張 昕， 陳 鵬， 余 平， 王 貴， 朱 猛

(雅礱江流域水電開發(fā)有限公司集控中心，四川 成都 610051)

0 引 言

隨著電網(wǎng)容量和規(guī)模的擴大，大容量變壓器在電力系統(tǒng)中的作用日顯突出，電力用戶對其安全穩(wěn)定運行和可靠供電提出了越來越高的要求。差動保護作為電力變壓器的主保護，隨著科技水平的不斷提高相關(guān)保護理論得到了不斷的發(fā)展，在工程實踐中也得到了較好的驗證。而根據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計[1]，變壓器匝間短路占電力系統(tǒng)中大型變壓器故障的50%～60%。匝間短路時的一個典型特點是：短路電流可達額定電流的數(shù)十倍，但三相線電流并未顯著增大[2]。由于外部短路電流等因數(shù)的影響，變壓器三相不平衡電流較大，一般情況下，變壓器差動保護的整定值都設(shè)定較高，不能靈敏反映匝間故障[3]。而傳統(tǒng)的反映變壓器內(nèi)部故障的瓦斯保護，無法在故障發(fā)生的初期做出快速準確的判斷，往往保護動作時變壓器內(nèi)部故障已經(jīng)發(fā)展到相當嚴重的程度，對變壓器的安全穩(wěn)定運行造成了不利影響。因此，有必要針對變壓器匝間短路故障研究出一種更實用快速準確的保護方法。

本文通過在PSCAD/EMTDC中建立電力變壓器典型內(nèi)部匝間短路故障模型，通過Db小波函數(shù)研究電流波形數(shù)據(jù)從而獲取準確鑒別內(nèi)部匝間短路故障的判據(jù)和算法。

2 仿真分析

本文采用PSCAD/EMTDC軟件進行仿真研究。該軟件具有精確的元件模型、方便的數(shù)據(jù)輸入方式及強大的分析功能，主要用來研究電力系統(tǒng)的暫態(tài)過程，是系統(tǒng)分析和工程研究的有力工具。該軟件包由PSCAD(Power System ComputerAdded Design)和 EMTDC(Electromagnetic Transient Including DC)兩部分軟件組成，其典型應用是計算電力系統(tǒng)遭受擾動或者參數(shù)發(fā)生變化時，電信號隨時間參數(shù)發(fā)生變化的規(guī)律。特別是軟件包含的基于中心幾何學建立的UMEC變壓器模型，不僅考慮到同相繞組之間的耦合作用，還考慮到不同相繞組間的耦合作用。UMEC模型通過充分利用插值法，以分段的線性U-I曲線來描述鐵芯飽和特性，在實時計算時特別是變壓器鐵芯飽和的情況下可以獲得精確的結(jié)果。

由于電力系統(tǒng)故障的發(fā)生總是會導致相關(guān)信號的奇異性產(chǎn)生，因此，分析信號的奇異性可以確定故障發(fā)生的時間和原因。而信號突變點(邊緣)檢測是小波變換應用的一個重要方面。由小波分析理論可知，信號的突變點在小波變換域常對應于小波變換系數(shù)模的極值點或過零點，并且信號奇異性的大小同小波變換系數(shù)的極值隨尺度的變化規(guī)律相互對應。

通過綜合考慮，仿真所得數(shù)據(jù)采用MATLAB小波工具包中的Db小波函數(shù)進行處理，選用分解尺度為5，以特征較為明顯的第3尺度下模極大值作為判斷依據(jù)，原始信號S=d1+d2+d3+d4+d5+a5,d1至d5分別為第一至第五尺度的高頻細節(jié)部分，a5為第五尺度下的低頻粗糙部分。

圖1為仿真變壓器匝間短路故障的模型，簡要說明如下：

圖1 匝間短路故障仿真模型

(1)變壓器主要參數(shù)為100.0 MVA，YNd11，110/35。采用三個單相變壓器進行建模。

(2)由于變壓器發(fā)生內(nèi)部匝間故障時電流變化值一般很小，以至傳統(tǒng)的繼電保護裝置無法及時監(jiān)測到故障信號，考慮到發(fā)生小匝數(shù)的匝間短路時，所引起的變比變化不明顯，因此，設(shè)置極端的情況下對保護方案的檢驗，在匝間短路模型中設(shè)定A相發(fā)生匝間短路，短路匝數(shù)為總匝數(shù)的2%。按照參考文獻[4]中的思路，一臺雙繞組變壓器發(fā)生匝間短路時，可以把短路部分看作第三繞組，這就相當于一臺三繞組變壓器在第三繞組發(fā)生短路，匝間短路模型設(shè)計如圖1所示。

(3)PSCAD/EMTDC中對原始電流信號每工頻周期采樣200點，即采樣頻率為10 kHz。MATLAB中設(shè)定在0.2S時發(fā)生故障，對一、二次側(cè)采樣電流一工頻周期時間內(nèi)的信號數(shù)據(jù)進行小波分析。

