基于零序過濾的變壓器勵磁涌流識別

基于零序過濾的變壓器勵磁涌流識別

0變壓器兩側(cè)線圈電流的等效電感的計算如何正確區(qū)分磁體和內(nèi)部故障電流是環(huán)境保護的難題，國內(nèi)外學者進行了大量研究。產(chǎn)生勵磁涌流的本質(zhì)原因是變壓器勵磁支路的非線性,在引入電壓量后可以利用計算出的等效勵磁電感的大小和變化規(guī)律來識別勵磁涌流和內(nèi)部故障,該方法利用變壓器飽和及非飽和狀態(tài)下勵磁電感的不同,判斷變壓器鐵心的工作狀態(tài),進而識別勵磁涌流,具有良好的性能。文獻推導了基于變壓器兩側(cè)線圈電流的等效勵磁電感計算公式。但對于Y,d接線的三相變壓器而言,有時現(xiàn)場配置的電流互感器無法測得三角形(△)側(cè)繞組電流,使得基于文獻的等效瞬時勵磁電感計算方法的應用受到限制。文獻提出了一種可行的無需測量△側(cè)繞組電流的勵磁電感計算方法,但其計算稍顯復雜。本文在對Y,d接線變壓器T形等效電路分析的基礎上,提出了一種基于零序過濾的勵磁電感計算方法,該方法通過濾除變壓器兩側(cè)的零序分量,來消除△側(cè)零序環(huán)流對計算的影響,所得的勵磁電感為正、負序分量綜合作用的結(jié)果。理論分析和仿真實驗表明,該方法能夠有效地識別涌流及故障電流特征,從而可靠地區(qū)分涌流和各種內(nèi)部故障。1計算原理1.1等效勵磁電流計算當忽略繞組電阻及勵磁電阻時,單相變壓器T形等效電路如圖1所示。根據(jù)等效電路可列出回路方程:式中:LM為等效瞬時電感。由于L1遠小于LM,則式(1)可寫為:式中:id為勵磁電流(差流)。將式(2)離散化可得:式中:T為采樣周期;LM在正常運行及涌流時為變壓器瞬時勵磁電感,內(nèi)部故障時為瞬時勵磁電感和短路繞組漏感的并聯(lián)。1.2電流ial不含零序環(huán)流的特性Y0,d11接線變壓器如圖2所示,其對應的A相T形等值電路如圖3所示。由于同一相正序、負序、零序漏感、勵磁電感相等,故可把圖3單相等值電路分解為正序、負序及零序電路,如圖4所示。u0A為Y側(cè)A相零序電壓,在涌流過程中Y0側(cè)零序電壓為該側(cè)零序電流在該側(cè)電源零序阻抗上的壓降,實際上,此時勵磁支路為零序電流源。這樣,由圖4可得到:式中,ial-i0al為△側(cè)A相繞組電流ial不含零序環(huán)流的部分,如用i±al表示,同樣,△側(cè)B相和C相繞組電流中的這部分電流表示為i±bl,i±cl,則對按圖2所示電流正方向的Y0,d11接線變壓器而言,有由于漏感遠小于勵磁電感,故可分相列寫變壓器回路方程:令式中:i0A=i0B=i0C=(iA+iB+iC)/3,且有:故由式(6)離散化可得:式(7)即為勵磁電感的計算式。由于變壓器勵磁涌流過程是一個極其復雜的電磁暫態(tài)過程,工程上往往采用一些近似的簡化處理方法:①忽略其衰減過程,近似認為涌流波形是一個準穩(wěn)態(tài)波形,而采用穩(wěn)態(tài)電路的處理辦法進行分析,如經(jīng)典的二次諧波制動就是采用了穩(wěn)態(tài)電路的傅里葉級數(shù)的分析方法;②非線性的磁化特性曲線采用近似的兩折線(2段直線)線性化表示。文獻指出可采用近似穩(wěn)態(tài)電路的分析方法來分析涌流的暫態(tài)過程,否則將使問題復雜化而無實際意義。在此前提下,如變壓器涌流過程中三相鐵心同時飽和或不飽和,則上述算法可較準確地計算變壓器三相勵磁電感,但實際變壓器空投時情況復雜,可能出現(xiàn)一相飽和、兩相飽和和三相飽和的情形,并且各相進入飽和及退出飽和的時間不同,此時按本文算法計算的三相勵磁電感與實際值有偏差,但一般變壓器涌流過程中總存在三相鐵心同時不飽和的時間段,故并不妨礙涌流的識別,具體參見2.2節(jié)。