暫態(tài)不平衡電流對變壓器差動保護(hù)的影響

李紅衛(wèi)，彭 沖

(邯鄲供電公司，河北 邯鄲 056035)

電力變壓器是電力系統(tǒng)中重要的電氣設(shè)備，它的安全性和穩(wěn)定性對整個電力系統(tǒng)具有重要意義。因此需要為變壓器裝設(shè)性能良好、工作可靠的繼電保護(hù)裝置，以盡快發(fā)現(xiàn)故障并將其清除[1]。長期以來，變壓器差動保護(hù)因其選擇性好、動作速度快等優(yōu)點，已成為變壓器電量保護(hù)中的主保護(hù)。統(tǒng)計表明[2]，2004-2008年，國家電網(wǎng)公司220 kV及以上等級變壓器保護(hù)的平均正確動作率僅為91.17%，低于100 MW發(fā)電機(jī)和220 kV及以上等級線路保護(hù)的99.30%和93.29%，造成這種局面的重要原因之一是變壓器不平衡電流識別及其引起的保護(hù)誤動問題。暫態(tài)不平衡電流對變壓器差動保護(hù)的影響較復(fù)雜，如何區(qū)分暫態(tài)不平衡電流與變壓器內(nèi)部故障是差動保護(hù)研究的重點和難點[3-5]。以下就暫態(tài)不平衡電流對變壓器差動保護(hù)的影響進(jìn)行分析。

1 不平衡電流

變壓器差動保護(hù)中差流回路流過的不平衡電流主要包括[1]：由變壓器兩側(cè)電流相位不同而產(chǎn)生的不平衡電流；由計算變比與實際變比不同而產(chǎn)生的不平衡電流；由兩側(cè)電流互感器型號不同而產(chǎn)生的不平衡電流；由變壓器帶負(fù)荷調(diào)整分接頭而產(chǎn)生的不平衡電流；由變壓器勵磁涌流所產(chǎn)生的不平衡電流。上述不平衡電流中，前4項電流可以統(tǒng)稱為穩(wěn)態(tài)不平衡電流[6]，第5項勵磁涌流與變壓器和應(yīng)涌流可以概括為暫態(tài)不平衡電流。近年來有多起空投變壓器導(dǎo)致相鄰變壓器或發(fā)電機(jī)差動保護(hù)、后備保護(hù)誤動的現(xiàn)象出現(xiàn)，經(jīng)分析與和應(yīng)涌流有關(guān)，和應(yīng)涌流因其危害性、復(fù)雜性和隱蔽性引起繼電保護(hù)界的關(guān)注[7]。

2 暫態(tài)不平衡電流對變壓器差動保護(hù)的影響

2.1 勵磁涌流對變壓器差動保護(hù)的影響

變壓器勵磁電流僅流經(jīng)變壓器接通電源的那一側(cè)，因此構(gòu)成了差動回路中的不平衡電流。變壓器發(fā)生內(nèi)部故障時將產(chǎn)生高于額定電流幾倍至十幾倍的電流，基本的波形是一個含有衰減直流分量的交流正弦波[8]，波形較勵磁涌流對稱。勵磁涌流和故障電流作用于差動保護(hù)的功能相似，易引起差動保護(hù)裝置誤動，因此保護(hù)裝置廠家在設(shè)計差動保護(hù)策略時，必須考慮識別并躲過勵磁涌流的影響，保證保護(hù)動作的正確率。以下從識別原理和制動模式選取角度分析勵磁涌流的影響。

2.1.1 識別原理選取

勵磁涌流識別方法可以歸納為7大類，即諧波識別法、波形識別法、磁通特性識別法、等值電路法、變壓器回路方程算法、差有功法和智能理論識別法[9]，其中隸屬于諧波識別法的二次諧波電流制動原理和隸屬于波形識別法的波形對稱識別原理在實踐中得到廣泛應(yīng)用。

a.二次諧波電流制動。計算差動電流中二次諧波電流與基波電流幅值之比，當(dāng)比值超過設(shè)定的門檻值(二次諧波制動系數(shù))時，可以判別為勵磁涌流，以此與故障電流進(jìn)行區(qū)分。由于二次諧波特征量易于提取，因此該原理對采樣速率和測量的要求相對較低，保護(hù)算法易于通過微機(jī)實現(xiàn)，在現(xiàn)場得到普遍應(yīng)用。但是，這種識別原理勢必會受到系統(tǒng)其它因素引起的諧波影響，隨著變壓器鐵心材料的改進(jìn)，合閘變壓器剩磁較高且合閘角滿足一定條件時，三相勵磁涌流中二次諧波含量較小，差動保護(hù)有可能誤動；另一方面，在長輸電線(或電纜)分布電容諧振等的影響下，故障電流中的二次諧波分量增大，使得保護(hù)延時出口，造成保護(hù)裝置實質(zhì)上拒動。

b.波形對稱識別。波形對稱原理包括積分型、微分型兩種，都是對電流信號進(jìn)行數(shù)學(xué)分析來區(qū)分涌流，在現(xiàn)場常采用微分型識別原理。判據(jù)如下：

