變壓器勵(lì)磁涌流的產(chǎn)生機(jī)理及變化特點(diǎn)

變壓器勵(lì)磁涌流的產(chǎn)生機(jī)理及變化特點(diǎn)

0變壓器差動(dòng)保護(hù)研究進(jìn)展電力裝置是主要的發(fā)電和電氣設(shè)備。其安全運(yùn)行取決于電氣系統(tǒng)是否能夠繼續(xù)穩(wěn)定。由于變壓器本身造價(jià)昂貴,一旦因故障而遭到破壞,其檢修難度大,檢修時(shí)間長(zhǎng),經(jīng)濟(jì)損失也相當(dāng)慘重。因此,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。長(zhǎng)期以來(lái),差動(dòng)保護(hù)一直是變壓器電量保護(hù)中的主保護(hù)。變壓器差動(dòng)保護(hù)的關(guān)鍵問(wèn)題是如何鑒別勵(lì)磁涌流和內(nèi)部故障,國(guó)內(nèi)外許多專家和學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量的研究,取得了很多有益的成果。但這些研究主要是針對(duì)空載合閘或外部故障切除后電壓恢復(fù)時(shí)變壓器本身勵(lì)磁涌流的產(chǎn)生機(jī)理、波形特征和變化特點(diǎn)進(jìn)行的,而未考慮并聯(lián)或級(jí)聯(lián)運(yùn)行中變壓器的和應(yīng)涌流對(duì)變壓器差動(dòng)保護(hù)的影響。近年來(lái),出現(xiàn)了多起和應(yīng)涌流引起變壓器差動(dòng)保護(hù)及發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)的事故,和應(yīng)涌流問(wèn)題越來(lái)越引起人們的關(guān)注。和應(yīng)涌流是當(dāng)電網(wǎng)中空投一臺(tái)變壓器時(shí),在相鄰的并聯(lián)或級(jí)聯(lián)運(yùn)行變壓器中產(chǎn)生的。和應(yīng)涌流在合閘變壓器涌流持續(xù)一段時(shí)間后產(chǎn)生,該涌流波形特征不明顯且持續(xù)時(shí)間很長(zhǎng),容易導(dǎo)致變壓器的涌流閉鎖環(huán)節(jié)失效,造成運(yùn)行變壓器保護(hù)誤動(dòng)作。由于運(yùn)行變壓器本身沒有故障,并且誤動(dòng)是發(fā)生在相鄰變壓器空投完成較長(zhǎng)的一段時(shí)間之后,所以很難查明誤動(dòng)原因,誤動(dòng)原因更具有隱蔽性。因此,有必要對(duì)這種現(xiàn)象進(jìn)行更為深入的研究,揭示其本質(zhì),分析其產(chǎn)生的機(jī)理和特點(diǎn),并提出有效的應(yīng)對(duì)措施防止其對(duì)保護(hù)產(chǎn)生影響。1變壓器勵(lì)磁涌流形成過(guò)程理論分析和實(shí)驗(yàn)研究表明,變壓器勵(lì)磁涌流產(chǎn)生的根本原因是當(dāng)變壓器空載合閘時(shí),由于其磁鏈不能突變,從而產(chǎn)生非周期磁鏈,使得變壓器鐵芯飽和所致。下面從磁鏈變化的角度出發(fā),對(duì)單臺(tái)變壓器空載合閘過(guò)程進(jìn)行分析,然后在此基礎(chǔ)上研究和應(yīng)涌流的產(chǎn)生機(jī)理和特點(diǎn)。圖1為空載合閘變壓器等效電路。其參數(shù)假定如下:系統(tǒng)側(cè)為一個(gè)正弦電壓源,且us=Umsin(ωt+α);Rs為系統(tǒng)電阻;Ls為系統(tǒng)電感;rσ為變壓器電阻;Lσ為變壓器漏電感;Lm為勵(lì)磁電感。