電力變壓器差動保護方案的對比分析

電力變壓器差動保護方案的對比分析

1變壓器勵磁電流出現(xiàn)突變低壓差動保護是核電站的主要保護之一。差動保護的理論依據(jù)是curveletbahns規(guī)律。對于在發(fā)電機和線路保護的應用中,差動保護表現(xiàn)出了良好的選擇性、高靈敏度和高速動性。但對于變壓器而言,由于內(nèi)部磁路的聯(lián)系,其本質(zhì)上不再滿足基爾霍夫電流定律,變壓器勵磁電流成了差動保護不平衡電流的一種來源。在正常運行時,變壓器勵磁電流通常低于額定電流的1%,所以設(shè)定差動保護動作值可準確區(qū)分變壓器內(nèi)部故障與外部故障。但是,電力變壓器運行條件復雜,當變壓器過勵磁運行時,勵磁電流可達到變壓器額定電流的水平,將引起差動保護誤動作。在變壓器空載合閘或者變壓器外部短路被切除而變壓器電壓突然恢復時,勵磁涌流達到額定電流的6倍~8倍,可與短路電流相比擬。而勵磁涌流流經(jīng)電源側(cè),造成變壓器兩側(cè)電流的不平衡,從而在差動回路內(nèi)產(chǎn)生不平衡電流,導致差動保護誤動作。為解決由于勵磁涌流而使變壓器差動保護經(jīng)常出現(xiàn)誤動作的問題,尋求正確識別變壓器內(nèi)部故障和勵磁涌流的方法,筆者對各種差動保護方案的原理、優(yōu)缺點及應用情況進行了分析和評價。2熱點差動保護電流波形特征識別法是一種傳統(tǒng)的識別法,一直是人們研究的熱點,目前仍然占據(jù)差動保護的主流。該方法是以勵磁涌流和內(nèi)部故障電流波形特征的差異為依據(jù)。已應用于實踐的有二次諧波制動原理、間斷角原理、小波變換方法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法等。2.1變壓器差動保護二次諧波制動法是計算差動電流中的二次諧波電流與基波電流的幅值之比,若其值較大,則判定為涌流,常用的判別式為:式中Id2——二次諧波電流幅值Id1——基波電流幅值二次諧波制動原理比較簡單,目前國內(nèi)外實際投運的微機變壓器保護大都采用該原理。但是,該原理的變壓器差動保護存在以下幾個問題。(1)勵磁涌流是暫態(tài)電流,不適合用傅里葉級數(shù)的諧波方法。因為對暫態(tài)信號而言,傅里葉級數(shù)法的周期延拓將導致錯誤的結(jié)果。(2)很難選擇制動比。(3)在變壓器內(nèi)部故障不對稱的情況下,尤其在變壓器附近裝配無功補償設(shè)備時,會在故障電流中產(chǎn)生較大的二次諧波分量,使差動保護被迫制動,直到二次諧波分量衰減后不能動作,從而延遲了切除故障時間。(4)隨著電網(wǎng)電壓等級的提高和系統(tǒng)規(guī)模的擴大以及變壓器單機容量的擴大,大型變壓器內(nèi)部嚴重故障時,由于諧波使短路電流中的二次諧波含量增大,有可能使二次諧波制動,引起差動保護延時動作。2.2間斷角的保護間斷角原理利用了勵磁涌流波形具有較大間斷角的特征,通過檢測差流間斷角的大小實現(xiàn)鑒別涌流的目的。該原理的模擬式保護裝置已在電力系統(tǒng)中廣泛應用,但需解決電流互感器引起間斷角變形的問題。當電流互感器飽和時,在涌流的間斷區(qū)域?qū)a(chǎn)生反向電流,可能導致涌流間斷角消失引起差動保護誤動,而對于內(nèi)部故障電流,電流互感器飽和將導致差動電流的間斷角增大,從而引起拒動。此外,用微機實現(xiàn)間斷原理時,增加了保護裝置的硬件成本,主要表現(xiàn)在以下兩個方面。