y,d接線變壓器差動保護(hù)中的電流相位補償問題

y,d接線變壓器差動保護(hù)中的電流相位補償問題

0等效時效規(guī)范的應(yīng)用y、d電力良種廣泛應(yīng)用于電氣系統(tǒng)。因為當(dāng)原和副邊矩陣中的側(cè)面接成三角形（）時，可以確保相電勢接近正軸波，并避免相電勢波形的變形。但Y,d變壓器兩側(cè)線電流存在相位差,為使正常運行時變壓器差動保護(hù)中的差流為0,需要將變壓器一側(cè)電流變換到另一側(cè),以消除之間的相位差。對現(xiàn)有的Y→△與△→Y電流補償方式,由于△側(cè)繞組中環(huán)流的影響,變換后得到的差流并不能反映該相勵磁電流的真實變化,使得基于此的二次諧波勵磁涌流判據(jù)不可靠,并且在帶小匝間故障空載合閘時可能使差動保護(hù)延時較長時間動作。利用繞組電流計算差流可消除環(huán)流的影響,能夠真實反映變壓器各相勵磁涌流的變化,由此發(fā)展的基于等效瞬時電感的勵磁涌流鑒別判據(jù)能夠更可靠地判別變壓器的勵磁涌流?；诘刃矔r電感的勵磁涌流判據(jù)需要變壓器各側(cè)的繞組電流,對于500kV及以上電壓等級的電力變壓器通常采用由單相變壓器構(gòu)成的三相變壓器形式,△側(cè)可配置繞組電流互感器測量繞組電流。但對于220kV及以下電壓等級的電力變壓器通常采用三相三柱形式,△側(cè)無法配置繞組電流互感器,使得△側(cè)繞組電流很難測得,因此限制了基于等效瞬時電感的勵磁涌流判據(jù)在此類變壓器中的應(yīng)用。文獻(xiàn)詳細(xì)分析了變壓器△側(cè)繞組內(nèi)部環(huán)流的性質(zhì)及其對等效瞬時電感計算的影響,認(rèn)為等效瞬時電感受△側(cè)環(huán)流影響大,必須計及環(huán)流的影響才能保證等效瞬時電感的計算精度。文獻(xiàn)在分相列寫回路方程的基礎(chǔ)上,消去繞組環(huán)流的影響,提出了一種利用△側(cè)線電流計算各相勵磁電感的方法,但在發(fā)生勵磁涌流時,所求得的某相勵磁電感由于受其他相勵磁電感變化的影響,不能真實反映本相勵磁電感的變化,并且計算過程中忽略了繞組電阻、漏電感,也會影響計算結(jié)果。為了解決Y,d接線變壓器△側(cè)無繞組電流互感器配置時△側(cè)繞組環(huán)流無法測量的問題,本文根據(jù)變壓器兩側(cè)繞組的電壓方程,建立△側(cè)繞組環(huán)流與Y側(cè)零序電壓和電流之間的關(guān)系,提出了一種用于構(gòu)造Y,d接線變壓器△側(cè)繞組環(huán)流的方法,該方法與Y側(cè)繞組接地方式無關(guān),具有廣泛的適用性,可用于△側(cè)無繞組電流互感器配置時基于等效瞬時電感的勵磁涌流判據(jù)的計算及應(yīng)用。1高壓y側(cè)后環(huán)流Y,d接線變壓器電流關(guān)系如圖1所示,當(dāng)開關(guān)K斷開時中性點不接地,當(dāng)K閉合時中性點接地。Y側(cè)繞組電壓方程為:{uA=r1iA+L1diAdt+eAuB=r1iB+L1diBdt+eBuC=r1iC+L1diCdt+eC(1)?????????uA=r1iA+L1diAdt+eAuB=r1iB+L1diBdt+eBuC=r1iC+L1diCdt+eC(1)式中:uA,uB,uC為Y側(cè)繞組相電壓,uA+uB+uC=3u0,u0為零序電壓;eA,eB,eC為Y側(cè)三相繞組感應(yīng)電勢;iA,iB,iC為相電流,iA+iB+iC=3i0,i0為零序電流,當(dāng)Y側(cè)中性點接地時,可由中性點電流互感器測得或由相電流計算出;當(dāng)Y側(cè)中性點不接地時,i0=0;Y側(cè)三相繞組的繞組電阻和漏電感相同,分別為r1,L1。