根據(jù)基爾霍夫定律和回路方程,可得:勵(lì)磁電感Lm是一個(gè)非線性電感,在這里將Lm取為變壓器勵(lì)磁回路的平均電感,這樣就可以將式(1)表示為以磁鏈Ψ為狀態(tài)變量的常系數(shù)線性微分方程:解此微分方程并化簡(jiǎn)后得:式中為剩磁;τ=L/R為變壓器一次側(cè)合閘回路的時(shí)間常數(shù)。對(duì)式(1)的兩邊在1個(gè)周期內(nèi)進(jìn)行積分,則可得:由于電源電壓為正弦波,所以其在1個(gè)周期內(nèi)的積分為0,則上式簡(jiǎn)化為以上對(duì)變壓器空載合閘電路中的磁鏈Ψ進(jìn)行了解析分析,得到了變壓器暫態(tài)磁鏈表達(dá)式(3)和每個(gè)周期合閘回路總磁鏈的增量表達(dá)式(5),從中可以看出:變壓器暫態(tài)磁鏈中含有衰減的非周期磁鏈,正是由于它的存在導(dǎo)致了變壓器鐵芯飽和。同時(shí)可以看出,變壓器合閘回路總磁鏈每個(gè)周期的衰減量是勵(lì)磁涌流在系統(tǒng)電阻和變壓器漏電阻上總電壓降的積分。在對(duì)單臺(tái)變壓器勵(lì)磁涌流進(jìn)行分析之后,下面以2臺(tái)單相變壓器并聯(lián)運(yùn)行為例說(shuō)明和應(yīng)涌流的產(chǎn)生過(guò)程,等效電路如圖2所示。在圖2所示等值電路中,設(shè)系統(tǒng)電源電壓為us,系統(tǒng)電阻為Rs,系統(tǒng)電感為L(zhǎng)s;變壓器T1的原邊等效電阻為R1,電感為L(zhǎng)1;變壓器T2的原邊等效電阻為R2,電感為L(zhǎng)2;is為系統(tǒng)電流,i1為流過(guò)變壓器T1的電流,i2為流過(guò)變壓器T2的電流。根據(jù)以上對(duì)單臺(tái)變壓器勵(lì)磁涌流的分析,可以得到變壓器T1、T2每周期磁通變化量為即圖2中設(shè)變壓器T1已處于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行,此時(shí)變壓器T2空載投入。當(dāng)斷路器QF合閘時(shí),變壓器T2中會(huì)產(chǎn)生勵(lì)磁涌流i2,i2完全偏于時(shí)間軸一側(cè),含有很大的非周期分量,而此時(shí)變壓器T1中電流i1所含的非周期分量很小,因此i1在1個(gè)周期的積分值約為零,假設(shè)i2中的非周期分量值為正,則由式(8)可見,此時(shí)ΔΨ1和ΔΨ2均為負(fù)值,即每個(gè)周期磁鏈都在向負(fù)方向偏移。其結(jié)果是使得T1磁鏈Ψ1中的非周期分量反方向增加,并逐漸達(dá)到飽和點(diǎn)。同時(shí),在ΔΨ2的作用下,變壓器T2中的磁鏈Ψ2在逐漸減小,從而使得i2的幅值逐漸減小。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間之后,T1進(jìn)入飽和區(qū),產(chǎn)生涌流,即和應(yīng)涌流。由于變壓器T1磁鏈?zhǔn)窃谪?fù)方向進(jìn)入飽和,所以T1中產(chǎn)生的和應(yīng)涌流與T2中的勵(lì)磁涌流i2方向相反,是負(fù)向的。變壓器T1中產(chǎn)生和應(yīng)涌流之后,由于i1和應(yīng)涌流的逐漸增大,i1在1個(gè)周期的積分值也在逐漸增大,因?yàn)閕1與i2方向相反,由式(8)可知,隨著i1和應(yīng)涌流的增大,最終將導(dǎo)致ΔΨ1為零,此時(shí)i1和應(yīng)涌流達(dá)到最大值,之后,T1、T2中的磁鏈開始衰減。