變壓器差動保護中鐵芯飽和引起的虛假差流分析

變壓器差動保護中鐵芯飽和引起的虛假差流分析

0虛假差流干擾下的三要素差動保護是對當前能源壓力容量的有效保護。由于變壓器鐵芯飽和因素的影響,其差動保護的靈敏性和可靠性,在區(qū)分勵磁涌流和故障電流方面,長期是一對突出矛盾。針對這一矛盾提出了多種解決方案,例如:多折線比率差動、二次諧波判據(jù)制動等方法,獲得了工業(yè)成功應用,但都還存在一些不足之處。為了提高鐵磁材料的利用率,其工作飽和點設(shè)計得更低,使得利用二次諧波、波形對稱等基于波形的判據(jù)面臨嚴峻的挑戰(zhàn)。事實上,近年來,國內(nèi)220kV及以上變壓器的差動保護平均正確動作率僅為76%左右。當合閘或電壓恢復引起虛假差流時,保護制動元件會對差動保護元件閉鎖;如果在虛假差流仍存在而閉鎖元件未返回期間,出現(xiàn)轉(zhuǎn)移性區(qū)內(nèi)故障(即發(fā)展性故障),部分判據(jù)無法檢測出故障發(fā)展而持續(xù)閉鎖動作元件,導致保護長時間拒動。雖然這種現(xiàn)象發(fā)生的概率不是很高,但是生產(chǎn)現(xiàn)場的確有過這類事故的報道,這是完善的保護原理不應忽視的隱患。因此,新判據(jù)除了保留原有判據(jù)的優(yōu)點外,還應具備當存在虛假差流分量干擾時,避免對發(fā)展性故障的持續(xù)誤閉鎖,正確識別故障發(fā)展并迅速動作的能力。另外,傳統(tǒng)的基于高次諧波和波形特征的涌流識別判據(jù),大部分需要用到1個周期的故障后電流,其動作速度受到限制;如果能夠提高故障的判斷速度,對保護的快速動作和保障變壓器的設(shè)備安全,其好處不言而喻。針對上述問題,本文對變壓器鐵芯飽和引起電壓與差流的突變量出現(xiàn)時刻的時間差特征進行了研究,提出了一種基于相電壓突變量和差流突變量時間差的變壓器故障識別判據(jù)。1加電壓變異性的差流誤差與保護一種特征的時間差難以區(qū)分目前,時差法已被運用于檢測電流互感器(TA)飽和,其原理是變壓器兩端的TA即使經(jīng)歷了嚴重的故障也不會立即飽和,對于內(nèi)部故障(即使故障后也引起TA飽和),只要兩側(cè)TA在故障出現(xiàn)初始時刻能夠正常傳變,相電流變化和真實的故障差流能夠立即被同時檢測到,理論上應該不存在時差。然而,現(xiàn)有的時差法判據(jù)都是采用Y側(cè)線電流和兩側(cè)TA的差流作為參考量。當變壓器空載合閘時,因為此時的差流即為合閘側(cè)的線電流,不可能存在時差,故上述基于時差法原理的判據(jù)將失效。變壓器在空載合閘或電壓恢復情況下,因為磁通的積累使鐵芯進入飽和需要一定的時間,所以勵磁涌流引起的虛假差流的出現(xiàn)會滯后于所施加電壓一個時間差,一般為3ms~5ms,這個現(xiàn)象就是時差法的物理基礎(chǔ)。當對正常變壓器空載合閘時,差流為鐵芯飽和引起的勵磁電流,而勵磁電流的出現(xiàn)要滯后于電壓。檢測施加電壓和差流(對空載合閘而言就是合閘側(cè)電流)變化出現(xiàn)時刻的時間差,如果這個時間差不小于一定的門檻值,則該差流為正常的勵磁涌流,保護閉鎖;變壓器出現(xiàn)故障時,不論該故障是在變壓器正常運行時、合閘時還是在合閘過程中出現(xiàn),其電壓突變時刻和差流變化出現(xiàn)時刻的時間差將非常小,理論上是同時出現(xiàn)的,差流為故障短路電流。需要特別指出的是,對輕微的匝間故障變壓器合閘,其故障電流和勵磁涌流疊加在一起,用傳統(tǒng)的二次諧波判據(jù)等基于電流波形特征的方法有可能使保護拒動一段時間,但是故障電流對應的時間差特征仍滿足同時性。任何擾動(包括空載合閘)發(fā)生時,電壓的變化總是瞬時出現(xiàn),但是變壓器從不飽和到飽和必然要經(jīng)過一定的時間,只有當變壓器飽和時,虛假差流才可能出現(xiàn),因此,涌流引起的虛假差動電流與電壓突變之間的時差客觀存在,其大小與變壓器合閘前的狀態(tài)和各相回路的合閘角等因素有關(guān)。這個時間差總在3ms以上,而內(nèi)部故障引起差流突變量和電壓突變量理論上不存在時間差(不需要經(jīng)過鐵芯飽和過程),故可以設(shè)定時間差門檻值來區(qū)分空載合閘與各種故障引起差流的不同情況。