2是正確識別勵磁涌流和內(nèi)部故障時的短路電流。解決第1個問題的措施主要是采用比率制動原理,其制動特性可以是3折線段組成;此外還可以采用故障分量比率差動原理、標積制動原理和相角比較式差動原理等。對于第2個問題,由于大型電力變壓器正常運行時的勵磁電流通常低于額定電流的1%,所以適當設定差動保護動作值仍可準確區(qū)分變壓器內(nèi)部故障與外部故障。但是,電力變壓器運行條件復雜,過勵磁時勵磁電流可達額定電流的水平,空載合閘或者變壓器外部短路被突然切除而端電壓突然恢復時,暫態(tài)勵磁電流(即勵磁涌流)的大小有時可與短路電流相比擬。這樣大的不平衡電流必然導致差動保護誤動,為此,變壓器差動保護的主要矛盾一直集中在準確鑒別勵磁涌流和內(nèi)部故障電流上。近年來,國內(nèi)外學者提出了許多判別勵磁涌流的新原理和方法。為了能盡早地將它們應用到變壓器微機保護中,有必要進行深入的綜合研究。本文較詳細地對各種判別方法的原理、優(yōu)缺點及應用情況和前景進行了分析與評估。1次諧波制動原理與短路電流相比,勵磁涌流中含有很高的二次諧波成分。二次諧波電流制動原理正是利用差動電流中的二次諧波與基波模值比來判斷是否存在勵磁涌流的。二次諧波制動法是計算差流中的二次諧波分量,若其值較大則判定為涌流,常用的判別式為:Id2Id1＞K(1)式中:Id2和Id1分別為差流中的二次諧波和基波幅值;K為二次諧波制動比。二次諧波制動原理簡單明了,有多年的運行經(jīng)驗,目前國內(nèi)外實際投入運行的微機變壓器保護大多采用該原理。但是,采用二次諧波制動原理的變壓器保護,面臨著以下幾個問題:(1)現(xiàn)代變壓器磁特性的變化使得涌流時二次諧波含量低,導致誤動;而大容量變壓器、遠距離輸電的發(fā)展使得內(nèi)部故障時暫態(tài)電流產(chǎn)生較大二次諧波,這些必然導致二次諧波制動原理誤判;(2)二次諧波制動原理的制動比很難選取,如美國西屋公司取制動比7.0%～7.5%,但ABB公司取10%,我國和大部分國家則取15%～20%,誰更科學?(3)勵磁涌流是暫態(tài)電流,不適用傅里葉級數(shù)的諧波分析方法。因為對于暫態(tài)信號而言,傅里葉級數(shù)法的周期延拓將導致錯誤的結果。2基于波形特性的識別方法2.1a/d轉(zhuǎn)換電路間斷角原理是利用短路電流波形連續(xù)變化,而勵磁涌流波形有明顯的間斷角特征作為鑒別判據(jù)。該原理的模擬式保護裝置已得到應用,但面臨著因電流互感器傳變引起的間斷角變形問題。當電流互感器飽和時,在涌流的間斷角區(qū)域?qū)a(chǎn)生反向電流,電流互感器飽和越嚴重則反向電流越大,最終使得涌流間斷角消失;對于內(nèi)部故障電流而言,電流互感器飽和將導致差流的間斷角增大,而且電流互感器飽和越嚴重,其差流間斷角越大。前者將使得變壓器發(fā)生涌流時差動保護誤動,后者將使得變壓器內(nèi)部故障時差動保護拒動。此外,用微機實現(xiàn)間斷角原理時硬件成本高,主要表現(xiàn)在以下2個方面:(1)需要較高的采樣率以準確測量間斷角,結果對CPU的計算速度提出了更高的要求。(2)涌流間斷角處的電流非常小,幾乎按近于0,而A/D轉(zhuǎn)換芯片正好在零點附近的轉(zhuǎn)換誤差最大。因此,需要高分辨率的A/D轉(zhuǎn)換芯片。所以,該原理在實際微機差動保護的應用效果并不十分理想。2.2并進行不對稱的故障分析方法波形對稱原理是利用差電流導數(shù)的前半波與后半波進行對稱比較,根據(jù)比較的結果去判斷是否發(fā)生了勵磁涌流。對稱的定義由下式給出:∣∣I′i+I′i+180I′i?I′i+180≤K∣∣(2)式中:I′i為差電流導數(shù)前半波第i點的數(shù)值;I′i+I′i+180為后半波對應第i點的數(shù)值;K為比較閾值。