由于在和應(yīng)涌流產(chǎn)生之后,隨著i1幅值的增大和i2幅值的減小,系統(tǒng)電流is=i1+i2中的非周期分量將迅速減小到0附近,由式(6)(7)可知,系統(tǒng)電阻Rs對(duì)T1、T2磁鏈的衰減作用幾乎消失,使得2臺(tái)變壓器只能靠各自的原邊等效電阻衰減偏磁,因此,涌流的衰減速度要比單個(gè)變壓器發(fā)生涌流時(shí)緩慢得多。以上從磁鏈變化的角度分析了運(yùn)行變壓器中和應(yīng)涌流產(chǎn)生的機(jī)理,從中可以看出,正是由于系統(tǒng)電阻的存在,使得2臺(tái)變壓器的磁鏈相互耦合,空投變壓器的勵(lì)磁涌流使公共母線上電壓產(chǎn)生非周期波動(dòng),從而使得運(yùn)行變壓器中產(chǎn)生和應(yīng)涌流。根據(jù)和應(yīng)涌流的產(chǎn)生機(jī)理,利用Matlab軟件按圖2建立仿真模型,得到和應(yīng)涌流的仿真波形如圖3所示。從圖3中可以看出,和應(yīng)涌流有4個(gè)主要特點(diǎn)。a.T1中的和應(yīng)涌流在合閘變壓器T2勵(lì)磁涌流持續(xù)一段時(shí)間后才產(chǎn)生,2臺(tái)變壓器的涌流交替出現(xiàn),方向相反,且不會(huì)重疊。b.勵(lì)磁涌流的最大值發(fā)生在合閘后的很短時(shí)間內(nèi),而和應(yīng)涌流的幅值是隨時(shí)間逐步增大到最大值,隨后又不斷衰減。c.出現(xiàn)和應(yīng)涌流時(shí),2臺(tái)變壓器的相互作用使得涌流的衰減過(guò)程較單個(gè)變壓器合閘時(shí)要慢得多。d.當(dāng)空載合閘變壓器T2勵(lì)磁涌流處于峰值附近時(shí),母線電壓的瞬時(shí)值較低,此時(shí)不產(chǎn)生和應(yīng)涌流;當(dāng)勵(lì)磁涌流處于間斷期間,母線電壓瞬時(shí)值較高。運(yùn)行變壓器在母線電壓的直流分量和高電壓的共同作用下,將產(chǎn)生和應(yīng)涌流。以上分析了并聯(lián)變壓器和應(yīng)涌流的產(chǎn)生機(jī)理及特點(diǎn),串聯(lián)變壓器和應(yīng)涌流的機(jī)理與并聯(lián)變壓器相同。事實(shí)上,變壓器的和應(yīng)涌流不僅發(fā)生在2臺(tái)變壓器之間,只要變壓器附近有其他鐵芯元件充電時(shí),就有可能引起該變壓器產(chǎn)生和應(yīng)涌流現(xiàn)象。通過(guò)分析可知,和應(yīng)涌流與合閘勵(lì)磁涌流特征不完全相同,且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng),這將影響到系統(tǒng)中保護(hù)的正確動(dòng)作率。2影響和河流選擇的因素和應(yīng)涌流的產(chǎn)生及衰減過(guò)程受多方面因素的影響。2.1和應(yīng)涌流的影響通過(guò)以上分析可知,系統(tǒng)電阻對(duì)和應(yīng)涌流的產(chǎn)生和衰解都有影響,影響的大小取決于系統(tǒng)電阻與變壓器電阻的比值。比值越大,越容易產(chǎn)生和應(yīng)涌流,且涌流的衰減也越慢。由于低電壓等級(jí)的小系統(tǒng)中系統(tǒng)電阻較大,所以更容易產(chǎn)生和應(yīng)涌流,而且和應(yīng)涌流衰減很慢,應(yīng)給予重視。圖4給出了圖2電路中其他條件不變的情況下,只改變系統(tǒng)電阻,使其值由小到大變化時(shí)對(duì)變壓器T1和應(yīng)涌流影響的仿真結(jié)果?？梢钥闯?T1和應(yīng)涌流的變化規(guī)律符合以上分析。2.2應(yīng)涌流的產(chǎn)生線路阻抗與系統(tǒng)阻抗的作用基本一致。