基于等效瞬時電感的變壓器快速等效故障分析方法

基于等效瞬時電感的變壓器快速等效故障分析方法

0勵磁涌流的識別縱差保護是目前運行能源裝置的主要保護。然而，據(jù)統(tǒng)計，1999年至2003年，曹氏夫婦間差異保護的平均正常操作率僅為73.51%，正確操作率較低。造成縱差保護誤動的原因是多方面的,其中由于變壓器縱差保護本身原理缺陷造成的保護不正確動作占有很大比重。變壓器縱差保護區(qū)內(nèi)不僅有電路還有磁路,因為勵磁電流部分是不可直接測量的,這就違反了縱差保護的理論基礎(chǔ)——基爾霍夫電流定律。變壓器在空載合閘或外部故障切除后電壓恢復(fù)時,由于變壓器鐵芯飽和的原因,在暫態(tài)過程中會出現(xiàn)很大的勵磁涌流。勵磁涌流流入縱差保護的差動回路,作為差動電流,如果沒有相應(yīng)的防范措施,差動保護很容易誤動,所以變壓器縱差保護面臨的最嚴(yán)重問題就是勵磁涌流。圍繞著如何防止勵磁涌流導(dǎo)致誤動的問題,已提出了多種勵磁涌流的鑒別方法。目前,現(xiàn)場主要采用二次諧波制動的方法防止勵磁涌流引起縱差保護誤動,但隨著變壓器制造技術(shù)的提高和制造材料的改善,現(xiàn)代變壓器的飽和磁密低,飽和時二次諧波成份顯著減小。在此條件下,當(dāng)給低飽和磁密的變壓器充電時,縱差保護可能會誤動。但如果將二次諧波比降低,對大型變壓器,由于其電壓等級高且常在端部接較長的輸電線,輸電線的電容效應(yīng)十分明顯,加之靜止無功補償?shù)拇笕萘侩娙萜鞯膹V泛使用,當(dāng)大型變壓器內(nèi)部發(fā)生嚴(yán)重故障時,由于電感與電容之間的諧振使短路電流中的諧波含量明顯增加,有可能引起縱差延時動作。雖然另外一種應(yīng)用較廣泛的間斷角原理的勵磁涌流鑒別方法不存在上述問題,但由于電流互感器飽和時,傳變到互感器二次側(cè)的勵磁涌流產(chǎn)生反向電流,波形變形,造成涌流的間斷角消失,要準(zhǔn)確地恢復(fù)原始間斷角并非易事。最近,基于等效瞬時勵磁電感變化的鑒別勵磁涌流的方法取得了突破。文獻利用勵磁電感的變化量大小識別勵磁涌流。文獻根據(jù)涌流時變壓器經(jīng)歷飽和與非飽和過程,瞬時勵磁電感是時變和交替變化的,具有較大的基頻分量;而內(nèi)部故障時,變壓器鐵芯工作于線性區(qū),瞬時勵磁電感恒為常數(shù),無基頻分量,實現(xiàn)勵磁涌流與內(nèi)部故障的判別。文獻在此基礎(chǔ)上進一步根據(jù)等效瞬時電感在勵磁涌流和內(nèi)部故障中變化程度的不同,利用等效瞬時電感的方差大小對兩者進行區(qū)分。但這兩種判別方法對判據(jù)的門檻值都沒能給出統(tǒng)一的整定標(biāo)準(zhǔn),存在難以整定的不足。文獻根據(jù)在差流出現(xiàn)間斷時,變壓器鐵芯沒有飽和,等效瞬時勵磁電感值較大;而匝間短路時,等效瞬時電感較小,計算出對應(yīng)電流采樣值接近零部分的等效瞬時電感平均值,選取穩(wěn)態(tài)時等效瞬時勵磁電感值的30%作為門檻值,大于此門檻值為勵磁涌流,小于此門檻值為匝間短路。但從本文的試驗可以看出,按此整定值在空載合閘時此門檻值作為統(tǒng)一的整定標(biāo)準(zhǔn)是不合理的,電感的門檻值選取過高容易誤動。在文獻[9～11]基礎(chǔ)上,本文詳細分析了在由差流大小劃分變壓器運行的飽和區(qū)與非飽和區(qū)內(nèi)等效瞬時電感的變化范圍及特點,根據(jù)非飽和區(qū)內(nèi)等效瞬時電感平均值的大小識別勵磁涌流與短路故障。經(jīng)過理論分析,合理地確定電感門檻值的選取范圍,使判據(jù)對勵磁涌流可靠閉鎖,對短路故障正確開放,達到原理簡單、判別可靠的目的。