變壓器勵(lì)磁涌流識(shí)別技術(shù)研究

賈弘德+許曉峰+宋云東+王巍+唐奇

摘要：勵(lì)磁涌流的正確識(shí)別是電力變壓器保護(hù)中的一個(gè)非常關(guān)鍵的問(wèn)題。對(duì)大量國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者與機(jī)構(gòu)所提出的勵(lì)磁涌流的識(shí)別方法進(jìn)行分析與總結(jié)，并介紹識(shí)別電力變壓器勵(lì)磁涌流和內(nèi)部故障的幾種方法，以期為變壓器故障分析的深入研究奠定一定的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：變壓器；勵(lì)磁涌流；識(shí)別；內(nèi)部故障

中圖分類(lèi)號(hào)：TM407 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1161（2016）12-0047-04

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，我國(guó)的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)也在不斷發(fā)展壯大，電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜。作為電力系統(tǒng)中重要的電氣主設(shè)備之一，電力變壓器起到連接不同電壓等級(jí)的電網(wǎng)以及能量變換的作用，變壓器的安全穩(wěn)定運(yùn)行與整個(gè)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行息息相關(guān)。因此，電力系統(tǒng)要求變壓器保護(hù)能夠快速動(dòng)作，具有更高的可靠性與靈敏性等，以便能夠盡快地將故障切除，從而避免整個(gè)電力系統(tǒng)故障的發(fā)生。

1 變壓器保護(hù)存在的問(wèn)題

變壓器差動(dòng)保護(hù)是電力變壓器主保護(hù)之一，其理論是根據(jù)基爾霍夫電流定律所提出的。變壓器差動(dòng)保護(hù)需要解決的核心問(wèn)題是如何識(shí)別變壓器的勵(lì)磁涌流和內(nèi)部故障差流。差動(dòng)保護(hù)作為變壓器的主保護(hù)，一直受到勵(lì)磁涌流問(wèn)題的影響，據(jù)統(tǒng)計(jì)，在2003—2007年期間，220 kV及以上電力變壓器保護(hù)的平均正確動(dòng)作率僅為85.866%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于100 MW及以上發(fā)電機(jī)保護(hù)的98.852%與220 kV及以上線(xiàn)路保護(hù)的99.506%。顯然，對(duì)變壓器勵(lì)磁涌流的識(shí)別技術(shù)的研究還不夠完善，仍存在著許多亟待解決的問(wèn)題。本課題收集、查閱大量文獻(xiàn)，總結(jié)分析各種實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁涌流識(shí)別方法的原理、判據(jù)以及不足之處。

2 勵(lì)磁涌流的識(shí)別技術(shù)

截至目前，變壓器勵(lì)磁涌流的識(shí)別技術(shù)主要包括：基于變壓器電流量的勵(lì)磁涌流識(shí)別技術(shù)，基于變壓器電壓量的勵(lì)磁涌流識(shí)別技術(shù)，以及基于變壓器電流量和電壓量的勵(lì)磁涌流識(shí)別技術(shù)。近年來(lái)，隨著科學(xué)研究領(lǐng)域的擴(kuò)大和研究層次的逐漸加深，許多新的方法理論也被應(yīng)用到變壓器勵(lì)磁涌流的識(shí)別技術(shù)當(dāng)中。

2.1 基于變壓器電流量的勵(lì)磁涌流識(shí)別技術(shù)

2.1.1 二次諧波制動(dòng)原理 基于變壓器勵(lì)磁涌流中含有較大的偶次諧波電流分量，并且二次諧波電流分量最大這個(gè)特點(diǎn)，有文獻(xiàn)提出采用二次諧波制動(dòng)原理來(lái)判別是變壓器勵(lì)磁涌流還是內(nèi)部故障。當(dāng)變壓器出現(xiàn)勵(lì)磁涌流時(shí)，其電流中含有較多的二次諧波電流分量；然而當(dāng)變壓器發(fā)生內(nèi)、外部故障時(shí)，其短路電流中二次諧波電流所占的分量卻比較少。因此，利用這個(gè)特點(diǎn)構(gòu)成二次諧波制動(dòng)的差動(dòng)保護(hù)，可以用來(lái)躲避勵(lì)磁涌流的影響。

