羅維求 張曉惠

1.福建省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院 福建 福州 350003；

2.福州大學(xué)至城學(xué)院 福建 福州 350002

0 引言

變壓器是電力系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，其穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要，因?yàn)橐坏┳儔浩靼l(fā)生故障，將導(dǎo)致該變壓器所連接的大面積的停電事故。同時(shí)，如果變壓器發(fā)生故障而損壞時(shí)，不僅造成大面積停電，而且維修或替換費(fèi)用非常昂貴，這就對(duì)變壓器主保護(hù)提出了很高的要求。而傳統(tǒng)的變壓器保護(hù)主要采用差動(dòng)保護(hù)的方法，這種方法主要好處在于簡(jiǎn)單有效，因此，當(dāng)今的各種變壓器保護(hù)中，這種方法仍然廣泛被應(yīng)用，但這種方法也存在一個(gè)致命的缺陷，那就是無法辨別變壓器的內(nèi)外故障以及變壓器空載合閘時(shí)產(chǎn)生的勵(lì)磁涌流，從而加大了變壓器跳閘的頻率。

在目前的變壓器保護(hù)中，主要采用間斷角原理以及二次諧波制動(dòng)原理來識(shí)別勵(lì)磁涌流與故障電流，但這兩個(gè)方法都有很大的局限性，對(duì)于二次諧波制動(dòng)原理，不僅在線圈內(nèi)部出現(xiàn)不對(duì)稱故障時(shí)，尤其在變壓器旁邊有無功補(bǔ)償裝置時(shí)，會(huì)在故障電流中產(chǎn)生較大的二次諧波，從而使變壓器保護(hù)動(dòng)作延時(shí)。而對(duì)于間斷角原理也會(huì)由于電流互感器飽和時(shí)在涌流的間斷區(qū)出現(xiàn)反向電流而使涌流的間斷角消失使保護(hù)產(chǎn)生誤動(dòng)作。

針對(duì)這個(gè)問題，國內(nèi)外專家提出了很多新穎的方法，徐巖［1］等提出了基于電壓電流微分波形特性的變壓器保護(hù)新原理的研究，陳德樹［2］等提出了虛擬三次斜波制動(dòng)式變壓器器差動(dòng)保護(hù)，phdke A G［3］提出了基于磁通特性的變壓器差動(dòng)保護(hù)，K.Yabe［4］提出了基于功率差分的變壓器差分保護(hù)，O.A.S.Youssef［5］提出了基于小波變化的變壓器差分保護(hù)，孫志杰［6］等提出了波形對(duì)稱原理的變壓器差動(dòng)保護(hù)。不可否認(rèn)這些方法在解決變壓器誤動(dòng)作問題方面的確都是一些很好的方法，但他們都或多或少的存在變壓器發(fā)生故障時(shí)繼電器動(dòng)作延時(shí)問題。

本文在總結(jié)前人研究的基礎(chǔ)上，提出了一種基于補(bǔ)償勵(lì)磁涌流的變壓器差動(dòng)保護(hù)的改進(jìn)方法，這種方法與傳統(tǒng)的電流差動(dòng)保護(hù)方法不同之處在于，傳統(tǒng)的差動(dòng)保護(hù)方法主要利用采集一次側(cè)與二次側(cè)的電流，并通過二者的差分值來識(shí)別變壓器的各種故障，這種方法在變壓器內(nèi)部故障時(shí)可以可靠的識(shí)別故障，但當(dāng)變壓器存在勵(lì)磁涌流與外部故障時(shí)卻可能導(dǎo)致變壓器誤動(dòng)作。針對(duì)這種情況，本文綜合考慮了勵(lì)磁涌流這種情況，即把一次側(cè)電流扣除掉勵(lì)磁涌流，從而得到了新的用于計(jì)算電流差分值的新的一次側(cè)電流。經(jīng)過這樣的處理，得到了變壓器差動(dòng)保護(hù)的新的整定值，能夠很快的識(shí)別變壓器的各種故障，通過不同的變壓器故障仿真驗(yàn)證表明，這種方法能夠準(zhǔn)確的識(shí)別不同類型的變壓器故障，且具有很高的靈敏性。

1 補(bǔ)償電流的變壓器差動(dòng)保護(hù)原理

1.1 傳統(tǒng)的變壓器差動(dòng)保護(hù)原理

傳統(tǒng)變壓器差動(dòng)保護(hù)原理如圖1所示，其主要原理是在變壓器的兩側(cè)連接適當(dāng)?shù)碾娏骰ジ衅?，并按圖1所示進(jìn)行連接，從而得到流過繼電器的差動(dòng)保護(hù)中差分電流的整定值：