1等效時效規(guī)范圖1是變壓器等效瞬時電感的分析電路。圖中u1,i1分別為原邊繞組電壓和電流;u2′,i2′分別為折算后的副邊繞組電壓和電流;im為勵磁電流;Lsδ為折算后的短路繞組漏感;r1和L1δ分別為原邊繞組電阻和漏感;r2′和L2δ′分別為折算后的副邊繞組電阻和漏感。當(dāng)開關(guān)K合上時,表示變壓器發(fā)生匝間短路故障,將短路部分看作第三繞組,相當(dāng)于1臺三繞組變壓器在第三繞組發(fā)生短路。忽略勵磁繞組電阻和短路繞組電阻,原邊方程為由于原邊繞組電阻與漏感非常小,副邊的負載電流在其上的壓降相對較小,所以若將它們忽略,并定義原、副邊差流△i=i1+i2′,則式(1)可以近似為此時定義變壓器內(nèi)部故障時的等效瞬時電感:其含義為:引入差流的概念后,從原邊繞組看進去的基于原邊電壓及原、副邊差流的瞬時電感由兩部分構(gòu)成,一部分為瞬時勵磁電感與短路繞組漏感的并聯(lián),另一部分為原邊繞組漏感,兩者之和即為內(nèi)部故障時的等效瞬時電感。當(dāng)開關(guān)K打開(Lsδ=∞)時,變壓器無故障。若i2′=0,表示變壓器空載運行或空載合閘;若i2′≠0,表示變壓器正常帶負載運行,原邊方程近似為此時定義變壓器無故障時的等效瞬時電感:其含義為:從原邊繞組端口看進去的瞬時電感也由兩部分組成,一部分為原邊漏電感,另一部分為瞬時勵磁電感,兩者之和即為無故障時的等效瞬時電感。下面進一步分析按上述定義的變壓器等效瞬時電感在不同工況下的變化特點及范圍。當(dāng)變壓器正常(空載或帶負載)運行,沒有短路故障發(fā)生時,由式(4)可知,此時的等效瞬時電感為原邊的漏感與瞬時勵磁電感之和,因為變壓器在非飽和線性區(qū)的瞬時勵磁電感遠大于原邊漏感,所以此時等效瞬時電感也遠大于原邊的漏感。當(dāng)變壓器空載合閘時,若其磁鏈存在較大的非周期分量,由于變壓器鐵芯的飽和特性,將會產(chǎn)生較大的勵磁涌流。隨著磁鏈的變化,變壓器由非飽和區(qū)進入到飽和區(qū),再由飽和區(qū)退出到非飽和區(qū),隨著磁鏈的不斷衰減,涌流逐漸減小,直到達到穩(wěn)態(tài)勵磁電流的狀態(tài)。在飽和區(qū)時,由于飽和變壓器的勵磁電感很小,由式(4)可知,這時等效瞬時電感將很小;而在非飽和線性區(qū)時,變壓器的勵磁電感很大,這時等效瞬時電感也將很大,與正常運行時一致。變壓器在正常運行中發(fā)生短路故障時,故障相一直運行在非飽和狀態(tài)。由式(3)可知,盡管勵磁電感很大,但由于短路繞組的漏電感很小,其與瞬時勵磁電感并聯(lián)后,還近似等于短路繞組的漏電感,此時等效瞬時電感約為原邊繞組的漏感與短路繞組的漏電感之和。由于短路繞組的漏電感小于原邊繞組健全時的漏電感,所以等效瞬時電感不大于2倍的原邊繞組漏感。當(dāng)變壓器帶故障空載合閘時,最嚴(yán)重的情況是故障相發(fā)生涌流,在發(fā)生涌流的飽和區(qū),勵磁電感很小,極限情況變壓器的勵磁電感為零,這時等效瞬時電感不大于原邊繞組的漏電感;在退出飽和的線性區(qū)域,同正常運行發(fā)生短路故障一致,等效瞬時電感不大于2倍的原邊繞組漏感。表1是不同運行工況下變壓器等效瞬時電感在飽和與非飽和區(qū)內(nèi)變化的特點。2等效時效規(guī)范綜合以上分析,在飽和區(qū)無論變壓器有無故障,等效瞬時電感都較小,利用此區(qū)域內(nèi)等效瞬時電感的大小無法判斷變壓器的狀態(tài)。而在非飽和區(qū)域,無故障變壓器的等效勵磁電感很大,有故障變壓器的等效瞬時電感很小,這樣在此區(qū)域內(nèi)利用等效瞬時電感的大小就能夠簡便地區(qū)分涌流與故障。變壓器的非飽和區(qū)可通過差流的大小判斷。下面介紹具體鑒別判據(jù)。a.由電流突變啟動。