基于等效瞬时励磁电感时域特性判别变压器励磁涌流

基于等效瞬时励磁电感时域特性判别变压器励磁涌流 基于等效瞬时励磁电感时域特性判别变压 器励磁涌流 2006年9月 第7卷第9期 电力设备 EloetriealEquipment Sep.2006 Vo1.7NO.9 基于等效瞬时励磁电感时域特性判别 变压器励磁涌流 焦邵麟,黄明辉,肖仕武,刘万顺 (1.广东省电力调度中心,广东省广州市510600;2.华北电力大学四方研究所,北京 市102206) 摘要:从变压器励磁涌流的产生是由于变压器铁心饱和这一原理出发,提出了一种 利用计算等效瞬时励磁电感平均值 来区分励磁涌流与短路电流的方法.理论分析,EMTP仿真及TEQSIM混合仿真结 果均 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明:该算法原理清晰,不需考虑 变压器参数,特征明显,能够实现轻微匝间短路的识别0 关键词:电力变压器;等效瞬时励磁电感;励磁涌流;内部故障 中圈分类号:TM401.1 目前,变压器的主保护均采用电流差动原理,由 于铁心磁性材料的非线性,变压器空载合闸或外部故 障切除后,电压恢复过程中会产生励磁涌流,励磁涌 流将流入差动保护的差动回路,若差动保护不能够躲 过这一电流,就会发生误动作.因此,变压器差动保 护的核心问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 是如何正确识别励磁涌流和内部故障 电流. 目前差动保护在工程上普遍采用二次谐波制动 原理和间断角原理.但随着变压器铁心材料的变化, 使得励磁涌流中二次谐波含量降低,导致误动;而远 距离长线路输电使得内部故障时暂态电流产生较大 的二次谐波,导致拒动.因此,二次谐波制动原理的 制动比K很难适当选择.间断角原理的优点是能够 快速切除合闸于内部故障,缺点是电流互感器(TA) 饱和影响严重. 近年来,利用变压器的励磁支路非线性特性来鉴 别励磁涌流的方法逐渐受到关注,本文在简要阐述 变压器励磁支路非线性特性变化规律的基础上,提出 了基于等效瞬时励磁电感时域变化的励磁涌流 识别方法. 1基于等效瞬时励磁电感时域变化的励磁 涌流识别方法 1.1等效瞬时励磁电感 单相双绕组变压器等效T型电路见图1. 图1单相双绕组变压器的等效T型电路 其原边绕组回路方程为 ". 鲁+r^+(1) 式中,r,iu分别为原边绕组漏感,电阻,电流和 端电压;ri分别为励磁电阻与励磁电流;为原副 边的互感磁链.由 警:×誓一di=(2)×一m(2 可以定义等效瞬时励磁电感为 = (3) 文献[4]中定义了等效瞬时电感的概念:从原边 绕组端口看进去的瞬时电感. 经过分析论证,空载合闸发生涌流与内部故障 时变压器具有如下统一方程式 ":ri+L半(4) 式中,"为变压器原边端口电压,r为等效电阻,为等 效瞬时电感,i为变压器原副边电流差,即差流. 采用在k时刻和k+1时刻电流和电压的瞬时值 得到两个不相关的方程式,联立求解 L:2T(5) Zk+Zk+1一Zk一 1Zk+1一ZkZk+2 式中,为采样周期. 1.2基本原理 文献[4]提出了变压器励磁铁心的非线性导致 了磁通密度过大时铁心进入饱和状态,产生励磁涌 流,所以励磁铁心所处状态的不同是励磁涌流与内部 故障的本质区别.单相变压器空载合闸的情况见图2. 图2(a)中饱和曲线可近似看作由直线D和咖P 所组成的折线,并定义咖.为饱和磁通.从图2(a)中 可以看出,未饱和时磁通曲线的斜率较大,故等效瞬 时励磁电感值较大,而饱和时磁通曲线的斜率较小, 经验交流焦邵麟等:基于等效瞬时励磁电感时域特性判别变压器励磁涌流69 (a)铁心磁化曲线 0e】e22 (b)空载合闸铁心磁通 (c)励磁涌搋的变化曲线 图2单相变压器空载合闸励磁涌流i 故等效瞬时励磁电感值较小,严重饱和时等效瞬时励 磁电感值接近空心电感值.