張亮峰，郭茗菘，歐陽(yáng)帆，陳宏

(1.國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南 長(zhǎng)沙 410007；2.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司煙臺(tái)供電分公司，山東 煙臺(tái) 264000)

智能變電站中勵(lì)磁涌流制動(dòng)功能的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法

張亮峰1，郭茗菘2，歐陽(yáng)帆1，陳宏1

(1.國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南 長(zhǎng)沙 410007；2.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司煙臺(tái)供電分公司，山東 煙臺(tái) 264000)

提出了應(yīng)用于智能變電站中主變保護(hù)勵(lì)磁涌流制動(dòng)功能的一種現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法，介紹了測(cè)試系統(tǒng)的各裝置功能及整體實(shí)施方案。該測(cè)試方法運(yùn)用電力系統(tǒng)數(shù)字仿真軟件DDRTS作為測(cè)試系統(tǒng)主機(jī)，通過(guò)研究變壓器勵(lì)磁涌流產(chǎn)生的機(jī)理以及波形特征，在DDRTS中搭建了變壓器仿真測(cè)試勵(lì)磁涌流模型，將仿真數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)同步傳輸給現(xiàn)場(chǎng)主變高中低三側(cè)的采樣合并單元，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)主變保護(hù)的動(dòng)作情況與故障錄波驗(yàn)證了該測(cè)試方法的可實(shí)施性。

智能變電站；DDRTS；現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試；主變保護(hù)；勵(lì)磁涌流

1 概述

隨著電力系統(tǒng)不斷向大容量、高電壓方向發(fā)展，需要繼電保護(hù)裝置能夠可靠準(zhǔn)確地識(shí)別和切除故障，以保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，因此，在智能變電站投運(yùn)之前需要對(duì)繼電保護(hù)裝置進(jìn)行測(cè)試。目前，變壓器的主保護(hù)主要是縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)〔1〕，通常變壓器內(nèi)部故障保護(hù)的差動(dòng)電流都遠(yuǎn)大于制動(dòng)電流而外部故障和正常運(yùn)行差動(dòng)電流很小，這樣縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)能夠很好的判別區(qū)外和區(qū)內(nèi)故障。但是當(dāng)空投變壓器時(shí)，變壓器內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生勵(lì)磁涌流現(xiàn)象，這就如同在變壓器內(nèi)部發(fā)生故障一樣是從變壓器縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)范圍內(nèi)部往外流出的電流，所以勵(lì)磁電流將會(huì)成為差動(dòng)電流，最大可達(dá)額定電流的6～8倍，造成保護(hù)的誤動(dòng)，需要對(duì)勵(lì)磁涌流采取制動(dòng)措施。采用諧波測(cè)試儀對(duì)勵(lì)磁涌流波形進(jìn)行測(cè)量分析，發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)涌流中二次諧波分量與基波分量的百分比大于15%，有的甚至達(dá)50%以上；而且勵(lì)磁涌流的波形存在不對(duì)稱性〔2〕。一般工程上采用的是檢驗(yàn)勵(lì)磁涌流二次、五次諧波和波形不對(duì)稱的方式來(lái)閉鎖保護(hù)。所以在調(diào)試期間需要對(duì)主變保護(hù)裝置的檢二次、五次諧波和波形不對(duì)稱的功能進(jìn)行測(cè)試，以保證主變保護(hù)裝置能夠在發(fā)生勵(lì)磁涌流時(shí)候正確閉鎖保護(hù)。目前智能變電站調(diào)試主要使用傳統(tǒng)的繼電保護(hù)測(cè)試儀，只能夠通過(guò)輸出二次諧波來(lái)對(duì)勵(lì)磁涌流制動(dòng)功能進(jìn)行檢測(cè)，無(wú)法模擬出變壓器在發(fā)生勵(lì)磁涌流時(shí)的波形，不能全面的對(duì)勵(lì)磁涌流閉鎖保護(hù)功能進(jìn)行測(cè)試。

文中研究了應(yīng)用于智能變電站中主變保護(hù)裝置勵(lì)磁涌流制動(dòng)功能測(cè)試的方案。在完成現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)的組建的基礎(chǔ)上，利用DDRTS搭建變壓器勵(lì)磁涌流模型，仿真得出高中低三側(cè)的勵(lì)磁涌流波形，然后將其同時(shí)同步傳輸給主變?nèi)齻?cè)的合并單元，測(cè)試主變保護(hù)勵(lì)磁涌流制動(dòng)功能，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)主變保護(hù)的動(dòng)作情況與故障錄波驗(yàn)證了該測(cè)試方法可實(shí)施性。該方案模擬的勵(lì)磁涌流波形涵蓋了勵(lì)磁涌流二次、五次諧波、波形不對(duì)稱等典型特征，彌補(bǔ)了目前傳統(tǒng)繼電保護(hù)測(cè)試儀對(duì)主變保護(hù)裝置勵(lì)磁涌流制動(dòng)功能測(cè)試的不足。