側(cè)繞組電壓方程為:{uac=r2ia+L2diadt+eauba=r2ib+L2dibdt+ebucb=r2ic+L2dicdt+ec(2)?????????uac=r2ia+L2diadt+eauba=r2ib+L2dibdt+ebucb=r2ic+L2dicdt+ec(2)式中:uac,uba,ucb為△側(cè)折算到高壓Y側(cè)后的繞組電壓,uac+uba+ucb=0;ea,eb,ec為△側(cè)折算到高壓Y側(cè)后的三相繞組感應(yīng)電勢,折算到高壓Y側(cè)后有eA=ea,eB=eb,eC=ec;ia,ib,ic為△側(cè)折算到高壓Y側(cè)后的繞組電流,設(shè)各繞組電流中的環(huán)流分量為ip,有ia+ib+ic=3ip;△側(cè)三相繞組的繞組電阻和漏電感相同,分別為r2,L2。對Y側(cè)中性點不接地時,Y側(cè)i0=0,該側(cè)勵磁涌流無零序分量,但由于三相鐵心飽和程度不同,使得eA+eB+eC≠0,故△側(cè)繞組中仍有環(huán)流存在。根據(jù)以上電流、電壓存在的關(guān)系,由式(1)、式(2)可得:u0=r1i0+L1di0dt-r2ip-L2dipdt(3)u0=r1i0+L1di0dt?r2ip?L2dipdt(3)即dipdt+r2L2ip=1L2(r1i0+L1di0dt-u0)(4)dipdt+r2L2ip=1L2(r1i0+L1di0dt?u0)(4)解微分方程(4),得△側(cè)繞組環(huán)流ip為:ip=e-r2L2tL2∫t0[-u0+(r1-L1L2r2)i0]er2L2tdt+L1L2i0(5)ip=e?r2L2tL2∫t0[?u0+(r1?L1L2r2)i0]er2L2tdt+L1L2i0(5)將式(5)離散,得到:ip(k)=e-r2L2t(k)L2k∑n=0[-u0(n)+(r1-L1L2r2)i0(n)]?er2L2t(n)ΔΤ+L1L2i0(k)(6)ip(k)=e?r2L2t(k)L2∑n=0k[?u0(n)+(r1?L1L2r2)i0(n)]?er2L2t(n)ΔT+L1L2i0(k)(6)式中:k為計算點;ΔT為采樣間隔。如果變壓器兩側(cè)繞組的繞組電阻和漏電感相等,即r1=r2=r,L1=L2=L,則式(6)可進(jìn)一步化簡為:ip(k)=e-rLt(k)Lk∑n=0-u0(n)erLt(n)ΔΤ+i0(k)(7)ip(k)=e?rLt(k)L∑n=0k?u0(n)erLt(n)ΔT+i0(k)(7)如果變壓器中性點不接地,有i0=0,則式(6)可進(jìn)一步化簡為:ip(k)=e-r2L2t(k)L2k∑n=0-u0(n)er2L2t(k)ΔΤ(8)ip(k)=e?r2L2t(k)L2∑n=0k?u0(n)er2L2t(k)ΔT(8)當(dāng)變壓器發(fā)生小匝間短路故障時,因為故障相繞組電阻和漏感的變化,會使上述環(huán)流構(gòu)造公式的計算結(jié)果出現(xiàn)偏差,但由于小匝間短路故障時繞組參數(shù)的變化較小,計算結(jié)果的偏差并不大,由此計算的等效瞬時電感依舊能夠反映故障非飽和區(qū)的性質(zhì),具體參見第3節(jié)。當(dāng)發(fā)生較大匝間短路故障或其他嚴(yán)重內(nèi)部短路故障時,因參數(shù)變化很大,構(gòu)造的環(huán)流結(jié)果與實際環(huán)流的偏差較大,但此時故障電流很大且趨于正弦波,零序電流和電壓是正弦波的特征,由計算公式可知,構(gòu)造的環(huán)流波形具有零序量的特征,也將是正弦波,進(jìn)一步計算出的差流也將是正弦波的特征且幅值較大,那么由此計算出的等效瞬時電感還將表現(xiàn)出很小值的故障特征,雖然此時故障相會影響非故障相特征,但這不妨礙故障的正確檢測。2變壓器中性點接地本節(jié)利用MATLAB中SimPowerSystems工具箱建立如圖2所示仿真模型,驗證本文所提出的環(huán)流構(gòu)造方法。