二次諧波制動(dòng)原理的勵(lì)磁涌流的判別式為：

式中：Id1為差流中的基波幅值；Id2為差流中的二次諧波幅值；K為二次諧波的制動(dòng)比。

現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外所運(yùn)用的變壓器微機(jī)保護(hù)大部分都是采用二次諧波制動(dòng)原理來(lái)實(shí)現(xiàn)的，二次諧波的制動(dòng)比通常取為0.15～0.20。有文獻(xiàn)指出，隨著電力系統(tǒng)規(guī)模逐漸擴(kuò)大及電壓等級(jí)不斷提高，可能導(dǎo)致變壓器發(fā)生內(nèi)部故障，或諧振時(shí)產(chǎn)生較大的二次諧波電流，甚至可能由于匝間故障而造成保護(hù)延時(shí)動(dòng)作，這些都將導(dǎo)致二次諧波電流“分量大”。

2.1.2 間斷角原理 基于變壓器勵(lì)磁涌流波形中有較大間斷角而故障電流中沒(méi)有的特征，有文獻(xiàn)提出采用間斷角原理，通過(guò)準(zhǔn)確測(cè)量導(dǎo)數(shù)波的寬度和間斷角的大小來(lái)區(qū)分識(shí)別勵(lì)磁涌流和故障電流。

有文獻(xiàn)指出，目前該原理的模擬式保護(hù)裝置雖然已經(jīng)得到了應(yīng)用，但還是面臨著因電流互感器傳變而引起間斷角變形的問(wèn)題。當(dāng)電流互感器飽和時(shí)，勵(lì)磁涌流在間斷角區(qū)域?qū)?huì)產(chǎn)生反向電流，電流互感器如果飽和越嚴(yán)重，反向電流就會(huì)越大，最終則會(huì)導(dǎo)致勵(lì)磁涌流的間斷角消失。而對(duì)于內(nèi)部故障電流，電流互感器的飽和將使得間斷角變大，并且電流互感器如果飽和越嚴(yán)重，差流間斷角就會(huì)越大。前者將導(dǎo)致變壓器發(fā)生勵(lì)磁涌流時(shí)差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)作，而后者將導(dǎo)致變壓器發(fā)生內(nèi)部故障時(shí)差動(dòng)保護(hù)拒動(dòng)。此外，用微機(jī)保護(hù)在實(shí)現(xiàn)間斷角原理的時(shí)候，其硬件成本較高，為了達(dá)到測(cè)量間斷角的準(zhǔn)確性，需要較高的系統(tǒng)采樣頻率和高分辨率的A/D轉(zhuǎn)換芯片。

2.1.3 波形對(duì)稱(chēng)原理 基于變壓器差動(dòng)電流導(dǎo)數(shù)的前半波和后半波是否對(duì)稱(chēng)的特征，有文獻(xiàn)提出采用波形對(duì)稱(chēng)原理，根據(jù)比較的結(jié)果來(lái)判別其是否存在勵(lì)磁涌流。

基于波形對(duì)稱(chēng)原理識(shí)別勵(lì)磁涌流的判據(jù)通常為：

式中：Ii為差動(dòng)電流導(dǎo)數(shù)的前半波中第i點(diǎn)值；

Ii+180°為差動(dòng)電流導(dǎo)數(shù)的后半波中對(duì)應(yīng)的第i點(diǎn)的值；K為比較值。如果第i點(diǎn)的值滿(mǎn)足式（2），則判別為是對(duì)稱(chēng)的，否則判別為不對(duì)稱(chēng)。通過(guò)對(duì)半個(gè)周期的波形進(jìn)行連續(xù)比較，若為內(nèi)部故障，則式（2）恒成立；但若為勵(lì)磁涌流，則會(huì)有至少1/4個(gè)周期的點(diǎn)不滿(mǎn)足式（2）。

有文獻(xiàn)指出，由于勵(lì)磁涌流和故障電流的波形均具有一定的不確定性，如果K取值過(guò)大，可能會(huì)導(dǎo)致保護(hù)的誤動(dòng)；如果K取值過(guò)小，可能會(huì)導(dǎo)致保護(hù)的拒動(dòng)。K值如何確定很難通過(guò)嚴(yán)格的理論推導(dǎo)或分析來(lái)解決，只能根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中的情況通過(guò)試驗(yàn)來(lái)設(shè)定；但是當(dāng)系統(tǒng)中運(yùn)行參數(shù)和狀態(tài)等前提條件如果發(fā)生了變化，此原理的方法可能會(huì)引起誤判。