當?shù)趇點的數(shù)值滿足式(2)時稱為對稱,否則稱為不對稱。連續(xù)比較半個周期,對于內(nèi)部故障,式(2)恒成立;對于勵磁涌流,至少有1/4周期以上的點不滿足式(2)。該原理基于對勵磁涌流導數(shù)波寬及間斷角的分析,是間斷角原理的推廣,且比間斷角原理容易實現(xiàn)。但是,涌流波形與許多因素有關,具有不確定性、多樣性,如果K值取得太大,保護可能誤動;而故障電流也并非總是正弦波,實際系統(tǒng)中必須考慮故障情況的多樣性和故障波形的復雜性。當系統(tǒng)有分布電容較大的電纜線路存在時,故障波形中就含有大量的諧波,此時如果K值選得太小,保護就有可能拒動;而且電流互感器飽和必將引起差流變形。因此,該原理的應用必將遇到如下問題:(1)比較閾值K如何確定?應為多大?(2)故障時式(2)不一定總是成立,那么應當有多少滿足式(2)時才能判為故障?換言之,對稱范圍(對稱角度)應當取多大?這兩個問題很難通過嚴格的理論分析或推導予以解決,應用中只能根據(jù)實際情況,通過試驗的方式設定或修正,結果潛伏了誤判的隱患(已有誤動的事實)。另外,新近提出的有采樣值差動原理、波形疊加原理和波形擬合法。其中,采樣值差動原理是間斷角原理的衍生,而波形疊加原理、波形擬合則是波形對稱原理的衍生或改進。2.3變壓器的涌流和內(nèi)部故障的區(qū)分文獻提出的這種方法是利用數(shù)字信號處理中的相關函數(shù)的基本概念,對采樣數(shù)據(jù)分析,計算采樣數(shù)據(jù)在不同時段上的自相關系數(shù)大小來區(qū)分變壓器的勵磁涌流和內(nèi)部故障的新方法。由于波形自相關性的定義中不僅包含波形的幅值大小、波形的信息,而且還包含波形的相位信息,因此文中所提到的波形相關性分析方法,不是單純地利用涌流或故障電流單方面的特征,而是對波形進行有機綜合的分析。經(jīng)過理論分析和EMTP仿真,結果表明:此原理使用的特征明顯,能正確識別勵磁涌流,不受非周期分量和電流互感器保護狀態(tài)的影響。2.4小波變換設備在故障電流判斷中的應用問題小波變換在時、頻兩域都具有表征信號局部特征的能力,非常適合于非平衡信號的分析,克服了傅里葉變換只能適應穩(wěn)態(tài)或準穩(wěn)態(tài)信號分析、時域完全無局部性的缺點,可以準確地提取信號的特征。所以,小波變換的出現(xiàn)為勵磁涌流和內(nèi)部故障電流的判別帶來了希望。目前,小波變換主要集中于高次諧波檢測和奇異點檢測,此外并未發(fā)現(xiàn)大的突破。實際上,兩者都是間斷角原理的一種推廣,高頻檢測反映的是差流狀態(tài)突變產(chǎn)生的高次諧波,高頻細節(jié)出現(xiàn)的位置對應于變壓器飽和、退飽和時刻或故障發(fā)生時刻。若差流的高頻細節(jié)突變周期出現(xiàn),則為勵磁涌流;若出現(xiàn)一次后便很快衰減為0,則為內(nèi)部故障。奇異點檢測利用了小波變換模極大值原理,檢測的是差流狀態(tài)突變而產(chǎn)生的第2類間斷點,奇異點與涌流間斷角相對應。但是,對微機保護來講,獲得高頻分量勢必需要提高采樣頻率,從而增加了技術難度和成本,而且可能會受到系統(tǒng)諧波的影響,能否經(jīng)受住環(huán)境高頻噪聲的考驗,有待進一步研究。另外,如何正確檢測模值亦是一個難題。3基于-id曲線斜率的勵磁涌流算法磁通特性識別法是當變壓器發(fā)生勵磁涌流時,磁鏈—差流(Ψ-id)曲線即為變壓器的空載磁化曲線;發(fā)生內(nèi)部故障時,Ψ-id曲線將偏離磁化曲線,且故障越嚴重則偏離越嚴重。所以,通過計算鐵心磁鏈Ψ和差流id可正確判別勵磁涌流。