計算各相電流的突變量為采樣點序號,M為每周期采樣點數(shù)。若某相電流突變量△i>0.2IN,IN為變壓器額定電流,則經(jīng)20ms延時采滿一個周期數(shù)據(jù)后,進行等效瞬時電感的計算。b.根據(jù)差流門檻ith確定非飽和區(qū)。因為一般電力變壓器在額定電壓時,空載電流約為額定電流的2%～10%,負載時激磁電流與空載電流相差很小,可近似認為相等,故取差流門檻一個周期內(nèi)差流id在-ith<id<ith范圍內(nèi)時為非飽和區(qū)。c.計算非飽和區(qū)內(nèi)等效瞬時電感絕對值的平均值Lav。按照文獻計算等效瞬時電感:式中k為采樣點序號;T為采樣周期;u為變壓器的原邊相電壓;id為差流。計算非飽和區(qū)內(nèi)各采樣點的等效瞬時電感后,再計算它們絕對值的平均值Lav。需注意的是,為避免三角側(cè)環(huán)流的影響,差流通過測量各側(cè)相電流計算。d.鑒別勵磁涌流與短路故障。若某相非飽和區(qū)內(nèi)等效瞬時電感絕對值的平均值Lav>Lth,則為勵磁涌流;若平均值Lav<Lth,則為短路故障,Lth為鑒別勵磁涌流與短路故障的等效瞬時電感平均值的門檻值。上面已經(jīng)分析,發(fā)生勵磁涌流過程中,每個周期的非飽和區(qū)內(nèi)等效瞬時電感為原邊漏感加勵磁電感,由于勵磁電感遠大于原邊漏感,所以此時的等效瞬時電感也遠大于原邊漏感。發(fā)生短路故障過程中,等效瞬時電感不大于2倍的原邊漏感,按變壓器原、副邊的漏感近似相同處理,即不大于變壓器的漏感。進一步考慮公式簡化和實際計算誤差,以及判據(jù)的可靠性裕度,選擇Lth=2.5Lδ(Lδ為變壓器的漏感)就能可靠地鑒別勵磁涌流與短路故障?？紤]到變壓器區(qū)外短路故障時,計算的等效瞬時電感也很小且基本不變化,以上鑒別判據(jù)需要與差動保護配合使用。在差動保護判據(jù)滿足保護準(zhǔn)備出口前,檢驗非飽和區(qū)內(nèi)等效瞬時電感平均值大小,若滿足Lav<Lth,則開放保護;若滿足Lav>Lth,則閉鎖保護,以區(qū)分正常運行、空載合閘、區(qū)內(nèi)故障和區(qū)外故障等情況,使保護執(zhí)行正確的動作行為。3電流變壓器特性為驗證以上鑒別方法的正確性和可靠性,在許繼動模實驗室Y0/△-11三單相變壓器組上做了多次空載合閘、帶匝間故障空載合閘、運行中匝間短路故障等試驗。在清華大學(xué)電機實驗室Y0/△-11三單相變壓器組上做了空載合閘時電流互感器飽和試驗。錄取試驗中的波形,離線進行分析,分析中采樣頻率為1200Hz。許繼單相變壓器參數(shù):額定容量10kV·A,高壓側(cè)額定電壓低壓側(cè)額定電壓為400V,高壓側(cè)額定電流17.3A,空載損耗92W,空載電流1.635%,短路損耗0.27%,短路電壓19%,穩(wěn)態(tài)勵磁電感為5.37H,漏電感為0.02H。清華單相變壓器參數(shù):額定容量1kV·A,高壓側(cè)額定電壓220V,低壓側(cè)額定電壓為110V,高壓側(cè)額定電流4.55A,空載電流9.38%,短路電壓5.7%,漏電感為0.0088H。3.1穩(wěn)態(tài)時等效發(fā)生率是否穩(wěn)定圖2是變壓器空載合閘產(chǎn)生勵磁涌流時,2種不同整定原則的基于等效瞬時電感鑒別勵磁涌流方法的判斷結(jié)果比較。圖2(a)是三相電壓和差流波形,可以看出,A相勵磁涌流最大,飽和最嚴(yán)重。圖2(b)是按本文的非飽和區(qū)劃分標(biāo)準(zhǔn)計算的各相非飽和區(qū)內(nèi)等效瞬時電感平均值,各相非飽和區(qū)域等效瞬時電感平均值遠大于門檻值0.05H,盡管差流很大,但縱差保護可靠不會動作。