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        考慮次諧波條件下變壓器過勵(lì)磁保護(hù)判據(jù)研究

        2014-05-28 09:16:12何澤勇
        電氣開關(guān) 2014年3期
        關(guān)鍵詞:基波鐵芯倍數(shù)

        何澤勇

        (湖南省電力公司邵陽新邵電力局,湖南 邵陽 422900)

        1 引言

        變壓器在運(yùn)行過程中受到頻率降低或者電壓升高的影響會(huì)處于過勵(lì)磁的運(yùn)行狀態(tài),此時(shí)的變壓器會(huì)出現(xiàn)鐵芯飽和,勵(lì)磁電流急劇增加,產(chǎn)生高次諧波,進(jìn)而使變壓器鐵芯損耗增大,溫度升高。除此之外,變壓器鐵芯飽和后,漏磁通也會(huì)增加,會(huì)在油箱壁、導(dǎo)線以及其他構(gòu)件中產(chǎn)生渦流,引起局部過熱,嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成鐵芯變形及損傷介質(zhì)絕緣。所以,大型、超高壓變壓器一般會(huì)設(shè)置變壓器過勵(lì)磁保護(hù)來保證其安全運(yùn)行[1]。目前國內(nèi)所采用的過勵(lì)磁保護(hù)原理僅考慮了過勵(lì)磁倍數(shù)n,即變壓器的運(yùn)行電壓和頻率的比值作為過勵(lì)磁保護(hù)的判據(jù)。過勵(lì)磁保護(hù)裝置在采樣過程中并未考慮次諧波的因素,而實(shí)際上電力系統(tǒng)中的次諧波會(huì)對(duì)變壓器的鐵芯磁飽和產(chǎn)生重要影響,體現(xiàn)在過勵(lì)磁倍數(shù)n上就是該數(shù)值增加。因此忽略了次諧波影響的過勵(lì)磁保護(hù)顯然是不完整的,有必要在勵(lì)磁保護(hù)中添加次諧波影響的因素。

        2 目前變壓器過勵(lì)磁保護(hù)工作原理

        2.1 變壓器過勵(lì)磁的原因

        運(yùn)行中的變壓器若不計(jì)及漏磁阻抗的壓降,那么鐵芯中的磁感強(qiáng)度Bm與外加電壓U的大小成正比,與電網(wǎng)頻率f成反比,即

        式中:N—變壓器一次繞組匝數(shù);S—鐵芯截面積。

        由式(1)可得,變壓器鐵心中磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm為

        由式(2)可知,Bm的大小由U/f來決定。當(dāng)電網(wǎng)電壓升高或者頻率降低時(shí),都會(huì)引起B(yǎng)m的增加。電力變壓器的鐵芯一般采用冷軋硅鋼片疊成,在額定運(yùn)行狀態(tài)下鐵芯的磁感應(yīng)強(qiáng)度為1.7~1.8T,而其飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度為1.9~2.0T,兩者已非常接近。當(dāng)U/f增加時(shí),勵(lì)磁電流iμ鐵芯中的Φm增加,鐵芯很容易處于飽和狀態(tài),而鐵芯飽和后很容易勵(lì)磁電流iμ會(huì)急劇增加,因此變壓器將處于過勵(lì)磁狀態(tài)[1]。

        2.2 過勵(lì)磁保護(hù)的原理

        目前變壓器過勵(lì)磁保護(hù)中主要將過勵(lì)磁倍數(shù)n作為判據(jù),即

        B、Be—變壓器運(yùn)行時(shí)的實(shí)際磁密、額定工作磁密;U、f—變壓器運(yùn)行時(shí)的實(shí)際電壓、頻率;Ue、fe—變壓器運(yùn)行時(shí)的額定電壓、頻率;U*、f*—變壓器運(yùn)行時(shí)的電壓和頻率的標(biāo)幺值。

        通過計(jì)算n值,可知變壓器的運(yùn)行狀態(tài),n越大,對(duì)變壓器的危害也越大。

        2.3 過勵(lì)磁倍數(shù)n的測(cè)量原理

        目前的微機(jī)型電壓器保護(hù)裝置計(jì)算加在變壓器上的電壓U和頻率f后,直接用公式計(jì)算出過勵(lì)磁倍數(shù)n??紤]到過勵(lì)磁對(duì)變壓器的危害主要表現(xiàn)為變壓器發(fā)熱增加,溫度升高。而變壓器發(fā)熱溫升是一個(gè)積累的過程,所以它不僅與當(dāng)前過勵(lì)磁倍數(shù)有關(guān),還與歷史上過勵(lì)磁倍數(shù)有關(guān)。因此勵(lì)磁倍數(shù)均采用均方根計(jì)算方法來求取。計(jì)算公式如式(4)。

        式中:T—從過勵(lì)磁開始到當(dāng)前計(jì)算時(shí)刻的時(shí)間;n(t)—每一時(shí)刻按式(3)計(jì)算得到的過勵(lì)磁倍數(shù),為時(shí)間函數(shù)。

        按式(4)算得到的過勵(lì)磁倍數(shù)包含了從過勵(lì)磁開始到當(dāng)前為止所有的過勵(lì)磁信息,反映的是發(fā)熱的積累過程及程度[1]。