(1)需要較高的采樣率以準確測量間斷角,對CPU的計算速度提出了更高的要求。(2)勵磁涌流在間斷處的電流非常小,幾乎接近于0,而A/D轉(zhuǎn)換芯片在O點附近轉(zhuǎn)換誤差最大,因此,需要選用高分辨率的A/D轉(zhuǎn)換芯片。2.3高頻檢測與奇點檢測小波變換在時域和頻域中具有表征信號局部特征的能力,非常適合于非平穩(wěn)信號的分析,克服了傅里葉變換只能適應穩(wěn)態(tài)或準穩(wěn)態(tài)信號分析的缺點,可以準確地提取信號的特征。目前,小波變換在差動保護方面的應用研究較為深入,但一直以來主要集中在高次諧波檢測和奇異點檢測。實際上兩者都是間斷角原理的一種推廣。高頻檢測反映的是差流狀態(tài)突變產(chǎn)生的高次諧波,高頻細節(jié)出現(xiàn)的位置對應于變壓器飽和時刻、退飽和時刻或故障發(fā)生時刻。如果差動電流的高頻細節(jié)突變周期性出現(xiàn),則為勵磁涌流;若出現(xiàn)一次后便很快衰減為0,則為內(nèi)部故障。奇異點檢測利用小波變換模極大值原理,檢測的是差流狀態(tài)突變而產(chǎn)生的第二類間斷點,奇異點與勵磁涌流間斷角對應。該方法還存在以下問題。(1)就微機保護而言,獲得高頻分量需要提高采樣頻率,從而增加了技術(shù)難度和硬件成本。(2)受到系統(tǒng)諧波的影響時,能否經(jīng)受住環(huán)境高頻噪聲考驗,有待進一步研究。(3)如何正確檢測模值還是一個難題。2.4對已訓練的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的檢測人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)應用于變壓器內(nèi)部故障和勵磁涌流的判別,主要是利用ANN優(yōu)秀的模式識別能力進行電流波形識別。設(shè)計ANN時要經(jīng)歷如下幾個過程。(1)ANN類型的確定。(2)輸入和輸出層中各節(jié)點數(shù)目的確定。(3)隱含層及其節(jié)點數(shù)需多次試湊確定。(4)傳遞函數(shù)的選擇。(5)訓練樣本的獲取。(6)數(shù)據(jù)預處理。(7)訓練。(8)對已訓練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行測試。該方法存在以下幾個問題。(1)由于設(shè)計ANN過程需反復進行,若在訓練過程中或檢驗時不能滿足要求,那么網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及各種參數(shù)都需要調(diào)整并重新訓練,所以訓練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一件非常復雜煩瑣的事。(2)訓練時需要大量的樣本數(shù)據(jù),其獲取和預處理的工作量相當大,而且仍很難保證訓練樣本集的完備性,從而出現(xiàn)誤判。3勵磁涌流算法計算利用內(nèi)部故障和勵磁涌流時變壓器磁鏈—差流ψ-id曲線的差別,文獻提出了勵磁涌流的磁通特性識別法。變壓器發(fā)生勵磁涌流時,ψ-id曲線即為變壓器的空載磁化曲線;發(fā)生內(nèi)部故障時,ψ-id曲線將偏離磁化曲線,且故障越嚴重偏離越嚴重。具體判據(jù)是:如果ψ-id位于磁化曲線之上,則該不平衡電流為勵磁涌流,否則為內(nèi)部故障電流。該判據(jù)雖然理論上可行,但實際上由于受到變壓器剩磁的影響,在勵磁涌流情況下計算得到的ψ-id將偏離磁化曲線,從而導致誤判。