圖2(c)是文獻中的基于非飽和區(qū)等效瞬時電感平均值判斷方法的計算結(jié)果,按原文獻取故障后每個周期的基波最大值的20%作為區(qū)分飽和與非飽和的電流門檻值,勵磁電感門檻值選為穩(wěn)態(tài)時等效瞬時勵磁電感的30%(1.61H)?？梢钥闯?A相在故障后的一個周期之后計算的非飽和區(qū)(差流小于門檻值)的等效瞬時電感平均值小于1.5H,所以誤判斷為短路故障,而A相差流很大,將導(dǎo)致A相縱差保護誤動。B相和C相可以識別為勵磁涌流。文獻中的方法有誤動,原因在于當(dāng)勵磁涌流較大時,非飽和區(qū)的電流門檻過高降低了實際非飽和區(qū)勵磁電感的平均值,在這種情況下,加之等效瞬時勵磁電感的門檻值取得較大,所以可能導(dǎo)致在空投過程中誤動。而本文方法中區(qū)分飽和區(qū)與非飽和區(qū)的差流門檻值較低,能夠更準(zhǔn)確地捕捉非飽和區(qū),并且等效瞬時勵磁電感的門檻值取得較低,因此判據(jù)能夠可靠識別勵磁涌流。3.2等效發(fā)生率過錯識別圖3是變壓器空載合閘于A相匝間短路故障(2.64%)。由圖3(a)中差流波形和大小可以看出,A相雖為故障相,但具有很大的勵磁涌流;B相和C相勵磁涌流較小。由圖3(b)本文方法的計算結(jié)果可以看出,A相非飽和區(qū)內(nèi)等效瞬時電感的平均值小于門檻值0.05H,能夠正確地判斷為短路故障,識別速度很快。B相和C相非飽和區(qū)內(nèi)等效瞬時電感的平均值遠大于該門檻值,正確地判斷為勵磁涌流。因此,本文的判據(jù)能夠正確識別短路故障,開放縱差保護;能夠正確識別勵磁涌流,可以實現(xiàn)分相閉鎖縱差保護,加快保護的動作速度。圖3(c)為二次諧波制動判據(jù)的結(jié)果分析,其中A,B,C相諧波比δA,δB,δC為本相差流中二次諧波與基波的比值,綜合諧波比δ為各相差流中的二次諧波最大值與基波最大值的比值,可以看出,按通常二次諧波制動比取0.2,故障A相的二次諧波比和綜合諧波比都大于0.2,按這2種二次諧波閉鎖方式,差動保護都將被閉鎖,保護將拒動。3.3等效戰(zhàn)時電弧圖4是變壓器正常運行時發(fā)生A相匝間短路故障(2.2%),由圖4(a)中的差流可以看出,A相差流較大,啟動判據(jù)滿足。由圖4(b)中計算的等效瞬時電感可以看出,A相非飽和區(qū)內(nèi)等效瞬時電感的平均值小于門檻值0.05H,開放縱差保護,縱差判據(jù)滿足則保護動作。而B相和C相由于差流很小,啟動判據(jù)不滿足,不計算等效瞬時電感,縱差保護也不會動作。3.4等效戰(zhàn)時規(guī)范計算的相間環(huán)境壓力圖5是在變壓器空載合閘下電流互感器發(fā)生飽和時本文方法的鑒別結(jié)果。圖5(a)中給出了高壓側(cè)的各相電流,其中實線是由電流互感器(可能飽和)測量的電流,虛線是由采樣電阻(不會飽和)測量的電流。可看出,A相由電流互感器和采樣電阻測量的電流一樣,A相電流互感器沒有飽和,由A相電流的波形可以看出是對稱勵磁涌流;而B相和C相電流由電流互感器和采樣電阻測量的電流相差較大,由電流互感器測量的電流由較大值迅速降為零,并且在于涌流相反的方向上有反方向充電電流產(chǎn)生,B相和C相電流互感器飽和。圖5(b)為各相電壓和由電流互感器測得的差流波形。圖5(c)為本文方法計算的各相非飽和區(qū)內(nèi)等效瞬時電感平均值的變化,可以看出它們均大于門檻值0.022H,能可靠地閉鎖縱差保護判據(jù),不會發(fā)生誤動。這是因為,雖然在電流互感器飽和的反充電電流增大過程中計算的等效瞬時電感較小,但在充電電流衰減過程中計算的等效瞬時電感較大,足以反映變壓器退出飽和的性質(zhì)。因此,基于非飽和區(qū)等效瞬時電感平均值鑒別