變壓器勵(lì)磁涌流判別方法綜述

趙禮杰　趙　妍

摘要：變壓器是電力系統(tǒng)中極其重要的電氣設(shè)備，變壓器保護(hù)對(duì)于提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性、安全性具有重要的意義。差動(dòng)保護(hù)是變壓器的主保護(hù)。當(dāng)前變壓器差動(dòng)保護(hù)中最關(guān)鍵和最困難的問(wèn)題仍然是如何防止勵(lì)磁涌流所導(dǎo)致的誤動(dòng)作。本文主要綜述了變壓器勵(lì)磁涌流判別方法，并對(duì)其進(jìn)行了比較分析。

關(guān)鍵詞：勵(lì)磁涌流

1 引言

變壓器是電力系統(tǒng)中極其重要的電氣設(shè)備，它擔(dān)負(fù)著電能的傳輸和電壓變換的重要作用。變壓器保護(hù)對(duì)于提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性、安全性具有重要的意義。尋求一個(gè)安全、可靠、靈敏的變壓器保護(hù)方案，一直是國(guó)內(nèi)外電力系統(tǒng)學(xué)者們研究的熱點(diǎn)問(wèn)題[1-3]。

變壓器空載合閘時(shí)，由于受到鐵芯磁路飽和的影響可能出現(xiàn)很大的沖擊電流即勵(lì)磁涌流。在情況嚴(yán)重時(shí)，勵(lì)磁涌流會(huì)超過(guò)額定電流的許多倍，如不采取適當(dāng)?shù)拇胧?，則可能引起變壓器開(kāi)關(guān)跳閘，變壓器不能順利地投入電網(wǎng)工作。

長(zhǎng)期以來(lái)，差動(dòng)保護(hù)一直被認(rèn)為是電力變壓器最完善的主保護(hù)，但是由于變壓器自身的特點(diǎn)，使得變壓器差動(dòng)保護(hù)還有著一些困難和欠缺的地方。變壓器具有兩個(gè)及多個(gè)電壓等級(jí)，構(gòu)成差動(dòng)保護(hù)的所用電流互感器的參數(shù)各不相同，變壓器每相原、副邊電流之差（正常運(yùn)行時(shí)的勵(lì)磁涌流）將作為差動(dòng)保護(hù)不平衡電流的一種來(lái)源。在變壓器空載突然合閘時(shí)，或者變壓器外部短路故障被切除后端電壓恢復(fù)時(shí)，暫態(tài)勵(lì)磁涌流的大小可與短路電流相比擬，在這么大的不平衡電流，要求差動(dòng)保護(hù)不誤動(dòng)，是個(gè)相當(dāng)復(fù)雜困難的技術(shù)問(wèn)題[1]。當(dāng)前變壓器差動(dòng)保護(hù)中最關(guān)鍵和最困難的問(wèn)題仍然是如何防止勵(lì)磁涌流所導(dǎo)致的誤動(dòng)作，使其在勵(lì)磁情況下能夠可靠地動(dòng)作。這對(duì)差動(dòng)保護(hù)有兩方面的要求，即防止外部短路時(shí)不平衡電流以及防止勵(lì)磁涌流所致的誤動(dòng)作，研究涌流產(chǎn)生的機(jī)理和涌流特性對(duì)防止勵(lì)磁涌流引起差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)至關(guān)重要。

2 勵(lì)磁涌流識(shí)別方法的原理簡(jiǎn)述及現(xiàn)狀

目前鑒別勵(lì)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(dòng)原理。國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)生產(chǎn)的變壓器差動(dòng)保護(hù)裝置也主要是基于以上原理。此外，還有波形對(duì)稱(chēng)原理，波形疊加原理、波形相關(guān)性分析法、波形擬合法這些利用波形特征來(lái)識(shí)別變壓器勵(lì)磁涌流的方法。最近，電壓制動(dòng)原理、等值電路原理、磁特性原理等也有應(yīng)用和研究。

隨著人們研究領(lǐng)域逐漸擴(kuò)大，研究的層次逐漸加深，產(chǎn)生很多新興的學(xué)科。這些學(xué)科為科學(xué)研究提供了新的手段。將模糊判據(jù)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法運(yùn)用到變壓器勵(lì)磁涌流的識(shí)別中也是研究的熱點(diǎn)之一。

