變壓器差動(dòng)保護(hù)涌流制動(dòng)原理及方案

變壓器差動(dòng)保護(hù)涌流制動(dòng)原理及方案

0勵(lì)磁涌流制動(dòng)方案的確定現(xiàn)代廣泛應(yīng)用高導(dǎo)磁軸壓制硅鋼顆粒的硅鋼材料。由于飽和點(diǎn)低，剩余磁較大，因此在磁體涌流中一定存在一相或兩相磁流的二次波形分量。特別是經(jīng)星形(Y)/三角形(△)轉(zhuǎn)換后還可能出現(xiàn)對(duì)稱涌流,在提高動(dòng)作速度和降低啟動(dòng)值條件下,傳統(tǒng)的涌流制動(dòng)方案受到了極大威脅。傳統(tǒng)的涌流制動(dòng)方案很難兼顧到差動(dòng)保護(hù)的靈敏性、可靠性、快速性。另外,為防止硬件故障造成差動(dòng)保護(hù)拒動(dòng),以及裝置定檢或調(diào)試時(shí)主設(shè)備失去保護(hù),目前220kV及以上電壓等級(jí)的主變保護(hù)都按雙重化配置,2套差動(dòng)保護(hù)或門跳閘。單套保護(hù)裝置中若僅用一種涌流制動(dòng)原理,這樣會(huì)增加差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)的可能性。因此,研究勵(lì)磁涌流制動(dòng)更合理的方案是十分重要的。協(xié)同合作判據(jù)的涌流制動(dòng)方案力求在一套差動(dòng)保護(hù)必須集成不同原理,在不同工況下發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn),達(dá)到整體性能最佳。1主變保護(hù)的基本原理變壓器差動(dòng)保護(hù)的核心問(wèn)題是如何鑒別勵(lì)磁涌流和內(nèi)部故障電流。理想的勵(lì)磁涌流制動(dòng)保證正?？胀痘蛲獠抗收锨谐妷夯謴?fù)過(guò)程中變壓器差動(dòng)保護(hù)不誤動(dòng),空投于故障變壓器時(shí)要快速動(dòng)作。當(dāng)變壓器空載投入或外部故障切除后電壓恢復(fù)時(shí),可能出現(xiàn)數(shù)值較大的勵(lì)磁涌流。在忽略衰減、電源阻抗以及鐵心飽和磁滯曲線等情況下,文獻(xiàn)簡(jiǎn)單給出了勵(lì)磁涌流產(chǎn)生的圖解。常規(guī)鑒別變壓器勵(lì)磁涌流的方法有二次諧波、波形對(duì)稱、間斷角等原理。這些原理都是基于勵(lì)磁涌流特征來(lái)鑒別的,只是所用方法不同而已,故這些原理都可稱為波形識(shí)別原理。由于影響勵(lì)磁涌流的因素復(fù)雜,這些原理在對(duì)稱涌流時(shí)可能失效。若主變差動(dòng)保護(hù)采用一相涌流閉鎖三相差動(dòng)的“或閉鎖”方式,因?yàn)闊o(wú)論理論分析還是實(shí)際錄波分析,三相涌流中總有一相間斷角較大或二次諧波較大,或閉鎖邏輯可使差動(dòng)保護(hù)安全躲過(guò)涌流。但是,或閉鎖邏輯在空投到內(nèi)部故障主變尤其是非全相故障時(shí),將大大延長(zhǎng)差動(dòng)動(dòng)作時(shí)間或引起保護(hù)拒動(dòng),這樣將導(dǎo)致主變故障發(fā)展或擴(kuò)大故障而造成損失。特別是主變由于某點(diǎn)絕緣不好引起的匝間短路,由于故障切除過(guò)遲而導(dǎo)致主變報(bào)廢,此類故障占主變故障的比例較大?；蜷]鎖邏輯顯然不能保證在空投于故障變壓器時(shí)快速切除故障,因而對(duì)主變保護(hù)簡(jiǎn)單地采用涌流或閉鎖邏輯是不完善的?；蜷]鎖方式抗誤動(dòng)性能高,但快速性差。另外,有些主變保護(hù)采用分相制動(dòng)原理即“與閉鎖”方式,當(dāng)出現(xiàn)對(duì)稱涌流時(shí),與閉鎖方式差動(dòng)保護(hù)可能會(huì)誤動(dòng),外部故障切除電壓恢復(fù)過(guò)程中變壓器差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)會(huì)影響系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。