2模擬子件數(shù)據(jù)完成的證明2.1變壓器勵磁特性利用PSCAD/EMTDC仿真驗證本文提出的算法。仿真系統(tǒng)如圖5所示。仿真中變壓器為PSCAD中的經(jīng)典模型,接線為Yn,d11,Y側(cè)飽和,額定容量100MVA,額定電壓173kV/100kV,漏感0.08,額定狀態(tài)下變壓器勵磁電流1%IN。仿真采樣頻率為1kHz。為比較本文方法與文獻勵磁電感的計算方法,在仿真中分別利用本文式(7)(本文算法)及式(3)(文獻算法)計算變壓器正常運行、空載合閘、空投于故障和內(nèi)部故障情況下的各相勵磁電感,如圖6、圖7及附錄A圖A1～圖A5所示。2.2不對稱故障下的仿真實驗由圖6可知,變壓器正常運行時鐵心不飽和,其勵磁電感較大且近似保持不變,2種算法都能反映這一特點。由圖7(b)可知,此時變壓器A,C兩相飽和,B相未飽和,故B相勵磁電感表現(xiàn)為正常運行狀態(tài)時的電感,而在圖7(a)中濾除零序后B相差流也呈飽和形態(tài),對比圖7(a),(b)可知,圖7(a)的三相差流在三相鐵心同時不飽和時段(即圖7(b)三相差流同時為0的時段)都為0,在其他時間不為0,即其三相差流的波寬和間斷角相同,并保持同步變換,這一特點也可從理論分析中得出,在此情況下,雖然本文算法所得的勵磁電感與實際值有偏差,但并不妨礙涌流的識別。附錄A圖A1為變壓器運行過程中發(fā)生A相經(jīng)100Ω電阻接地故障(故障起始時間為0.2s)時的仿真波形。由于本文算法采用正、負序分量,在發(fā)生不對稱故障時,非故障相也含正、負序分量,故附錄A圖A1(a)中B,C相差流也呈故障相形式,其勵磁電感也很小。由附錄A圖A2(b)可知,由于變壓器A相故障,該相電感值很小,B相未飽和,該相電感值呈正常運行時的狀態(tài),C相飽和;而由附錄A圖A2(a)可知,濾除零序后各相差流都呈故障形態(tài)。附錄A圖A3為Y側(cè)空載合閘時,三相都飽和時的仿真波形,由附錄A圖A3可知2種算法都能很好地反映涌流特征。三相涌流的間斷角大小和二次諧波含量與空載合閘角、飽和磁通、剩磁的大小有關,合閘角越小、剩磁越大、飽和磁通越小則間斷角及二次諧波含量越小,附錄A圖A4仿真了一種對涌流分析極為不利的情況,A相合閘角為0,飽和磁通為1.1倍額定工作磁通,A相剩磁為0.9倍額定工作磁通,B,C相剩磁為負的0.45倍額定工作磁通(現(xiàn)代大型變壓器都采用單相變壓器組,三相之間不存在磁路的聯(lián)系,再計及三相電流的對應關系,因而變壓器三相剩磁之和接近于0)。由仿真圖可知,2種算法獲得的三相差流間斷角最小相(A相)的間斷角相近,2種算法A相電感的計算結(jié)果也相近。再看B,C相的情況,雖然本文算法B,C相勵磁電感的涌流特征比文獻算法稍差,但還是能較好地表征涌流的特征。合閘于A相5%匝間故障的仿真波形見附錄A圖A5,這些實驗波形都證實了本文算法的有效性。由上述分析可知,勵磁電感的計算主要取決于差流的大小和變化,空投產(chǎn)生涌流時,原始的勵磁電流出現(xiàn)間斷角,在間斷期間(即非飽和區(qū))其勵磁電流極小且其變化率相對于電流不間斷時的變化率也極小,其所對應的勵磁電感很大,而勵磁電流較大的區(qū)間其所對應的勵磁電感很小,對某種勵磁電感計算方法,只要其獲得的差流能足夠保持原始勵磁電流在涌流時的間斷屬性,就能夠正確識別涌流。由仿真結(jié)果可知,在正常運行時,本文算法與文獻算法一樣,可正確計算出勵磁電感;在空投時,本文算法獲得的差流能夠保持原始勵磁電流的間斷屬性,能較好地反映涌流特征;在故障或空投于故障時,本文算法獲得的三相勵磁電感都成故障相形式,但這并不妨礙與涌流時的勵磁電感計算值相區(qū)分,因而,從涌流識別角度來說,本文的勵磁電感算法是能夠勝任的。3變壓器側(cè)電流動態(tài)特性