根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗和大量的仿真試驗結(jié)果分析,該時間差門檻值宜設(shè)定為3ms。因此,本文提出了使用相電壓突變量和差流突變量作為參考量的新判據(jù),克服了已有時差法判據(jù)在空載合閘時無法判斷的不足,同時保證在帶載運行時變壓器差動保護的正確動作。本判據(jù)首先對相電壓和差流進行突變量提取,即一周期做差法,實時計算出相對于上一周期對應點的突變量,并檢測電壓和差流的突變量超出正常波動范圍的時刻,比較兩者的時差,并根據(jù)判據(jù)邏輯來判定是否出現(xiàn)區(qū)內(nèi)故障。該判據(jù)不僅適用于對變壓器空載合閘時發(fā)生內(nèi)、外部故障提供差動保護,對帶載運行時的故障也能進行快速準確判定。判據(jù)基于瞬時值計算快速,邏輯簡單可靠,判據(jù)流程圖如圖1所示。2基于判別式濾波在電力系統(tǒng)中,真實的電壓互感器(TV)和TA,其二次側(cè)獲得的采樣信號往往會存在一些電磁干擾噪聲。本判據(jù)使用的突變量是工頻成分變化引起的暫態(tài)分量,某些故障的突變量幅值并不大,導致信噪比小,如果不采取相應措施,則很難保證判據(jù)能提取準確的電量信息,所以必須通過有效的濾波環(huán)節(jié)濾除參考電量中的噪聲分量,提高信噪比,以保證判據(jù)的靈敏性和可靠性。通過一周期做差法獲得的突變量序列,往往會包含部分如毛刺一般的高頻干擾。在繼電保護中通常有用的電量信息主要是工頻基波分量,而噪聲多為工頻的多倍頻或高頻;對于本判據(jù)而言,最主要的干擾噪聲是幅值較大的毛刺干擾(見圖2),這些毛刺可能導致判據(jù)對突變量出現(xiàn)時刻的誤判,所以應針對該噪聲特點設(shè)計濾波方法。與運用傳統(tǒng)的最小二乘算法與卡爾曼濾波算法獲取準確的頻率和相位信息不同,本判據(jù)關(guān)注的是時域上的工頻突變量,故使用了一種基于判別式的濾波算法:依據(jù)設(shè)定噪聲特征的判別式,直接對時域信號中的毛刺干擾識別并濾波處理。具體算法定義如下:設(shè)原序列為x(n),濾波后序列為y(n),則y(n)={12(x(n?1)+x(n+1))判別式成立x(n)判別式不成立(1)y(n)={12(x(n-1)+x(n+1))判別式成立x(n)判別式不成立(1)其中,判別式為:∣∣x(n?1)+x(n+1)2?x(n)∣∣>K|x(n-1)+x(n+1)2-x(n)|>Κ式中:K為調(diào)節(jié)系數(shù)。本濾波算法在原理上相當于先用判別式檢測某一點數(shù)值較其相鄰的前后2點數(shù)值的均值是否相差太大(判別式檢測靈敏度由參數(shù)K控制):如果判別式成立,就認為該點變化超出正常范圍,屬于噪聲引起的“毛刺奇異點”高頻干擾,故將該點的數(shù)值重置為相鄰2點的平均值,其作用等價于對相鄰前后2點做了一次插值;反之,如果判別式不成立,則認為該點數(shù)值正常,應保留原值,無需濾波處理。圖2和圖3是濾波前和濾波后的效果對比,該電壓突變量序列在1.0s和1.1s時分別發(fā)生空載合閘和匝間短路,故對應有2次突變時刻。圖2是一段未經(jīng)濾波的電壓突變量序列和與其對應的判據(jù)檢測突變時刻,可以看到突變量序列中的毛刺干擾使得判據(jù)錯誤地檢測出多個虛假突變時刻;而圖3為該突變量經(jīng)濾波后,判據(jù)不再受毛刺干擾,可以正確判斷突變時刻?？梢?濾波算法不但除去了多個毛刺尖峰干擾,而且完整地保留了空載合閘和發(fā)生匝間短路時突變量變化的暫態(tài)信息,是保證判據(jù)可靠工作的必要措施。3仿真模型的建立基于EMTDC電磁暫態(tài)仿真程序,建立了含110kV/35kV變壓器的系統(tǒng)仿真模型,并進行仿真實驗。其中,電源在110kV側(cè),變壓器為Y,d11接線,其中高壓側(cè)為Y接線,且中性點接地(見圖4)。為保證時差法的有效性,仿真實驗的采樣頻率為1kHz,即每周期20個點,每毫秒對應一個點。形成差流時,根據(jù)變壓器的連接組,做了相應的相位校正。其中u1表示Y側(cè)相電壓,id代表對應相的差流;u1′表示相電壓u1的一周期對應點突變量;id′表示差流id的一周期對應點突變量;t1和t2分別表示電壓和差流的突變狀態(tài),值為1時表示突變出現(xiàn),值為0時表示未檢測到突變,突變發(fā)生時刻以t1和t2的上升沿對應時刻為準。