所以變壓器差動(dòng)保護(hù)單純利用分相制動(dòng)原理,即與閉鎖方式也是不完善的。與閉鎖方式快速性高但安全性差。2工作原理分析目前微機(jī)保護(hù)要求各側(cè)電流互感器(TA)都按Y接入。傳統(tǒng)方法是選用Y側(cè)電流向△側(cè)轉(zhuǎn)換,變壓器空投時(shí),其差電流就是Y側(cè)兩相電流差,此時(shí)差流易出現(xiàn)對(duì)稱性涌流?，F(xiàn)有選用△側(cè)電流向Y側(cè)轉(zhuǎn)換的方法,其本質(zhì)與前者相同:去零序電流和相位校正。只是在變壓器空投時(shí),其差電流就是相涌流減去零序涌流,此時(shí)差流仍易出現(xiàn)對(duì)稱性涌流。對(duì)于Y,d11接線的兩卷變壓器,Y側(cè)電流向△側(cè)轉(zhuǎn)換的公式如下:式中:Ida,Idb,Idc為三相差電流;Iha,Ihb,Ihc為Y側(cè)三相電流;ILa,ILb,ILc為△側(cè)三相電流。前面談到對(duì)稱涌流主要由Y/△轉(zhuǎn)換引起。當(dāng)a相初相角αa=0,a,b,c相剩磁分別為Ψra=0.9,Ψrb=Ψrc=-0.9,飽和磁通密度Ψs=1.4,由文獻(xiàn)的推導(dǎo)得知,此時(shí)差電流有可能產(chǎn)生對(duì)稱涌流,如圖1所示。圖1中的b相差流為對(duì)稱性涌流。在某現(xiàn)場(chǎng)主變投運(yùn)時(shí)捕捉到的勵(lì)磁涌流如圖2所示。圖2也驗(yàn)證了文獻(xiàn)的推導(dǎo)。很明顯c相差流通過(guò)計(jì)算,是對(duì)稱波形和直流量的疊加,幾乎與故障電流一致,這時(shí)若用二次諧波、波形對(duì)稱、間斷角等原理簡(jiǎn)單對(duì)差流進(jìn)行勵(lì)磁涌流分析很容易誤動(dòng)?，F(xiàn)在微機(jī)保護(hù)的CPU計(jì)算能力非常強(qiáng)大,一般都選用計(jì)算能力較強(qiáng)的DSP,所以現(xiàn)在不僅要分析差流波形,還要分析與差流相關(guān)的各相電流的波形。在判不出差流為勵(lì)磁涌流時(shí),根據(jù)相關(guān)相電流的波形分析結(jié)果通過(guò)合理的邏輯運(yùn)算,可以分析出差流是否由Y/△轉(zhuǎn)換引起,若是,則判為對(duì)稱涌流,否則判為故障電流。對(duì)圖2利用二次諧波和波形對(duì)稱原理進(jìn)行了實(shí)時(shí)回放仿真計(jì)算,若只對(duì)差流分析時(shí)按現(xiàn)場(chǎng)整定值會(huì)判為故障電流,而利用了相電流信息可以有效判為勵(lì)磁涌流。不管采用哪種涌流鑒別原理,不能僅對(duì)差流進(jìn)行分析,還要分析與差流相關(guān)的各相電流的波形,該方法對(duì)Y,d接線變壓器對(duì)稱涌流的效果很好。3空投混合制動(dòng)邏輯的應(yīng)用純粹利用一相差流閉鎖三相的或閉鎖方式是不可取的,但是其優(yōu)點(diǎn)不能忽略,即在正?？胀痘蛲獠抗收锨谐妷夯謴?fù)過(guò)程中差動(dòng)保護(hù)不會(huì)誤動(dòng)。純粹利用分相制動(dòng)原理即與閉鎖方式也是不可取的,但在空投于故障變壓器時(shí)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作速度快。理想的變壓器差動(dòng)保護(hù)既要保證正?？胀痘蛲獠抗收锨谐妷夯謴?fù)過(guò)程中差動(dòng)保護(hù)不誤動(dòng),又要保證空投于故障變壓器時(shí)差動(dòng)保護(hù)快速動(dòng)作,就是要集或閉鎖方式和與閉鎖方式的優(yōu)點(diǎn)于一體。在判斷勵(lì)磁涌流時(shí)要充分利用相電流信息,不能僅判斷差流,而且還要根據(jù)各相電流中的涌流分布進(jìn)行綜合判斷,根據(jù)判斷結(jié)果決定是用或邏輯還是與邏輯,該方式稱為混合制動(dòng)邏輯?；旌现苿?dòng)邏輯是在長(zhǎng)期運(yùn)行有效的“三取二方式”上利用相電流信息進(jìn)行改進(jìn)的,外特性表現(xiàn)為:①當(dāng)正?？