直流偏磁對(duì)變壓器的影響及治理措施

張夢(mèng)龍 張 治 商國(guó)威

(內(nèi)蒙古蒙東能源有限公司,內(nèi)蒙古 呼倫貝爾021000)

在大型直流高壓工程施工過(guò)程中,由于單極直流及其控制系統(tǒng)的異常工作,導(dǎo)致直流變壓器及周圍變壓器發(fā)生噴射,是什么引起了變壓器的恒偏角？直流磁位移并不是變壓器所特有的一種現(xiàn)象。DC可分為直流偏磁、機(jī)電偏磁和普通變壓器偏磁,磁差問(wèn)題的研究具有重要意義。相對(duì)于其他磁飽和技術(shù),直流偏角技術(shù)的應(yīng)用更有意義。定常偏置對(duì)各種變壓器保護(hù)的影響,特別是在安裝了定常偏置裝置之后。但是數(shù)據(jù)分析多以模擬為主,在實(shí)際應(yīng)用中,存在屏蔽磁問(wèn)題。在保護(hù)方面出現(xiàn)恒偏后,結(jié)合變壓器波形特性,分析現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)形成恒偏磁場(chǎng)的機(jī)理,并注意到滅火器對(duì)變壓器保護(hù)裝置的影響,針對(duì)當(dāng)前變壓器保護(hù)磁力不足的特殊情況,提出了一種優(yōu)化方案,最后,用波形檢驗(yàn)法模擬驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)可靠性。

1 直流偏磁特征

直流畸變的主要原因是流入變壓器的直流電流使變壓器的鐵心飽和。直流畸變的原因、影響和波形特征不同于通常的電流流動(dòng)和興奮現(xiàn)象。如果使用直流偏壓,磁鏈表達(dá)式如下:

公式中,電流的頻率為交流勵(lì)磁鏈的頻率,電流的頻率為直流偏磁鏈的頻率。從磁化曲線看,變壓器的勵(lì)磁電流與磁鏈之間存在非線性關(guān)系。對(duì)于直流偏壓,一個(gè)穩(wěn)定的直流偏壓電流應(yīng)該疊加在它上面。根據(jù)有關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)和現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)資料,比較了幾種磁飽和方法。附錄A表A1列出了結(jié)果。對(duì)直流偏壓的波形特性進(jìn)行了理論分析。第一種情況下,直流偏壓為正時(shí),并且直流偏壓隨時(shí)間飽和產(chǎn)生單相勵(lì)磁電流的公式為im (T)n(假定勵(lì)磁電壓在0時(shí)正大于0)。為了分析起見(jiàn),忽略額定勵(lì)磁電流和磁滯效應(yīng)的影響可以近似地考慮某一特定角度(具體范圍與直流偏磁的嚴(yán)重性有關(guān),直流偏磁越嚴(yán)重性,角度值越大,若考慮磁滯效應(yīng)和勵(lì)磁回路電阻,則會(huì)出現(xiàn)一定的偏差)。

約為0其表達(dá)式如下:

公式中:F(ωT)是飽和磁化時(shí)勵(lì)磁電流的函數(shù),只在-α～α處有很大的值,20 ms的周期,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)資料,α通常為30度左右。不飽和態(tài)勵(lì)磁電流對(duì)變壓器的勵(lì)磁性能無(wú)影響,飽和態(tài)勵(lì)磁曲線假定為線性。根據(jù)公式(1),F(ωT)的近似表達(dá)式為:NF(ωT)=ksat(3),ksat是激發(fā)曲線的拐點(diǎn),ksat是飽和段的斜率。由于直流偏磁下三相電流的波形特征基本相似,所以一般以中性點(diǎn)電流為研究對(duì)象來(lái)消除負(fù)載電流的干擾。在三相負(fù)載電流平衡中,中性點(diǎn)零序電流為三相疊加,外部直流電流為IDC,中性點(diǎn)電流Ig近似表示如下:

對(duì)普通Yd接線變壓器而言,由于d側(cè)零序線路的存在,會(huì)產(chǎn)生較大的三次諧波零序電流,并產(chǎn)生退磁效應(yīng),從而影響變壓器的飽和特性和勵(lì)磁電流波形。因此,Yd變壓器和Yy變壓器的中性點(diǎn)電流是不一樣的(如圖1)。3次諧波含量低于Y側(cè),但總體仍高于Y側(cè),電流特性隨各次諧波含量而變化。有953兆瓦的變壓器,1050瓦的主額定電流,100/1中性點(diǎn)電流互感器,三角環(huán)TA為3000/1[1]。

圖1 Yy型變壓器直流偏磁時(shí)中性點(diǎn)電流波形

2 現(xiàn)有直流偏磁保護(hù)及存在的不足

如前所述,直流畸變會(huì)對(duì)變壓器造成一定的損壞?？紤]到無(wú)磁預(yù)壓抑制器的變壓器、磁預(yù)壓抑制器的異常狀態(tài)或故障等因素,必須對(duì)直流磁預(yù)壓進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)。

2.1 直流偏磁保護(hù)原理

直流偏磁保護(hù)又稱飽和保護(hù),廣泛應(yīng)用于變換器和電壓變換器中(如圖2)。傳統(tǒng)的直流保護(hù)不能直接測(cè)量直流電流,傳統(tǒng)的保護(hù)方法是測(cè)量變壓器中性點(diǎn)電流并計(jì)算其上下限電流。對(duì)中性點(diǎn),由變壓器制造商提供相應(yīng)的峰值電流和直流峰值電壓表,并提供在不同直流電流下連續(xù)運(yùn)行的時(shí)間。電流與時(shí)間的預(yù)先關(guān)系取決于變壓器本體的制造特性,直流偏壓值在單位時(shí)間內(nèi)一般由生產(chǎn)廠家來(lái)保護(hù)。如果檢測(cè)結(jié)果比預(yù)期的好,將啟動(dòng)跳閘或報(bào)警。中性點(diǎn)雖然是峰值電流,但是在系統(tǒng)狀態(tài)下,電流膨脹、內(nèi)外接地誤差、開關(guān)位置偏差、故障切換后Ta暫態(tài)拖尾等都存在著誤差,使得中性點(diǎn)產(chǎn)生零序電流,從而限制了直流偏磁的應(yīng)用,有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤“運(yùn)行發(fā)生”的情況。

圖2 直流偏磁抑制裝置示意圖

2.2 空充勵(lì)磁涌流對(duì)直流偏磁保護(hù)的影響

經(jīng)過(guò)比較和分析,如果不過(guò)載,變壓器也會(huì)出現(xiàn)暫時(shí)飽和,因?yàn)檫M(jìn)水流量可能更大,導(dǎo)致中性點(diǎn)5處的峰值電流更高(如表1)。然而,這不是由直流余壓引起的電能,簡(jiǎn)單的空載合閘將不會(huì)對(duì)變壓器進(jìn)行任何額外的處理,直流偏壓保護(hù)可能會(huì)出現(xiàn)故障,此外,氣流還具有無(wú)功流動(dòng)和恢復(fù)流動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)。雖然這兩種電流的值一般都很低,但它們對(duì)直流電失真的辨別也有一些負(fù)面影響[2]。

表1 直流偏磁時(shí)中性點(diǎn)電流

2.3 零序通路對(duì)直流偏磁的影響

常規(guī)變壓器常采用三角形連接線圈或平衡線圈。由于三角環(huán)的存在,變壓器始終有零序通過(guò)圓。當(dāng)接地側(cè)發(fā)生內(nèi)外兩種故障時(shí),中性點(diǎn)電流較大,且電流峰值較大,同樣會(huì)引起直流偏磁保護(hù)誤動(dòng)作,為了避免這種誤動(dòng)作,三角圓變壓器一般不裝直流偏磁保護(hù)。雖然可靠性得到了保證,但由于沒(méi)有足夠的直流偏壓保護(hù),在極端情況下設(shè)備的安全運(yùn)行可能受到影響。