應用此模型對變壓器合閘和各類故障進行了仿真。限于篇幅,僅討論具有代表性的幾個算例。3.1電壓與差流突變量的仿真本算例是110kV/35kV三相變壓器的高壓端對電源空載合閘。圖5的上下兩波形分別對應相電壓和差流(以Y側(cè)的A相為例),本算例仿真的是正常變壓器的空載合閘。鐵芯剩磁設(shè)為40%,合閘角為0°,變壓器在1.0s時合閘,合閘后的電壓和勵磁涌流使得電壓和差流出現(xiàn)了突變量,應用一周期做差法,并濾波后獲得電壓和差流的突變量序列(見圖6);進一步,可以得到對應于圖6的突變量出現(xiàn)時刻(見圖7);根據(jù)圖7,電壓與差流的突變出現(xiàn)的時間差為4ms,高于鑒別門檻值,保護制動。本算例中,B相和C相的鐵芯也發(fā)生不同程度的飽和(其相關(guān)波形圖見附錄A圖A1~圖A6),其時差分別為4ms和6ms,均高于門檻值3ms;在后續(xù)的過程中,無論是電壓還是電流,都沒有出現(xiàn)二次變化,因此,發(fā)生飽和的ABC三相在全過程中,保護均安全制動。為了考察變壓器中性點接地對勵磁涌流延時特性的影響,將圖4中的中性點對地隔離,同樣進行了合閘試驗。圖8、圖9給出了其中一例的仿真波形。為節(jié)省篇幅,只給出了A相電壓、差流突變量及對應的時差。A相時差為6ms。B相、C相的情況類似,其時差分別為6ms和7ms。3.2故障保護應力本算例仿真的是對已存在內(nèi)部匝間短路故障的變壓器空載合閘。圖10為電壓和差流的突變量,圖11為2個參考量出現(xiàn)的時刻對比。本判據(jù)檢測出電壓和差電流突變量出現(xiàn)時差為0ms,可判定為區(qū)內(nèi)故障保護應予動作。因為本判據(jù)不依賴差流波形的整體特征,而是依據(jù)突變量出現(xiàn)的時間差,無需等待足夠的數(shù)據(jù)窗以獲得整體波形特征,故判據(jù)反應速度更快,而且也徹底避免了因在故障差流分量中疊加虛假差流引起二次諧波特征導致的誤判。3.3變壓器內(nèi)部故障轉(zhuǎn)移性故障(或稱發(fā)展性故障)是一種較為特殊的故障情形。本算例中,變壓器在1.0s時空載合閘(合閘角18°,剩磁30%),在1.1s時變壓器發(fā)生內(nèi)部故障(匝間短路)。附錄A圖A7為電壓和差流的突變量,圖A8為2個參考量出現(xiàn)的時刻對比。在1.0s附近,本判據(jù)檢測出突變量時差為5ms,判定其非內(nèi)部故障,因而閉鎖保護;當1.1s出現(xiàn)變壓器內(nèi)部故障時,如附錄A圖A8所示,本判據(jù)敏銳地檢測到了二次突變量,并確定兩者的時差為0ms,判為區(qū)內(nèi)故障,此時可立即解除閉鎖,允許保護動作?？梢?在保護因涌流而閉鎖期間,該判據(jù)依然能夠保證對繼發(fā)故障檢測的準確性和動作速度。3.4組參考量對比算例4模擬了變壓器空載情況下區(qū)內(nèi)相間短路故障。故障發(fā)生在4.0s。附錄A圖A9為電壓和差流的突變量,附錄A圖A10為2個參考量出現(xiàn)的時刻對比。由附錄A圖A10可知,根據(jù)本判據(jù),能夠檢測到電壓和差流的突變量時差為0ms,保護瞬時動作。3.5電壓和差流突變量的對比算例5模擬了變壓器在帶載運行時發(fā)生相間短路故障。附錄A圖A11為電壓和差流的突變量,附錄A圖A12為2個參考量出現(xiàn)的時刻對比。當發(fā)生故障后,電壓出現(xiàn)了明顯跌落,而差流上升到額定值的數(shù)倍,本判據(jù)檢測出電壓和差流突變量的時差為0ms,可瞬時將該故障判為內(nèi)部故障。3.6突變量計算本算例仿真了帶載運行時的變壓器發(fā)生匝間短路故障。附錄A圖A13為電壓和差流的突變量,附錄A圖A14為2個參考量出現(xiàn)的時刻。在故障出現(xiàn)時,電壓突變量突然跌落,而電流突變量突然上升,經(jīng)判據(jù)檢測突變發(fā)生時差為0ms,符合區(qū)內(nèi)故障時差特征,判為區(qū)內(nèi)故障,保護動作。通過對數(shù)百例各種典型條件下的空載合閘和內(nèi)部故障的情況進行仿真,驗證了本判據(jù)的有效性和快速性。4變壓器勵磁涌流故障識別原理本文利用了變壓器鐵芯飽和引起的虛假差流比內(nèi)部故障引起的故障電流要滯后一個時間差的現(xiàn)象,提出了一種基于相電壓和差流突