        此外,過勵(lì)磁保護(hù)分為定時(shí)限和反時(shí)限兩種形式,但與本文的核心內(nèi)容無關(guān),此處不作詳細(xì)論述。

        3 次諧波對(duì)變壓器過勵(lì)磁保護(hù)的影響

        電力負(fù)載中如有軋機(jī)和電弧爐則會(huì)產(chǎn)生低于電網(wǎng)50Hz基波頻率的次諧波[2],而這類次諧波會(huì)對(duì)電力電力變壓器的過勵(lì)磁產(chǎn)生影響,具體表現(xiàn)為勵(lì)磁倍數(shù)的增加。然而,由于次諧波的頻率低于工頻,因此目前的微機(jī)保護(hù)采樣時(shí)一般采樣不到次諧波信號(hào)。也就是說目前的變壓器過勵(lì)磁保護(hù)忽略了次諧波的影響。由上節(jié)內(nèi)容提到,過勵(lì)磁的主要危害是變壓器發(fā)熱,而這種發(fā)熱又是一個(gè)時(shí)間積累的過程,若是系統(tǒng)中的次諧波含量較高,持續(xù)時(shí)間很長,那么其對(duì)變壓器的熱效應(yīng)就不能忽略了。因此,當(dāng)系統(tǒng)中次諧波含量較多時(shí)現(xiàn)有的變壓器過勵(lì)磁保護(hù)不能有效的對(duì)變壓器進(jìn)行保護(hù)。

        4 本文所提出的變壓器過勵(lì)磁判據(jù)

        4.1 次諧波的提取

        由于次諧波的頻率低于工頻50Hz,因此現(xiàn)有的微機(jī)保護(hù)裝置采用FFT(快速傅里葉)算法時(shí)很進(jìn)行采樣時(shí)會(huì)存在“頻譜泄漏”和“柵欄效應(yīng)”,對(duì)次諧波的采樣誤差非常大[2]。文獻(xiàn)[3]提出了一種基于廣義dkqk坐標(biāo)變換間諧波檢測(cè)算法。該算法通過對(duì)待檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行倍頻,從而提高了次諧波的檢測(cè)分辨率,從而減小了存在的“頻譜泄漏”和“柵欄效應(yīng)”,例如,若系統(tǒng)中存在25Hz、10Hz即0.5次、0.2次的諧波,若采用FFT算法則頻率側(cè)漏效應(yīng)很明顯,要計(jì)算出相應(yīng)的0.5次和0.2次的諧波很困難。但通過信號(hào)倍頻后,信號(hào)中的0.5次諧波和0.2次諧波變成了5次諧波和2次諧波,因此只需將5次諧波與2次諧波檢測(cè)出來并還原便能計(jì)算出0.5次和0.2次諧波。

        4.2 考慮次諧波影響的變壓器過勵(lì)磁保護(hù)判據(jù)

        本文通過上節(jié)內(nèi)容所述算法分析電力系統(tǒng)中的次諧波的THD值,其中THD為以基波分量百分?jǐn)?shù)表示的諧波有效值[3](r.m.s),即式(5)所示:

        式中:Vn為n次次諧波的電壓有效值;N是所考慮的次諧波的最高次數(shù);V1是基波相電壓有效值[4,5]。

        計(jì)算出次諧波的THD值后再根據(jù)式(3)、(4)進(jìn)行詳細(xì)的分析計(jì)算,得出勵(lì)磁倍數(shù)N,并將此作為過勵(lì)磁的判據(jù),計(jì)算公式如式(6)、(7)所示。

        式(6)中nn為第n次次諧波的勵(lì)磁倍數(shù);fn為第n次次諧波的頻率;xn為第n次次諧波的所占基波信號(hào)的百分比。

        式(7)中nn(t)為每一時(shí)刻按式(6)計(jì)算得到的過勵(lì)磁倍數(shù),為時(shí)間函數(shù)。Tn為第n次次諧波在Tn時(shí)間內(nèi)的熱效應(yīng)。

        通過式(7)計(jì)算出的值N,作為過勵(lì)磁保護(hù)的動(dòng)作判據(jù),能有效反應(yīng)次諧波對(duì)變壓器過勵(lì)磁的影響,提高了過勵(lì)磁保護(hù)的準(zhǔn)確性。

        5 結(jié)論

        本文通過分析現(xiàn)有的變壓器過勵(lì)磁保護(hù)原理以及次諧波對(duì)變壓器過勵(lì)磁的影響,指出目前的過勵(lì)磁保護(hù)不能反應(yīng)次諧波對(duì)變壓器過勵(lì)磁的影響。為解決該問題,首先分析電力系統(tǒng)采樣信號(hào)中各個(gè)次諧波所占基波的百分比;在此基礎(chǔ)上分別計(jì)算各個(gè)次諧波的勵(lì)磁倍數(shù);最后計(jì)算該勵(lì)磁倍數(shù)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間函數(shù)在作用時(shí)間內(nèi)的熱效應(yīng),得出一個(gè)最終勵(lì)磁倍數(shù),作為勵(lì)磁保護(hù)的判據(jù)。該判據(jù)能有效反應(yīng)次諧波對(duì)變壓器鐵芯發(fā)熱的影響,提高了勵(lì)磁保護(hù)的準(zhǔn)確性。

        [1]支葉青.國家電網(wǎng)公司生產(chǎn)技能人員職業(yè)能力培訓(xùn)專用教材:繼電保護(hù)[M].北京:中國電力出版社,2010.

        [2]張波,易頌文,何曉敏.基于廣義旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換的諧波電流檢測(cè)方法[J].電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào),2001(13):25 -27.

        [3]謝銳凱,張波,陳良剛.整數(shù)次諧波、間諧波綜合檢測(cè)原理和裝置[J].電氣應(yīng)用,2007,26(10):84 -87.

        [4]王維儉.電氣技術(shù)主設(shè)備繼電保護(hù)原理與應(yīng)用[M].北京:中國電力出版社,1996.

        [5]錢昊,趙榮祥.基于插值FFT算法的間諧波分析[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2005,25(21).

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