胀稛o(wú)對(duì)稱涌流差流時(shí),各相差動(dòng)受制動(dòng),無(wú)需進(jìn)行混合制動(dòng)邏輯判斷;②當(dāng)正常空投有對(duì)稱涌流差流時(shí),根據(jù)相電流信息,判斷出對(duì)稱涌流,只有一相差動(dòng)動(dòng)作,此時(shí)采用或邏輯制動(dòng),差動(dòng)保護(hù)不會(huì)誤動(dòng),安全性強(qiáng)于與邏輯;③當(dāng)空投故障變壓器單相時(shí),由于Y/△轉(zhuǎn)換差流表現(xiàn)在兩相,有兩相差動(dòng)不受涌流制動(dòng),出口采用與邏輯,快速性強(qiáng)于或邏輯;④空投兩相及以上故障變壓器時(shí),特性和與邏輯一致;⑤當(dāng)空投輕微匝間故障時(shí),根據(jù)數(shù)據(jù)回放和理論分析,剛開(kāi)始時(shí)采用或邏輯,1個(gè)周期后轉(zhuǎn)換為與邏輯,安全性強(qiáng)于與邏輯,快速性強(qiáng)于或邏輯。利用該原理研制的ISA系列主變差動(dòng)保護(hù)現(xiàn)有幾千套在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行,效果良好。通過(guò)各種動(dòng)模試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在空投故障變壓器時(shí)一般不會(huì)超過(guò)50ms。對(duì)于圖2波形,通過(guò)實(shí)時(shí)回放技術(shù),跟蹤確認(rèn)保護(hù)裝置當(dāng)時(shí)處于混合制動(dòng)邏輯的或閉鎖方式模塊,若利用混合制動(dòng)邏輯不會(huì)造成誤動(dòng),若用與邏輯即會(huì)誤動(dòng)。4采樣值差動(dòng)保護(hù)20世紀(jì)90年代提出的采樣值差動(dòng)原理出發(fā)點(diǎn)是采樣值差動(dòng)易于考慮TA飽和問(wèn)題。差動(dòng)保護(hù)原理對(duì)穩(wěn)態(tài)電流的相量成立,對(duì)電流的瞬時(shí)值也成立,而且可以解決暫態(tài)過(guò)程中相量計(jì)算的問(wèn)題。采樣值差動(dòng)與常規(guī)相量差動(dòng)保護(hù)相比,具有動(dòng)作速度快、計(jì)算量少等特點(diǎn),同時(shí)也是微機(jī)應(yīng)用在傳統(tǒng)差動(dòng)保護(hù)領(lǐng)域中的一個(gè)突破。近年來(lái),采樣值差動(dòng)已陸續(xù)在母差保護(hù)、線路縱聯(lián)保護(hù)、變壓器保護(hù)中得到成功應(yīng)用。采樣值差動(dòng)特性如圖3所示。其動(dòng)作方程如下:式中:id為采樣值差動(dòng)電流,為采樣值制動(dòng)電流,為變壓器各側(cè)電流的瞬時(shí)采樣值;Iicdqd為采樣值差動(dòng)啟動(dòng)電流。采樣值差流也要考慮Y/△轉(zhuǎn)換。門檻值和比率定值一般在裝置內(nèi)部確定,無(wú)需調(diào)度部門整定。與常規(guī)相量差動(dòng)相比,采樣值差動(dòng)的一個(gè)突出特點(diǎn)是它不是計(jì)算某一數(shù)據(jù)窗的差流值,而是用各側(cè)瞬時(shí)值計(jì)算差流與制動(dòng)電流,并且通過(guò)多點(diǎn)重復(fù)判別來(lái)判定動(dòng)作與否。利用這個(gè)特點(diǎn),通過(guò)合理選擇重復(fù)判別次數(shù)R和S,若在連續(xù)數(shù)據(jù)窗R次判斷中有S次滿足即可跳閘出口。因此,保護(hù)可靠性非常高。一般在主變差動(dòng)保護(hù)中連續(xù)判斷數(shù)據(jù)窗R可以小于1個(gè)周期采樣點(diǎn),故采樣值差動(dòng)保護(hù)速度快。另外,采樣值差動(dòng)保護(hù)還具有天然抗勵(lì)磁涌流能力、天然的抗區(qū)外故障TA飽和的能力,以及抗TA斷線的能力。