2.1 間斷角原理

間斷角原理是基于勵(lì)磁涌流波形中有較大的間斷這個(gè)特征實(shí)現(xiàn)其鑒別的，以準(zhǔn)確測(cè)量間斷角的大小為基礎(chǔ)的。

其優(yōu)點(diǎn)是利用了勵(lì)磁涌流本身明顯的波形特點(diǎn)，能夠清楚的區(qū)分變壓器勵(lì)磁涌流和內(nèi)部故障電流；一般采用分相涌流判別方法，在變壓器內(nèi)部故障時(shí)能迅速跳閘；具備一定的過(guò)勵(lì)磁能力。但是，用微機(jī)保護(hù)實(shí)現(xiàn)間斷角原理有以下難點(diǎn)：

勵(lì)磁涌流在變壓器一次側(cè)有明顯的間斷角，由于受到CT飽和的影響進(jìn)入差動(dòng)繼電器的二次涌流已大大喪失這種特性，利用起來(lái)將增加裝置的復(fù)雜性。

測(cè)量間斷角需要很高的采樣率，這對(duì)計(jì)算機(jī)硬件又提出了更高的要求。

由于以上原因使得該原理在實(shí)際變壓器微機(jī)保護(hù)的應(yīng)用中受到限制，效果并不是很理想，而且硬件復(fù)雜和成本較高，在實(shí)用化過(guò)程中要著進(jìn)一步經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析和現(xiàn)場(chǎng)考驗(yàn)。

2.2 二次諧波制動(dòng)原理

在變壓器勵(lì)磁涌流中含有較大的偶次諧波分量，其中二次諧波分量最大：當(dāng)電流信號(hào)中二次諧波的含量超過(guò)閾值，即判斷是勵(lì)磁涌流。該原理不僅在常規(guī)保護(hù)中有較多運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，而且在微機(jī)保護(hù)中容易實(shí)現(xiàn)，故在國(guó)內(nèi)外變壓器實(shí)際投入運(yùn)行中得到廣泛的應(yīng)用。但原理有以下缺陷：

由于采用“或”門(mén)制動(dòng)，因此會(huì)出現(xiàn)故障變壓器空投時(shí)，非故障相閉鎖故障相的現(xiàn)象，導(dǎo)致變壓器保護(hù)延時(shí)動(dòng)作。

由于變壓器合閘的時(shí)間，變壓器剩磁等不確定因素對(duì)勵(lì)磁涌流的影響，很難選擇合適的制動(dòng)比K。

在正常工況下，大容量的變壓器內(nèi)部短路電流的二次諧波含量約為7%，而在有串補(bǔ)電容的高壓系統(tǒng)及高壓電纜變壓器的短路電流中,二次諧波含量可能高達(dá)15％～20%，這對(duì)二次諧波制動(dòng)原理提出了新的挑戰(zhàn)。

2.3 波形對(duì)稱(chēng)原理

波形對(duì)稱(chēng)原理是根據(jù)電流波形進(jìn)行分析來(lái)識(shí)別勵(lì)磁涌流和內(nèi)部短路電流，即首先將流入繼電器的差流進(jìn)行微分，對(duì)微分后差流的前半波與后半波作對(duì)稱(chēng)比較，根據(jù)比較的結(jié)果去判斷是否發(fā)生了勵(lì)磁涌流。

由于勵(lì)磁涌流的波形中含有間斷角，使得勵(lì)磁涌流在一個(gè)周波波形的前半周與后半周存在不對(duì)稱(chēng)性；而大量研究表明，變壓器內(nèi)部故障時(shí)的電流一個(gè)周波波形的前半周與后半周是幾乎對(duì)稱(chēng)的。

在此基礎(chǔ)上，又提出波形相關(guān)性分析法、波形擬合法等，其基本原理是大致相同的，實(shí)際上都是間斷角原理的推廣。但它比間斷角原理容易實(shí)現(xiàn)，克服了間斷角原理對(duì)微機(jī)保護(hù)硬件要求高的缺點(diǎn)。

