基于波形正當(dāng)式管理策略的變壓器勵(lì)磁涌流判別方法

0凈化原理和應(yīng)用主要保護(hù)因素之一是縱向差異動(dòng)保護(hù)。正確識別中斷和室內(nèi)短路故障仍然是當(dāng)前保護(hù)單元的中心問題。目前運(yùn)行的變壓器差動(dòng)保護(hù)大量利用二次諧波制動(dòng)原理等構(gòu)成,但在實(shí)際應(yīng)用中,效果并不十分理想。資料表明,220kV以上變壓器保護(hù)正確動(dòng)作率為68.96%,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于發(fā)電機(jī)保護(hù)及系統(tǒng)保護(hù)的平均動(dòng)作率。為提高變壓器保護(hù)的可靠性,近年來,國內(nèi)、外學(xué)者提出了許多鑒別勵(lì)磁涌流的新原理和新算法。文獻(xiàn)利用小波分析提取勵(lì)磁涌流的特征,來判別勵(lì)磁涌流;文獻(xiàn)通過提取瞬時(shí)故障電流特征判別變壓器的內(nèi)部或外部故障;文獻(xiàn)提出一種用變壓器原、副邊正序和負(fù)序電流分量的方向區(qū)分變壓器狀態(tài)的EANN(專家系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò))方法;文獻(xiàn)提出利用變壓器內(nèi)部故障時(shí)電壓與電流的波形比較相似,空載合閘且鐵心飽和時(shí)電壓與電流的波形有較大差別的特點(diǎn)區(qū)分勵(lì)磁涌流和內(nèi)部故障電流;文獻(xiàn)利用勵(lì)磁涌流的波形在一個(gè)周期內(nèi)前半周期與后半周期存在不對稱,而變壓器內(nèi)部故障時(shí),故障電流一個(gè)周期波形的前半周期與后半周期是對稱的特征區(qū)分勵(lì)磁涌流;文獻(xiàn)[10,11,12,13,14,15,16,17]分別采用波形相關(guān)特征,采樣值差動(dòng)方法、基于勵(lì)磁阻抗變化的方法、相移比較方法等鑒別勵(lì)磁涌流;文獻(xiàn)基于數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)提取電流波形特征實(shí)現(xiàn)新原理變壓器保護(hù)。從變壓器保護(hù)研究的最新進(jìn)展可以看出,進(jìn)一步探索快速、準(zhǔn)確的區(qū)分變壓器勵(lì)磁涌流和內(nèi)部故障電流的新原理、新算法,對提高差動(dòng)保護(hù)功能十分必要。本文提出利用差動(dòng)電流的波形正弦特征來判別勵(lì)磁涌流。變壓器內(nèi)部短路時(shí)差動(dòng)電流波形具有正弦函數(shù)特征,而勵(lì)磁涌流因其包含非周期分量、間斷角,不具有正弦特征,從而提出波形正弦度算法來判別內(nèi)部短路故障與勵(lì)磁涌流,該方法具有特征明顯,判斷精確,實(shí)用方便,同時(shí)對TA飽和也有制動(dòng)作用等特點(diǎn)。1變壓器非線性特性分析當(dāng)變壓器空載合閘時(shí),由于變壓器導(dǎo)磁材料磁化曲線的非線性特點(diǎn),在一定電壓下,可產(chǎn)生與短路電流相比擬的勵(lì)磁涌流,勵(lì)磁涌流的波形取決于鐵芯的飽和程度,即取決于鐵心磁密Bm的大小。當(dāng)Bm<0.8wb/m2時(shí),可認(rèn)為磁路不飽和,此時(shí)i和Φ成線性關(guān)系。當(dāng)Bm>0.8wb/m2時(shí),磁路開始飽和,i和Φ成非線性關(guān)系,i比Φ增加得要快。由于鐵心的飽和關(guān)系使勵(lì)磁電流的波形畸變,如圖1所示。圖1中曲線oab為變壓器的基本勵(lì)磁曲線,設(shè)合閘時(shí)電源電壓為u=Umsin(ωt+α),忽略變壓器漏抗,可得變壓器空載合閘(i=0)時(shí)勵(lì)磁涌流的表達(dá)式為式中:Φ為變壓器鐵芯磁通;Φm為穩(wěn)態(tài)磁通幅值,工況下為額定磁通幅值Φe;Φr為變壓器剩磁;Φsat為飽和磁通幅值;L為Φ<Φsat時(shí)變壓器的勵(lì)磁電感,近似看作常數(shù)。