邢曉娟

摘 要：本文論述一種新的變壓器涌流制動(dòng)保護(hù)原理。新的原理不僅考慮了差動(dòng)電流二次諧波和基波分量的比值，而且還考慮了兩者的相位。這種原理更能精確區(qū)分勵(lì)磁涌流和內(nèi)部故障引起的差動(dòng)電流。通過數(shù)學(xué)分析結(jié)果以及變壓器數(shù)字模擬試驗(yàn)的波形分析，證明這種原理是正確的。

關(guān)鍵詞：變壓器 磁通原理 功率

一、引言

由于變壓器復(fù)雜的運(yùn)行工況，保護(hù)變壓器不是一件容易的事，可以說，在電力系統(tǒng)中，保護(hù)變壓器對(duì)繼電保護(hù)是一種挑戰(zhàn)。數(shù)字式繼電器具有精確處理信號(hào)的能力，從而繼電器設(shè)計(jì)人員能夠采用傳統(tǒng)的保護(hù)原理，并且增強(qiáng)了電力變壓器保護(hù)的特性，加快保護(hù)速度，提高安全性和可靠性。本文論述變壓器差動(dòng)繼電器在勵(lì)磁涌流過程中的制動(dòng)問題。

二、勵(lì)磁涌流的簡(jiǎn)要分析

變壓器勵(lì)磁涌流是由激磁電壓任何突然變化引起的結(jié)果。雖然一般稱之為對(duì)變壓器充電引起的結(jié)果，但是勵(lì)磁涌流也可能由下列原因引起：（a）發(fā)生外部短路（b）切除外部故障后的電壓恢復(fù)（c）故障特性的變化，如相對(duì)地故障包含相-相-地（d）發(fā)電機(jī)非同期并列。因?yàn)殍F心勵(lì)磁支路在變壓器等值電路看成是并聯(lián)元件，所以勵(lì)磁電流造成變壓器各端的電流不平衡，而且勵(lì)磁電流被差動(dòng)繼電器誤認(rèn)為是一種差動(dòng)電流。但是繼電器必須在勵(lì)磁涌流過程中保持平衡，不誤動(dòng)。

三、涌流制動(dòng)原理 —— 概述

為防止涌流誤跳，保護(hù)采用不同的延時(shí)方法。不論是采用充電時(shí)在一定的時(shí)間內(nèi)閉鎖保護(hù)或者采用其他的延時(shí)方法，采用延時(shí)的方法，在變壓器充電時(shí)對(duì)保護(hù)進(jìn)行制動(dòng)的方法，特別對(duì)現(xiàn)代變壓器，是不可取的?，F(xiàn)在新的涌流的制動(dòng)方法采用識(shí)別差動(dòng)涌流波形，非直接的（諧波分析）或直接的（波形分析）方法。

1.諧波制動(dòng)。這是一種傳統(tǒng)方法，在勵(lì)磁涌流情況下，為防止誤跳對(duì)保護(hù)進(jìn)行制動(dòng)。勵(lì)磁涌流表現(xiàn)為差動(dòng)信號(hào)，并帶有確定的較高的諧波分量。一般來說，較低次的諧波分量會(huì)使繼電器動(dòng)作，而較高次諧波分量表明涌流和對(duì)繼電器進(jìn)行制動(dòng)。不論構(gòu)成復(fù)合諧波和差動(dòng)信號(hào)的方法如何，諧波制動(dòng)方法受到一定的限制。即使諧波不出現(xiàn)在差動(dòng)信號(hào)，在時(shí)間近似等于檢測(cè)器數(shù)據(jù)窗的長(zhǎng)度，一般諧波制動(dòng)不會(huì)跳閘，但存在拒動(dòng)的可能性，在變壓器充電瞬間，同時(shí)存在低微的匝間短路，由于二次諧波制動(dòng)，差動(dòng)保護(hù)拒動(dòng)。另外，在現(xiàn)代變壓器的勵(lì)磁電流高次諧波的含量可能低于10%的水平，二次諧波低到7%。在這種情況下，整定值必須調(diào)整為小于7%。然而，這樣會(huì)引起保護(hù)延時(shí)動(dòng)作，甚至不動(dòng)作，這是由于內(nèi)部短路的差動(dòng)電流的諧波和伴隨CT飽和引起，交叉制動(dòng)或時(shí)間控制門檻方法也只能部分解決這個(gè)問題。

