基于補償勵磁涌流的變壓器差動保護改進方法

羅維求 張曉惠

1.福建省電力勘測設(shè)計院 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)定運行至關(guān)重要，因為一旦變壓器發(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，如果變壓器發(fā)生故障而損壞時，不僅造成大面積停電，而且維修或替換費用非常昂貴，這就對變壓器主保護提出了很高的要求。而傳統(tǒng)的變壓器保護主要采用差動保護的方法，這種方法主要好處在于簡單有效，因此，當(dāng)今的各種變壓器保護中，這種方法仍然廣泛被應(yīng)用，但這種方法也存在一個致命的缺陷，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產(chǎn)生的勵磁涌流，從而加大了變壓器跳閘的頻率。

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

針對這個問題，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新原理的研究，陳德樹［2］等提出了虛擬三次斜波制動式變壓器器差動保護，phdke A G［3］提出了基于磁通特性的變壓器差動保護，K.Yabe［4］提出了基于功率差分的變壓器差分保護，O.A.S.Youssef［5］提出了基于小波變化的變壓器差分保護，孫志杰［6］等提出了波形對稱原理的變壓器差動保護。不可否認這些方法在解決變壓器誤動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)生故障時繼電器動作延時問題。

本文在總結(jié)前人研究的基礎(chǔ)上，提出了一種基于補償勵磁涌流的變壓器差動保護的改進方法，這種方法與傳統(tǒng)的電流差動保護方法不同之處在于，傳統(tǒng)的差動保護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別變壓器的各種故障，這種方法在變壓器內(nèi)部故障時可以可靠的識別故障，但當(dāng)變壓器存在勵磁涌流與外部故障時卻可能導(dǎo)致變壓器誤動作。針對這種情況，本文綜合考慮了勵磁涌流這種情況，即把一次側(cè)電流扣除掉勵磁涌流，從而得到了新的用于計算電流差分值的新的一次側(cè)電流。經(jīng)過這樣的處理，得到了變壓器差動保護的新的整定值，能夠很快的識別變壓器的各種故障，通過不同的變壓器故障仿真驗證表明，這種方法能夠準確的識別不同類型的變壓器故障，且具有很高的靈敏性。

1 補償電流的變壓器差動保護原理

1.1 傳統(tǒng)的變壓器差動保護原理

傳統(tǒng)變壓器差動保護原理如圖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所示進行連接，從而得到流過繼電器的差動保護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。而變壓器的啟動閥值為：

根據(jù)以上整定值，得到變壓器差動保護啟動電流判別式：

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，由于I1與I2都流向變壓器，因此流過兩個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，因此差動電流超過變壓器動作閥值使繼電器動作。而當(dāng)變壓器發(fā)生外部故障時，此時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，故此時保護不動作。但當(dāng)變壓器出現(xiàn)勵磁涌流時，此時也會使Id很大，且很可能超過整定值使繼電保護誤動作。

圖1 雙繞組變壓器差動保護原理圖

1.2 基于補償電流的差動保護原理

1.2.1 理論分析

通過分析表明，傳統(tǒng)的差動保護誤動作的主要原因在于計算差分電流的變壓器一次側(cè)電流沒有考慮勵磁涌流。當(dāng)變壓器出現(xiàn)勵磁涌流時會使I1很大從而使Id值超過整定值而使變壓器發(fā)生誤動作。針對這種情形，本文通過在整定式中加補償電流項，扣除一次側(cè)電流的勵磁涌流成分，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）為勵磁涌流。

由于當(dāng)產(chǎn)生勵磁涌流時，ic（t）遠小于 im（t），因此可忽略ic（t）項，這并不影響判據(jù)的準確性。故可得：

因此，問題的關(guān)鍵在于如何求取變壓器的勵磁涌流。

1.2.2 im（t）的求取

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

2 仿真與分析

為了驗證結(jié)論的準確性，本文采用MATLAB中的電力系統(tǒng)模塊（PSB）進行仿真驗證，仿真主電路圖與測量子電路圖分別如圖3、4所示。下面分別對變壓器發(fā)生內(nèi)部故障，外部故障以及勵磁涌流等幾種情況傳統(tǒng)的方法以及改進的方法進行仿真，并對兩種方法的仿真結(jié)果進行對照，從而驗證結(jié)論的可靠性。

圖3 仿真子電路圖

圖4 測量子電路圖

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

圖5 變壓器勵磁涌流波形

圖6 變壓器出現(xiàn)勵磁涌流時所對應(yīng)的Id，Ir

由仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)變壓器出現(xiàn)勵磁涌流時，使用傳統(tǒng)方法得到的差動電流Id遠遠大于啟動電流閥值Ir，因此將使保護誤跳閘。而使用補償勵磁涌流的改進方法得到差動電流值Id遠遠小于啟動電流閥值Ir，因此，這種方法可以可靠的避過勵磁涌流使保護不會誤動作，換句話說，使用補償勵磁涌流的方法可以準確識別變壓器內(nèi)部故障與勵磁涌流。

2）當(dāng)變壓器發(fā)生內(nèi)部故障時，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)部故障時變壓器勵磁涌流波形

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，使用傳統(tǒng)方法得到的差動電流值Id遠遠大于啟動電流閥值Ir，因此，傳統(tǒng)的方法可以使保護準確動作。但此時使用補償勵磁涌流的方法得到的差動電流值也超過啟動閥值Ir，故這種方法也可以使保護準確動作。因此，這種方法保持了傳統(tǒng)方法能夠準確識別變壓器內(nèi)部故障的功能。

圖8 變壓器發(fā)生內(nèi)部時所對應(yīng)的Id，Ir

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

圖9 變壓器發(fā)生外部故障時勵磁涌流波形

圖10 變壓器發(fā)生外部故障時所對應(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，此時使用傳統(tǒng)的方法以及補償電流的方法都使得到的差動電流值小于啟動電流閥值，因此，當(dāng)變壓器發(fā)生外部故障時兩種方法都不會使變壓器保護動作，換句話說，傳統(tǒng)方法與補償勵磁涌流方法都能夠準確的識別變壓器外部故障。

3 結(jié)束語

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

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

［2］陳德樹，尹項亙，張哲等.虛擬三次斜波制動式變壓器差動保護［J］.中國電機工程學(xué)報，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.波形對稱原理的變壓器差動保護［J］.電力系統(tǒng)自動化，1996，20（4）：42-46.

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

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