基于磁通特性的改进型变压器保护方案研究

　　 基于磁通特性的改进型变压器保护方案研究
徐岩，王增平，杨奇逊，赵冬鸣
(华北电力大学电力工程系，河北保定　071003)

摘要：首先简要地阐述了近年来利用变压器的磁通特性鉴别励磁涌流的两种具有代表性的方法，在此基础上，提出了基于磁通特性的改进型变压器保护方案，阐述了该保护方案的基本原理，推导出了基于该原理的两绕组和三绕组变压器的动作方程，并针对该保护方案中的几个问题进行了探讨，该方案不依赖二次谐波制动原理和间断角闭锁原理，避开了变压器难以得到的内部参数，具有数据采集方便、计算量小、动作迅速等特点。最后对此方案进行了试验，并给出了该保护方案的应用框图。
关键词：变压器保护；磁通特性；励磁涌流 Study on the improved transformer protection method based on magneticflux characteristicsXUYan，WANG Zeng－ping，YANG Qi－xun，ZHAODong－ming
(North China Electric Power University，Baoding 071003，China)

Abstract：This paper presentsthe basic principle ofthe improved transformer protection method based on the transformer model．Its operationequations oftwo－winding and three－winding transformers are derived fromthis principle．According to the equations，the improved transformerprotection methodis presented．The method does notneed the second harmonic principle，dead anglerestraintprinciple andtheinternalparame－ters gotdifficultly．The advantages ofthe method are convenientdata acquisition，quick calculation and operation，etc．Theresultsoftesting con－firmed thatthe method is able to clearthe internalfaultreliably and quickly．
Key words：transformer protection；magneticflux characteristics；magnetizinginrush
1　引言
电力变压器是电力系统中十分重要的电气设备，变压器保护也是电力系统自动化的重要组成部分，对电力系统的安全运行具有十分重要的作用。长期以来，变压器差动保护一直是变压器的主保护，而且在该保护中最关键也是最困难的问题就是如何防止变压器励磁涌流所导致的差动保护误动作。目前，在系统中配置的变压器保护，主要是采用二次谐波制动原理和间断角闭锁原理来防止变压器差动保护误动作〔1，2〕。由于间断角闭锁原理对硬件要求高，实现较困难，在微机变压器差动保护中，往往更多采用二次谐波制动原理。但是由于CT饱和，无功补偿用的并联电容或超高压长输电线分布电容的存在，使得变压器发生内部故障时也会产生很大的二次谐波，而且随着大型变压器铁心采用冷轧硅钢片，饱和磁通倍数由1．4降至了1．2～1．3，甚至低至1．1～1．15，使得励磁涌流的二次谐波含量有时低至10％以下。这些情况都使得基于二次谐波制动原理的保护常出现拒动或误动。因此，如何有效而准确地识别励磁涌流就变得十分重要。
近年来，利用变压器的磁通特性来鉴别励磁涌流取得了很大的进展，本文在简要地阐述了两种具有代表性的磁通制动方案的基础上，提出了基于磁通特性的改进型变压器保护方案。
2　利用励磁特性曲线判别故障类型
文献〔3〕提出的励磁特性方案的基本原理是基于变压器在不同工况下的励磁特性曲线建立故障判别区。变压器在正常运行和励磁涌流时的励磁特性分别如图1(a)中曲线1和2所示，内部故障时的励磁特性如图1(b)所示。如果考虑模型误差留有一定的裕度，可以建立如图1(c)那样的判定区，落在区内为非故障状态，落在区外为故障状态。这里的磁通量可以基于变压器数学模型利用电流和电压计算得到。


基于磁通特性的改进型变压器保护方案研究 : 　

该方案由于判断和计算过程比较简捷，所以检测速度较快，同时由于在判别区中已考虑了变压器的磁饱和特性，因此可以取消二次谐波制动，且具有较高的灵敏度〔2〕。
3　利用磁通和差流相对变化曲线判别故障类型