2.波形制動(dòng)。這種涌流制動(dòng)方法有兩種：較普遍方法 – 注重涌流波形低值和平坦值的期間（dwell-time – 準(zhǔn)則1）;原理注重涌流波形的峰值和衰減速率（準(zhǔn)則2）

2.1 準(zhǔn)則 1。勵(lì)磁電流的假使可能不規(guī)則，如在每個(gè)周波，不小于1/4周波期間內(nèi)的波形是平坦和接近零時(shí)，沒有出現(xiàn)差動(dòng)電流。這種保護(hù)原理已經(jīng)在靜態(tài)繼電器所采用。不論實(shí)施的情況如何，波形直接制動(dòng)方法的形狀顯示了它的缺點(diǎn) ：（a）內(nèi)部故障對(duì)勵(lì)磁電流的識(shí)別需要1個(gè)周波的時(shí)間。（b）在涌流過程中CT會(huì)飽和， （很可能由于電流的直流分量的原因）， 在某些期間內(nèi)改變了波形的形狀，可能會(huì)引起誤跳閘。（c）在嚴(yán)重內(nèi)部故障時(shí)，當(dāng)CT飽和，二次側(cè)電流可能會(huì)很低而且較平坦，保護(hù)拒動(dòng)。

2.2準(zhǔn)則 2。勵(lì)磁電流的假設(shè)可能不對(duì)，如果差動(dòng)電流峰值在1個(gè)半周波轉(zhuǎn)移，并且兩個(gè)連續(xù)的峰值的極性不相同。這種方法對(duì)峰值的檢測(cè)需要非常精確。必須核對(duì)兩個(gè)連續(xù)峰值之間的時(shí)間在誤差允許范圍內(nèi)并考慮到頻率偏差。理論上，為了區(qū)別內(nèi)部短路和涌流工況，這種方法需要3個(gè)1/4 周波的時(shí)間。在第一個(gè)1/4 周波之后才出現(xiàn)短路電流的峰值。在第二個(gè)峰值出現(xiàn)時(shí)，這種準(zhǔn)則就不符合涌流的假設(shè)，保護(hù)就動(dòng)作。這種方法的優(yōu)點(diǎn)：能承受TA在涌流和短路時(shí)的嚴(yán)重飽和。缺點(diǎn)：需要相間交叉極化的算法。不是始終所有三相的涌流波形都是單側(cè)，同時(shí)，當(dāng)變壓器較平穩(wěn)充電時(shí)（會(huì)偶然發(fā)生，由于合閘角度和磁通的關(guān)系較合適），此準(zhǔn)則會(huì)失效。此準(zhǔn)則可以用于修正瞬時(shí)差動(dòng)過電流元件。

3.其他方法。

3.1模擬方法。此方法解決無故障變壓器的在線數(shù)學(xué)模型。對(duì)模擬的某些參數(shù)進(jìn)行計(jì)算或根據(jù)所有剩余信號(hào)對(duì)變量的某部分進(jìn)行計(jì)算，隨后與測(cè)量值進(jìn)行比較。在第一種情況，對(duì)計(jì)算的參數(shù)從其他擾動(dòng)量區(qū)分出內(nèi)部故障，在第二種情況，用計(jì)算值和測(cè)量值的差值進(jìn)行分類。這種方法要求對(duì)各側(cè)的電壓和電流進(jìn)行測(cè)量。

3.2功率差動(dòng)方法。這種方法采用功率差動(dòng)原理，區(qū)分內(nèi)部故障和其他工況，不是差動(dòng)電流，而是對(duì)差動(dòng)功率進(jìn)行計(jì)算和測(cè)量。變壓器各側(cè)的瞬時(shí)功率的差值作為動(dòng)作信號(hào)。這種方法需要測(cè)量各側(cè)電壓，還要考慮變壓器接線組別和變比補(bǔ)償。通過對(duì)變壓器損耗的補(bǔ)償，此方法的可靠性還可以提高。

3.3磁通涌流制動(dòng)。此方法是根據(jù)在線計(jì)算磁通原理，從涌流和過激磁概況中區(qū)分內(nèi)部故障，采用鐵心磁通現(xiàn)象的識(shí)別方法，其優(yōu)點(diǎn)是考慮到鐵心飽和作為不平衡電流源。