由式(1)可知,對于變壓器,從不飽和到深度飽和之間是一個(gè)非線性過程,稱之為非線性段,如圖1中oab線段所示;圖中oa為變壓器的正常運(yùn)行段,此時(shí)變壓器不飽和,呈線性變化,其勵(lì)磁電感非常大;b點(diǎn)后變壓器進(jìn)入深度飽和段,由涌流產(chǎn)生的機(jī)理可知,在磁化曲線的線性段oa,其電流波形是正弦的,直到變壓器進(jìn)入飽和階段b點(diǎn)后,電流就呈現(xiàn)非正弦特征。實(shí)際的勵(lì)磁涌流波形應(yīng)是一個(gè)具有間斷角的尖頂波,與正弦波形存在著較大的差異。圖2為動(dòng)模試驗(yàn)錄波得到的勵(lì)磁涌流波形,圖中自上而下分別為高壓側(cè)a、b、c三相電壓和高、低壓側(cè)三相電流波形;從中可看到變壓器Y側(cè)三相涌流波形的尖頂波特征。另外,由于變壓器采用Y/Δ接法,因此在形成差動(dòng)電流時(shí),需要對Y側(cè)電流進(jìn)行Δ變換,此時(shí)的勵(lì)磁涌流為兩相磁化電流之差,由于各相磁化電流進(jìn)入深度飽和的時(shí)間不同,因此兩相差流的尖頂波特征更加明顯。而對于變壓器內(nèi)部故障電流,其波形基本上為基頻正弦波。2波形正當(dāng)基本原理二次諧波閉鎖的差動(dòng)保護(hù)是從勵(lì)磁涌流波形中提取二次諧波特征,間斷角閉鎖差動(dòng)保護(hù)是直接提取勵(lì)磁涌流的波形特征,將變壓器在空載合閘時(shí)產(chǎn)生的勵(lì)磁涌流和故障電流區(qū)分開來,文獻(xiàn)[7,8,9,10,11,13,14,15]分別直接或間接的利用了勵(lì)磁涌流的波形特征,但以上方法的應(yīng)用或有一定的局限性,或取決于理論上的進(jìn)一步突破。本文提出的波形正弦度算法也是提取勵(lì)磁涌流的波形特征,可更精確地區(qū)分涌流和故障電流的波形特征,且直觀、易于實(shí)現(xiàn)。對變壓器經(jīng)差分后的差動(dòng)電流波形進(jìn)行正弦度比較,差分的目的是減少直流分量的影響。對任意正弦函數(shù)波形存在:sin2α+cos2α=1;sin2α+sin2(α-90°)=1。設(shè)差分后差動(dòng)電流某一點(diǎn)的瞬時(shí)值為Ii,前1/4周的瞬時(shí)值為Ii-90°。定義:式中:S為隨時(shí)間變化的函數(shù),用S(t)表示。對于標(biāo)準(zhǔn)基波正弦電流,S是常數(shù),其數(shù)學(xué)期望為式中T為一個(gè)周期。S(t)與其數(shù)學(xué)期望E(S)的相對均方差為σS(t)隨著差流偏離正弦曲線的程度增大而增大,如果差流是標(biāo)準(zhǔn)基波正弦函數(shù),則σS(t)為零。定義σS(t)為非正弦度,它和差流偏離基波正弦函數(shù)的程度有關(guān)。設(shè)σSZd為門檻值,則σS(t>σSZd時(shí),判為涌流;σS(t)<σSZd時(shí),判為故障。從以上判據(jù)可知,波形正弦度算法是利用特征值σSZd區(qū)分故障和涌流,當(dāng)變壓器空載合閘出現(xiàn)勵(lì)磁涌流時(shí),差流波形嚴(yán)重畸變,σS(t)很大,大于σSZd;當(dāng)變壓器發(fā)生內(nèi)部短路時(shí),差流波形為較好的基波正弦形狀,σS(t)很小,適當(dāng)選取σSZd的值,可正確區(qū)分涌流與短路。相對于波形對稱、間斷角及二次諧波等涌流判別方法,波形正弦度的處理能更貼切地表征電流畸變的程度,對于電流互感器飽和情況也能給出優(yōu)秀的表現(xiàn)。從下面的動(dòng)模試驗(yàn)分析可得到證明。3在不同條件下，動(dòng)模型試驗(yàn)和波形正交分析3.1相電壓及三相電流動(dòng)模實(shí)驗(yàn)中各相電壓電流波形如圖2所示,UA、UB、UC、IA、IB、Ic分別為高壓側(cè)三相電壓和三相電流;Ia、Ib、Ic為低壓側(cè)三相電流。各種運(yùn)行及故障情況下的波形分析驗(yàn)證了波形正弦度算法判斷涌流與短路的可行性。圖3為動(dòng)模試驗(yàn)系統(tǒng)接線圖。3.2空投之后a、b、c三元非正當(dāng)方程的差流波形及其變化規(guī)律圖2為變壓器空載合閘時(shí)高、低壓側(cè)各相電流電壓試驗(yàn)波形,圖4(a)為空投時(shí),a、b、c三相的差流波形,圖4(b)為空投時(shí),a、b、c三相非正弦度σS(t)的變化曲線。由圖可見,在變壓器空載合閘時(shí),出現(xiàn)非正弦變化的勵(lì)磁涌流,多次試驗(yàn)表明,涌流過程中,涌流相的波形非正弦度σS(t)>2。