侯偉東

【摘要】電力變壓器微機(jī)保護(hù)通常由電流縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)與瓦斯保護(hù)作為主保護(hù)，其最關(guān)鍵也是最困難的問題是如何防止變壓器不平衡電流所導(dǎo)致的差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)作。但差動(dòng)保護(hù)應(yīng)用于變壓器時(shí)，效果并不是很理想。

【關(guān)鍵詞】變壓器;不平衡電流;相位補(bǔ)償

一、引言

電力變壓器在電力系統(tǒng)中是十分重要的電氣設(shè)備。電力變壓器微機(jī)保護(hù)通常由電流縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)與瓦斯保護(hù)作為主保護(hù)，而過電流或復(fù)合電壓?jiǎn)?dòng)的過電流保護(hù)、過負(fù)荷保護(hù)、零序過流保護(hù)、過激磁保護(hù)等構(gòu)成其后備保護(hù)。瓦斯保護(hù)可以反映變壓器油箱內(nèi)部的相間或匝間短路故障，是一種非電量保護(hù)，其動(dòng)作時(shí)間一般晚于差動(dòng)保護(hù)。差動(dòng)保護(hù)是作為變壓器相間、匝間和接地短路故障的保護(hù)，它是變壓器的一種重要的保護(hù)形式。

二、變壓器差動(dòng)保護(hù)的基本原理及研究的主要內(nèi)容

差動(dòng)保護(hù)裝置，可用來保護(hù)變壓器線圈內(nèi)部及其引出線上發(fā)生的相間短路和接在大電流接地電網(wǎng)上變壓器的單相接地故障。為了實(shí)現(xiàn)上述保護(hù)功能，電力變壓器的高低壓線路兩側(cè)都裝設(shè)電流互感器。由于變壓器具有兩個(gè)或更多個(gè)電壓等級(jí)，因此，為了保證差動(dòng)保護(hù)的正確工作，就須適當(dāng)選擇兩側(cè)電流互感器的變比。

差動(dòng)保護(hù)是利用比較被保護(hù)元件各端電流的幅值和相位的原理構(gòu)成的，根據(jù)基爾霍夫電流定律，當(dāng)被保護(hù)設(shè)備無故障時(shí)：恒有=0，即各結(jié)點(diǎn)流入電流值之和必等于各結(jié)點(diǎn)流出電流之和，其中為流向被保護(hù)設(shè)備各端子的電流;當(dāng)被保護(hù)設(shè)備內(nèi)部發(fā)生故障時(shí)，短路點(diǎn)成為一個(gè)新的端子，此時(shí)有>0，但是實(shí)際上在外部發(fā)生短路時(shí)還存在一個(gè)不平衡電流，所以差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作判據(jù)應(yīng)改寫為：>

差動(dòng)保護(hù)一直以來都是電力變壓器的主保護(hù)，其最關(guān)鍵也是最困難的問題是如何防止變壓器不平衡電流所導(dǎo)致的差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)作。但差動(dòng)保護(hù)應(yīng)用于變壓器時(shí)，效果并不是很理想。這是因?yàn)椴顒?dòng)保護(hù)的理論依據(jù)是基爾霍夫電流定律，所以對(duì)純電路設(shè)備如發(fā)電機(jī)、線路等的差動(dòng)保護(hù)無懈擊，但對(duì)變壓器而言，其內(nèi)部是通過磁路耦合來聯(lián)系的，并不是純電路結(jié)構(gòu)，因此基爾霍夫電流定理本質(zhì)上已不再適用，變壓器的勵(lì)磁電流成了差動(dòng)保護(hù)不平衡電流的一種來源。然而，變壓器正常運(yùn)行時(shí)，其勵(lì)磁電流一般為額定電流的2%～5%，可以忽略不計(jì)，通過整定適當(dāng)?shù)拈T檻值，差動(dòng)保護(hù)就可以準(zhǔn)確區(qū)分變壓器的內(nèi)部故障與外部故障。但是當(dāng)變壓器空載投入和外部故障切除后電壓恢復(fù)時(shí)，則可能出現(xiàn)數(shù)值很大的勵(lì)磁涌流。其數(shù)值最大可達(dá)額定電流的6～8倍，同時(shí)包含有大量的非周期分量和高次諧波分量。因此，進(jìn)一步研究變壓器差動(dòng)保護(hù)的誤動(dòng)機(jī)理，探索快速、準(zhǔn)確的區(qū)分變壓器勵(lì)磁涌流和內(nèi)部故障電流的新方法以提高變壓器差動(dòng)保護(hù)的性能，是十分必要的。通過對(duì)電力變壓器差動(dòng)保護(hù)電路進(jìn)行分析，找出常見的不平衡電流產(chǎn)生的原因，并提出了一些措施，提高變壓器差動(dòng)保護(hù)的正確動(dòng)作率，確保變壓器的安全穩(wěn)定運(yùn)行。變壓器差動(dòng)保護(hù)中，解決涌流制動(dòng)問題是一個(gè)關(guān)鍵。