文獻又對上述方法進行了改進,采用ψ-id曲線斜率dψ/did百分勵磁涌流和內(nèi)部故障電流的方法。如圖1所示,變壓器正常運行于鐵心未飽和時,dψ/did數(shù)值較大且為常數(shù);鐵心飽和時,dψ/did數(shù)值較小;發(fā)生勵磁涌流時,鐵心交替飽和,dψ/did將在大值與小值間周期變化;而內(nèi)部故障時dψ/did數(shù)值較小且為常數(shù)。為利用此特征,建立一個自動計數(shù)器kc(kc>0)若dψ/did位于區(qū)域1內(nèi),則kc自動增加1,若dψ/did位于區(qū)域2內(nèi),則kc自動減1;其他情況下kc值不變。對于變壓器內(nèi)部故障狀態(tài),kc呈單調(diào)增加,而勵磁涌流時kc將從不大于1個閾值。因此可以確定一個閾值kcmax,從而得到下述判據(jù)。kc≥kcmax為內(nèi)部故障;kc<kcmax為勵磁涌流。該方法計及了勵磁涌流時變壓器鐵心飽和深入到勵磁涌流的產(chǎn)生源,因而實現(xiàn)了判別勵磁涌流的目的,具有一定的先進性,但仍然存在如下不足。(1)需要用到變壓器的實際磁化曲線及漏抗參數(shù),這些參數(shù)若測量不準或者發(fā)生變化,是否對勵磁涌流的鑒別產(chǎn)生影響尚需研究。(2)確定區(qū)域1和區(qū)域2較困難。(3)由于磁滯效應,磁化曲線并不是直線而是回線,并且kcmax需要通過試驗確定。文獻利用變壓器磁通特性研究如何構(gòu)成差動保護時,避開了不容易求得的漏感參數(shù),避開了區(qū)域1和區(qū)域2之間的模糊性,提出了一種新方法。該方案基于電壓與電流微分比值的原理,將變壓器磁鏈方程進行變換,得到:由于漏感L一般較小,可近似認為L=0,上式即變?yōu)?設(shè)磁化曲線的斜率為k,即變壓器正?？蛰d投入和內(nèi)部故障時的ψ-id關(guān)系如圖2所示。由圖2之中的ψ-id的關(guān)系曲線可知,對應于變壓器正常時的折線1和2,在變壓器鐵心未飽和時,在一個很大值和一個很小值之間變化。對應于變壓器內(nèi)部故障時的直線3,近似于一個常數(shù)且數(shù)值很小。由此可見,通過觀察的大小和變化可識別變壓器處于正常狀還是故障狀態(tài),但求需要知道變壓器鐵心的磁化曲線,是很難實現(xiàn)的。但是由式(1)可知,u和比值與u和比值是相等的,而且u和是很容易得到的,故可用u和的比值得到k值,由k值的變化來確定變壓器的運行狀態(tài)。該方案有以下優(yōu)點。(1)該方案構(gòu)成原理簡單、數(shù)據(jù)采集方便、計算量小、判據(jù)清楚,并具有較高的實用價值。(2)無需知道具體變壓器的磁化曲線及漏感參數(shù),因此構(gòu)成的保護裝置簡單方便。(3)利用比值原理根據(jù)比值系數(shù)的大小和變化趨勢來判斷變壓器的狀態(tài),內(nèi)部故障和正常合閘分界線很明顯。但該方案的原理忽略了漏感L的大小,是否對勵磁涌流的鑒別產(chǎn)生不利的影響還需做進一步的研究和證明。4變壓器保護的參數(shù)辨識法該方法基于變壓器一次側(cè)、二次側(cè)的互感磁鏈平衡方程與一次側(cè)和二次側(cè)電壓關(guān)于電流和互感磁鏈的方程,消去互感磁鏈,得到只包含一次側(cè)、二次側(cè)電壓和電流的線性模型。該模型不直接反映變壓器鐵心磁通的非線性,只表達變壓器一次和二次繞組漏感(l1、l2)、電阻(r1、r2)、電壓(u1、u2)及電流(i1、i2)間的關(guān)系。