2.2 基于變壓器電壓量的勵(lì)磁涌流識(shí)別技術(shù)

基于變壓器發(fā)生勵(lì)磁涌流出現(xiàn)嚴(yán)重飽和時(shí)，其端電壓會(huì)發(fā)生畸變，并且會(huì)出現(xiàn)較大的諧波分量的特征，有文獻(xiàn)提出采用諧波電壓制動(dòng)原理來(lái)識(shí)別變壓器勵(lì)磁涌流。

基于變壓器電壓量的識(shí)別勵(lì)磁涌流的判據(jù)通常為：

式中：V1為變壓器端電壓基波分量的幅值；Vth，Tth分別為比較閾值；T為一個(gè)監(jiān)視量，其目的是防止發(fā)生勵(lì)磁涌流時(shí)變壓器端電壓畸變而引起電壓下降導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)作。

式中：Vk為電壓的初始采樣值；V1k為電壓中基波分量的計(jì)算采樣值。

當(dāng)電力變壓器的三相電壓滿(mǎn)足式（3）時(shí)，則判別為勵(lì)磁涌流，否則為內(nèi)部故障。雖然在發(fā)生勵(lì)磁涌流時(shí)某些相可能會(huì)出現(xiàn)V1Tth可靠地制動(dòng)。而對(duì)于內(nèi)部故障電流，通常情況總有V1

有文獻(xiàn)指出，諧波電壓制動(dòng)原理的整定與系統(tǒng)阻抗的大小有著密切的聯(lián)系，當(dāng)系統(tǒng)阻抗小于一定程度時(shí)，基于該原理的保護(hù)性能將得不到保證。因此，運(yùn)用此原理需要對(duì)系統(tǒng)的阻抗有相對(duì)精確的了解與掌握，整定具有一定的復(fù)雜性。

2.3 基于變壓器電流量和電壓量的勵(lì)磁涌流識(shí)別技術(shù)

2.3.1 磁通特性識(shí)別原理 基于變壓器發(fā)生勵(lì)磁涌流時(shí)鐵心飽和，而出現(xiàn)內(nèi)部故障時(shí)鐵心不飽和的原理，有文獻(xiàn)提出一種基于磁通軌跡特征的變壓器勵(lì)磁涌流識(shí)別方法。利用實(shí)測(cè)的變壓器電壓和電流量來(lái)推算變壓器主磁通的軌跡，通過(guò)提取主磁通軌跡的特征來(lái)判斷主磁通變化范圍，從而確定變壓器是否發(fā)生勵(lì)磁涌流。該方法采用最大、最小勵(lì)磁電流處磁通軌跡曲線(xiàn)傾角的正弦值之差作為區(qū)分勵(lì)磁涌流與內(nèi)部故障的特征指標(biāo)，并將特征指標(biāo)定義為：

式中：k為特征指標(biāo)值；α為主磁通嚴(yán)重飽和處附近磁通軌跡曲線(xiàn)與橫軸的夾角；β為主磁通非飽和處附近磁通軌跡曲線(xiàn)與橫軸的夾角。

基于變壓器磁通軌跡特征識(shí)別勵(lì)磁涌流的判據(jù)通常為：

2.3.2 等值回路平衡方程原理 基于通過(guò)分析電力變壓器在正常運(yùn)行狀態(tài)、內(nèi)部故障和外部故障，以及發(fā)生勵(lì)磁涌流狀態(tài)時(shí)的等值回路方程，并檢測(cè)對(duì)地導(dǎo)納參數(shù)的變化特征，有文獻(xiàn)提出基于變壓器導(dǎo)納型等值電路參數(shù)的勵(lì)磁涌流識(shí)別方法。

基于等值回路平衡方程原理識(shí)別勵(lì)磁涌流的判據(jù)通常為：

式中：u1，u2分別為一、二次側(cè)繞組的電壓；i1，i2分別為一、二次側(cè)繞組的電流；L1，L2分別為一、二次側(cè)繞組的漏電感；r1，r2分別為一、二次側(cè)繞組的電阻；nB為變壓器變比。

