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0 引言

變壓器在空投時產(chǎn)生的勵磁涌流容易導(dǎo)致變壓器差動保護誤動，增加了電網(wǎng)維護和檢修成本，因此在繼電保護中如何有效識別勵磁涌流是一個非常重要的課題[1-4]。

目前，常用的勵磁涌流鑒別方法主要有二次諧波制動原理、間斷角原理以及波形對稱原理[5-7]。二次諧波制動和波形識別原理成熟、應(yīng)用廣泛且穩(wěn)定性較好，在大多數(shù)情況下能夠準(zhǔn)確識別勵磁涌流，閉鎖差動保護，但在特殊情況下仍存在由于難以區(qū)分故障電流和勵磁涌流電流導(dǎo)致誤開放差動保護的情況。在工程應(yīng)用中經(jīng)常綜合運用幾種方法，取長補短，以應(yīng)對特殊情況下的勵磁涌流特性。

正常情況下勵磁涌流幅值大，含有大量諧波分量，主要以二次諧波為主，但在特殊工況下存在勵磁涌流中二次諧波含量較低，或者基波較小沒有達到差動門檻，極端情況下部分相別可能接近于無流狀態(tài)，常規(guī)勵磁涌流閉鎖判據(jù)無法有效閉鎖差動保護。有些學(xué)者提出了自適應(yīng)調(diào)整定值的判據(jù)[8]，對不同工況下差動保護閉鎖具有較高的靈敏度；另外先后提出了基于小波算法[9-10]、模糊理論[11-12]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法[13-14]等。然而這些方法由于算法復(fù)雜，計算量較大，難以保證保護的速動性，難以用于工程實踐。

本文針對工程應(yīng)用中由于空投變壓器產(chǎn)生的勵磁涌流導(dǎo)致變壓器差動保護動作的行為，通過對現(xiàn)場涌流波形特點的對比和分析，總結(jié)出工程應(yīng)用中空投變壓器時的勵磁涌流特點，提出針對二次諧波制動原理的改進措施。

1 工程案例分析

通常變壓器空投時勵磁涌流特征明顯，常規(guī)的勵磁涌流閉鎖判據(jù)可正確識別勵磁涌流，但仍存在一些特殊情況，不符合勵磁涌流的基本特征，常規(guī)的勵磁涌流閉鎖判據(jù)較難識別。

1.1 案例1 簡介

某220 kV 變電站在主變高壓側(cè)空投時差動保護動作，該變電站的相關(guān)數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 主變保護參數(shù)信息

該變電站主變空投時的縱差差流和二次諧波錄波波形特征如圖1 和圖2 所示?？梢钥闯?，波形具有以下基本特征： 差流A 相基波較小，在縱差啟動門檻值附近略高于差流門檻值，二次諧波含量高；差流B 相基波較大，二次諧波含量低，低于二次諧波制動系數(shù)15%；差流C 相基波較小，大部分時間段內(nèi)低于縱差啟動門檻值，二次諧波含量高。

1.2 案例2 簡介

某220 kV 變電站在主變高壓側(cè)空投時差動保護動作，該變電站相關(guān)數(shù)據(jù)如表2 所示。

圖1 差流波形

圖2 二次諧波含量

表2 主變保護參數(shù)信息

該變電站主變空投時的縱差差流和二次諧波錄波波形特征如圖3 和圖4 所示?？梢钥闯?，波形具有以下基本特征： 差流A 相的基波較小，部分時間段內(nèi)低于縱差啟動門檻，二次諧波含量較高；差流B 相基波較大，但二次諧波含量很低，低于二次諧波制動系數(shù)15%；差流C 相基波較小，在縱差啟動門檻值附近，二次諧波含量較高。

