變壓器勵磁涌流畸變度檢測法

李亞紅,常旭東

(1.開灤協(xié)鑫發(fā)電有限公司, 河北 唐山 063000;2.南京南電繼保自動化有限公司,南京 211106)

變壓器勵磁涌流畸變度檢測法

李亞紅1,常旭東2

(1.開灤協(xié)鑫發(fā)電有限公司, 河北 唐山 063000;2.南京南電繼保自動化有限公司,南京 211106)

為了保證變壓器安全運行,防止空載合閘時勵磁涌流造成的誤動,針對當今常用的變壓器勵磁涌流檢測方法存在的缺陷和不足,提出了一種新的變壓器涌流畸變度檢測方法,即利用涌流畸變產生的高次諧波來檢測勵磁涌流。算例仿真驗證,該方法能夠可靠區(qū)分勵磁涌流和故障電流,防止了變壓器差動保護的誤動和拒動。

變壓器；勵磁涌流；畸變度

變壓器是電力系統(tǒng)中不可缺少的重要設備,一旦出現問題將會出現大面積停電,帶來巨大的損失,因此變壓器的安全性顯得特別重要。通常變壓器采用性能良好的差動保護作為主保護[1-2]。當差動保護用于變壓器時,需要防止空載合閘時勵磁涌流造成的誤動。因為變壓器在空載合閘時一般總是要在合閘側產生勵磁涌流,所以此電流僅在一側(合閘側)存在,必然形成差流。如果不采取一定的措施,將使得差動保護誤動。因此,如何防止空載合閘時勵磁涌流造成的誤動,則成為變壓器差動保護的一個重要課題。本文針對已有變壓器勵磁涌流檢測方法的局限性,提出了勵磁涌流畸變度檢測方法。

1 變壓器勵磁涌流檢測方法

1.1 二次諧波檢測方法

二次諧波檢測方法是最早采用的方法,有的差動保護裝置現在仍在沿用。因為勵磁涌流的畸變程度與許多因素有關,如鐵芯工作磁密、飽和磁密、剩磁、空投時的合閘角等,其中剩磁與合閘角是隨機的,所以涌流的畸變是不確定的,需要檢測的特征量也是不確定的。如涌流中二次諧波所占比例相對比較大,但卻不是一個確定的值,而是在一定范圍里隨有關因素的變化而變化。只能得出這樣的結論:三相涌流中總有一相大于20%。根據這一結論,制動方式也只能采用“或” 制動,這正是二次諧波制動方法的缺陷之一。

1.2 間斷角檢測方法

間斷角檢測方法與二次諧波檢測方法類似,由于剩磁與合閘角是隨機的,因而涌流的畸變所形成的間斷角也是不確定的[3]。為了消除反向電流的影響,一般要為電流設置一個門檻,這一門檻的設置使得故障電流也具有間斷角。目前“間斷角”定值取為65°,只能保證飽和磁密與工作磁密之比為1.2、 剩磁為0.5時可靠制動。雖然這一方法可以采用“與”門制動,但冗余度明顯不足。而且,為了精確測量“間斷角”的大小,需要大幅提高采樣點的數值,這顯然不是什么優(yōu)點。

1.3 波形對稱度檢測方法

波形對稱度檢測方法的原理:在濾除非周期分量之后,故障電流基本是正弦波,正弦波的正半波和負半波是對稱的,而勵磁涌流因畸變就不能滿足這一要求。對于故障電流來說,正、負半波是對稱的,此時不應閉鎖差動保護,而應開放保護;對于勵磁涌流來說,此時應該閉鎖差動保護,防止差動保護誤動[4-5]。對于高次諧波來說,3、5、7等次諧波與基波一樣同屬奇次諧波,因此也是對稱的;而偶次諧波正是造成勵磁涌流不對稱的原因。故此方法也可稱為偶次諧波制動。在變壓器過勵磁時,其勵磁電流的波形是對稱的,此方法也和前面2種方法一樣,需要增加5次諧波制動,以防變壓器過勵磁時的誤動。