Y,d1變壓器由三單相變壓器組構(gòu)成,電壓等級為230kV/20kV,容量為360MVA,Y側(cè)繞組電阻和漏電感分別為0.002,0.08,△側(cè)繞組電阻和漏電感分別為0.002,0.08,鐵心飽和特性為[0,0;0.05,1.2;1.0,1.52]。開關(guān)K2閉合時中性點接地,斷開時中性點不接地。仿真采樣頻率為2.5kHz。當(dāng)K2斷開、變壓器中性點不接地時,K1閉合,變壓器Y側(cè)空載合閘,仿真結(jié)果見附錄A圖A1。三相勵磁涌流如圖A1(a)所示,圖A1(b)給出了仿真計算出的△側(cè)繞組環(huán)流與按照本文構(gòu)造方法計算的△側(cè)繞組環(huán)流對比,可以看出構(gòu)造環(huán)流與仿真環(huán)流十分接近。當(dāng)K2閉合、變壓器中性點接地時,K1閉合,變壓器Y側(cè)空載合閘,仿真結(jié)果見附錄A圖A2。三相勵磁涌流如圖A2(a)所示,圖A2(b)給出了仿真計算出的△側(cè)繞組環(huán)流與按照本文構(gòu)造方法計算的△側(cè)繞組環(huán)流對比,可以看出構(gòu)造環(huán)流與仿真環(huán)流十分接近。3等效時效規(guī)范為了驗證以上△側(cè)繞組環(huán)流構(gòu)造方法的正確性與有效性,在許繼動模實驗室Y0,d11三單相變壓器組上進(jìn)行了多次空載合閘、帶匝間故障空載合閘等實驗,錄取實驗中的波形,離線進(jìn)行分析,分析中采樣頻率為2.4kHz。許繼單相變壓器參數(shù)為:額定容量10kVA,高壓側(cè)額定電壓1000/√3V1000/3√V,低壓側(cè)額定電壓400V,高壓側(cè)額定電流17.3A,空載損耗92W,空載電流1.635%,短路損耗0.27%,短路電壓19%,繞組電阻0.09Ω,漏電感0.02H。分析中假設(shè)高低壓繞組的電阻和漏電感相等。圖3是變壓器空載合閘時的實驗結(jié)果分析。圖3(a)是變壓器三相勵磁涌流,圖3(b)是實驗測量△側(cè)繞組環(huán)流與按照本文構(gòu)造方法計算的△側(cè)繞組環(huán)流對比,可以看出構(gòu)造環(huán)流與實測環(huán)流吻合得較好。等效瞬時電感的計算結(jié)果對比見附錄A圖A3。圖A3(a)是利用測量的Y側(cè)繞組電流與△側(cè)繞組環(huán)流計算差流,按照文獻(xiàn)中公式計算的等效瞬時電感結(jié)果。圖A3(b)是利用測量的Y側(cè)繞組電流與△側(cè)構(gòu)造的繞組環(huán)流計算差流,再按照文獻(xiàn)中公式計算的等效瞬時電感結(jié)果。圖A3(c)是按照文獻(xiàn)中公式計算的勵磁電感結(jié)果。對比可以看出,圖A3(b)由構(gòu)造環(huán)流計算出的等效瞬時電感與圖A3(a)中由實際電流計算出的結(jié)果在變壓器飽和區(qū)與非飽和區(qū)內(nèi)的變化趨勢基本一致,數(shù)值有些差異,這主要是由于利用變壓器標(biāo)稱值計算的繞組電阻、漏電感與實際存在差異造成的結(jié)果。如需進(jìn)一步提高構(gòu)造環(huán)流的準(zhǔn)確度,可采用文獻(xiàn)中在線參數(shù)辨識的方法,提取變壓器的繞組參數(shù)。圖A3(c)中的A相勵磁電感的變化與圖A3(a)中的等效瞬時電感變化基本一致,B相勵磁電感沒有很好地反映變壓器經(jīng)歷飽和與非飽和交替變化時勵磁電感也由小到大交替變化的趨勢,C相勵磁電感在飽和區(qū)內(nèi)卻存在較大的值,沒有很好地反映飽和過程中勵磁電感很小的特點。這主要是由于文獻(xiàn)中的計算方法一方面忽略了繞組電阻和漏電感的影響,另一方面本相勵磁電感的計算受其他相勵磁電感的影響,尤其是變壓器在飽和與非飽和之間過渡時勵磁電感變化劇烈,各相之間的勵磁電感相互影響更大。