當(dāng)系統(tǒng)與變壓器之間的線路較短、阻抗較小時(shí),將不利于和應(yīng)涌流的產(chǎn)生。相比較之下,若系統(tǒng)與變壓器之間的線路較長(zhǎng)、阻抗較大時(shí),將有利于和應(yīng)涌流的產(chǎn)生。但線路較長(zhǎng)、阻抗較大,線路壓降必然較大,致使變壓器原邊電壓降低,變壓器磁鏈的穩(wěn)態(tài)分量減小,即工作點(diǎn)遠(yuǎn)離飽和區(qū),將會(huì)降低和應(yīng)涌流的大小,起始涌流也將降低。2.3matlab軟件仿真空投變壓器勵(lì)磁涌流的大小與變壓器剩磁大小有關(guān),同樣空投變壓器的不同剩磁對(duì)和應(yīng)涌流也將產(chǎn)生影響。利用Matlab軟件在不改變其他條件的情況下,分別使變壓器T2的剩磁由小到大變化時(shí),得到的仿真結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯?在其他條件不變時(shí),空投變壓器的剩磁越大,合閘勵(lì)磁涌流將越大,同時(shí)和應(yīng)涌流也將越大,并且和應(yīng)涌流出現(xiàn)及達(dá)到最大值的速度也越快。2.4matlab仿真文獻(xiàn)給出了并聯(lián)運(yùn)行變壓器二次側(cè)帶負(fù)載時(shí)的等效電路,并初步分析了負(fù)載大小對(duì)和應(yīng)涌流的影響。下面利用Matlab軟件在圖2電路中分別仿真變壓器T1二次側(cè)不帶及帶有不同負(fù)載時(shí)的情況。仿真結(jié)果如圖6所示?？梢钥闯?在其他條件不變時(shí),負(fù)載的存在將使和應(yīng)涌流的出現(xiàn)時(shí)間延后且幅值變小,而且負(fù)載越大和應(yīng)涌流越小。3和應(yīng)涌流的特性當(dāng)1臺(tái)或多臺(tái)變壓器合閘時(shí),與其并聯(lián)或串聯(lián)的正常運(yùn)行變壓器中會(huì)出現(xiàn)和應(yīng)涌流。雖然和應(yīng)涌流本身具有與單臺(tái)變壓器勵(lì)磁涌流相似的涌流特征,但由于其衰減速度非常緩慢以及其他一些自身的特點(diǎn),使得和應(yīng)涌流的出現(xiàn)給變壓器的各種保護(hù)帶來(lái)影響,引起保護(hù)誤動(dòng)作。下面進(jìn)行具體分析。3.1次諧波制動(dòng)的變壓器差動(dòng)保護(hù)變壓器的勵(lì)磁涌流只流入變壓器接通電源一側(cè)的繞組。對(duì)差動(dòng)保護(hù)回路而言,勵(lì)磁涌流的存在就相當(dāng)于變壓器內(nèi)部故障時(shí)的短路電流。因此,必須采取措施防止勵(lì)磁涌流引起保護(hù)誤動(dòng),在實(shí)際應(yīng)用中主要利用二次諧波制動(dòng)判據(jù)、間斷角原理判據(jù)和波形對(duì)稱判據(jù)閉鎖變壓器差動(dòng)保護(hù)。實(shí)踐證明,這些方法對(duì)于單臺(tái)變壓器勵(lì)磁涌流是行之有效的,但是對(duì)于和應(yīng)涌流則不同。文獻(xiàn)通過(guò)變壓器空投合閘試驗(yàn)的方法說(shuō)明,和應(yīng)涌流中的二次諧波成份并不是在和應(yīng)涌流最大的時(shí)候達(dá)到最大,而是隨著和應(yīng)涌流的衰減而增大,這樣,在一定的條件(合閘角及變壓器的剩磁)下,差流中的基波分量可能大于差動(dòng)繼電器的整定值,而二次諧波分量可能小于諧波比制動(dòng)系數(shù),所以變壓器差動(dòng)保護(hù)有誤動(dòng)的可能。