利用磁通軌跡特征識別變壓器勵磁涌流

利用磁通軌跡特征識別變壓器勵磁涌流利用磁通軌跡特征識別變壓器勵磁涌流本文提出了一種基于磁通軌跡特征的變壓器勵磁涌流識別方法。該方法利用實測的變壓器電壓和電流量來推算變壓器主磁通的軌跡，通過提取主磁通軌跡的特征來判斷主磁通變化范圍，從而確定變壓器是否發(fā)生勵磁涌流。仿真和實驗結(jié)果證明了識別方法的可行性。關(guān)鍵詞：繼電保護；電力變壓器；勵磁涌流；鐵心飽和利用磁通軌跡特征識別變壓器勵磁涌流本文提出了一種基于磁通軌跡特征的變壓器勵磁涌流識別方法。該方法利用實測的變壓器電壓和電流量來推算變壓器主磁通的軌跡，通過提取主磁通軌跡的特征來判斷主磁通變化范圍，從而確定變壓器是否發(fā)生勵磁涌流。仿真和實驗結(jié)果證明了識別方法的可行性。關(guān)鍵詞：繼電保護；電力變壓器；勵磁涌流；鐵心飽和0引言電力變壓器是電力系統(tǒng)的重要設(shè)備。隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的擴大，高電壓等級線路的迅速增加，大容量、高電壓的大型電力變壓器大量投入運行，其安全運行更被人們所關(guān)注，對電力變壓器繼電保護裝置準(zhǔn)確動作提出了更高的要求[1-。2]資料表明, 以上變壓器保護的正確動作率平均為 ％,遠低于發(fā)電機保護的正確動作率98.和2系%統(tǒng)保護的正確動作率99.％3，3而勵磁涌流是引起變壓器誤動的一個重要因素。因此，有效地識別短路故障電流與變壓器勵磁涌流是繼電保護中的重要研究課題。目前在理論上進行過研究，并已經(jīng)運用于實踐的變壓器勵磁涌流識別方法可分為以下兩類：1利）用變壓器電流量判別勵磁涌流，如間斷角原理、二次諧波制動原理［1；］2）同時利用變壓器電流和電壓量判別勵磁涌流，如磁通特性原理和等值電路參數(shù)原理［1-。4］二次諧波制動原理是通過計算差動電流中的二次諧波電流分量來判斷是否發(fā)生勵磁涌流。當(dāng)出現(xiàn)勵磁涌流時應(yīng)有： 。其中，、分別為差動電流中的基波和二次諧波電流的幅值；為二次諧波制動比。但是，由于變壓器磁特性的變化，某些工況下勵磁涌流的二次諧波含量低，容易導(dǎo)致誤動；而大容量變壓器、遠距離輸電的發(fā)展，使得內(nèi)部故障時暫態(tài)電流可能產(chǎn)生較大二次諧波，容易導(dǎo)致拒動。間斷角原理是根據(jù)變壓器在勵磁涌流和內(nèi)部故障時電流波形所具有的不同特征來區(qū)分勵磁涌流和內(nèi)部故障的。但是，用微機實現(xiàn)間斷角原理需要解決必須采用較高的采樣率和較高的采樣精度才能準(zhǔn)確地測量間斷角的大小，并正確判斷電流是否進入“間斷”范圍的問題。同時還需要解決由傳變引起的勵磁涌流間斷角的變形問題。這些問題對微機實現(xiàn)間斷角原理的硬件復(fù)雜性和成本都提出了很高的要求。等值電路參數(shù)鑒別法提出了一種基于變壓器導(dǎo)納型等值電路的參數(shù)鑒別方法，該方法同時利用了變壓器的電壓、電流量，通過檢測對地導(dǎo)納參數(shù)變化來鑒別變壓器故障與否。但是，該方法需要獲取變壓器的漏電感參數(shù)，以求取對地導(dǎo)納參數(shù)。利用磁通特性鑒別勵磁涌流是近期比較活躍的研究方向之一。已有的一些基于變壓器磁通特性原理的鑒別方法需要準(zhǔn)確的變壓器參數(shù)或磁化曲線，而且這些量對于判別效果有很大影響。本文提出了一種不需要變壓器參數(shù)的磁通軌跡特征法來識別勵磁涌流。該方法根據(jù)變壓器發(fā)生內(nèi)部故障時鐵心不飽和，而出現(xiàn)勵磁涌流時鐵心飽和的原理，利用實測的變壓器電壓和電流量來推算變壓器主磁通的軌跡，通過提取主磁通軌跡的特征來判斷主磁通變化范圍位于線性部分還是磁路飽和部分，從而確定變壓器是否發(fā)生勵磁涌流。仿真和實驗結(jié)果表明，該方法能夠快速、有效地識別變壓器的勵磁涌流和內(nèi)部短路故障。主磁通軌跡分析設(shè)單相雙繞組變壓器物理模型如圖所示，其中、分別為原、副邊繞組電流，、分別為原、副邊繞組端電壓，、分別為原、副邊繞組匝數(shù)，①為主磁路1磁通2。 12 m