2 測(cè)試系統(tǒng)的整體實(shí)施方案

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

測(cè)試系統(tǒng)由專用測(cè)試單元組成，包括:電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)、主機(jī)裝置、子機(jī)裝置、功率放大器、通信途徑等。如圖1所示。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

1)電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)

電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)采用DDRTS作為仿真建模核心程序，人機(jī)界面運(yùn)行于數(shù)字仿真器中。通過(guò)在DDRTS仿真主界面上搭建變壓器勵(lì)磁涌流模型，然后在DDRTS系統(tǒng)配置選項(xiàng)中設(shè)置好與主機(jī)裝置、子機(jī)裝置的通信關(guān)聯(lián)定義后，DDRTS便可以將仿真的測(cè)試數(shù)據(jù)傳輸給下級(jí)的主機(jī)和子機(jī)裝置。

2)主機(jī)裝置

主機(jī)裝置設(shè)于保護(hù)室被測(cè)保護(hù)屏柜前，作為數(shù)字仿真器的信息接入設(shè)備與之相連。實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的同步處理，并且能夠控制一至多臺(tái)子機(jī)裝置，并把從DDRTS接收的數(shù)據(jù)以有線光纖的方式傳給子機(jī)裝置。

3)子機(jī)裝置

子機(jī)裝置設(shè)于就地智能匯控柜旁，負(fù)責(zé)將收到的數(shù)字仿真數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)10 V電壓模擬小信號(hào)，傳輸給與之相連的功率放大器。

4)功率放大器

功率放大器位于子機(jī)裝置與合并單元之間，主要把從子機(jī)裝置接收到的模擬小信號(hào)做放大處理，輸出符合二次接入要求的100 V電壓、5 A或1 A電流量給現(xiàn)場(chǎng)合并單元。

5)通信途徑

系統(tǒng)主機(jī)與子機(jī)通信方式采用有線光纖方式。智能變電站網(wǎng)絡(luò)在設(shè)計(jì)時(shí)一般備有足夠的備用光纖，因此通信方式主要借用智能變電站中已有的光纖通道。

本方法能夠模擬較全面的電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，包括變壓器的勵(lì)磁涌流狀態(tài)。同時(shí)由于光纖傳輸延遲非常小，這樣就保證了主機(jī)同多臺(tái)子機(jī)裝置可以采用統(tǒng)一的時(shí)鐘進(jìn)行通信同步，實(shí)現(xiàn)了變壓器高中低三側(cè)同時(shí)加量測(cè)試，滿足對(duì)變壓器測(cè)試需要。

2.2 測(cè)試方案的實(shí)施

電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)和主機(jī)裝置跟隨測(cè)試人員布置在間隔層保護(hù)裝置的旁邊，通過(guò)在DDRTS仿真主界面上搭建變壓器勵(lì)磁涌流模型，進(jìn)行仿真計(jì)算，將仿真數(shù)據(jù)傳給主機(jī)裝置，主機(jī)裝置經(jīng)過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的處理后通過(guò)站內(nèi)備用光纖實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)傳送給分布在過(guò)程層的變壓器高中低三側(cè)的子機(jī)裝置。子機(jī)裝置和功率放大器就地配置在主變合并單元的旁邊，子機(jī)裝置將從主機(jī)裝置接收到的信號(hào)處理變成模擬小信號(hào)，再把模擬小信號(hào)通過(guò)功率放大器輸出到主變高中低三側(cè)的合并單元；合并單元將接收到的模擬量轉(zhuǎn)換為SV報(bào)文，再通過(guò)站內(nèi)光纖上送給主變保護(hù)裝置；然后測(cè)試人員通過(guò)主變保護(hù)裝置屏幕上的動(dòng)作報(bào)文信息判別保護(hù)裝置的動(dòng)作正確與否。

3 勵(lì)磁涌流產(chǎn)生的機(jī)理

為便于理解，選取單相變壓器為例來(lái)說(shuō)明變壓器空投時(shí)候產(chǎn)生勵(lì)磁涌流的機(jī)理。

假設(shè)電源電壓為標(biāo)準(zhǔn)的正弦函數(shù):

式中 α為電源合閘的初相角。如果忽略合閘回路電阻、變壓器本身繞組的電阻以及變壓器繞組的漏電抗的影響。當(dāng)空投變壓器瞬間，變壓器內(nèi)部鐵心中的磁通和外加電壓的關(guān)系為:

式中 W為變壓器空投側(cè)繞組的匝數(shù)；則變壓器空投時(shí)候的鐵心磁通為:

式中 C為積分常數(shù)，根據(jù)初始條件來(lái)確定。當(dāng)空載合閘瞬間，由于鐵心磁通不能突變，故可以得出:

式中 φs為空載合閘前變壓器鐵心中的剩磁通。所以將式 (4)帶入式 (3)可以得到變壓器空載合閘瞬間t＝0時(shí)鐵心磁通為:

設(shè)φm＝Um/Wω；由式 (5)可知，在變壓器空載合閘瞬間，根據(jù)磁鏈?zhǔn)睾悖F心中的磁通沒(méi)有突變。當(dāng)合閘相角α＝0時(shí)，并且鐵心中的剩磁方向和變壓器主磁通方向一致，則可以得出在空載合閘半個(gè)周期以后，變壓器鐵心中的總磁通為2φm＋φs，使得變壓器鐵心嚴(yán)重飽和，如圖2所示。勵(lì)磁電流猛增，產(chǎn)生勵(lì)磁涌流。

圖2 空投變壓器瞬間鐵心中的磁通波形

分析勵(lì)磁涌流產(chǎn)生的過(guò)程，可以看出在變壓器沒(méi)有飽和之前，勵(lì)磁電流很小，可以近似為零，當(dāng)變壓器飽和的時(shí)候才會(huì)導(dǎo)致勵(lì)磁電流的增大，由于存在合閘回路電阻、變壓器本身繞組的電阻以及變壓器繞組的漏電抗的影響，鐵心磁通中的自由分量將會(huì)隨著時(shí)間衰減。

式中 第1項(xiàng)為磁通的強(qiáng)制分量，第2項(xiàng)為磁通的自由分量；T為時(shí)間常數(shù)。則勵(lì)磁涌流波形是一個(gè)含有直流分量偏于時(shí)間軸的一側(cè)并且隨著時(shí)間逐漸衰減的波形。

通過(guò)以上對(duì)單相變壓器勵(lì)磁涌流產(chǎn)生機(jī)理的研究分析得出影響勵(lì)磁涌流大小的因素:

1)合閘相角α，當(dāng)α＝0°時(shí)勵(lì)磁涌流最大，當(dāng)α＝90°時(shí)最小，當(dāng)α＝180°時(shí)反方向最大。

2)剩磁φs，當(dāng)變壓器空載合閘時(shí)，剩磁的方向與變壓器主磁通的方向相同的時(shí)候，剩磁越大，勵(lì)磁涌流越大。反之亦相反。

3)電源電壓u，由于φm＝Um/Wω，電源電壓越高，磁通越大，勵(lì)磁涌流越大。

4 變壓器仿真模型的建立

根據(jù)實(shí)際測(cè)試變電站變壓器確定變壓器涌流仿真模型的一次系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并在DDRTS系統(tǒng)主圖頁(yè)上完成模型的搭建，如圖3所示。

圖3 變壓器仿真模型一次系統(tǒng)圖

分析可知，勵(lì)磁涌流通常發(fā)生在空投變壓器時(shí)，所以仿真模型中變壓器中壓側(cè)和低壓側(cè)的斷路器SKM和SKL都設(shè)置為斷開。電源S設(shè)置在高壓側(cè)，通過(guò)高壓側(cè)的斷路器SKH來(lái)控制變壓器的投入。電流互感器TA變比和方向與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際保護(hù)裝置保持一致，如圖3所示，高壓側(cè)TA指向變壓器，中壓和低壓側(cè)TA指向母線。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行情況，高、中壓側(cè)電壓互感器選取CVT模型、低壓側(cè)電壓互感器選取TV模型。完成一次系統(tǒng)模型的搭建后，按照現(xiàn)場(chǎng)變壓器銘牌上的參數(shù)修改模型中變壓器參數(shù)，見(jiàn)表1。

表1 三相三繞組變壓器相關(guān)參數(shù)