另一方面,理論分析和實(shí)驗(yàn)研究表明,和應(yīng)涌流中的非周期分量衰減非常緩慢,而非周期分量的長(zhǎng)時(shí)間作用,將有可能引起電流互感器的暫態(tài)飽和,使兩側(cè)電流產(chǎn)生相位差,形成差流,導(dǎo)致差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)。對(duì)于二次諧波制動(dòng)的變壓器差動(dòng)保護(hù),當(dāng)發(fā)生并聯(lián)和應(yīng)涌流時(shí),根據(jù)以上分析可知,此時(shí)和應(yīng)涌流只流過(guò)運(yùn)行變壓器的一次繞組,差流中的二次諧波含量較大,保護(hù)誤動(dòng)的可能性較小。但是,當(dāng)發(fā)生串聯(lián)和應(yīng)涌流時(shí),情況將有所不同。圖7是2臺(tái)單相變壓器發(fā)生串聯(lián)和應(yīng)涌流的等效電路。按圖7的串聯(lián)結(jié)構(gòu)同樣利用Matlab中的PSB建立仿真模型,進(jìn)行串聯(lián)和應(yīng)涌流的仿真分析。仿真結(jié)果如圖8所示。從圖8中可以看出,此時(shí)變壓器T1的一次繞組流過(guò)的是和應(yīng)涌流與勵(lì)磁涌流之和,而二次繞組流過(guò)的是空載合閘變壓器T2的勵(lì)磁涌流。假設(shè)變壓器T1兩側(cè)的電流互感器暫態(tài)特性相同且無(wú)傳遞誤差,則T1兩側(cè)的差流就是和應(yīng)涌流。但實(shí)際上由于和應(yīng)涌流中非周期分量的長(zhǎng)時(shí)間作用,將導(dǎo)致電流互感器發(fā)生暫態(tài)飽和,使兩側(cè)電流互感器的傳變特性不再相同,這樣在T1差動(dòng)回路中將同時(shí)存在勵(lì)磁涌流與和應(yīng)涌流,而由于勵(lì)磁涌流與和應(yīng)涌流是交替出現(xiàn),所以產(chǎn)生的差流是趨于對(duì)稱的,因而其中所含的二次諧波含量很小,將使二次諧波制動(dòng)判據(jù)失效,導(dǎo)致差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)作。由此可見,在電流互感器發(fā)生暫態(tài)飽和時(shí),串聯(lián)和應(yīng)涌流的危害要比并聯(lián)和應(yīng)涌流大。由于和應(yīng)涌流中的非周期分量衰減非常緩慢,而且其中二次諧波成分是隨著和應(yīng)涌流的衰減而增大,如果考慮到在此過(guò)程中運(yùn)行變壓器發(fā)生了不對(duì)稱內(nèi)部故障,則變壓器差動(dòng)保護(hù)將會(huì)因?yàn)槎沃C波制動(dòng)而拒動(dòng)。3.2和應(yīng)涌流的存在機(jī)理文獻(xiàn)指出,變壓器過(guò)電流保護(hù)在外部故障切除后電壓恢復(fù)時(shí)引起變壓器產(chǎn)生勵(lì)磁涌流的情況下會(huì)發(fā)生越級(jí)誤動(dòng)。為了防止此種情況的發(fā)生,針對(duì)勵(lì)磁涌流衰減快的特點(diǎn),文中采用延長(zhǎng)過(guò)電流保護(hù)動(dòng)作時(shí)間的方法來(lái)躲過(guò)勵(lì)磁涌流的影響。從和應(yīng)涌流的產(chǎn)生機(jī)理中,可以發(fā)現(xiàn),和應(yīng)涌流的出現(xiàn)并不會(huì)使合閘變壓器勵(lì)磁涌流增大,也不會(huì)使電源線路的總電流增大,但會(huì)使涌流的衰減速度降低,同時(shí)使得電源線路的電流波形發(fā)生變化從而失去涌流的不對(duì)稱特性。