四、新的算法語(yǔ)言

本文介紹的算法語(yǔ)言涉及到在涌流工況的二次諧波暫時(shí)下降到低于15-20%的問題。這種情況發(fā)生的原因是由于很高的勵(lì)磁電流迫使角度a大于900 。依次，產(chǎn)生二次諧波含量降到20%以下。這種現(xiàn)象勵(lì)磁電流和二次諧波比值發(fā)生的時(shí)間范圍，用滿周波傅立葉算法，64點(diǎn)/周波采樣。在這個(gè)例子中，在5個(gè)周波時(shí)間范圍內(nèi)二次諧波暫時(shí)下降到低于20%。依次，保護(hù)會(huì)引起跳閘或迫使用戶把整定值降低到5%以下，影響保護(hù)的速度和靈敏度。隨時(shí)間推移，電流上升到典型的涌流波形，二次諧波比值上升到20%安全值。

2.評(píng)價(jià)。

2.1評(píng)價(jià)分析，為了評(píng)價(jià) l21 的識(shí)別能力采用簡(jiǎn)化涌流模型。二次諧波和基波的比值和相角差進(jìn)行分析推導(dǎo)。結(jié)論 ： 假定角度非常接近+90或0 度。對(duì)波形模型進(jìn)行重復(fù)計(jì)算，包括在大范圍內(nèi)衰減直流分量及其時(shí)間常數(shù)。另外，經(jīng)分析證明，二次諧波和基波的相角差接近于900 ，不論比值降到低于20%。即使二次諧波比值跌到幾乎等于零，軌跡還是沿著0度線延伸。值得注意的是 l21 的復(fù)數(shù)平面，傳統(tǒng)的二次諧波的動(dòng)作區(qū)是一個(gè)圓，直徑為0.15-0.20。這種情況下，結(jié)果是傳統(tǒng)的繼電器會(huì)誤動(dòng)。

2.2評(píng)價(jià)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。經(jīng)過各種波形的模擬實(shí)驗(yàn)和按比例具體變壓器的記錄數(shù)據(jù)來看，考慮到下列因數(shù)保證了它的分散性，這種方法的識(shí)別能力比傳統(tǒng)的二次諧波制動(dòng)方法強(qiáng)。新的方法的制動(dòng)量覆蓋了該區(qū)域。遠(yuǎn)離圓點(diǎn)的數(shù)值是由于暫態(tài)和分布很不均勻引起。因此，內(nèi)部短路和涌流的圖案之間的覆蓋程度不明顯。這樣保證了新方法的正確動(dòng)作。

3.動(dòng)作/制動(dòng)區(qū)。根據(jù)動(dòng)態(tài)制動(dòng)的結(jié)果，獲得一個(gè)合成二次諧波比值與時(shí)間有關(guān)的動(dòng)作特性。不閉鎖保護(hù)所需的時(shí)間是l21 的函數(shù)。如果后者不及時(shí)變化的話，固定的 t-21 關(guān)系可以推導(dǎo)出來，獲得的曲線有如下的特點(diǎn) ：如果 l21 角度接近于 00 或 1800， 不論二次諧波的數(shù)值如何，涌流制動(dòng)瞬速被移去。如果 l21 角度接近于 90，移去涌流制動(dòng)的時(shí)間取決于二次諧波量的大小 ：一是二次諧波比值低時(shí)，移去二次諧波的時(shí)間非常短。 二是二次諧波比值接近 20% 時(shí)，移去二次諧波的時(shí)間為5-6 周波;在涌流二次諧波低于20%工況下，這個(gè)時(shí)間足于防止保護(hù)誤動(dòng)。

4.實(shí)施試驗(yàn)。所述的方法已經(jīng)在ISC9000序列 L80 繼電器實(shí)施。它是一種模塊化，擴(kuò)展化和可升級(jí)的繼電器。論述的新的算法已經(jīng)通過數(shù)字式實(shí)時(shí)模擬器測(cè)試，模擬試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)記錄證明，新的方法的特性非常優(yōu)越。

五、結(jié)語(yǔ)

本文發(fā)表一種新的變壓器保護(hù)涌流制動(dòng)方法，原理是在傳統(tǒng)的二次諧波制動(dòng)原理的擴(kuò)展，替代傳統(tǒng)的二次諧波和基波分量的比值的測(cè)量方法。新的原理不僅考慮了差動(dòng)電流二次諧波和基波分量的比值，而且考慮了兩者的相位。動(dòng)作區(qū)做成動(dòng)態(tài)形式，從而大大提高保護(hù)在內(nèi)部短路的特性。新方法已經(jīng)應(yīng)用在ISC9000序列 L80 繼電器平臺(tái)上。試驗(yàn)結(jié)果表明，這種方法不僅增強(qiáng)了繼電器在勵(lì)磁涌流工況下的穩(wěn)定性，同時(shí)，保持了內(nèi)部故障的性能。