考慮變壓器主磁路磁滯，主磁路磁通①與變壓器原、副邊的差電流△△’,’為折算后的副邊電流的關(guān)系曲線如圖中虛線所示。差電流△即為變壓器正常運行時的勵磁電流。由于實際電路中所施加的電壓為工頻交流電壓，變化較快，所以實際磁通軌跡通常達不到理想磁滯回環(huán)兩端比較尖的部分，而是如圖2中實線所示。由于主磁路中存在磁滯和渦流損耗，使得主磁通的變化在時間軸上總是落后于勵磁電流。這樣，在主磁通未進入飽和區(qū)的情況下，則主磁通和勵磁電流都是隨時間的正弦變化量，且二者之間存在一個相位差。因此，①△的軌跡曲線近似為一個橢圓，如圖所示；而當(dāng)變壓器發(fā)生勵磁涌流時，主磁通周期性地進入和退出飽和區(qū)，并且磁通和勵磁電流中的自由分量使得①△軌跡偏向一側(cè)，如圖所示。從①△軌跡曲線的特征可以很明顯地判別出變壓器鐵心是否飽和，從而判斷出是否發(fā)生了勵磁涌流。下面，我們以圖1所示的單相雙繞組變壓器為例，分析如何得到主磁路磁通對于原、副邊差流的關(guān)系曲線。對于圖1所示的變壓器物理模型，其電路方程為：其中， 分別為原、副邊繞組的電阻； 分別為原、副邊繞組的漏感，分別對應(yīng)于漏磁通①、①。變壓器空載時，副邊電流為零， 式為對式(3)兩邊進行積分.得①為變壓器鐵心的剩磁，是一常量。從數(shù)值的角度看，其大小只影響①△曲線的上下平移，并不影響其形狀，因此不影響對①是否進入飽和區(qū)的判斷。設(shè)①，則式變?yōu)??=—I山 (5)aHjAj■*所以，變壓器空載時，用式即可求得變壓器的主磁通；變壓器帶負載時，盡管用式求得的磁通①為主磁路磁通①的近似值，但它們具有相似的特征。因此，不論變壓器帶負載與否，都可由式求得的主磁通①。變壓器發(fā)生內(nèi)部短路故障時，一般將短路部分看作第三繞組，相當(dāng)于一臺三繞組變壓器在第三繞組發(fā)生短路，其等效電路圖如圖4所示。第4變壓器匝間短路摸空Fiy.JluHrhimfaulliwh-】播其中?’「分別為折算后短路繞組電阻和漏感，‘、L別為折算后的副邊繞組電阻和漏感。此時，原邊電流與折算后副邊電流之差為正常運行時勵磁電流與流過短路繞組的電流之和，即△ -〃m；aL其中為變壓器正常運行時的勵磁電流。此時差電流△被稱為等效勵磁電流。由于存在短路部分的損耗，相當(dāng)于的主磁通①滯后等效勵磁電流的角度增大，①△軌跡橢圓的長、短軸比例縮小。短路匝數(shù)越多，則損耗越大，橢圓的長、短軸比例也越小，甚至發(fā)生反轉(zhuǎn)。勵磁涌流的磁通軌跡特征選擇和提取特征是區(qū)分變壓器勵磁涌流和內(nèi)部短路故障過程中的一個關(guān)鍵問題。由于發(fā)生勵磁涌流時，主磁通交替經(jīng)歷進入和退出飽和區(qū)的過程，則對于正方向的勵磁涌流，在電流最大點 附近，主磁通嚴(yán)重飽和，該處附近的磁通軌跡曲線與橫軸的夾角a近似為0°；在電流最小值附近，磁通退出飽和，該處附近的磁通軌跡曲線與橫軸的夾角P近似為90°，如圖所示；而對于反方向的勵磁涌流，情形剛好相反。但在變壓器發(fā)生內(nèi)部故障時，磁通變化范圍始終處于非飽和區(qū)，磁通軌跡曲線與橫軸的夾角在電流最大值與最小值附近基本相同，即a\B，如圖所示。根據(jù)這一特點，我們提出采用最大、最小勵磁電流處磁通軌跡曲線傾角的正弦值之差作為區(qū)分勵磁涌流與內(nèi)部故障的特征指標(biāo)。定義特征指標(biāo)：^■=11sinctJ-Isi“⑶I (6)的取值范圍為0WkW1。顯然，對于勵磁涌流，由于a與P相差較大，測算出的k值將接近于1。而對于內(nèi)部故障，由于a'B,測算出的將接近于0。應(yīng)當(dāng)注意的是，在最大、最小勵磁電流處磁通軌跡曲線的傾角通常經(jīng)歷了一個較大的變化過程，因此直接采用磁通軌跡曲線局部的微分或差分計算傾角a和B存在數(shù)值不穩(wěn)定問題。