2.4 電壓制動(dòng)原理

電壓制動(dòng)原理提出利用變壓器的端口電壓作為識(shí)別變壓器勵(lì)磁涌流和內(nèi)部短路電流的輔助判據(jù)。當(dāng)變壓器發(fā)生短路時(shí)，伴隨有電壓的降低；當(dāng)變壓器出現(xiàn)勵(lì)磁涌流時(shí)，電壓不會(huì)降低，有時(shí)還會(huì)升高。

分析和實(shí)驗(yàn)表明，電壓制動(dòng)原理的應(yīng)用與系統(tǒng)阻抗的大小關(guān)系密切相關(guān)。同時(shí)，當(dāng)變壓器低壓側(cè)裝有無(wú)功補(bǔ)償裝置時(shí)，發(fā)生短路時(shí)的端口電壓不會(huì)瞬時(shí)降低，此時(shí)會(huì)影響輔助判據(jù)的準(zhǔn)確性和保護(hù)的速動(dòng)性。

2.5 等值電路原理

等值電路原理是一種基于變壓器導(dǎo)納型等值電路的勵(lì)磁涌流判別方法。該方法是通過(guò)檢測(cè)對(duì)地導(dǎo)納的參數(shù)變化，鑒別變壓器的內(nèi)部故障。鐵芯線(xiàn)圈的漏抗和空芯線(xiàn)圈的漏抗接近，故此時(shí)變壓器等值導(dǎo)納參數(shù)的互導(dǎo)納與變壓器的鐵芯飽和程度無(wú)關(guān)。鐵芯未飽和時(shí)，變壓器各側(cè)對(duì)地導(dǎo)納幾乎為零；當(dāng)鐵芯飽和時(shí)，變壓器各側(cè)對(duì)地導(dǎo)納明顯增大；當(dāng)鐵芯嚴(yán)重飽和時(shí)，變壓器各側(cè)對(duì)地導(dǎo)納幾乎與空芯變壓器的對(duì)地導(dǎo)納一致，且是一個(gè)不為零的常量。

該方法在求取對(duì)地導(dǎo)納時(shí)需要先獲取變壓器漏感參數(shù)，這一點(diǎn)在實(shí)際運(yùn)用中存在一定的困難。

3 發(fā)展和展望

前述的方法都是對(duì)變壓器的模型進(jìn)行研究，但事實(shí)上，由于變壓器參數(shù)不易確定，系統(tǒng)運(yùn)行方式的隨機(jī)性，以及變壓器本身的嚴(yán)重非線(xiàn)性，建立一個(gè)精確的數(shù)學(xué)模型是很困難的。近代，隨著人們研究的領(lǐng)域逐漸擴(kuò)大，研究的層次逐漸加深，產(chǎn)生了很多新興的學(xué)科。

變壓器空載合閘的勵(lì)磁涌流的問(wèn)題本身很復(fù)雜，國(guó)內(nèi)外學(xué)者的理論研究和數(shù)值仿真，無(wú)不在或多或少的假設(shè)和簡(jiǎn)化條件下進(jìn)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(xué)性和有效性。

模糊數(shù)學(xué)借助于隸屬度的概念，達(dá)到對(duì)人腦一定程度的模擬，具有處理模糊現(xiàn)象的能力。

將這一原理應(yīng)用在變壓器主保護(hù)中，為識(shí)別勵(lì)磁涌流和內(nèi)部短路電流，選定四個(gè)特征量，即二次諧波含量、鐵芯磁通大小、電流波形的對(duì)稱(chēng)度以及電壓的高低。

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是人工智能較為突出的一種。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)在于其并行計(jì)算能力和高度的非線(xiàn)性。

這些新的方法尚處于探索階段，離實(shí)用還有一定的距離。由于變壓器運(yùn)行條件的復(fù)雜性和故障類(lèi)型的多樣性，要完美地解決這些存在的問(wèn)題，需要探索一些新的理論和方法。

參考文獻(xiàn)

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[2]王維儉，侯炳蘊(yùn).大型機(jī)組繼電保護(hù)理論基礎(chǔ). 中國(guó)電力出版社．1988.

[3]王祖光.間斷角原理的變壓器差動(dòng)保護(hù).電力系統(tǒng)自動(dòng)化.1979.3（1）.