基于故障分量的和應涌流識別

基于故障分量的和應涌流識別

0差動保護誤動的和應涌流識別隨著我國高速鐵路的快速發(fā)展，鐵路電氣化已成為鐵路發(fā)展的必然趨勢。電氣化鐵路的牽引供電系統(tǒng)主要包括牽引變電所和接觸網(wǎng)兩大部分,而牽引變電所的核心即是牽引變壓器。為保證牽引變壓器的持續(xù)正常運行,其保護措施尤為重要。長期以來,牽引變壓器的主保護均采用差動保護。目前,已有不少學者對差動保護所面臨的兩大關鍵問題勵磁涌流和內(nèi)部故障進行了深入的研究,并取得了大量成果。然而,近年來出現(xiàn)了多起變壓器差動保護誤動作的新情況:當一臺變壓器合閘時,另外一臺相鄰且正在運行的并聯(lián)或級聯(lián)變壓器差動保護誤動作,該現(xiàn)象與變壓器的和應涌流有關。和應涌流以其產(chǎn)生的隱蔽性、復雜性、危害性而逐漸成為變壓器保護研究的熱點問題之一。和應涌流波形的特點以及它在實際運行過程中受電流互感器(CT)飽和的影響,很有可能使勵磁涌流識別方法失效而導致差動保護誤動作。和應涌流中非周期分量衰減非常緩慢,其長時間的作用引起電流互感器飽和。電流互感器的工作點逐漸進入飽和區(qū)域,而此時傳變的工頻電流幅值相對較小,使兩側電流產(chǎn)生相位差,形成差流而導致差動保護誤動。另一方面看,和應涌流中二次諧波含量并不是在和應涌流最大值時達到最大,而是隨著和應涌流的衰減而不斷增大,變壓器在合閘角及剩磁一定的情況下,差流中的基波分量可能大于差動電流的整定值,而二次諧波含量較少又可能小于諧波制動系數(shù)比,從而導致變壓器保護誤動。此外,和應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)時間較長,將會引起運行變壓器零序過電流保護誤動作,而無法靠延時躲過涌流。文獻根據(jù)現(xiàn)場錄波數(shù)據(jù)分析了和應涌流引起差動保護的原因,提議采用標積制動式差動保護方案。文獻[10-11]分析了采用二次諧波制動原理和波形對稱原理判據(jù)失效的情形。文獻根據(jù)正常運行變壓器T1的△側產(chǎn)生零序電壓,由于繞組漏感很小而產(chǎn)生很大的環(huán)流來確定T2變壓器的合閘時刻,與差流出現(xiàn)時刻(即和應涌流產(chǎn)生時刻)存在時差的特點,提出了基于時差法的和應涌流鑒別方法。上述研究,在Y/△接線變壓器和應涌流鑒別方面取得了重要成果,但上述方法在高鐵中常見的V/V、Scott牽引變壓器差動保護的和應涌流識別方面尚存在一些不足,有必要針對這類不含△接法的牽引變壓器差動保護的和應涌流識別方法展開進一步研究。本文首先以高鐵中廣泛應用的V/V連接牽引變壓器為例對和應涌流的產(chǎn)生機理進行深入分析,指出和應涌流產(chǎn)生的根本原因;接著,根據(jù)現(xiàn)場故障波形,分析和應涌流的波形特點;進而提出了基于故障分量正序電壓變化的和應涌流識別算法;最后通過動模實驗對算法進行仿真驗證。1和應涌流產(chǎn)生機理當牽引變壓器空載投入或外部故障切除后電壓恢復時,鐵芯達到飽和后其相對磁導率接近于1,從而勵磁阻抗減小,進而產(chǎn)生勵磁涌流,其數(shù)值往往可達到額定電流的6～8倍,此電流極易引起差動保護誤動作。當牽引變電所母線上連接兩臺或多臺變壓器時,如果一臺變壓器進行空載合閘,此臺變壓器將出現(xiàn)勵磁涌流,與此同時,與其相鄰的另一臺并聯(lián)或級聯(lián)運行的中性點接地變壓器繞組中將出現(xiàn)和應涌流。文獻[13-15]解釋了變壓器產(chǎn)生和應涌流的原因和機理,和應涌流產(chǎn)生的根本原因是合閘變壓器勵磁涌流流過系統(tǒng)電阻導致其他變壓器工作母線的電壓偏移,使得鐵芯飽和所致。