三、差動(dòng)保護(hù)中不平衡電流產(chǎn)生的原因

由于差動(dòng)保護(hù)的構(gòu)成原理是基于比較變壓器各側(cè)電流的大小和相位，受變壓器各側(cè)電流互感器以及諸多因素影響，變壓器在正常運(yùn)行和外部故障時(shí)，其差動(dòng)回路中有不平衡電流，使差動(dòng)保護(hù)處于不利的工作條件下。為保證變壓器差動(dòng)保護(hù)的正確靈敏動(dòng)作，必須對(duì)其回路中的不平衡電流進(jìn)行分析，找出原因，采取措施予以消除。

不平衡電流的產(chǎn)生原因有穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)兩方面：

1.穩(wěn)態(tài)情況下的主要的不平衡電流

電力系統(tǒng)中常采用Y/△—11（即Y，d11）接線方式，因此，變壓器兩側(cè)的相位差為30°，如果兩側(cè)電流互感器采用相同的接線方式，即使兩側(cè)電流數(shù)值相等，也會(huì)產(chǎn)生2I1sin15°的不平衡電流。因此，必須補(bǔ)償由于兩側(cè)電流相位不同而引起的不平衡電流。具體方法是將Y/△—11接線的變壓器星形接線側(cè)的電流互感器二次側(cè)接成三角形接線，三角形接線側(cè)的電流互感器二次側(cè)接成星形接線，這樣可以使兩側(cè)電流互感器二次連接臂上的電流IAB2和Iab2相位一致，按該方法接線進(jìn)行相位補(bǔ)償后，高壓側(cè)保護(hù)臂中電流比該側(cè)互感器二次側(cè)電流大倍，為使正常負(fù)荷時(shí)兩側(cè)保護(hù)臂中電流接近相等，故高壓側(cè)電流互感器變比應(yīng)增大倍。

在實(shí)際接線中，必須嚴(yán)格注意變壓器與兩側(cè)電流互感器的極性要求，為防止發(fā)生差動(dòng)繼電器的電流回路相互接錯(cuò)，極性接反現(xiàn)象，在變壓器的差動(dòng)保護(hù)投入之前要做接線檢查，在運(yùn)行后，如測(cè)量不平衡電流值過大不合理時(shí)，應(yīng)在變壓器帶負(fù)載時(shí)測(cè)量互感器一、二次側(cè)電流相位關(guān)系以判別接線是否正確。

2.暫態(tài)情況下的主要的不平衡電流

暫態(tài)情況下的不平衡電流是由變壓器勵(lì)磁涌流產(chǎn)生的，變壓器的勵(lì)磁電流僅流經(jīng)變壓器接通電源的某一側(cè)，對(duì)差動(dòng)回路來說，勵(lì)磁電流的存在就相當(dāng)于變壓器內(nèi)部故障時(shí)的短路電流。因此，它必然給縱差保護(hù)的正確動(dòng)作帶來不利影響。正常情況下，變壓器的勵(lì)磁電流很小，故縱差保護(hù)回路的不平衡電流也很小。在外部短路時(shí)，由于系統(tǒng)電壓降低，勵(lì)磁電流也將減小。因此，在正常運(yùn)行和外部短路時(shí)勵(lì)磁電流對(duì)縱差保護(hù)的影響常?？梢院雎圆挥?jì)。但是，在電壓突然增加的特殊情況下，比如變壓器在空載投入和外部故障切除后恢復(fù)供電的情況下，則可能出現(xiàn)很大的勵(lì)磁電流，這種暫態(tài)過程中出現(xiàn)的變壓器勵(lì)磁電流通常稱勵(lì)磁涌流。變壓器的勵(lì)磁涌流就是一種暫態(tài)電流，對(duì)差動(dòng)保護(hù)回路不平衡電流的影響更大。