3.3差流波形及其擬合圖5(a)為高壓側(cè)A相接地時(shí)的各相電流、電壓波形,圖5(b)為三相差流波形,圖5(c)為波形非正弦度σS(t)的變化曲線。由圖可以看出,從短路起始點(diǎn)(t=111ms)開始,A、C兩相的σS(t)很小,經(jīng)過多次動(dòng)模試驗(yàn)表明,σS(t)在故障后10ms已持續(xù)小于0.2。3.4錯(cuò)誤的輸入和失敗的輸出由圖6可見,從變壓器故障起始點(diǎn)(t=69ms),13ms后,A相σS(t)已持續(xù)小于0.8。3.5變壓器輕載運(yùn)行時(shí)涌流判據(jù)t圖7、圖8分別為空投時(shí),變壓器A相接地故障的情況和變壓器滿載時(shí),B相匝間短路故障的情況。由圖7可見,空投于內(nèi)部故障時(shí),從變壓器故障起始點(diǎn)(t=184ms)經(jīng)10ms后,σS(t)已持續(xù)小于0.3;由圖8可見,變壓器內(nèi)部發(fā)生匝間短路時(shí),從故障起始點(diǎn)(t=57ms)10ms后,σS(t)已持續(xù)小于0.3。鑒于篇幅所限,將變壓器保護(hù)的各試驗(yàn)及其波形非正弦度反映情況如表1所示。由表1可見,空投相鄰變壓器、帶負(fù)荷投變壓器時(shí),涌流判據(jù)σS(t)應(yīng)處于閉鎖狀態(tài),此時(shí)σS(t)大于1.5～2,而變壓器輕載運(yùn)行時(shí)C相經(jīng)過渡電阻接地,σS(t)遠(yuǎn)小于1。限于篇幅,表2列出了經(jīng)試驗(yàn)幾種有代表性的故障情況下波形正弦度、二次諧波制動(dòng)和波形對稱原理的制動(dòng)情況比較。由表2可見,對比目前應(yīng)用較多的二次諧波制動(dòng)和波形對稱原理制動(dòng)方法,在空投變壓器、變壓器帶負(fù)荷合閘、空投相鄰變壓器等情況下,波形正弦度原理均能可靠制動(dòng),而在變壓器內(nèi)部故障、空投時(shí)內(nèi)部故障等情況下,波形正弦度原理開放保護(hù)的時(shí)間遠(yuǎn)小于二次諧波制動(dòng)原理、小于波形對稱原理的開放保護(hù)的時(shí)間。波形正弦度原理可實(shí)現(xiàn)分相制動(dòng),對于變壓器深度飽和的情況,由于正弦度制動(dòng)方式對波形要求更加嚴(yán)格,較好地體現(xiàn)出了故障和涌流及飽和的區(qū)別。運(yùn)行區(qū)域在沒有全部進(jìn)入飽和區(qū)情況,就會存在一些波形間斷,而且在線性段到飽和段的過渡部分一定會造成波形嚴(yán)重變形,此時(shí)正弦度制動(dòng)會有更好的制動(dòng)效果。如果運(yùn)行區(qū)域全部進(jìn)入飽和區(qū),各種制動(dòng)方式全部失效,而由于飽和段不象線性段那樣直,是一個(gè)弧線,會給電流波形帶來一定變形(主要是三次諧波),正弦度制動(dòng)可能會有好的表現(xiàn)。當(dāng)變壓器內(nèi)部故障由于電流很大造成TA飽和,這種情況下各種制動(dòng)方法都會制動(dòng),此時(shí)應(yīng)主要靠差動(dòng)速斷保護(hù)切除故障。4變壓器載荷計(jì)算方法的適用性分析基于波形正弦度算法的變壓器差動(dòng)保護(hù)涌流判別方法是利用變壓器勵(lì)磁涌流和內(nèi)部故障電流的波形特征不同來判別的,變壓器內(nèi)部短路時(shí)差動(dòng)電流波形具有明顯的正弦函數(shù)特征,而勵(lì)磁涌流因其包含非周期分量、間斷角不具有正弦特征。大量動(dòng)模試驗(yàn)證明了波形正弦度算法的可行性,利用特征值σSZd區(qū)分故障和涌流,經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明設(shè)門檻σSZd=1比較合理,且在判別過程中裕度很大,當(dāng)變壓器空載合閘出現(xiàn)勵(lì)磁涌流時(shí),σS(t)很大,遠(yuǎn)大于σSZd,判據(jù)開放,閉鎖保護(hù);當(dāng)變壓器發(fā)生各種內(nèi)部短路時(shí),σS(t)遠(yuǎn)小于σSZd,判據(jù)閉鎖,開放保護(hù)。各種動(dòng)模試驗(yàn)及波形分析表明了所提判別方法及判據(jù)的正確性。波形正弦度原理在空投變壓器等