2.4 擋位不一致問(wèn)題

如果變壓器的三相在不同的通道中,則一定的零序電流流過(guò)與負(fù)載電流相關(guān)的中性點(diǎn)。雖然常數(shù)不是很大,但它存在的時(shí)間很長(zhǎng)。采用反時(shí)限累計(jì)計(jì)算方法,對(duì)直流偏磁保護(hù)有一定的影響。

3 直流偏磁保護(hù)優(yōu)化

3.1 勵(lì)磁涌流識(shí)別及閉鎖

當(dāng)前對(duì)電流互感器的識(shí)別方法是完善的。盡管不同算法在識(shí)別沖擊電流方面取得了很好的效果,但是由于直流偏壓的特性和沖擊電流有一些相似之處,如二次諧波含量高,波長(zhǎng)不對(duì)稱,不連續(xù)角等,如果直接采用已有的沖擊電流判據(jù),會(huì)造成誤判等。第一個(gè)阻尼,而第二個(gè)不阻尼；第一個(gè)值較大,而第二個(gè)值較小。因此,可以設(shè)置以下兩種閉合模式。隔離直流偏壓保護(hù)阻斷大差動(dòng)電流,當(dāng)差動(dòng)電流有一定值時(shí),比率差動(dòng)的初值通?？捎?。如果中性點(diǎn)電流在給定的時(shí)間段內(nèi)有明顯的衰減,則偏置保護(hù)被阻斷。

3.2 低三次諧波閉鎖判據(jù)

在直流偏磁作用下,中性點(diǎn)產(chǎn)生較高的三次諧波,通過(guò)對(duì)三次諧波含量的識(shí)別,可以協(xié)調(diào)地識(shí)別直流偏磁。設(shè)定三次諧波含量固定值。當(dāng)真實(shí)值低于定值時(shí),DC偏磁保護(hù)閉鎖。實(shí)踐證明,該整定值可調(diào)高50%～100%,既保證了直流偏磁的可靠效果,又有效地防止了各種異常情況的誤操作。

3.3 擋位異常閉鎖

在異常傳輸?shù)那闆r下,控制系統(tǒng)可能會(huì)與異常傳輸或不一致傳輸產(chǎn)生相應(yīng)的聯(lián)系,并且在輸入開關(guān)量后,保護(hù)將鎖定直流偏壓保護(hù)[3]。

3.4 TA拖尾閉鎖

針對(duì)直流偏磁在實(shí)際中的應(yīng)用,提出了一些定性鑒別直流偏磁的方法。在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi),若有較小的梯度,則可阻斷直流偏磁保護(hù)。電流直流分量由一階微分算法濾波,濾波后電流峰值由濾波后計(jì)算出來(lái),若較低,則阻斷偏壓保護(hù)。不同的濾波算法對(duì)實(shí)際的直流偏磁信號(hào)有不同的影響,所以需要結(jié)合濾波算法確定電流判據(jù)的權(quán)重。計(jì)算直流電流分量和交流分量(例如,當(dāng)直流分量大于交流分量時(shí),基波和次諧波的均方根值),或共享和阻斷直流偏磁保護(hù)[4]。

結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)直流降的磁通特性,對(duì)變壓器的幾種磁飽和特性進(jìn)行了比較分析,得出了直流降的成波特性及其對(duì)保護(hù)的影響。分析了安裝磁預(yù)壓抑制裝置對(duì)直流偏磁保護(hù)的影響,指出了現(xiàn)行直流偏磁保護(hù)判據(jù)的不足。此外,還提出了一些優(yōu)化措施,如充氣準(zhǔn)則、低諧波準(zhǔn)則、延時(shí)準(zhǔn)則、拖尾阻塞準(zhǔn)則、低諧波準(zhǔn)則以及零序差流算法,有效地提高了直流偏磁保護(hù)的可靠性,解決了變壓器不能裝三角形電路直流偏磁保護(hù)的實(shí)際問(wèn)題,仿真結(jié)果表明,該判據(jù)的有效性與直流偏磁保護(hù)的適用范圍相矛盾。