具體判據(jù)為:如果Ψ-id位于磁化曲線上,則該不平衡電流為勵磁涌流,否則為內(nèi)部故障電流。此判據(jù)盡管理論上可行,但實際上由于受變壓器不確定剩磁的影響,在勵磁涌流情況下計算得到的Ψ-id將偏離磁化曲線,進而導致誤判。為消除剩磁不確定性的影響,文獻又對上述方法進行了改進,即采用Ψ-id曲線斜率dΨ/did區(qū)分勵磁涌流和內(nèi)部故障電流,如圖1所示。變壓器正常運行于未飽和時,dΨ/did數(shù)值較大且為一常數(shù);鐵心飽和時,dΨ/did數(shù)值較小;發(fā)生勵磁涌流時,鐵心交替飽和,dΨ/did將在大值與小值間周期變化;而內(nèi)部故障時,dΨ/did數(shù)值較小且為常數(shù)。根據(jù)圖1,內(nèi)部故障時dΨ/did值落于區(qū)1,勵磁涌流時dΨ/did值將在區(qū)1和區(qū)2間擺動。令Kr為制動指數(shù),如果(dΨ/did)k值位于區(qū)1,則Kr加1,當(dΨ/did)k位于區(qū)2時,Kr減1。這樣,內(nèi)部故障時Kr幾乎單調(diào)增加,而勵磁涌流時Kr將從不大于1個閾值。該方法由于計及了勵磁涌流時變壓器鐵心飽和,深入到勵磁涌流的產(chǎn)生原因而實現(xiàn)判別勵磁涌流的目的,因而具有先進性。但存在如下不足:(1)確定區(qū)1與區(qū)2較困難。特別是內(nèi)部輕微故障是dΨ/did數(shù)值較大,幾乎可與正常運行情況相比擬,這樣,區(qū)1范圍較大,而且可能與區(qū)2重合,最終導致判據(jù)失效。(2)制動指數(shù)Kr的閾值需要通過實驗確定,整定復雜。4基于壓縮機的識別方法4.1變壓器保護的參數(shù)辨識該方法基于變壓器原、副邊的互感磁鏈平衡方程與原、副邊電壓關于電流和互感磁鏈的方程,消去互感磁鏈,得到只包含原、副邊電壓和電流的線性模型。該模型不直接反映變壓器鐵心磁通的非線性,只表達變壓器原、副繞組漏感(l1,l2)、電阻(r1,r2)、電壓(u1,u2)及電流(i1,i2)間的關系,以單相變壓器為例,有如下表達式(為簡明起見,設變比為1):u1=u2+r1i1+l1di1dt+r2i2+l2di2dt(3)據(jù)此,引出2條思路:(1)當變壓器無故障時(正常運行、空載合閘、外部故障及其切除),式(4)恒等;而內(nèi)部故障時,式(4)不再成立。定義ω=u1?u2?r1i1?l1di1dt?r2i2?l2di2dt(4)則當|ω|＞α時,變壓器為內(nèi)部故障;α為閾值。(2)變壓器在正常運行、勵磁涌流、過勵磁或外部短路時,繞組漏感和電阻為恒定不變的常值,而在內(nèi)部故障時卻要發(fā)生變化?；诖颂匦?可將繞組漏感和電阻是否發(fā)生變化作為區(qū)分變壓器內(nèi)部故障的判據(jù),為此產(chǎn)生了變壓器保護的參數(shù)辨識法。該方法完全擺脫了勵磁涌流和過勵磁電流的困擾,實現(xiàn)了差動保護迥然不同的變壓器主保護,構思新穎,原理簡明。但實踐中存在如下困難:變壓器原、副邊繞組漏電感極難準確獲得,目前尚無可行的測取方法,導致整定困難。4.2勵磁涌流和短路電流的區(qū)分文獻提到的勵磁阻抗變化原理是從磁化曲線的非線性出發(fā),利用涌流時變壓器勵磁阻抗急劇變化,而在正常運行或內(nèi)部故障時勵磁阻抗基本不變這一特性來區(qū)分勵磁涌流和短路電流的。它不需要知道變壓器參數(shù)和系統(tǒng)參數(shù)。當均方誤差σZ(t)=E[Z(t)?E(Z)]2?????????????√大于門檻值σZzd時,判為涌流,否則為短路電流。其中:σZ(t),E(Z)分別表示測量阻抗Z(t)的變化程度和數(shù)學期望。