由图2(c)中可以看出, 励磁涌流含有间断角0,且间断角部分对应着未饱和 磁通部分.由式(3)可知,等效瞬时励磁电感的变化 趋势与励磁特性曲线的斜率变化趋势一致. 当发生励磁涌流时,变压器铁心周期性地进入饱 和区和退出饱和区,导致等效瞬时励磁电感周期性急 剧变化值较大,如图3所示.空载合闸和内部短路的 励磁特性曲线见图4. 煺 蜒 掇 奁 4 2 O 鼍Lcofe 镣 掇 奁0 OO.OlO.O20.O30.040.O5 0 图3 0.010.O20.O30.O40.O5 时间/s 涌流时瞬时励磁电感波形 ===,, //1 |'—一0I 图4变压器空载合闸和内部短路的 一 i励磁特性曲线 文献[5]中提到,变压器空载特性曲线可以忽略 磁滞作用,用图4中曲线1的单线特性表示;发生内 部故障时,因残压较低,与i的关系特性用图4中 曲线3表示;由于变压器在空载投入前有剩磁,剩磁的 存在将改变曲线1的磁化特性曲线,用如图4中曲线2 表示.尽管剩磁的大小事先未知,但剩磁的存在对于 一 i励磁特性曲线的斜率大小没有影响.由等效瞬 时励磁电感定义可知,等效瞬时励磁电感的变化趋势 与励磁特性曲线的斜率变化趋势一致,故剩磁的大小 对等效瞬时励磁电感值没有影响.由图4曲线可知, 匝间短路时的等效瞬时励磁电感值与磁通饱和时的等 效瞬时电感值接近,近似于短路绕组的漏电感值. 因此,可以利用等效瞬时励磁电感大小的变化来 判别涌流与匝间短路故障. 1.3鉴别励磁涌流的基本思路 由励磁涌流波形与内部故障波形比较可知,对于 励磁涌流而言,在1个周期内流入差动继电器的电流 波形中有两相由于变压器饱和特性的影响使得波形 总有几点靠近x轴,即电流在数值上趋于零.这个规 律实质上是与产生励磁涌流时波形会出现间断角的 规律相一致.剩下的一相由于变压器绕组接线方式 的影响,往往呈现出周期性电流的特征,但1周期内 仍然存在一定的间断角.而变压器发生内部故障时, 差流波形基本为正弦基波. 由基本原理分析可知,在差流出现间断时,铁心没 有饱和,等效瞬时励磁电感值较大,而匝间短路时,等 效瞬时励磁电感值较小.利用这个规律可以用一个较 低的电流门槛,mk截取电流采样值接近零的部分,计算 出这部分电流对应的等效瞬时励磁电感平均值: 1 = 亩?()(6)…I=l 将平均等效瞬时励磁电感与等效瞬时励磁电 感门槛值比较,若大于门槛值,则判为励磁涌流, 闭锁保护;反之,保护出口动作. 1.4判别方案 取故障后1个周期的数据确定电流的动态门槛 ,对故障相进行分相判别,求取低于动态门槛的电 流对应的等效瞬时励磁电感的平均值,如图5所 示.图5(a)中下图是励磁涌流的波形,,mk是电流门 槛,在故障后的1个周期内有一段电流处于门槛电流 以下,这一段电流对应的等效瞬时励磁电感是 图5(a)上图中阴影部分时间内的电感.可以看出这 一 段时间内等效瞬时励磁电感平均值是比较大的. 图5(b)下图是内部短路时的差流波形,门槛电流, 以下电流对应的等效瞬时励磁电感是如图5(b)上图 中阴影部分时间内的电感,这段电感的平均值很小. 从以上的分析可以得出一种新的利用门槛电流 以下的等效瞬时励磁电感判别励磁涌流的方法.其 具体判据为: rL—I>L励磁涌流 【L<Lk匝间短路 1.5电流门槛的选取 由于空投时刻,剩磁大小和方向的不同,励磁涌 流幅值大小也不同.如果电流门槛值的选取为一个 定值,门槛过高则会选人磁通饱和部分对应的电感, 使得计算的平均等效瞬时励磁电感偏小.为避免这 70电力设备第7卷第9期 ? 