以單相變壓器為例,設(shè)變比為1,其表達式為:當變壓器無故障時,式(2)恒成立,而內(nèi)部故障時,式(2)不再成立,定義,則當|ε|>α時,變壓器為內(nèi)部故障。當變壓器在正常運行時,勵磁涌流、過勵磁或外部短路時,繞組漏感和電阻為常數(shù),而在內(nèi)部故障時就會發(fā)生變化。因此,可將繞組漏感和電阻是否發(fā)生變化作為區(qū)分變壓器內(nèi)部故障的判據(jù),變壓器保護的參數(shù)辨識法就是基于此原理。該方法不同于前述幾種方法,擺脫了勵磁涌流和過勵磁電流的困擾,其原理簡單,但是在實踐中還存在如下困難。(1)變壓器一、二次繞組漏電感極難準確獲得,導致整定困難。(2)對于具體變壓器需要大量試驗以確定制動閾值α,其應用前景取決于理論上的進一步突破。5變壓器故障的判據(jù)文獻提出了一種基于有功功率差動的變壓器主保護新原理,該原理通過計算變壓器內(nèi)部消耗的有功功率來區(qū)分勵磁涌流和內(nèi)部故障。其基本原理是:正常運行時變壓器消耗有功非常小,勵磁涌流時由于繞組存在儲能,第1個周期流入變壓器的有功較大,但是第2個周期之后,變壓器消耗的有功都非常小,當變壓器絕緣損壞時,電弧放電發(fā)熱將消耗大量的有功。所以通過檢測變壓器消耗有功的大小,即差有功功率可判別變壓器是否發(fā)生內(nèi)部故障。差有功率法的判據(jù)為:如果W(t)>ξ,則為內(nèi)部故障。對于單相雙繞組變壓器有:式中,u1、u2、i1、i2、r1、r2分別是變壓器一、二次繞組的瞬時電壓、電流和電阻。差有功率法不再受限制于勵磁涌流波形特征的鑒別中,從物理機理出發(fā)綜合考慮電壓和電流信息,是一種全新的方案,但是存在以下不足。(1)該方案仍然無法回避勵磁涌流帶來的不利影響,需要避開涌流時變壓器第1周期的充電過程,使判別延時。(2)由于涌流時負載損耗很難精確計算,空載損耗增加,整定不容易。(3)變壓器外部故障時流過變壓器的較大穿越電流使變壓器消耗較大的有功,差有功率法帶來的影響不容忽視。文獻在文獻的基礎(chǔ)上引入了瞬時功率的概念,直接利用變壓器兩側(cè)電壓和電流的采樣值計算出三相差瞬時功率并對其進行頻譜分析,根據(jù)變壓器在不同狀態(tài)下三相差瞬時功率所表現(xiàn)出的頻譜特性差異來識別勵磁涌流和內(nèi)部故障電流。該方案從能量守恒的角度出發(fā),彌補了電流差動保護在理論上的不足,同時合理利用了瞬時功率與有功功率之間的聯(lián)系,具有一定的優(yōu)越性。但勵磁涌流時變壓器的負載損耗和空載損耗并不小,而少匝數(shù)短路時形成的負載損耗也不大,單純利用有功損耗難以區(qū)分。因此該方案需利用瞬時功率幅頻特性中直流分量與基頻分量的比值來識別,在實現(xiàn)上增加了難度。目前該方案處于理論研究中。6多判據(jù)法的特點文獻提出的基于模糊邏輯的多判據(jù)法,在勵磁涌流識別法的基礎(chǔ)上,借助于模糊邏輯隸屬度和權(quán)重的概念,綜合了二次諧波制動原理波形特征識別法、磁通特性識別法和低電壓判據(jù)的優(yōu)點,利用模糊集合理論提出了一種多判據(jù)法。該方法體現(xiàn)了智能化特點。目前該方法只是變壓器差動保護中識別勵磁涌流的一個新探索,還有許多問題難以解決。一是模糊邏輯中隸屬函數(shù)與權(quán)重應當如何選擇?二是該方案需要技術(shù)人員對該原理有較深入的認識。因此該方法仍需科研工作者進行深入的研究。7變壓器差動保護的發(fā)展趨勢