圖2、3、4分別為A相發(fā)生匝間短路故障后A、B、C三相一、二次側(cè)電流經(jīng)小波變換后的波形。

圖2 A相匝間短路時，A相一、二次側(cè)電流小波變換

圖3 A相匝間短路時，B相一、二次側(cè)電流小波變換

圖4 A相匝間短路時，C相一、二次側(cè)電流小波變換

由以上波形可以看出：A相在故障發(fā)生后的一工頻周期時間范圍內(nèi)的模極大值對應或者接近于于故障發(fā)生時刻，并且一、二次側(cè)的模極大值符號相反且絕對值分別為0.0065和0.00679；B相一、二次側(cè)在故障發(fā)生后的一工頻周期時間范圍內(nèi)的模極大值符號相反且絕對值分別為0.002736和0.0006036；C相一、二次側(cè)在故障發(fā)生后的一工頻周期時間范圍內(nèi)的模極大值符號相反且絕對值分別為0.00287和0.00638。

上述仿真研究是直接對一、二次側(cè)電流進行信號采樣分析，但實際工程運用中往往是通過電流互感器將信號進行轉(zhuǎn)化并接入保護回路進行數(shù)據(jù)分析，通常我們會假定電流互感器是線性傳變信號的，但實際運用中電流互感器存在著磁飽和問題。對于電壓等級較低的電網(wǎng)，一般只要有所注意，保護裝置適應電流互感器的飽和并無太大困難。但在較高等級電壓的電網(wǎng)中，考慮到故障電流初始值中含有的直流分量，若要滿足快速保護對電流互感器過渡過程飽和時的要求就要復雜困難得多。

實際上，由于電流互感器只能在故障發(fā)生一定時間之后才會飽和，這一時間段至少有四分之一個周期[5]。而仿真數(shù)據(jù)結(jié)果表明，在一個工頻周期內(nèi)，所需要進行分析判斷的模極大值部分均在1/4周期內(nèi)，因此可以認為分析數(shù)據(jù)基本不受電流互感器飽和的影響。

3 保護方法設(shè)計

上述仿真研究結(jié)果表明：對于匝間短路故障情況，故障發(fā)生相一二次側(cè)對應的模極大值點的幅值其正負性是相反的，若采用適當?shù)拈T檻值，將模極大值過小的點歸結(jié)為零，則可以認為非故障相兩側(cè)的模極大值點總是有存在為零的情況。

對應于本文的研究內(nèi)容，可設(shè)定門檻值K為0.003，絕對值小于該門檻值的模極大值均設(shè)定為零。表1是將仿真所得到的數(shù)據(jù)處理后的結(jié)果?？梢钥闯霎敯l(fā)生故障時，故障相一、二次側(cè)電流信號模極大值電流幅值符號相反，而正常相的乘積則為零。因此，不但可以依據(jù)其乘積的符號對故障的發(fā)生做出判斷并且可以進一步判斷出故障所在相。

表1 匝間短路故障時小波變換模極大值點電流幅值

綜上所述，所設(shè)計的判據(jù)如下：

假設(shè)變壓器差動保護回路分別在三相各自獨立判斷，I1(t)、I2(t)分別為采樣區(qū)間內(nèi)某相一、二次側(cè)電流小波變換模極大值點的幅值，設(shè)K為門檻值且K=0.003，若

|I1(t)|

(1)

|I2(t)|

(2)

有：

S=I1(t)×I2(t)

(3)

若數(shù)據(jù)運算后S<0，保護回路發(fā)出信號“1”；若小波變換后某相一次或二次側(cè)電流幅值的絕對值低于門檻值K則S=0，保護回路發(fā)出信號“0”。將三相各自一二次側(cè)電流數(shù)據(jù)計算后發(fā)出的“0”和“1”進行“或”運算，若結(jié)果為“1”則保護裝置發(fā)出變壓器跳閘信號，并根據(jù)各相反饋回的“0”“1”信號判斷故障具體發(fā)生在哪一相。若“或”運算結(jié)果為“0”，保護裝置則繼續(xù)對采樣信號進行分析判斷。

4 結(jié) 語

考慮到工程應用環(huán)境的復雜，在實際應用中還需不斷完善判據(jù)。若門檻值K選取過高，有可能使得輕微故障情況下僅憑判斷S的數(shù)值并不能做到足夠準確的判斷，甚至會導致拒動情況發(fā)生。同時在對電流信號的分析處理過程中也存在著電流信號波動干擾導致的誤判可能，因此，該判據(jù)的具體設(shè)定還需要在實際工作中不斷總結(jié)歸納以取得更合理的設(shè)置?？傮w來說，該方法計算簡單，所用數(shù)據(jù)量較少，能在匝間短路故障發(fā)生初期就做出快速準確判斷，具有一定的可行性和實用性。

參考文獻：

[1] 尹項根. 電力系統(tǒng)繼電保護原理與應用[M]. 武漢:華中科技大學出版社, 2001.

[2] 李秀國. 變壓器匝間短路故障的分析與處理[J]. 山東電力技術(shù), 2009(6): 28-29.

[3] 王維儉. 發(fā)電機變壓器繼電保護應用[M]. 北京:中國電力出版社, 2005.

[4] 王維儉,侯炳蘊.大型機組繼電保護理論基礎(chǔ)[M].北京:水利電力出版社，1982.

[5] KEZUNOVIC, M, KOJOVIC, L. Experimental Evaluation of EMTP-based Current Transformer Models for Protective Relay Transient Study. IEEE Transactions on, 1994, 9(1): 405-413.