近年來,我國的超高壓、大容量電力變壓器不斷投產,遠距離輸電系統越來越多地建成、運行,電力工業已有了可喜的發展。但是,國內變壓器保護的發展卻遠遠落后,其保護正確動作率長期偏低。造成這一結果主要是由于電力變壓器繼電保護技術上的缺陷[1]。
變壓器差動保護主要要解決兩個問題:一是正確鑒別勵磁涌流和內部故障短路電流;二是區分外部故障和內部故障。運行經驗表明,差動保護能夠準確地區分區內和區外故障,因此勵磁涌流和內部故障短路電流的判別是變壓器差動保護的關鍵問題。近年來,國內外許多學者致力于變壓器繼電保護的研究,提出了不少判別勵磁涌流的新原理和新方法。
本文著重闡述了各種方法的基本原理,同時分析了這些原理的性能和特點,并在最后提出了變壓器差動保護的發展方向。
1 勵磁涌流識別方法的原理簡述及現狀
目前鑒別勵磁涌流的方法較為成熟的方法主要是基于間斷角原理和二次諧波制動原理。
國內設計生產的變壓器差動保護裝置也主要是基于以上原理。此外,還有波形對稱原理,波形疊加原理、波形相關性分析法、波形擬合法這些利用波形特征來識別變壓器勵磁涌流的方法。最近,電壓制動原理、等值電路原理、磁特性原理等也有應用和研究。
隨著人們研究領域逐漸擴大,研究的層次逐漸加深,產生很多新興的學科。模糊判據、人工神經網絡方法運用到變壓器勵磁涌流的識別中也是研究的熱點之一。
1.1 二次諧波制動原理
與短路電流相比,勵磁涌流中二次諧波比例較,并在初始階段中對基波的比例還有所增加。通過算差動電流中的二次諧波電流與基波電流的幅值比可判別是否存在勵磁涌流[2]。當出現勵磁涌流,有,式中和分別為差動電流中的二諧波電流和基波電流的方均根值;為二次諧波動比。由于二次諧波電流制動原理簡單,因此在電力統中得到廣泛的應用。目前國內外投運的變壓器護基本上都是采用該方法實現的,二次諧波制動常取為15%~20%。但是隨著電壓等級的提高和模的擴大以及大容量變壓器的使用,在大型變壓嚴重故障時,由于諧振使故障電流中二次諧波成增加而使保護延時動作。同時變壓器鐵心材料的進使得其磁飽和點降低,在剩磁較高且合閘角滿一定條件時,三相勵磁涌流的二次諧波含量可能小于15%,其中最小的一相可能在7%以下。在這情況下,就二次諧波制動原理而言,即使采用一相動三相的閉鎖方式,也無法避免誤動的發生[3]。因有必要在二次諧波電流制動的基礎上采取一些有的加速判據。
1.2 波形相關法原理
波形相關法原理是利用數字信號處理中的相關函數的基本概念,對采樣數據進行分析,計算采樣數據在不同時段上的自相關系數,利用自相關系數的大小來區分變壓器勵磁涌流和內部故障差流的新方法。其基本思想是將一周波數據窗內的波形用適當的方法重組為兩個部分求取其相關系數,比較通過這兩部分波形的相關性實現對涌流與故障的區分。波形相關法實現的關鍵問題是如何確定被比較的兩段波形。其基本思想是:將一周波的采樣信號等周期延拓一周,形成一個兩周波的觀察窗。在[0,T]內逐點向后截取半個周波的信號,并計算該波形在時間軸上投影的面積。設采樣周期為每周N點,則總共得到N個面積值。取其中最大面積對應的起點作為波形比較的起點,從該起點起向后截取.周波的采樣信號,將其后半周波取反,與前半周波信號做相關分析。
1.3 電壓制動原理
電壓制動原理提出利用變壓器的端口電壓作為識別變壓器勵磁涌流和內部短路電流的輔助判據。當變壓器發生短路時,伴隨有電壓的降低;當變壓器出現勵磁涌流時,電壓不會降低,有時還會升高。分析和實驗表明,電壓制動原理的應用系統阻抗的大小關系密切相關。同時,當變壓器低壓側裝有無功補償裝置時,發生短路時的端口電壓不會瞬時降低,此時會影響輔助判據的準確性和保護的速動性。
1.4 等值電路原理
等值電路原理是一種基于變壓器導納型等值電路的勵磁涌流判別方法。該方法是通過檢測對地導納的參數變化,鑒別變壓器的內部故障。鐵芯線圈的漏抗和空芯線圈的漏抗接近,故此時變壓器等值導納參數的互導納與變壓器的鐵芯飽和程度無關。鐵芯未飽和時,變壓器各側對地導納幾乎為零;當鐵芯飽和時,變壓器各側對地導納明顯增大;當鐵芯嚴重飽和時,變壓器各側對地導納幾乎與空芯變壓器的對地導納一致,且是一個不為零的常量。
該方法在求取對地導納時需要先獲取變壓器漏感參數,這一點在實際運用中存在一定的困難。
2 發展和展望
變壓器空載合閘的勵磁涌流的問題本身很復雜,國內外學者的理論研究和數值仿真,無不在或多或少的假設和簡化條件下進行,難免在某些情況下失真。正是這種情況下,模糊的處理方法就特別顯出它的科學性和有效性。
模糊數學借助于隸屬度的概念,達到對人腦一定程度的模擬,具有處理模糊現象的能力。將這一原理應用在變壓器主保護中,為識別勵磁涌流和內部短路電流,選定四個特征量,即二次諧波含量、鐵芯磁通大小、電流波形的對稱度以及電壓的高低。人工神經網絡是人工智能較為突出的一種。人工神經網絡的特點在于其并行計算能力和高度的非線性。
這些新的方法尚處于探索階段,離實用還有一定的距離。由于變壓器運行條件的復雜性和故障類型的多樣性,要完美地解決這些存在的問題,需要探索一些新的理論和方法。作者提出了今后變壓器保護技術的發展方向。
(1)綜合應用變壓器電壓、電流特征提取信息,識別勵磁涌流,提高差動保護在變壓器保護應用中的性能。
(2)擺脫現有技術的束縛,獨辟蹊徑,探尋變壓器保護新的原理,克服差動保護在變壓器保護應用存在著的先天不足。
摘要：介紹了國內外變壓器勵磁涌流識別技術的現狀及發展方向,綜述了變壓器勵磁涌流識別方法,并對其進行了比較分析。
關鍵詞：勵磁涌流,變壓器,保護
參考文獻
[1] 王維儉.變壓器保護運行不良的反思[J].電力自動化設備,2001,21(10):1～3.
[2] Sharp R L,Glassburn W E.A trans-former differential relay with second harmonic restraint[J].Trans.AIEE1958,12:913～918.
[3] 王維儉.電氣主設備繼電保護原理與應用[M].北京:中國電力出版社,2002.