(1)

當(dāng)滿足上述判據(jù)(1)時，該采樣點即為對稱點，連續(xù)比較半個周期，若對稱點超過一定比例，則認(rèn)為波形對稱，認(rèn)為該涌流為故障電流，差動保護(hù)動作。波形對稱原理不直接測量間斷角等參數(shù)，對保護(hù)裝置采樣率也無過高要求，因此易于微機(jī)保護(hù)實現(xiàn)，得到普遍應(yīng)用。

由于波形對稱原理基于對波形的判別，故保護(hù)裝置對波形情況很敏感，而無論是勵磁涌流還是故障電流均包含大量諧波成分，因此單純基于波形的判別在實際應(yīng)用過程中容易受到諸多造成波形不對稱因素的干擾。

2.1.2 制動模式選取

通常微機(jī)保護(hù)可采用3種制動模式：“或”門制動(一相制動多相)、分相制動或“3選2”原則。由于變壓器空投時每相的勵磁涌流具有隨機(jī)性，因此采用何種制動模式值得探討。

三相電力變壓器由于剩磁的離散性，三相合閘角的不同以及Y-Δ變換的原因使得變壓器產(chǎn)生涌流時，會有某一相的二次諧波含量較小，因此采用二次諧波制動原理時，對于采用傳統(tǒng)相位校正及15%～17%二次諧波制動系數(shù)的差動保護(hù)，如果設(shè)計為分相制動保護(hù)可能誤動，建議采用“或”門制動方式；而對于正常方式下極少有空投運行的變壓器，則建議采用分相制動[3]。

采用波形對稱原理設(shè)計保護(hù)，理論上能夠避免“或”門制動在空投于內(nèi)部故障時保護(hù)可能延時動作的問題，易于實現(xiàn)分相制動。但是在實際系統(tǒng)中，必須考慮故障情況的多樣性和故障波形的復(fù)雜性，根據(jù)需要調(diào)整制動模式。

2.2 和應(yīng)涌流對變壓器差動保護(hù)的影響

和應(yīng)涌流具有與單臺變壓器勵磁涌流相似的涌流特征，但是其非周期分量衰減速度非常緩慢，容易引起電流互感器暫態(tài)飽和，從而形成差流，導(dǎo)致保護(hù)誤動。此外，與勵磁涌流不同，和應(yīng)涌流二次諧波含量最大值并不隨著涌流最大值而出現(xiàn)，而是伴隨著涌流的衰減而增大，因此某些情況下采用二次諧波制動原理的差動保護(hù)有發(fā)生誤動的可能。

3 減小暫態(tài)不平衡電流影響的措施

3.1 減小勵磁涌流影響的措施

現(xiàn)行的二次諧波制動方案容易受到系統(tǒng)其它因素引起諧波的影響，建議采用“自適應(yīng)”的制動方案，根據(jù)勵磁涌流非周期分量衰減情況自動地調(diào)節(jié)二次諧波系數(shù)。該方法能在故障時自適應(yīng)地降低故障相二次諧波含量，不閉鎖差動保護(hù)；在勵磁涌流時自適應(yīng)地抬高二次諧波含量，可靠地閉鎖差動保護(hù)，從而改善差動保護(hù)的靈敏度和可靠性。對于采用波形對稱原理的差動保護(hù)，宜選取“3選2”制動模式，該文的實例分析印證了“3選2”邏輯能夠有效提高保護(hù)裝置的可靠性。

3.2 減小和應(yīng)涌流影響的措施

可以遵循2種思路來削弱和應(yīng)涌流對差動保護(hù)的影響：進(jìn)行變壓器合閘操作時，采用避免產(chǎn)生和應(yīng)涌流的措施；在假定和應(yīng)涌流不可避免的前提下，改進(jìn)差動保護(hù)設(shè)計，盡量降低因和應(yīng)涌流造成的誤動概率。鄰近變壓器空載合閘前，將運行變壓器的中性點設(shè)為不接地，并為之裝設(shè)間隙保護(hù)，可以防止鄰近變壓器空投造成的絕緣破壞，也能防范鄰近變壓器空投產(chǎn)生和應(yīng)涌流。