變壓器發(fā)生勵(lì)磁涌流時(shí)，變壓器鐵心會(huì)嚴(yán)重飽和，所以仿真模型需要考慮變壓器的飽和特性，需要填寫變壓器飽和參數(shù)，見(jiàn)表2。文獻(xiàn) 〔3〕說(shuō)明:在電磁暫態(tài)仿真中非線性電感通?？梢杂脙啥涡甭实姆侄尉€性電感來(lái)模擬的非常精確，則飽和采用拐點(diǎn)式輸入。文中將飽和支路放置在繞組2上面，則剩磁、飽和電抗和膝點(diǎn)電壓的選取都以繞組2的相關(guān)參數(shù)作為基準(zhǔn)。其中，變壓器剩磁，實(shí)用的數(shù)據(jù)并不多，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)及大量仿真試驗(yàn)可得出相應(yīng)最優(yōu)參數(shù)值；飽和電抗和膝點(diǎn)電壓可從變壓器飽和試驗(yàn)中得出，這里通過(guò)咨詢變壓器廠家，并通過(guò)對(duì)多次的仿真波形結(jié)果試驗(yàn)分析比較，得出最優(yōu)的仿真參數(shù)，見(jiàn)表2。

表2 DDRTS變壓器仿真模型飽和參數(shù)設(shè)置

變壓器勵(lì)磁涌流的大小除了剩磁還與空投變壓器合閘相角有關(guān)。DDRTS并無(wú)直接對(duì)合閘相角的控制設(shè)置，但是DDRTS每次仿真的起始時(shí)刻是一定的，也就是說(shuō)仿真的初始狀態(tài)都是一定的，可通過(guò)對(duì)合閘時(shí)間的控制來(lái)控制合閘相角，通過(guò)多次仿真，設(shè)置合閘時(shí)刻為2.200 9 s。完成參數(shù)設(shè)置之后，配置輸出通道把高中低三側(cè)的電流互感器TA關(guān)聯(lián)到各側(cè)的子機(jī)裝置，將仿真數(shù)據(jù)輸出給各側(cè)的合并單元。

5 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試驗(yàn)證

對(duì)某省將要投運(yùn)的智能變電站進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，將測(cè)試裝置按照上文所述的方法連接起來(lái)。啟動(dòng)仿真，記錄仿真波形如圖4?，F(xiàn)場(chǎng)故障錄波如圖5。對(duì)比圖4和圖5的波形一致，說(shuō)明測(cè)試裝置工作正常、輸出結(jié)果正確。

圖4 DDRTS仿真輸出波形

圖5 現(xiàn)場(chǎng)故障錄波

圖4 中仿真波形為尖頂波，波形隨著時(shí)間逐漸衰減，且明顯偏于時(shí)間軸一側(cè)有很大的不對(duì)稱性?？梢?jiàn)，通過(guò)本方法仿真輸出的變壓器勵(lì)磁涌流波形滿足勵(lì)磁涌流波形的典型特征，可以用來(lái)作為主變保護(hù)裝置對(duì)勵(lì)磁涌流制動(dòng)功能的檢測(cè)波形。

現(xiàn)場(chǎng)被測(cè)試的主變保護(hù)裝置型號(hào)為PCS－978，二次額定值電流為1 A。從圖5看出每一相的電流峰值達(dá)到了4.15 A，為額定電流值的4倍，保護(hù)啟動(dòng)，但是該仿真波形具備勵(lì)磁涌流的典型特征，理論上保護(hù)不應(yīng)該動(dòng)作。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)裝置的動(dòng)作情況，可知由文中所述方法輸出的波形不論保護(hù)裝置是否投入二次諧波制動(dòng)功能，保護(hù)都不會(huì)誤動(dòng)作，見(jiàn)表3。而按照傳統(tǒng)繼保測(cè)試儀輸出的波形不存在波形不對(duì)稱性，在不投入二次諧波制動(dòng)軟壓板的時(shí)候，保護(hù)動(dòng)作。從測(cè)試結(jié)果來(lái)看本方法能夠用來(lái)檢測(cè)主變保護(hù)裝置勵(lì)磁涌流制動(dòng)功能，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)繼保測(cè)試儀對(duì)主變保護(hù)裝置的測(cè)試不足。

Field test method of intelligent substation's magnetizing surge current restraint function

ZHANG Liang-feng1，GUO Ming-song2，OUYANG Fan1，CHEN Hong1
(1.State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China；2.State Grid Shandong Electric Power Corporation Yantai Power Supply Company，Yantai 264000，China)

A field test method is proposed for the intelligent substation's magnetizing surge current restraint function and the function of test system's each device and the overall implementation of the program is described.The test program uses DDRTS (a digital power system simulation software)as a test system mainframe.By studying the generated mechanism of transformer inrush and waveform characteristics，the transformer magnetizing inrush model is built in DDRTS and the simulation data are transferred in real time synchronously to the main transformer's three side sampling merging unit.The implement-ability of test method is verified through the actions of main transformer protection and fault recording.

intelligent substation；DDRTS；field test；main transformer protection；magnetizing surge current

10.3969/j.issn.1008-0198.2015.02.005

TM77

B

1008-0198(2015)02-0017-04

2013-10-30 改回日期:2014-12-15