通過動模實驗和EMTP故障仿真實驗表明,此方法可以很快地區(qū)分勵磁涌流和短路電流。即使在合閘于輕微匝間故障情況下,動作延時也不超過30ms。5差有無功檢測變壓器是否發(fā)生內(nèi)部故障差有功法的基本原理是:正常運行時變壓器消耗有功非常小(銅損耗和鐵損耗之和小于變壓器容量的1%),勵磁涌流時由于繞組存儲磁能,第1個周期流入變壓器的有功較大,但是第2個周期之后變壓器消耗的有功卻非常小(盡管涌流時鐵損耗和銅損耗都有所增加);然而當變壓器絕緣損壞時,電弧放電發(fā)熱將消耗大量的有功。所以,通過檢測變壓器消耗有功有大小,即差有功,可判別變壓器是否發(fā)生內(nèi)部故障。具體實現(xiàn)時,在差有功中去除銅損耗以提高保護的靈敏度,對于單相兩繞組變壓器有:W(t)=1T∫tt?T(u1i1+u2i2?r1i21?r2i22)dt(5)式中:u1,u2,i1,i2,r1,r2分別是變壓器原、副繞組的瞬時電壓、電流和電阻。差有功法的判據(jù)為:如果W(t)>ζ,則變壓器為內(nèi)部故障。設定閾值ζ的目的是為了避免涌流時誤動。此外,電壓互感器和電流互感器的測量誤差將影響ζ的大小,例如電壓互感器和電流互感器的時延導致電壓、電流相位誤差,從而引起差有功誤差。差有功法不再糾纏于勵磁涌流波形特征,從物理機理出發(fā)綜合考慮電壓、電流信息,是一種全新的主保護方案。然而,該方法仍無法回避勵磁涌流帶來的不利影響,首先需要避開涌流時變壓器第1周期的充電過程,結果導致判別延時;其次,由于涌流時銅損耗很難精確計算,鐵損耗增加,整定不容易。而且,變壓器外部故障時由于變壓器流過較大的穿越電流,使變壓器消耗較大的有功,其對差有功法的影響也不容忽視。6基于智能理論的識別方法6.1神經(jīng)網(wǎng)絡的選擇人工神經(jīng)網(wǎng)絡(ANN)應用于變壓器內(nèi)部故障和勵磁涌流判別,要經(jīng)歷如下幾個過程:(1)ANN類型的確定;(2)輸入和輸出層中各節(jié)點數(shù)目的確定:輸入是差流采樣或原、副邊電流的采樣,而且每時刻要有若干個包含足夠信息的采樣點輸入網(wǎng)絡,如此可確定輸入節(jié)點數(shù),輸出節(jié)點數(shù)與網(wǎng)絡要實現(xiàn)的功用有關,如僅用于勵磁涌流和內(nèi)部故障判別,則有1個二進制輸出即可,需要1個輸出節(jié)點;(3)隱含層及其節(jié)點數(shù)需多次試湊確定;(4)傳遞函數(shù)的選擇;(5)訓練樣本的獲取;(6)數(shù)據(jù)預處理;(7)訓練;(8)對已訓練好的神經(jīng)網(wǎng)絡進行測試。上述過程需反復進行,若在訓練過程或檢驗時不能滿足要求,那么網(wǎng)絡結構及各種參數(shù)都需要調(diào)整,然后重新訓練,可見,訓練神經(jīng)網(wǎng)絡是一件非常煩瑣的事。而且,訓練時需要大量的樣本數(shù)據(jù),其獲取及預處理的工作量很大,盡管如此,仍難以保證訓練樣本集的完備性,從而導致誤判。6.2多判據(jù)權重的確定文獻在分析現(xiàn)有4種識別算法的基礎上,綜合各判據(jù)的優(yōu)點,利用模糊集合理論將各判據(jù)模糊化后進行多判據(jù)的綜合模糊化,即:θ=ωˉˉ1θ1+ωˉˉ2θ2+ωˉˉ3θ3+ωˉˉ4θ4式中:ωˉˉi是θi(i=1,2,3,4)對應判據(jù)的權重,并且滿足∑i=14ωˉˉi=1。當θ>θth時,判為內(nèi)部故障,保護將出口動作,否則認為是涌流情況。這種方法兼顧了各方面的優(yōu)點,既能做到可靠動作,又能提高變壓器保護的動作速度,同時利用微機保護技術可以實現(xiàn)上述多判據(jù)算法,但是,該方法只是變壓器勵磁涌流識別中的一個新