耀 糊 O 3ooo 2ooO 1o0o O 一 1o0o 一 2o0O - 3ooo 一 4Ooo 一 5o0O o.ooO叭OO2Oo3时间O?o4 (b)匝间短路 图5平均等效瞬时励磁电感求解示意图 种情况发生,选取一个与励磁涌流幅值变化趋势一致 的动态电流门槛非常必要. 电流门槛,mk的选取 Iok=,lX20%(7) 式中,为故障后1个周期的基波最大值. 1.6励磁电感门槛的选取 由基本原理分析可知,励磁涌流的时候,差流出 现间断角的部分对应的磁通没有饱和,等效瞬时励磁 电感接近稳态时的等效瞬时励磁电感,而匝间短路时 的等效瞬时励磁电感接近于短路绕组的漏电感.因 此,合理选取等效瞬时励磁电感门槛值可以有效地识 别励磁涌流和匝间短路. 等效瞬时励磁电感门槛的选取 Lk:Lx30%(8) 式中,乞为稳态时的等效瞬时励磁电感值. 2仿真验证 利用EMTP仿真程序x,l-=相变压器励磁涌流与 内部故障进行了仿真研究,得到变压器典型的内部故 障,对称性励磁涌流,非对称性励磁涌流,带故障空载 合闸时的仿真数据.并用这些仿真数据计算等效瞬 时励磁电感. EM'rP仿真用的变压器为D/Y一11接线,稳态时 A,B,c三相的等效瞬时励磁电感分别为4.426,4.371 和4.494H.按照上面提到的等效瞬时励磁电感门槛 选取方法,门槛值分别为1.328,1.311和1.347H. EM'rP仿真的匝间短路和空投匝间短路都是角 侧A相匝间短路.不同情况下的分析结果见表1. 表1不同情况下的分析结果 由表1可以看出,励磁涌流时,各相的平均等效 瞬时励磁电感均大于门槛值,保护闭锁;匝间短路时, 故障相的平均等效瞬时励磁电感均小于门槛值,非故 障相的平均等效瞬时励磁电感值为稳态情况下的等 效瞬时励磁电感值;空投匝间短路时,故障相的平均 等效瞬时电感值均小于门槛值,非故障相呈涌流特 征,等效瞬时电感值较大.由此,我们可以通过故障 相等效瞬时励磁电感的大小准确地识别励磁涌流和 内部故障. 3TEQSIM混合仿真 TEQSIM系统为数模混合仿真系统,实验变压器 为3个单相变压器组成的D,y1的真实变压器,原边 总匝数458匝,副边总匝数458匝. 稳态时,A,B,c三相的等效瞬时励磁电感分别 为1.58,1.767和1.837H.按照上面提到的等效瞬 时励磁电感门槛选取方法,门槛值分别为0.474,0.53 和0.551H. 3.1空载合闸涌流 空载合闸时,对各相等效瞬时励磁电感进行分析, 分析结果见表2. 表2不同时刻空投涌流的分析结果 ?卯?如如moo???oo 08642 42O 占悸廿鬻鼹 经验交流焦邵麟等:基于等效瞬时励磁电感时域特性判别变压器励磁涌流7l 由表2可以看出,励磁涌流时,各相的平均等效 瞬时励磁电感均大于门槛值,保护闭锁. 3.2变压器内部匝间短路 当变压器稳态运行时,角侧A相发生匝间短路, 该情况下A,B相差流数值较大,而c相差流只是变 压器正常运行时的励磁电流.对其进行等效瞬时励 磁电感分析.分析结果见表3. 表3不同匝比短路情况下的分析结果 由表3可以看出,匝问短路时,故障相的平均等 效瞬时励磁电感均小于门槛值,保护出口跳闸. 3.3合闸于变压器内部匝间短路 合闸前变压器内部已经发生匝间短路,则非故障 相很有可能出现励磁涌流,该情况下励磁涌流与故障 电流同时存在.以空载合闸于角侧A相匝间短路为 例,该次合闸导致C相产生轻微涌流,A,B相产生故障 电流.对其进行等效瞬时电感分析分析结果见表4. 表4空投于不同匝比短路情况下的分析结果 故障类型平均励磁电感/H ABC 由表4可以看出,故障A,B相的平均等效瞬时 励磁电感数值较小,低于门槛值判据将立即开放 跳闸;而C相平均等效瞬时励磁电感值较大,表现出 涌流特征,所以C相将一直处于闭锁状态.两个结果 相"或"后,使差动保护立即动作于跳闸. 