該保護(hù)在各種動(dòng)模試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕献鲞^(guò)若干試驗(yàn),效果非常好,特別在空投故障變壓器和正常區(qū)內(nèi)故障時(shí)動(dòng)作速度比常規(guī)相量差動(dòng)保護(hù)快得多,而正?？胀逗蛥^(qū)外故障不誤動(dòng)。5不同保護(hù)原理的對(duì)比研究目前大部分雙重化的變壓器差動(dòng)保護(hù),一般一套使用二次諧波制動(dòng),另外一套使用波形識(shí)別(或間斷角)制動(dòng)原理。2套制動(dòng)原理若都用或閉鎖方式,一般無(wú)誤動(dòng)可能,但肯定對(duì)主設(shè)備安全不利。若一套用或閉鎖方式、另外一套用與閉鎖方式,則誤動(dòng)概率增加;若2套都用與閉鎖方式,則誤動(dòng)概率大大增加?？胀痘蚩胀豆收献儔浩鲿r(shí)的勵(lì)磁涌流特征不定,而若用單一的勵(lì)磁涌流鑒別判據(jù)很難保證變壓器差動(dòng)保護(hù)靈敏性、可靠性、快速性等要求。雙重化情況下若有一套保護(hù)達(dá)不到靈敏性、可靠性、快速性等要求,雙重化保護(hù)就失去意義。為此,每套差動(dòng)保護(hù)涌流制動(dòng)都必須完善。在微機(jī)保護(hù)不斷發(fā)展的過(guò)程中,各保護(hù)元件已不是傳統(tǒng)的繼電式保護(hù)。在一套保護(hù)中可集成多種原理,無(wú)需再停留在用一種保護(hù)原理對(duì)付各種故障類型的設(shè)計(jì)思想,這樣不可能兼顧保護(hù)的靈敏性、可靠性、快速性等要求?；旌现苿?dòng)邏輯的優(yōu)點(diǎn)是正常空投不誤動(dòng),且靈敏度高;缺點(diǎn)是該判據(jù)受故障電流波形的影響,很難保證在空投變壓器故障時(shí)100%地快速動(dòng)作,畢竟鑒別涌流判據(jù)要等待涌流特征衰減后才能判出故障。采樣值差動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)明顯,但其缺點(diǎn)是門檻較高,主要是躲勵(lì)磁涌流引起TA飽和反向電流,防止誤判,其靈敏性較差。常規(guī)差動(dòng)保護(hù)混合制動(dòng)邏輯與采樣值差動(dòng)保護(hù)2種判據(jù)若協(xié)同合作,對(duì)主變差動(dòng)保護(hù)來(lái)說(shuō),完全可以解決差動(dòng)保護(hù)靈敏性、可靠性、快速性等要求。這種協(xié)同合作的思想是充分發(fā)揮各判據(jù)的優(yōu)勢(shì),在靈敏度方面由常規(guī)差動(dòng)保護(hù)混合制動(dòng)邏輯保證,而快速性由采樣值差動(dòng)保護(hù)邏輯保證?；诔Ｒ?guī)差動(dòng)保護(hù)混合制動(dòng)邏輯與采樣值差動(dòng)保護(hù)2種判據(jù)協(xié)同合作原理,研制了超高壓變壓器保護(hù)裝置,在各種動(dòng)模試驗(yàn)裝置上進(jìn)行大量的動(dòng)模試驗(yàn)。典型試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。可以明顯看到,若純粹用常規(guī)差動(dòng)時(shí),在變壓器空投較嚴(yán)重故障情況下(空投變壓器匝間5%故障)保證不了速動(dòng)性,純粹用采樣值差動(dòng)時(shí),在非常輕微匝間故障時(shí)(空投變壓器匝間1%故障)保證不了靈敏性,而2個(gè)判據(jù)協(xié)同合作,既可保證靈敏性,又可保證快速性。混合制動(dòng)與采樣值差動(dòng)協(xié)同合作判據(jù)涌流制動(dòng)方案可解決以下問(wèn)題:①雙重化或門出口,每套保護(hù)因涌流制動(dòng)邏輯不完善造成誤動(dòng);②對(duì)稱涌流不誤動(dòng),同時(shí)空投各類故障變壓器時(shí)可快速動(dòng)作;③間斷角制動(dòng)原理因處理TA飽和反向電流而增加的硬件