圖4是變壓器帶A相2.64%匝間短路故障空載合閘時的實驗結(jié)果分析。圖4(a)是變壓器三相電流,可以看出A相除了有故障電流的特點外,還有勵磁涌流的特征。圖4(b)是實驗測量△側(cè)繞組環(huán)流與按照本文構(gòu)造方法計算的△側(cè)繞組環(huán)流對比,可以看出,盡管發(fā)生匝間短路故障時變壓器繞組的參數(shù)發(fā)生變化,但構(gòu)造環(huán)流與實測環(huán)流趨勢吻合得較好。等效瞬時電感的計算結(jié)果對比見附錄A圖A4。圖A4(a)是利用測量的Y側(cè)繞組電流與△側(cè)繞組環(huán)流計算差流,按照文獻(xiàn)中公式計算的等效瞬時電感結(jié)果。圖A4(b)是利用測量的Y側(cè)繞組電流與△側(cè)的構(gòu)造繞組環(huán)流計算差流,再按照文獻(xiàn)中公式計算的等效瞬時電感結(jié)果。圖A4(c)是按照文獻(xiàn)中公式計算的勵磁電感結(jié)果。對比可以看出,匝間故障狀態(tài)下,圖A4(b)由本文構(gòu)造的環(huán)流計算的等效瞬時電感與圖A4(a)中由實際電流計算的結(jié)果,盡管數(shù)值上有些差異,這主要是由于利用變壓器標(biāo)稱值計算的繞組電阻、漏電感與實際存在差異,另一方面是發(fā)生匝間短路故障時變壓器繞組的參數(shù)也會變化,但兩者在變壓器飽和區(qū)與非飽和區(qū)內(nèi)的變化趨勢一致。對比圖A4(a)與圖A4(b)中A相等效瞬時電感,在進(jìn)入飽和區(qū)(勵磁電流較大的區(qū)域)附近時計算出的等效瞬時電感都有較大的數(shù)值,這是由于由較小的匝間短路產(chǎn)生的正弦短路電流與勵磁涌流的變化趨勢不同,在勵磁涌流超過短路電流時,電流波形的導(dǎo)數(shù)變化劇烈,使得等效瞬時電感出現(xiàn)較大的數(shù)值,因此,在按照文獻(xiàn)計算非飽和區(qū)與飽和區(qū)等效瞬時電感的比值時,需注意飽和區(qū)域的選取范圍應(yīng)避開這一過渡區(qū)。而圖A4(c)中的匝間故障狀態(tài)下A相勵磁電感的變化與圖A4(a)中的等效瞬時電感變化卻很不一致,對照圖4(a)中A相勵磁涌流波形,圖A4(c)中的匝間故障狀態(tài)下A相勵磁電感在非飽和區(qū)(表現(xiàn)為短路電流特征)的值很大,這是不正確的,因為由于短路繞組的存在,繞組的實際勵磁電感不可能在這個區(qū)域存在較大的值,這可能是由于文獻(xiàn)中的本相勵磁電感的計算方法受其他相勵磁電感影響的結(jié)果。實驗結(jié)果進(jìn)一步分析表明,在變壓器發(fā)生較大匝數(shù)的短路故障時,△側(cè)繞組環(huán)流接近正弦波,構(gòu)造的環(huán)流也接近正弦波,由此計算的故障相等效瞬時電感很小,能夠可靠開放差動保護(hù),對于機(jī)端相間短路或接地故障具有類似的結(jié)果,限于篇幅不再一一列舉。此外,還在清華大學(xué)電機(jī)實驗室對中性點不接地的Y,d1三單相變壓器組進(jìn)行了空載合閘、空載帶小匝間故障合閘實驗,實驗結(jié)果分析表明,利用本文提出的方法構(gòu)造環(huán)流,與實際環(huán)流很接近。以上仿真與實驗分析結(jié)果表明,利用本文方法構(gòu)造出的△側(cè)繞組環(huán)流,在空載合閘或小匝間短路故障時,與實際的環(huán)流很接近,由此進(jìn)一步計算得到的等效瞬時電感能夠很好地反映變壓器鐵心在飽和與非飽和狀態(tài)之間交替變換的趨勢和特征,能夠正確區(qū)分變壓器勵磁涌流和內(nèi)部故障,有利于等效瞬時電感的計算及相關(guān)勵磁涌流判據(jù)的應(yīng)用。4側(cè)效果環(huán)境本文提出了一種用