圖3 差流波形

圖4 二次諧波含量

1.3 案例分析

分析可知，上述2 個案例中空投變壓器時勵磁涌流均具有如下特征：

（1）有一相差流基波幅值小，在縱差啟動門檻值附近且在某些時刻段內(nèi)低于縱差啟動門檻值，如圖1 中C 相和圖3 中A 相。

（2）有一相差流基波大但二次諧波含量較低，即呈現(xiàn)低諧波比特征，如圖1 和圖3 中B 相。

（3）有一相差流基波含量比較接近縱差啟動門檻值，如圖1 中A 相和圖3 中C 相。

以上2 個案例中勵磁涌流波形與典型勵磁涌流的基本特征存在明顯差異?；ㄗ畲笙喑尸F(xiàn)低諧波比的特征，故障特征明顯，勵磁涌流特征不明顯。另外兩相波形基波幅值較小，在部分時間段內(nèi)低于縱差啟動門檻值，故障特征及勵磁涌流特征均不明顯，此時保護裝置未有效識別出勵磁涌流，未閉鎖差動保護。

2 勵磁涌流特點

空投變壓器時，變壓器鐵芯內(nèi)剩磁和合閘角產(chǎn)生的暫態(tài)非周期磁通分量以及穩(wěn)定的周期分量疊加使鐵芯飽和產(chǎn)生勵磁涌流。圖5 為變壓器空投時典型的勵磁涌流波形。

圖5 典型勵磁涌流波形

典型勵磁涌流的特征為[15-16]：

（1）勵磁涌流幅值較大，形成的差流大于縱差差流啟動門檻值，部分情況下可達到5～7 倍Ie。

（2）勵磁涌流波形中含有豐富的諧波分量，如二次、三次、四次等諧波，其中二次諧波含量最大。

（3）勵磁涌流波形含有較大的衰減直流分量，使得波形上下不對稱，明顯偏向于時間軸一側(cè)。

（4）勵磁涌流波形存在間斷角，波形在一個周期內(nèi)不對稱。

3 二次涌流判據(jù)分析

3.1 二次諧波判據(jù)基本原理

二次諧波判據(jù)主要是利用三相差流中的二次諧波與基波的比值作為勵磁涌流判據(jù)，根據(jù)經(jīng)驗值，絕大多數(shù)勵磁涌流中二次諧波分量與基波分量的比值大于15%，因此二次諧波制動系數(shù)一般設(shè)置為15%，部分地區(qū)設(shè)置為12%。當(dāng)差流中的二次諧波含量大于二次諧波制動系數(shù)時，閉鎖差動保護，反之開放差動保護。其動作方程如下：

式中： I2nd為每相差動電流中的二次諧波；I1st為對應(yīng)相差動電流的基波；K2xb為二次諧波制動系數(shù)。

二次諧波制動系數(shù)一般根據(jù)經(jīng)驗值來選取，在不同的工況下根據(jù)實際情況進行整定，難以找到一個科學(xué)的計算方法。現(xiàn)代變壓器使用材料的優(yōu)化使得變壓器磁化特性發(fā)生改變，二次諧波含量有變低的趨勢，特殊情況下傳統(tǒng)經(jīng)驗值無法有效識別勵磁涌流。

3.2 動作相數(shù)的選取

二次諧波判據(jù)原理對差流中各相諧波含量分別進行計算，計算后形成A，B，C 三相勵磁涌流特征狀態(tài)。當(dāng)差流中各相的計算結(jié)果不一致時，如何處理也是勵磁涌流判據(jù)的關(guān)鍵。當(dāng)前存在如下幾種應(yīng)用情況：

（1）“3 取1”： 即三相差流中任意一相滿足勵磁涌流閉鎖判據(jù)，則閉鎖三相差動保護，即“或”邏輯閉鎖。

（2）“3 取3”： 即三相差流中三相均滿足勵磁涌流閉鎖判據(jù)，才閉鎖三相差動保護，即“與”邏輯閉鎖。

（3）“3 取2”： 即三相差流中任意兩相滿足勵磁涌流閉鎖判據(jù)，則閉鎖三相差動保護，即復(fù)合制動。

上述3 種判據(jù)各有優(yōu)點：

（1）“3 取1”判據(jù)制動性最強，可以判別出大多數(shù)勵磁涌流情況，但對于空投于故障變壓器或者正常運行中故障諧波含量較大的情況，可能會誤閉鎖或者開放較慢。