類似的問題在一些基于中 的方法中也常會遇到。為此，我們需要將傾角a和B理解為最大、最小勵磁電流附近相對較寬時間范圍內(nèi)磁通軌跡曲線的平均傾角，例如，這個時間范圍可以取到1/10周期。我們將該時間段內(nèi)的所有采樣數(shù)據(jù)點①，△擬合為一條直線，然后以該直線的傾角作為磁通軌跡曲線的平均傾角。m區(qū)分勵磁涌流與內(nèi)部故障的判據(jù)為：如果kk則判為勵磁涌流，否則判定為內(nèi)部故障。其中k是一個由用戶整定的臨界值。通常情況下可設(shè)置為0。仿真驗證我們利用 仿真程序?qū)蜗嘧儔浩鲃畲庞苛髋c內(nèi)部故障進行了仿真研究，并用這些仿真數(shù)據(jù)繪制了磁通軌跡圖，計算了勵磁涌流與內(nèi)部故障的特征指標(biāo)。單相變壓器空載合閘與空載匝間短路故障仿真波形分別如圖、所示，其相應(yīng)的磁通軌跡曲線如圖5(、所6示(所所示示。由于勵磁涌流和短路電流的實際數(shù)值可能很大，為了比較和計算方便起見，對磁通軌跡圖曲線進行歸一化處理，即磁通軸和電流軸分別除以其最大值與最小值之差。把電流最大值、最小值之前000內(nèi)的所有數(shù)據(jù)點用一條直線擬合。分別計算電流最大值處的擬合直線與橫軸夾角a的正弦值和電流最小值處的擬合直線與橫軸夾角P的正弦1值。

圖$出)處理后的磁通軌跡曲空圖$出)處理后的磁通軌跡曲空單相變壓器空然合閘(勵磁涌流［仿真酒形Fig.5SimiJaliiiiL nfhm^iu'lizinginrush-“；7+葉h(b)處理后的域調(diào)蜿跡曲線圖G室裁匝間短路仿魚波形用Mltllu由MlKjvt-Gimi^h『int'-rturrl^h>>rt+；r】u"inwl心？(cillditinii對于圖5 中所示的空載合閘波形，求得s=0. ,7=0.,k=l|ss||=0.7565；對于圖6 中所示的空載匝間短路故障波形，求得s=s=0.,5k=l|s Hs=0.0。顯然，按照k0.5判據(jù)，可以很容易地識別出勵磁涌流。,2動模實驗下面用清華大學(xué)動模實驗室的單相雙繞組變壓器實驗數(shù)據(jù)，來驗證識別方案以及設(shè)定的門檻值。該變壓器的額定參數(shù)為：額定容量5k,額定電壓60 0V,原副邊繞組匝數(shù)比為7 。單相變壓器空載合閘（勵磁涌流）、小匝數(shù)匝間短路、大匝數(shù)匝間短路時的電壓、電流波形以及經(jīng)過處理后的磁通軌跡圖分別如圖7、,、,所示。多次實驗均具有相似的波形。求得變壓器八次空投實驗出現(xiàn)勵磁涌流時k的值均大于0.,3，32均滿足判據(jù)；求得變壓器四次空載匝間短路故障（包括大匝數(shù)短路和小匝數(shù)短路時k的值均小于0.0 ，均不滿足判據(jù)k0.5Cb）處理后的附通軌越曲線圖7單相變壓替空載合閘Cb）處理后的附通軌越曲線圖7單相變壓替空載合閘Ftp.7CurnMiloli Ir：iii*hnriiirrMirnriii-Liadwh“hm圖g單相空戴變壓器押邊統(tǒng)蛆5匝耀路SlighttnirrmnishoridrtiiitofprimusuiridingjjIim-load■I.'■]IIIl.lil"MJU.4[^JLi.UaUJJ|-L1.(IK^：AII：|/ww\IM"&I-.QI””二門H<!用明汨IU加◎鄧；MIMM舊：|.Fimr 4cze][HI」 ，- - -， ■ ■ 1 >1IIIl-.JJ I.';，，，??，，，：“，『 1U)電流.山樂波形i\0 5I-n_』 0 0_1(iI<Lii(b＞處理后的斑通軟或曲蛙圖9單相空載變壓制照邊境蛆站生地路Fiji,⑷ Srr癡*inb-rluni$M，ncliruitofpriputnniruliTi^jiiiiG-ltMid該識別方法不受剩磁大小的影響，判定時間比較短（用一個周期的時間即可完成判定）。而且，由于采用正弦值的絕對值計算判據(jù)，所得到的判據(jù)值在0-范圍內(nèi)變化，與變壓器電壓、電流的實際值無關(guān)，便