四、減少不平衡電流的措施

1.采用適當(dāng)?shù)慕泳€進(jìn)行相位補(bǔ)償法

由于變壓器常采用Y/△—11的接線方式，因此，其兩側(cè)電流相位差為30o。為了消除這種不平衡電流的影響，通常都是將變壓器星形側(cè)的三個(gè)電流互感器接成三角形，而將變壓器三角形側(cè)的三個(gè)電流互感器接成星形，并適當(dāng)考慮聯(lián)接方式后即可把二次電流的相位校正過來。

但是電路互感器采用上述聯(lián)接方式后，在互感器接成△側(cè)的差動(dòng)一臂中，電流又增大倍。此時(shí)為保證正常運(yùn)行及外部故障情況下差動(dòng)回路中應(yīng)沒有電流，就必須將該側(cè)電流互感器的變比加大倍，以減小二次電流，使之與另一側(cè)的電流相等，故此時(shí)選擇變比的條件。

2.利用小波變換后的奇異性進(jìn)行判別

間斷角是勵(lì)磁涌流波形具有的特性之一，在間斷角的起止時(shí)刻，都可近似看作邊緣跳躍，根據(jù)信號(hào)奇異性檢測(cè)原理的分析，若采用合適的小波對(duì)這樣的信號(hào)作小波變換，信號(hào)的邊全繃t躍點(diǎn)在對(duì)應(yīng)同一位置的所有尺度上（2′），都產(chǎn)生相應(yīng)的模極大值，而且這些模極大值在相鄰的尺度上保持相同的符號(hào)，由小尺度（S=2′?。┑酱蟪叨龋⊿=2′大）遞增。而內(nèi)部故障電流信號(hào)的波形連續(xù)，畸變較小，因而小波變換的系數(shù)也較平滑，表現(xiàn)為奇異性較小。根據(jù)信號(hào)在小波變換后表現(xiàn)出的奇異性差異，可以用來區(qū)別故障電流和勵(lì)磁涌流。

另外利用小波變換的奇異性檢測(cè)方法，還可以精確測(cè)量勵(lì)磁涌流的間斷角。間斷角處電流的特點(diǎn)是絕對(duì)值非常?。ń咏诹悖?，而A/D轉(zhuǎn)換芯片剛好在零點(diǎn)附近轉(zhuǎn)換誤差最大。顯然，造成A/D在零點(diǎn)附近誤差較大的原因是隨機(jī)噪聲干擾。對(duì)于像間斷角測(cè)量這類暫態(tài)信號(hào)，相關(guān)法、平滑法和相干時(shí)間平均法等除噪技術(shù)均無效，即使采用較大計(jì)算量的最小平方濾波，也只能保證總體信噪比的提高，難以減小過零處的誤差，而這些點(diǎn)對(duì)間斷角的測(cè)量是最有意義的。熱噪聲是任何實(shí)際系統(tǒng)無法避免的隨機(jī)干擾，服從高斯分布。當(dāng)信號(hào)較弱時(shí)噪聲甚至可以把信號(hào)淹沒，從而產(chǎn)生較大的測(cè)量誤差。但在小波變換下的高斯白噪聲的模極大值與信號(hào)小波變換的模極大值，隨尺度增長(zhǎng)有截然不同的性質(zhì)。當(dāng)按因子2增加時(shí)，高斯白噪聲小波變換模極大值的個(gè)數(shù)，按1/2的平均速率減少。根據(jù)噪聲模極大值跨尺度減少的特性，通過去掉噪聲對(duì)應(yīng)的模極大值，可以有效地消除干擾，較準(zhǔn)確地確定突變點(diǎn)的位置。

五、總結(jié)

本文分析介紹了變壓器差動(dòng)保護(hù)的原理，指出運(yùn)用差動(dòng)保護(hù)的難點(diǎn)在于如何準(zhǔn)確區(qū)分勵(lì)磁涌流與故障電流。介紹了不平衡電流的產(chǎn)生并淺析了抑制方法。

大型變壓器的出現(xiàn)既為保護(hù)增加了難度，同時(shí)又對(duì)差動(dòng)保護(hù)提出了更高的要求。要從原理上和實(shí)現(xiàn)中同時(shí)解決變壓器繼電保護(hù)的問題，才能保證變壓器安全穩(wěn)定的運(yùn)行。

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