其中a為變壓器兩側(cè)繞組的比值，I1為變壓器一次側(cè)電流，I2為變壓器二次側(cè)電流。而變壓器的啟動(dòng)閥值為：

根據(jù)以上整定值，得到變壓器差動(dòng)保護(hù)啟動(dòng)電流判別式：

其中K為可靠系數(shù)。

從以上的整定公式可以看出，當(dāng)變壓器發(fā)生內(nèi)部故障時(shí)，由于I1與I2都流向變壓器，因此流過兩個(gè)電流互感器的電流方向相反，從而使流過繼電器的電流Id很大，而Ir幾乎為0，因此差動(dòng)電流超過變壓器動(dòng)作閥值使繼電器動(dòng)作。而當(dāng)變壓器發(fā)生外部故障時(shí)，此時(shí)流過電流互感器的電流方向相同，故流過繼電器的電流Id很小，幾乎接近于0，而Ir很大，故此時(shí)保護(hù)不動(dòng)作。但當(dāng)變壓器出現(xiàn)勵(lì)磁涌流時(shí)，此時(shí)也會(huì)使Id很大，且很可能超過整定值使繼電保護(hù)誤動(dòng)作。

圖1 雙繞組變壓器差動(dòng)保護(hù)原理圖

1.2 基于補(bǔ)償電流的差動(dòng)保護(hù)原理

1.2.1 理論分析

通過分析表明，傳統(tǒng)的差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)作的主要原因在于計(jì)算差分電流的變壓器一次側(cè)電流沒有考慮勵(lì)磁涌流。當(dāng)變壓器出現(xiàn)勵(lì)磁涌流時(shí)會(huì)使I1很大從而使Id值超過整定值而使變壓器發(fā)生誤動(dòng)作。針對(duì)這種情形，本文通過在整定式中加補(bǔ)償電流項(xiàng)，扣除一次側(cè)電流的勵(lì)磁涌流成分，從而避免了上述問題。變壓器等效模型如圖2所示。

圖2 變壓器的等效模型

根據(jù)這種思想，由變壓器的的等效模型，可以令差分電流為：

其中 ic（t）為變壓器等效耗損電流，im（t）為勵(lì)磁涌流。

由于當(dāng)產(chǎn)生勵(lì)磁涌流時(shí)，ic（t）遠(yuǎn)小于 im（t），因此可忽略ic（t）項(xiàng)，這并不影響判據(jù)的準(zhǔn)確性。故可得：

因此，問題的關(guān)鍵在于如何求取變壓器的勵(lì)磁涌流。

1.2.2 im（t）的求取

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)［7］，在變壓器合閘過程中第K個(gè)周期勵(lì)磁涌流的瞬時(shí)值可近似由下式?jīng)Q定：

2 仿真與分析

為了驗(yàn)證結(jié)論的準(zhǔn)確性，本文采用MATLAB中的電力系統(tǒng)模塊（PSB）進(jìn)行仿真驗(yàn)證，仿真主電路圖與測(cè)量子電路圖分別如圖3、4所示。下面分別對(duì)變壓器發(fā)生內(nèi)部故障，外部故障以及勵(lì)磁涌流等幾種情況傳統(tǒng)的方法以及改進(jìn)的方法進(jìn)行仿真，并對(duì)兩種方法的仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)照，從而驗(yàn)證結(jié)論的可靠性。

圖3 仿真子電路圖

圖4 測(cè)量子電路圖

1）當(dāng)變壓器出現(xiàn)勵(lì)磁涌流時(shí)，假設(shè)合閘初相角，此時(shí)仿真結(jié)果如圖5、6所示：

圖5 變壓器勵(lì)磁涌流波形

圖6 變壓器出現(xiàn)勵(lì)磁涌流時(shí)所對(duì)應(yīng)的Id，Ir

由仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)變壓器出現(xiàn)勵(lì)磁涌流時(shí)，使用傳統(tǒng)方法得到的差動(dòng)電流Id遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于啟動(dòng)電流閥值Ir，因此將使保護(hù)誤跳閘。而使用補(bǔ)償勵(lì)磁涌流的改進(jìn)方法得到差動(dòng)電流值Id遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于啟動(dòng)電流閥值Ir，因此，這種方法可以可靠的避過勵(lì)磁涌流使保護(hù)不會(huì)誤動(dòng)作，換句話說，使用補(bǔ)償勵(lì)磁涌流的方法可以準(zhǔn)確識(shí)別變壓器內(nèi)部故障與勵(lì)磁涌流。