由于上述3種方法僅僅從某一個方面來反映涌流的畸變,并沒有全面反映涌流的畸變,因而不可避免地具有這樣或那樣的局限性[6]。為了彌補它們的不足,更嚴格地區(qū)分勵磁涌流和故障電流,更可靠地保證差動保護在空載合閘和過勵磁時不誤動, 本文提出了畸變度檢測方法。

2 畸變度檢測法

變壓器勵磁涌流的嚴重畸變產生了豐富的高次諧波,而故障電流就不含有這樣豐富的高次諧波。因此,如果能利用這些豐富的高次諧波來檢測勵磁涌流,就能夠全面反映涌流的畸變程度。

為了全面反映涌流的畸變程度,提出一個全新的物理量——畸變度,其定義為

式中:ik為某一時刻濾除直流分量的檢測電流信號值;i1k為該時刻的基波數值;I1為基波的有效值;n為采樣點數。

為了計算出Q值,首先對被檢測電流用差分算法濾去其中的直流分量,得到ik序列,再用數字余弦濾波器濾出基波分量的i1k序列。因為余弦濾波前后沒有相位移,可以準確和原序列進行比較,所以用常規(guī)的傅立葉變換計算出I1,就可根據Q值的計算公式計算出Q值。

對于故障電流來說,濾去直流分量后基本為一個正弦波,再經余弦濾波依然是一個正弦波,而數字余弦濾波器濾波前后沒有相位移,故障電流的ik序列與i1k序列基本相同,故計算出的Q值很小。而對于勵磁涌流來說,差分算法除能濾去直流分量以外,對各高次諧波也有放大作用,ik序列中包含基波和被放大的高次諧波,再經余弦濾波濾出基波的i1k序列。顯然,此時的ik與i1k兩序列相差甚遠,故計算出的Q值很大。

由于Q值全面反映了變壓器涌流的畸變程度,因此能夠更可靠地保證差動保護在變壓器空載合閘時不誤動,并且能夠更嚴格區(qū)分勵磁電流與故障電流,從而保證差動保護在故障時不拒動。此判據具有較高的冗余度,而且可以采用 “與”門制動方式實現變壓器三相的差動保護,保證了在空投于有故障的變壓器時差動保護不會延時動作。此方法適用于變壓器差動保護長期正確動作率不高的狀況。

3 仿真驗證與分析

以兩個現場具體的錄波數據為例,分別計算出Q值。一個是含有較大非周期分量的故障電流;一個是典型的對稱性勵磁涌流。

3.1 故障電流的仿真驗證與分析

以銀川新城變壓器一次故障電流的錄波數據為依據,錄波圖如圖1所示。

圖1 銀川新城變壓器故障電流的錄波波形

根據圖1的錄波波形的原始數據,經差分算法和余弦濾波算出ik和i1k如表1所示,其中i為原始錄波數據。

I1可用常規(guī)的傅里葉變換計算出來,約為31.8。有了以上這些數據就可計算此電流的Q值約為1.85。

3.2 勵磁電流的仿真驗證與分析

以茬平變壓器一次空載合閘時勵磁電流的錄波數據為基礎,錄波圖如圖2所示。根據圖2的錄波波形的原始數據,經差分算法和余弦濾波算出ik和i1k如表2所示,其中i為原始錄波數據。I1可用常規(guī)的傅里葉變換計算出來,約為9.0。有了這些數據就可計算此電流的Q值約為25.7。

通過以上兩個典型的具體例子可以看到:故障電流時,Q值僅為1.85,而空投時的勵磁涌流Q值為25.7,兩者之間的差距很大。所以只有適當選擇Q的閥值,才能可靠地區(qū)分故障電流和勵磁涌流。閥值Q的選擇要注意以下問題:

表1 銀川新城變壓器錄波數據及計算數據

圖2 茬平變壓器空投時的勵磁電流的錄波波形

1)Q值的計算與采樣點有關,采樣點越高,計算出的Q值越大。上面兩個具體的實例中,采樣點都是20。如果采樣點是12、24、32等,對同樣的波形,計算出的Q值也不一樣。采樣點越高,計算出的Q值越大,判斷結果的準確度越高。同樣,閥值Q的選取也與采樣點有關,采樣點越高,閥值也應相應選得高一些。

表2 茬平變壓器空投時的勵磁電流錄波數據及計算數據

2) 故障電流的Q值較小,且波動也很小,而勵磁涌流的Q值很大,且波動也很大。故閥值Q應選擇偏向故障電流。根據以上兩個具體實例來看,當采樣點為20時可選擇Q的閥值為4,此時的安全系數為2.16。

4 結 語

本文定義了反映畸變程度的物理量——畸變度,從畸變度的計算方法來看,計算出來的畸變度必然無一例外地包含了全部高次諧波,因此也就全面反映了涌流的畸變程度。經仿真算例驗證,該方法具有很高的冗余度,能夠可靠區(qū)分勵磁涌流和故障電流,防止變壓器差動保護的誤動和拒動,改善變壓器差動保護正確動作率不高的現狀。

[1] 高春如.大型發(fā)電機組繼電保護整定計算與運行技術[M]：第二版.北京:中國電力出版社,2010. GAO Chunru. Setting calculation and operation technology of relay protection for large-scale generator units [M]. Beijing: China Electric Power Press, 2010.

[2] 許正亞.發(fā)電廠繼電保護整定計算及其運行技術[M].北京:中國水利水電出版社,2009. XU Zhengya. Setting calculation and operation technology for power plants [M]. Beijing: China Water & Power Press, 2009.

[3] 王祖光.間斷角原理變壓器差動保護[J]. 電力系統(tǒng)自動化,1979,3(1):18-30. WANG Zuguang. Transformer differential protection based on intermission angle principle [J]. Automation of Electric Power Systems, 1979,3(1):18-30.

[4] 孫志杰, 陳云侖.波形對稱原理的差動保護[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 1996,20(4):42-46. SUN Zhijie, CHEN Yunlun. Transformer differential protection based on symmetry principle of current waveforms [J]. Automation of Electric Power Systems, 1996,20(4):42-46.

[5] 聶永輝.基于EMD 和SVM 的變壓器勵磁涌流和短路電流識別[J].黑龍江電力,2013,35(4):303-306. NIE Yonghui. Identification of inrush current and short circuit current for transformer based on EMD and SVM [J]. Heilongjiang Electric Power, 2013,35(4):303-306.

[6] 郭偉偉.馬力.防止變壓器勵磁涌流造成差動保護誤動的方法[J].電工技術,2012(6): 10-11. GUO Weiwei, MA Li. Prevention of differential protection malfunction generated by transformer inrush current [J]. Electric Engineering, 2012(6): 10-11.

(責任編輯 郭金光)

Method for detecting the distortion of transformer inrush current

LI Yahong1, CHANG Xudong2

(1. Kailuan GCL Power Co. Ltd.， Tangshan 063000, China; 2. Nandian Automation Co. Ltd., Nanjing 211106, China)

In order to guarantee the safe operation of transformers, and to prevent them from the malfunction caused by inrush current under the situation of no-load closing, the paper proposed, aiming at the defects of the common detecting method for transformer inrush current, a new method for detecting the distortion of transformer inrush current. It is a method that uses the high harmonics generated by inrush distortion to detect inrush current. The simulation example proves that this method is able to distinguish inrush current from fault current so as to prevent malfunction and misstrip of transformer differential protection.

transformer; inrush current; degree of distortion

2015-03-16。

李亞紅(1971—)，男，工程師,主要從事火力發(fā)電廠生產管理工作。

TM41

A

2095-6843(2015)06-0512-03