為說明和應涌流產(chǎn)生機理,本節(jié)先給出兩臺雙繞組變壓器并聯(lián)和級聯(lián)的等效電路圖,如圖1所示。以并聯(lián)變壓器為例,從磁鏈變化的角度來分析和應涌流產(chǎn)生的機理。圖1(a)中,變壓器T1正常運行,變壓器T2空載投入,當開關QF合閘時,變壓器T2中產(chǎn)生勵磁涌流i2,i2偏向于時間軸的一側,且含有大量的非周期分量。非周期分量電流通過系統(tǒng)電阻時導致變壓器母線電壓產(chǎn)生直流偏移,隨之勵磁電壓發(fā)生變化,正序電壓出現(xiàn)明顯的突變。由于變壓器的磁通是加載在變壓器上的電壓積分,T1的新增磁通將隨著母線電壓的偏移而向一側偏移發(fā)展,其偏移磁通增量與周期磁通分量相疊加。經(jīng)過一段時間的作用,變壓器T1鐵芯在偏移的一側飽和,T1進入飽和區(qū),從而使T1產(chǎn)生和應涌流。此外,由于T1變壓器磁鏈是在負方向達到飽和的,所以T1產(chǎn)生的和應涌流與T2中的勵磁涌流i2的方向是相反的。某現(xiàn)場變壓器空載合閘時所產(chǎn)生的勵磁涌流、故障分量正序電壓(以A相電壓為基準,矩陣轉(zhuǎn)換得出)及和應涌流分別如圖2、圖3所示。由圖2、圖3分析得出,和應涌流與勵磁涌流具有以下特點和關系:(1)和應涌流是在空投變壓器發(fā)生合閘操作一段時間之后才出現(xiàn)。(2)勵磁涌流的最大值出現(xiàn)在合閘后極短時間內(nèi),同時伴隨著勵磁電壓正序分量有明顯突變的過程,一段時間后正序電壓突變情況消失,其突變量維持在一個較小值的穩(wěn)定狀態(tài);而和應涌流的幅值先增大再減小,衰減速度比常規(guī)的勵磁涌流緩慢。(3)運行變壓器和空投變壓器的磁鏈在各自衰減直流分量的作用下周期性地進入飽和,因此和應涌流與勵磁涌流偏向于不同的時間軸且交替出現(xiàn)。實測數(shù)據(jù)驗證了前述理論的正確性,同時也表明了和應涌流和勵磁涌流的區(qū)別。與此同時變壓器和應涌流波形圖如圖3所示。2正序電壓突變量啟動識別根據(jù)變壓器和應涌流產(chǎn)生的機理以及對故障波形的分析可知,和應涌流出現(xiàn)在相鄰的變壓器空載合閘后的幾個周期內(nèi),由此可知:牽引變壓器的合閘時刻與相鄰變壓器和應涌流的出現(xiàn)時刻存在一定的時間差。至于和應涌流出現(xiàn)時刻的確定,可根據(jù)牽引變壓器和應涌流的出現(xiàn)總是伴隨著差動電流的出現(xiàn)這一原理來確定。牽引變壓器的合閘時刻可通過下面方法來加以判斷:當牽引變壓器出現(xiàn)勵磁涌流時,勵磁電壓故障分量正序電壓有明顯突變的過程,因此,可通過正序電壓突變來近似地確定變壓器的合閘時刻,然后根據(jù)伴隨和應涌流出現(xiàn)時的差流大小及差流出現(xiàn)的時刻來確定兩者的出現(xiàn)時刻是否存在時間差,以識別和應涌流產(chǎn)生與否。根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗和大量的仿真試驗結果分析,這個時間差的門檻可設為T/2。定義正序電壓突變量啟動的判據(jù)為式中:U1(n)、U1(n-T)、U1(n-2T)分別是第n點,其一個周波前、兩個周波前的正序電壓幅值;K為變壓器平衡系數(shù)。當抽樣點數(shù)中滿足判據(jù)的點數(shù)大于動作點數(shù)時輸出動作標志和當前采樣指針距離第一個突變點的時間(ms)。在此算法中,抽樣點數(shù)取為3,動作點數(shù)取為2。為了盡量消除衰減直流分量的影響,采用全周傅氏算法計算正序電壓的幅值。