顯然,和應(yīng)涌流的這種特點(diǎn),使得靠延時(shí)來(lái)躲過(guò)涌流影響的方法不再適用。另外,當(dāng)系統(tǒng)中某臺(tái)變壓器空載合閘時(shí),空載合閘變壓器產(chǎn)生的勵(lì)磁涌流中的零序分量通過(guò)2臺(tái)變壓器中性點(diǎn)和大地進(jìn)入運(yùn)行變壓器,并在其中產(chǎn)生和應(yīng)涌流,而和應(yīng)涌流中零序分量的存在同樣使變壓器中零序電流的持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng),將會(huì)引起運(yùn)行變壓器零序過(guò)電流保護(hù)無(wú)法靠延時(shí)躲過(guò)涌流而誤動(dòng)作。4應(yīng)涌流引起差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)的防通過(guò)以上分析可以看到,和應(yīng)涌流中非周期分量的長(zhǎng)期作用引起的電流互感器局部暫態(tài)飽和以及差流中二次諧波含量降低是造成差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)的主要原因。和應(yīng)涌流除了會(huì)對(duì)差動(dòng)保護(hù)產(chǎn)生影響外,還會(huì)引起變壓器的電流距離保護(hù)誤動(dòng),因此應(yīng)當(dāng)采取相應(yīng)的防范措施。a.為了防止電流互感器的暫態(tài)飽和,可在條件允許情況下將電流互感器從P級(jí)更換為TP級(jí)。但由于受到現(xiàn)場(chǎng)條件的制約,實(shí)現(xiàn)非常困難。此外,也可以在保護(hù)裝置中增加非周期分量衰減較慢引起的電流互感器局部暫態(tài)飽和判據(jù)。b.在滿足靈敏度要求的前提下,適當(dāng)提高發(fā)電機(jī)及變壓器差動(dòng)保護(hù)的定值,也是防止和應(yīng)涌流引起差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)的重要方法。我國(guó)寧夏大壩發(fā)電廠就是采取這一措施,實(shí)踐證明效果良好。井岡山華能電廠針對(duì)和應(yīng)涌流引起的機(jī)組非計(jì)劃停運(yùn)也提出了同樣的防范措施。c.盡量避免可能產(chǎn)生和應(yīng)涌流的運(yùn)行操作,在變壓器空載合閘時(shí),可將運(yùn)行中的變壓器中性點(diǎn)拉開,減少2臺(tái)變壓器通過(guò)公共母線的電壓耦合,以避免或減少出現(xiàn)和應(yīng)涌流的機(jī)會(huì),防止保護(hù)的誤動(dòng)作。但采用這一方法要考慮采取措施防止過(guò)電壓對(duì)變壓器造成的損壞。d.由于和應(yīng)涌流的出現(xiàn)并不會(huì)使合閘變壓器勵(lì)磁涌流增大,也不會(huì)使電源線路的總電流增大,因此那些在電流定值或阻抗定值上能躲過(guò)多臺(tái)變壓器勵(lì)磁涌流的保護(hù),也完全能躲過(guò)和應(yīng)涌流。因此,應(yīng)當(dāng)正確整定變壓器電流距離保護(hù)的各段定值,防止和應(yīng)涌流引起變壓器電流距離保護(hù)的誤動(dòng)作。e.文獻(xiàn)通過(guò)一現(xiàn)場(chǎng)具體實(shí)例表明,發(fā)生和應(yīng)涌流時(shí),運(yùn)行變壓器Y0側(cè)中性點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)和應(yīng)