4结论 利用最能明显反应励磁涌流的特征参数——等 效瞬时励磁电感的变化进行励磁涌流的判别,由于特 征变化明显,对涌流判别的效果十分理想,即使在空 投于轻微匝间故障的变压器,保护也能很快地动作. EMTP和TEQSIM混合仿真结果均表明,利用平 均等效瞬时励磁电感值的大小能够正确区分励磁涌 流和故障电流.本方法不需考虑变压器参数,对于小 匝比的匝间短路有较强的识别能力. 5参考文献 [1]宗洪良,金华烽,朱振飞,等.基于励磁阻抗变化的变压器励磁 涌流判别方法.中国电机工程,2001,21(7). [2]葛宝明,王祥珩,苏鹏声,等.电力变压器的励磁涌流判据及其 发展方向.电力系统自动化,2003,27(22). [3]葛宝明,苏鹏声,王祥珩,等.基于瞬时励磁电感频率特性判别 变压器励磁涌流.电力系统自动化,2002,26(17). [4]葛宝明.基于等效瞬时电感判别变压器的内部故障与励磁涌 流.清华大学博士后研究报告,2002. [5]徐岩,王增平,杨奇逊,等.基于电压与电流微分比值原理的新 型变压器保护.电力系统自动化,2003,27(23). [6]林湘宁,刘世明,杨春明,等.几种波形对称法变压器差动保护 原理的比较研究.电工技术,2001,16(4):44,49,70. 收稿日期:2006-06-21 作者简介: 焦邵麟(1976-),男,硕士,从事继电保护运行管理工作; 黄明辉(1965-),男,硕士,从事继电保护运行管理工作; 肖仕武(1974-),男,博士,从事发电机内部故障仿真,发 电机保护,变压器保护及继电保护测试方面的研究工作; 刘万顺(1941-),男,教授,博士生导师,主要从事电力系 统故障分析,微机继电保护及配电自动化等方面的研究 工作. (责任编辑王柏臣) DiscriminationofTransformerExcitationSurgeCurrentBasedonTimeDomain PropertyofEquivaientInstantExcitationInduetance JIAoShao-ling,HUANGMing-hui,?AoShi-wu,UUWan-shun (1.GuangdongElectr~PowerDispatchingCenter,Guangdong510600,China; 2.SifangResearchInst~utc,Electr~PowerUniverskyofNorthChina,Be她102206,China) Abstract:A~cordingtothemechanismofproducingtransformerexcitationsurgecurrentcau sedbysaturationoftransformercore, thepaperputforwardakindofmethodtodiscriminateexcitationsurgecurrentandshort-circu itcurrentadoptingcalcu~bnof equivalentinstantexcitationinductanceaverageva~tle.Theresultsoftheoryanalysis,EMT PsimuhtionandTEQSIMmixedsimulation showthatthepmciplesofthisalgorithmfiredistinct,transformerparameterscannotbeconsidered,itcallrealizetheidentif~ationof turntoturnshort-ckcuit. Keywords:powertransformer;equivalentinstantexcitationinductance;excitationsurgecurrent;internalfault