正序電壓突變需要與差動保護判據(jù)相配合來構成和應涌流識別方案。當變壓器空載合閘后,正序電壓突變量啟動,因此可認為此時刻為牽引變壓器發(fā)生故障或者涌流狀態(tài)(合閘時刻),而不會對判別結果造成影響?；谏鲜鏊悸?和應涌流識別方法的流程如圖4所示。具體步驟如下:步驟1:采集數(shù)據(jù),并進行數(shù)據(jù)濾波。步驟2:計算當前時刻正序電壓,判斷正序電壓是否突變;若是,進入下一步;若否,返回步驟1。步驟3:如正序電壓突變,記錄當前時刻t1;判斷此刻是否滿足差動條件,若是,則為勵磁涌流或內(nèi)部故障,進而返回到步驟1;若否,進入步驟4。步驟4:繼續(xù)采集電流數(shù)據(jù),記錄當前時刻為t2,判斷差動電流Id是否大于差動保護啟動電流閾值Iop.min,若是,進入步驟6;反之,進入步驟5。步驟5:判斷t2與t1之間間隔是否大于20個周波,若不是,則意味著此次相鄰變壓器的合閘勵磁涌流引起的和應涌流現(xiàn)象可能暫時還未出現(xiàn),需繼續(xù)檢測采樣電流,即返回步驟4;反之,則此次擾動為變壓器內(nèi)外部故障、CT飽和等情況,和應涌流檢測過程結束,返回步驟1,進入下一個檢測周期。步驟6:判斷t2與t1之間間隔是否大于T/2,若是,則判定本次擾動為和應涌流,并采取有效的措施閉鎖差動保護,進入下一個檢測周期;反之,則意味著變壓器合閘時刻與和應涌流出現(xiàn)時刻不存在一定的時間差,故不滿足和應涌流特點,進入下一個檢測周期。3實驗結果及分析借助于許繼電氣股份有限公司國家繼電保護及自動化設備質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心開普實驗室,進行了動模實驗。為全面檢測本文所提方法的有效性,以目前電氣化鐵路中應用較為廣泛的V/V接線牽引變壓器為例,設計如下幾套動模實驗方案:(A)變壓器區(qū)內(nèi)金屬性故障;(B)變壓器區(qū)外金屬性故障;(C)變壓器匝間短路;(D)CT飽和試驗;(E)空投試驗;(F)和應涌流試驗。V/V接線方式的牽引變壓器接線如圖5,變壓器參數(shù)如下,容量為2×20MVA,變比為220kV/27.5kV,高壓側CT1變比為300A/5A,CT2變比為1200A/5A,高壓側PT變比為220kV/100V。各種運行情況下的動模試驗以及保護的動作結果如表1所示。表中列出了各種具有代表性的常規(guī)試驗項目,以此來說明算法的準確性。針對以上6個項目共測試了120次,動模試驗正確率達到100%,符合工程應用要求?？紤]到實驗環(huán)境及條件的局限性,作者將在實際系統(tǒng)中對算法進行進一步的測試與驗證,以確保其在復雜環(huán)境下的正確率?？傊?通過大量的測試表明,算法對和應涌流的識別具有很好的適用性,正確率高,而在實際系統(tǒng)中的適用性還有待于進一步的驗證。限于篇幅,以下僅以并聯(lián)和應涌流試驗情況為例進行簡單說明。各電氣量參數(shù)波形圖如圖6所示,其中,I1A,I1B,I1C分別為高壓側電流,I2A,I2B,I2C為低壓側電流;IA10,IB10,IC10分別為并聯(lián)牽引變高壓側電流,U1為正序電壓,TZ為差動保護動作量。由圖6可知,利用故障分量的時差法,準確地判斷了和應涌流的出現(xiàn),及時閉鎖差動保護,差動保護動作量為零,保護可靠不動作。通過以上試驗驗證,對比分析了變壓器和應涌流與非和應涌流情況時差動保護的動作情況,驗證了本文基于故障分量的牽引變壓器和應涌流識別方法的有效性和實用性。4故障分量正序電壓突變的時差法通過分析變壓器和應涌流產(chǎn)生機理,得出和應涌流之所以會引起差動保護誤動作是因為和應涌流中非周期