和應(yīng)涌流容易造成電流互感器飽和，建議在變壓器保護(hù)中增加非周期分量緩慢衰減引起電流互感器局部暫態(tài)飽和的判據(jù)。相關(guān)文獻(xiàn)研究認(rèn)為，和應(yīng)涌流二次諧波含量較高，采用二次諧波制動原理理論上有效果，只是在和應(yīng)涌流和電流互感器暫態(tài)飽和綜合作用下可能發(fā)生誤動，因此一方面根據(jù)現(xiàn)場情況可以適當(dāng)提高差動保護(hù)啟動值，將拐點提前；另一方面，尋求和應(yīng)涌流識別的新方法，根據(jù)和應(yīng)涌流的特點采取合適的判據(jù)，文獻(xiàn)[10]通過判斷差動電流基波幅值變化過程，利用和應(yīng)涌流先逐漸增大再緩慢衰減的波形特征，在電流互感器暫態(tài)飽和之前對涌流加以識別，能夠取得一定的制動效果。

4 實例分析

以某變電站220 kV變壓器空充動作數(shù)據(jù)為例進(jìn)行分析[11]，該變壓器為Y/Y/d11接線，配有2套差動保護(hù)，其中保護(hù)I采用二次諧波制動原理，對應(yīng)制動系數(shù)取0.15，制動模式為“或”門制動；保護(hù)II采用波形對稱原理，波形對稱系數(shù)為0.33，電流波形的對稱角度為90°，采用分相制動模式(本相閉鎖本相)。當(dāng)變壓器檢修完畢后，在高壓側(cè)進(jìn)行空載合閘操作時，保護(hù)II動作出口，保護(hù)I未動作。

經(jīng)仔細(xì)檢查，變壓器并未發(fā)生內(nèi)部故障，結(jié)合錄波數(shù)據(jù)分析，確定保護(hù)II為空充誤動。圖1所示為變壓器三相差動電流二次諧波含量。

圖1 變壓器三相差動電流二次諧波含量

由圖1可知，W相電流波形間斷角小，波形比較對稱，其二次諧波分量為10%左右，低于保護(hù)I設(shè)置的制動系數(shù)0.15，但由于保護(hù)I采用“或”門制動，U、V兩相差流二次諧波含量超過0.15，因此保護(hù)I可靠閉鎖，沒有發(fā)生誤動。

采用上文判據(jù)(1)，計算得到的差動電流對稱點百分比如圖2所示。

圖2 變壓器各相差動電流對稱點百分比

由圖2可知，空投后W相的波形對稱百分比約為50%，從第46 ms時刻開始，W相波形對稱百分比超過門檻值50%(對應(yīng)于保護(hù)II設(shè)置的對稱角度90°)，由于保護(hù)II采用分相制動模式，直接導(dǎo)致保護(hù)II動作出口。

長期的運行實踐表明，在空投變壓器時，總有一相電流的涌流特征明顯，波形不對稱；考慮到變壓器空載合閘多在高壓側(cè)Y接線側(cè)進(jìn)行，實際參與涌流判別的是計算相iu-iv，iv-iw和iw-iu，因此iu、iv和iw只要有一相勵磁涌流特征明顯，相電流做差后就會有兩相具備較為明顯的勵磁涌流特性，圖2中二次諧波含量情況也符合上述規(guī)律。當(dāng)發(fā)生單相或相間故障時，其中一相或至少有兩相具備故障電流特性，相電流做差后，會有兩相具有故障電流特征。通過錄波分析，并結(jié)合上述判斷，將保護(hù)II采取的分相制動模式改為“3選2”邏輯，實踐表明，調(diào)整制動模式后，保護(hù)II再無誤動現(xiàn)象。

5 結(jié)束語

比較了勵磁涌流在實際運行中廣為應(yīng)用的二次諧波制動和波形對稱方法，指出其不足之處，從識別原理和制動模式兩方面提出了切實可行的改進(jìn)措施。探討了和應(yīng)涌流對變壓器差動保護(hù)的影響，提出一方面可以采取措施避免變壓器合閘操作引起和應(yīng)涌流，另一方面要尋求新的識別方法，根據(jù)和應(yīng)涌流的特點選取合適的判據(jù)，適當(dāng)提前電流拐點，提高和應(yīng)涌流識別能力，以改進(jìn)差動保護(hù)裝置的性能。

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本文責(zé)任編輯：王麗斌