變壓器只有在發(fā)生內(nèi)部故障的時(shí)候，由于變壓器內(nèi)部參數(shù)和繞組電流發(fā)生變化，不能夠滿(mǎn)足等值回路平衡方程式（7），而在其余的狀態(tài)時(shí)均能夠滿(mǎn)足。此種判別方法較為簡(jiǎn)單，能夠快速識(shí)別內(nèi)部故障和勵(lì)磁涌流；但是，變壓器一次側(cè)和二次側(cè)繞組的電阻和漏感值一般很難方便、準(zhǔn)確地取得，這也是影響保護(hù)靈敏度的主要原因。

2.4 基于新方法進(jìn)行的勵(lì)磁涌流識(shí)別技術(shù)

2.4.1 基于波形正弦度特征的識(shí)別方法 基于變壓器在正常運(yùn)行、內(nèi)部故障或外部故障時(shí)，其電流波形具有正弦函數(shù)特征，而勵(lì)磁涌流中由于含有非周期分量和間斷角，不具有此特征，有文獻(xiàn)提出基于波形正弦度特征的變壓器勵(lì)磁涌流識(shí)別方法。通過(guò)比較分析電流波形的正弦度，從而確定變壓器是否放生勵(lì)磁涌流。

基于波形正弦度特征的變壓器勵(lì)磁涌流識(shí)別方法的判據(jù)通常為：

式中：σS（t）為波形非正弦度，與差流和基波正弦函數(shù)的偏離程度有關(guān)；σSzd為門(mén)檻值，通常取值為1。

2.4.2 基于波形互相關(guān)系數(shù)的識(shí)別方法 基于變壓器勵(lì)磁涌流和內(nèi)部故障的波形特征，有文獻(xiàn)提出基于波形互相關(guān)系數(shù)的涌流識(shí)別方法。通過(guò)利用勵(lì)磁涌流或內(nèi)部故障后的短數(shù)據(jù)窗來(lái)構(gòu)造一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)正弦波作為參考，并分析實(shí)際采樣波形與所構(gòu)造的標(biāo)準(zhǔn)正弦波兩信號(hào)的相關(guān)性，進(jìn)而計(jì)算出歸一化互相關(guān)系數(shù)，從而確定變壓器是否發(fā)生勵(lì)磁涌流。

基于波形互相關(guān)系數(shù)的變壓器勵(lì)磁涌流識(shí)別方法的判據(jù)通常為：

式中：δ為波動(dòng)系數(shù)；ρmax為半周波數(shù)據(jù)窗內(nèi)最大互相關(guān)系數(shù)；=ρxy（i）為半周波數(shù)據(jù)窗內(nèi)平均互相關(guān)系數(shù)。

2.4.3 基于能量信息的識(shí)別方法 基于變壓器能量信息的特征，有文獻(xiàn)提出基于能量信息的變壓器勵(lì)磁涌流識(shí)別方法。該方法基于Prony算法給出一種能量表達(dá)式，在此表達(dá)式下，當(dāng)變壓器發(fā)生勵(lì)磁涌流時(shí)基波能量與二次諧波能量之比遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于發(fā)生內(nèi)部故障時(shí)的比值。

基于能量信息的變壓器勵(lì)磁涌流識(shí)別方法的判據(jù)通常為：

式中：E1為基波能量；E2為二次諧波能量；C為比較閾值。

3 結(jié)語(yǔ)

本課題對(duì)變壓器勵(lì)磁涌流的識(shí)別技術(shù)進(jìn)行綜述性研究，詳細(xì)論述了傳統(tǒng)的基于變壓器電流量的勵(lì)磁涌流識(shí)別技術(shù)、基于變壓器電壓量的勵(lì)磁涌流識(shí)別技術(shù)與基于變壓器電流量和電壓量的勵(lì)磁涌流識(shí)別技術(shù)，以及目前廣泛應(yīng)用的基于小波理論、模糊控制等基于波形正弦度特征、波形互相關(guān)系數(shù)、能量信息的識(shí)別方法，并列舉了各個(gè)方法識(shí)別勵(lì)磁涌流的判據(jù)，為變壓器故障分析的深入研究奠定了一定的基礎(chǔ)。

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