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基于励磁阻抗变化的变压器励磁涌流判别方法

2017-04-14 09:39:36 水阻柜网 阅读

1 引言

变压器内部故障的主保护之一是差动保护,而励磁涌流流入差动回路会引起差动保护误动,因此,当前变压器保护的关键问题仍然是励磁涌流与故障电流的判别。目前在工程上应用的判别励磁涌流的原理[1~4]都是从涌流波形与短路电流波形特征不同来区分励磁涌流与短路故障。但各种涌流判别原理都存在合闸于故障时,保护动作时间长或动作时间离散度大的缺点;而利用波形特征的判别方法,在某种情况下空投时,比率差动保护存在误动的可能性;磁通特性鉴别法[5]和等值电路参数鉴别法[6]虽不需考虑涌流波形,而是利用电压、电流来识别变压器参数的变化,从而判别变压器故障与否,但这两种方法都需要变压器参数或系统参数。本文利用在励磁涌流时,变压器的励磁阻抗急剧变化,而在正常运行或故障时励磁阻抗基本不变这一特征来区分变压器励磁涌流和短路故障,因而不需要变压器参数和系统参数。动模实验和EMTP故障仿真试验表明,本方法可以很快地区分励磁涌流和短路故障;即使在合闸于轻微匝间故障的情况下,动作延时也不超过30 ms。


2 基本原理

变压器的磁化曲线是非线性的,当在正常运行状态和区内、外故障时,变压器运行在磁化曲线的线性段,因而励磁阻抗是基本保持不变的。在正常情况下,变压器的励磁电流很小,对于现代大型变压器,通常要小于1%变压器额定电流,因此,当变压器运行在磁化曲线的线性段时,励磁阻抗很大,一般以变压器额定电压和电流为基准的励磁阻抗Zm>100。当变压器空投或区外故障切除,电压恢复正常的过程中,由于磁通不能突变,磁通中出现了非周期性的暂态分量,与铁芯剩磁一起使变压器铁芯饱和,同时由于电压是交变的,因而在一个周波内变压器铁芯周期性地进入饱和区和退出饱和区;当进入饱和区时,励磁电流的瞬时值很大,可能达到变压器额定电流的5~10倍甚至更大,这就是励磁涌流;而退出饱和区时,只有正常的励磁电流,其瞬时值很小,所以说励磁涌流有间断角。励磁电流上升时励磁抗Zm呈反比下降,在空载合闸时,Zm的最值最值可能相差几百倍甚至上千倍。

当变压器发生匝间短路时,可以把短路部分看作第三绕组S,这就相当于一台三绕组变压器在第三绕组发生短路,它的等效电路如图1所[7].

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据现场录波分析[8],在发生1%左右间故障时,会有变压器额定电流一倍右括电流,这表明短路阻抗Zs≈1。在正常运行时发生匝间短路,变太器铁芯中的磁通是下降的,且工作在线怀段,保持励磁阻抗Zm>100。当空投于匝间故障时,即使Zm变化很大,由于Zs很小,Zs和Zm并联后测量到的阻抗Z也基本保持不变。且短路匝数越多,Zs越小,测量阻抗的变化也越小。

从上面的分析可知,测量阻抗Z(或励磁电感L)在正常运行和故障时是基本不变的,而当励磁涌流则是急剧变化的。因此,可以利用测量阻抗的变化来判别涌流与故障。

令测量阻抗

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式中 U、I为通过滤波算法得到的电压、电流在某一时刻的计算幅值。

Z是随时间变化,用Z(t)表示,其数学期望为

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从以上判据可知,本方法不需要变压器的励磁阻抗及一、二次绕组漏抗等的具体数值。


3 动模试验及EMTP仿真试验

取I=I1+ I2;σZzd=1,动模试验和EMTP仿真试验结果表明,在变压器产生励磁涌流时,σZ(t)较大,一般要大于5;而在故障时,σZ(t)很小,理论上为零。

3.1 内部发生匝间短路的试验情况

图2为变压器正常运行时发生B相5%匝间故障的差流波形和σZ(t)的变化曲线。由图中可以看出,AB两相差流均可快速开放,而C相差流由于只是变压器正常运行时的励磁电流,所以比例差动保护不会动作

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3.2 空投时出现励磁涌流的试验情况

图3(a)为空载合闸时的励磁涌流差流波形;图3(b)为相应的σZ(t)的变化曲线,图(b)中,t0为合闸初始时刻。由图可看出,在涌流过程中,涌流判据一直处于闭锁状态。多次动模试验表明,空投时σZ(t)>5。

3.3 外部短路被切除后电压恢复时出现涌流的试验情况

图4(a)为变压器区外三相故障切除时引起涌流的差流波形,图4(b)为相应的σZ(t)变化曲线,其中t0为区外故障切除时刻。从图中可以看出,在区外故障切除引起涌流时,本判据可以快速闭锁差  动保护。为了可靠闭锁比例差动保护装置,在制动电流突然减小时,可考虑延时一个周波。

3.4 空投于有匝间短路的故障变压器的试验情况

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空投于有匝间短路的故障变压器时,励磁涌流(流经图1中的Zm)和短路电流(流经图1中的Zs)同时存在。

图5为空载合闸于B相5%匝间故障时的差流波形和σZ(t)的变化曲线。由于要进行Y/Δ转换,B相绕组故障的特征将反应在AB两相继电器上。且AB两相继电器还要分别受A相和C相励磁电流的影响,所以它们的动作情况会有所不同。试验结果为A相继电器开放速度稍慢,约为80 ms,但B相在空投20 ms后即可开放,不影响保护快速动作,而C相则一直处于闭锁状态。多次试验表明,空投于匝间故障时,故障相σZ(t)<0.5。


      

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4 结论

本文从产生励磁涌流的根本原因———磁化曲线的非线性出发,利用最能明显反应励磁涌流的特征参数———励磁阻抗的变化进行励磁涌流判别。因其特征显著,故不需严格的数学计算,只需粗略估计;由于特征变化明显,动作判据的整定范围很宽,对涌流判别的效果十分理想,即使在空投于轻微匝间故障的变压器,也能很快地开放保护。现有利用二次谐波,间断角等原理进行变压器差动保护都需对非线性电路作严格计算,实际计算时都作了许多假设,而且仅对单相变压器进行深入的分析,实际三相变压器保护的继电器电流是两相电流之差,空投时三相又不可能同时接通,因而在个别特殊情况下对涌流的判别难免失效。

本文方法充分利用了计算机的计算能力,具有下列特点:

1)不需考虑系统参数和变压器参数;

2)可以利用分相制动的方法;

3)动作门槛具有较大的裕度;

4)动作速度快且稳定。

动模试验和EMTP仿真试验表明,利用测量阻抗的变化能够正确区分励磁涌流和故障电流,保护的动作延时在30 ms以内。


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