2）當(dāng)變壓器發(fā)生內(nèi)部故障時(shí)，不失一般性，假設(shè)變壓器主線圈發(fā)生百分之七十接地故障，仿真電路圖如圖7、8所示：

圖7 當(dāng)變壓器發(fā)生內(nèi)部故障時(shí)變壓器勵(lì)磁涌流波形

由上面仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)變壓器發(fā)生內(nèi)部故障時(shí)，使用傳統(tǒng)方法得到的差動(dòng)電流值Id遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于啟動(dòng)電流閥值Ir，因此，傳統(tǒng)的方法可以使保護(hù)準(zhǔn)確動(dòng)作。但此時(shí)使用補(bǔ)償勵(lì)磁涌流的方法得到的差動(dòng)電流值也超過啟動(dòng)閥值Ir，故這種方法也可以使保護(hù)準(zhǔn)確動(dòng)作。因此，這種方法保持了傳統(tǒng)方法能夠準(zhǔn)確識(shí)別變壓器內(nèi)部故障的功能。

圖8 變壓器發(fā)生內(nèi)部時(shí)所對(duì)應(yīng)的Id，Ir

3）當(dāng)變壓器發(fā)生外部故障時(shí)，不失一般性，假設(shè)變壓器二次側(cè)負(fù)載發(fā)生短路，其仿真結(jié)果如圖9、圖10所示：

圖9 變壓器發(fā)生外部故障時(shí)勵(lì)磁涌流波形

圖10 變壓器發(fā)生外部故障時(shí)所對(duì)應(yīng)的Id，Ir

從仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)變壓器發(fā)生外部故障時(shí)，此時(shí)使用傳統(tǒng)的方法以及補(bǔ)償電流的方法都使得到的差動(dòng)電流值小于啟動(dòng)電流閥值，因此，當(dāng)變壓器發(fā)生外部故障時(shí)兩種方法都不會(huì)使變壓器保護(hù)動(dòng)作，換句話說，傳統(tǒng)方法與補(bǔ)償勵(lì)磁涌流方法都能夠準(zhǔn)確的識(shí)別變壓器外部故障。

3 結(jié)束語

基于補(bǔ)償勵(lì)磁涌流的變壓器差動(dòng)保護(hù)原理克服了傳統(tǒng)變壓器不易識(shí)別勵(lì)磁涌流與內(nèi)部故障的困難。該方法使用的啟動(dòng)電流與傳統(tǒng)的一致，不同之處在于差分電流中扣除了勵(lì)磁涌流部分，通過這樣的處理，可以很方便的避開勵(lì)磁涌流的影響，從而使繼電器能夠準(zhǔn)確動(dòng)作。同時(shí)，本文對(duì)變壓器可能出現(xiàn)的各種情況都進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明，該方法不僅對(duì)變壓器內(nèi)部故障反應(yīng)靈敏，而且對(duì)變壓器外部故障以及勵(lì)磁涌流都可以準(zhǔn)確識(shí)別，且該方法無需額外的硬件要求，原理簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。除外，該方法對(duì)各種故障反應(yīng)速度快，從而克服了傳統(tǒng)變壓器差分保護(hù)動(dòng)作響應(yīng)速度慢的問題。

［1］徐巖，王增平，揚(yáng)奇遜.基于電壓電流微分波形特性的變壓器保護(hù)新原理的研究［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2004，24（2）：61-65.

［2］陳德樹，尹項(xiàng)亙，張哲等.虛擬三次斜波制動(dòng)式變壓器差動(dòng)保護(hù)［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2001，21（8）：19-23.

［3］ Phadke A G，Trop J S.A New computer-based flux restrained current differential relay for power transformer protection［J］，IEEE Trans on power Apparatus and System 1983，102（11）：3624-3629.

［4］ K.Yabe.Power differential method for discrimination between fault and magnetizing inrush current in transformers.IEEE Trans on power delivery，1997，12（3）：1109-1118.

［5］ O.A.S.Youssef.A wavelet-base technique for discrimination between faults and magnetizing inrush currents in transformers.IEEE Trans on power delivery，2003.

［6］孫志杰，陳云侖.波形對(duì)稱原理的變壓器差動(dòng)保護(hù)［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，1996，20（4）：42-46.

［7］孫志杰，陳云侖.波形對(duì)稱原理的變壓器差動(dòng)保護(hù)［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，1996，20（4）：42-46.

［8］張建松，何奔騰，張雪松.變壓器衰減勵(lì)磁涌流的實(shí)用計(jì)算方法［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2005，29（12）：57-60.