文献〔4〕首先建立了如图2(a)所示的双绕组单相变压器模型，则存在关系式：
u－Ldi/dt＝dΨ/dt(1)
式中忽略了绕组电阻R；绕组漏感为L，其值近似为常数；Ψ为互感磁链。

在时刻Tk－1到Tk范围内对式(1)积分，并写成递推形式：

将差动电流id看作变压器的励磁电流i，算出磁链Ψ后，通过比较Ψ与id的关系是否落在空载磁化曲线附近来判定涌流和故障，是则判为涌流，否则判为故障，如图2(b)所示。
论文基于磁通特性的改进型变压器保护方案研究

文献〔4〕认为空载特性曲线可用忽略磁滞作用的特性曲线1表示，而发生故障时的磁特性如曲线3所示，剩磁的存在会改变原有的磁化曲线，如曲线2所示。由图2(b)可见，发生故障时的磁特性曲线3斜率较小，且是一个常数。正常状况下变压器的工作点在磁特性曲线2的拐点附近，其斜率较大且基本为一常数。在涌流时，变压器的工况随涌流的周期性变化在磁特性曲线2的拐点上下两段折线上来回摆动，其斜率在很小(饱和)和很大(非饱和)之间周期性变化。据此，作者提出如下判据：在dΨ/did－id平面上，可确定两个区域，如图2(c)所示。区间2为饱和区，区间1为非饱和区或内部故障区。当运行状态保持在区间2时为正常状况，当运行状态跳变到区间1并保持不动时表示内部故障，当运行状态在区间1～2交替跳变时，则表示涌流状态。利用dΨ/did的一个好处是可以消除剩磁的影响。
该方法的实时计算负担比较少，并且不受剩磁影响，可以取消二次谐波判据，检测内部故障的速度也比较快。但也存在以下不足：
(1)为得到磁化曲线上拐点上下两段折线斜率的整定值，需用具体变压器的较精确的磁化特性曲线，这些参数可能因测量不准对励磁涌流的鉴别产生不利的影响；
(2)在dΨ/did－id平面上确定区1和区2的位置可能遇到困难，特别是内部轻微故障时，由于差流较小，端口电压维持较高，故dΨ/did较大，这样必然要求区1相当大，甚至可能与区2重合。
通过以上的研究可以看出，基于磁特性的励磁涌流鉴别法，不但可以克服二次谐波原理的不足，而且适宜用微机实现，这就为研制新型的变压器保护提供了新的发展前景，同时也表明，目前应用磁通特性原理的方法仍然存在很多不足。为此，本文作者经过研究提出了基于磁通特性的改进型变压器保护方案。
4　基于磁通特性的改进型变压器保护方案
4．1　基本原理
如图3所示变压器，有下面的关系成立：

式(3)中u1、u2为一、二次绕组的电压；i1、i2为一、二次绕组的电流；L1、L2为一、二次绕组的漏感；r1、r2为一、二次绕组的电阻；Ψm为一、二次绕组的互感磁链；将式(3)中的dΨm/dt消去得：

由于式(4)是根据变压器正常运行的模型得到的，所以它适合于外部故障、励磁涌流及过激磁情况，只有内部故障时，由于变压器模型本身的内部结构参数发生了变化，它才不再成立。因此，可以通过判别式(4)是否成立，来决定保护的动作行为。因而，在励磁涌流、过激磁、外部故障情况下，保护不会误动作。
4．2　两绕组变压器的动作方程
由图4所示的Y/Δ接线的三相变压器，根据电路原理可得到式(5)、(6)〔5〕，如下：



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式(5)、(6)中ua，ub，uc为Δ侧绕组各相的电压； uA，uB，uC为Y侧绕组各相的电压；ia，ib，ic为Δ侧绕组各相的电流；iA，iB，iC为Y侧绕组各相的电流；
La，Lb，Lc为Δ侧绕组各相的漏感；LA，LB，LC为Y侧绕组各相的漏感；r为Δ侧绕组各相的电阻；R为Y侧绕组各相的电阻；Ψa，Ψb，Ψc为两侧绕组的互感磁链。




式(9)中均为归算到Y侧的值。若不满足式(9)，就表示变压器发生了内部故障。由于变压器制造厂家一般只提供变压器的短路电抗xk，并不提供各侧绕组的漏感L1，L2，可以利用关系式代入式(9)，可得：

别为现有差动保护中的三个差动电流。在变压器正

在变压器内部故障和励磁涌流时，差动电流才增大。
4．3　三绕组变压器的动作方程

如图5所示，对单相绕组有：

式(11)、(12)中：r1，r2，r3为1、2、3侧绕组的电阻值；Ψ1，Ψ2，Ψ3为穿过1、2、3侧绕组的总磁链；Ψm为穿过1、2、3侧绕组的公共磁链；Ψ1L，Ψ2L，Ψ3L分别为1、2、3侧绕组产生的除Ψm以外的漏磁链；ΨijL(i≠j)为第i个绕组产生的除Ψm以外的和第j个绕组交链的磁链。由式(11)、(12)可得A、B、C三相的关系，如式(13)：






因为变压器厂家提供的变压器各侧的电抗(归算到第1侧)为：



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所以，利用式(17)的关系可将式(16)化简为式(18)。

变压器在正常运行、外部故障、励磁涌流时式(18)成立。其中imab，imbc，imca为三相的差动电流，可由厂家提供，因此可以计算出，且三相计算的结果基本相同。
4．4　保护判据
因为推导出的式(10)和式(18)只有在变压器发生内部故障时才不成立，所以可得到如下保护判据来判定变压器发生了内部故障：
(1)两绕组变压器的保护判据：当差动电流大于门坎值时，用式(10)中的3个方程计算出的L2之间有较大的差别；
(2)三绕组变压器的保护判据：当差动电流大于门坎值时，用式(18)中的前三个方程计算出的三个有较大的差别，或用后三个方程计算出的三个有较大的差别。
5　保护方案的实现
应用此方案编制保护应用程序，对仿真数据进行试验，保护应用程序框图如图6所示。

说明以下几点：
(1)保护启动元件采用三相差动电流的突变量元件。
(2)为防止在变压器的外部导引线上发生三相短路时，由于三相中计算出的差别不大，而使保护拒动，加入了常规的差动电流速断保护。
(3)该保护中只需知道变压器的短路电抗，并不要求知道各侧的漏抗。
根据上面的程序框图，利用动态模拟得到的变压器各种运行状态的数据进行仿真试验。试验结果表明，在取消了二次谐波制动原理和间断角闭锁原理的情况下，本保护方案能够可靠地区分内部故障和励磁涌流，并具有数据采集方便、计算量小、动作速度快(可在20 ms内切除故障)等优点。
6　结论
该变压器保护方案是利用变压器本身正常运行时的模型来构成动作方程，由于只有在变压器内部发生故障时，本方程才被破坏，所以此方案可以取消二次谐波制动和间断角闭锁，适合用微机来实现，实现原理简单，避开了变压器难以得到的内部参数，具有数据采集方便，计算量小，动作迅速等特点。基于此方案的变压器保护装置正在研制过程中，相信基于该原理的保护装置的使用将会大大提高变压器保护的运行性能，具体保护装置的实现过程将在后续的文章中继续讨论。
参考文献
〔1〕王维俭．电气主设备继电保护原理与应用(第2版)〔M〕．北京：中国电力出版社，2002．
〔2〕唐跃中，刘勇，陈德树，等．几种变压器励磁涌流判别方法的特点及其内在联系的分折〔J〕．电力系统自动化，1995，19(9)：53－59．
〔3〕王维俭译．变压器保护新技术：考虑励磁特性的保护新技术〔J〕．(日)电气计算，49(5)．
〔4〕Phadke AG，Trop JS．ANewComputer－based Flux RestrainedCurrent Differential Relay for Power Transformer Protection〔J〕．
IEEETrans on Power Apparatus and System，1983，102(11)，3624～3629．
〔5〕王增平．大型发电机－变压器组保护的研究〔D〕．哈尔滨：哈尔滨工业大学，1997． 继电器


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