（2）“3 取3”判據(jù)制動性最弱，由于只有在判斷出三相均為勵磁涌流時才進行閉鎖，因此只有單相或兩相滿足勵磁涌流閉鎖時，會誤開放差動保護，從而導(dǎo)致保護誤動。但對于空投于故障變壓器或者正常運行中故障諧波含量較大的情況，可以快速開放。

（3）“3 取2”判據(jù)結(jié)合了前兩種判據(jù)的優(yōu)勢，較“或”邏輯制動性減弱，針對空投于故障變壓器或者運行中的故障變壓器可以快速開放；較“與”邏輯制動性加強，針對某一相勵磁涌流諧波含量小的情況可以有效制動。同時在變壓器區(qū)內(nèi)故障時，由于相角轉(zhuǎn)換因素，一相故障的差流可以體現(xiàn)在兩相中，因此該判據(jù)更有優(yōu)勢。

4 勵磁涌流判據(jù)優(yōu)化措施

針對現(xiàn)場遇到的基波較大相低諧波特征、另外兩相在縱差啟動門檻值附近或低于門檻值的特殊情況，在原勵磁涌流邏輯基礎(chǔ)上進行優(yōu)化，可采用相電流諧波判據(jù)和最大相諧波判據(jù)增強低諧波比工況下勵磁涌流判據(jù)的制動效果。

4.1 相電流諧波判據(jù)

常規(guī)勵磁涌流判據(jù)主要對差流的波形進行判斷，而差流是經(jīng)過星角折算或者濾零后的交流數(shù)據(jù)，可能對原始的勵磁涌流有抵消的效果，因此差流中的諧波特征不能完全真實反映變壓器的諧波特征，而在勵磁涌流判據(jù)判斷差流的基礎(chǔ)上引入原始相電流判據(jù)，可以增強勵磁涌流判據(jù)的準(zhǔn)確性。流程如圖6 所示。

圖6 增加相電流勵磁涌流判據(jù)流程

4.2 最大相諧波判據(jù)

最大相諧波判據(jù)[17-18]即將三相差流中二次諧波最大值和基波最大值的比值作為勵磁涌流判方法。該判據(jù)突破了傳統(tǒng)的“與”“或”邏輯，從三相整體特性上識別勵磁涌流。在空投于正常變壓器時，勵磁涌流特征為主要因素，該判據(jù)有利于提取三相中的涌流特征、識別勵磁涌流。在空投于故障變壓器或者正常運行中的變壓器發(fā)生故障時，故障特征為主要因素，該判據(jù)有利于提取三相中的故障特征。但由于該判據(jù)與“或”邏輯有相似之處，可能存在非故障相諧波含量影響整體動作行為的情況，該方案可以與復(fù)合制動邏輯相結(jié)合使用。

4.3 優(yōu)化改進方案

根據(jù)上述分析，結(jié)合勵磁涌流判據(jù)的基本要求及工程中遇到的低諧波比情況，改進勵磁涌流判據(jù)流程如圖7 所示。

圖7 改進勵磁涌流閉鎖算法

改進方案的基本判斷邏輯如下：

步驟1： 按相判斷差流諧波含量，當(dāng)某相差流的諧波含量大于門檻值時，置該相為勵磁涌流閉鎖相。

步驟2： 在步驟1 計算中當(dāng)差流諧波含量小于門檻值，不滿足閉鎖條件時，根據(jù)星角轉(zhuǎn)換方式判斷形成該差流的兩相相電流的諧波含量，當(dāng)兩相相電流的諧波含量均大于門檻值時，置該相差流為勵磁涌流閉鎖相。

步驟3： A，B，C 三相差流均按照步驟1、步驟2 判斷完成后形成三相是否為勵磁涌流閉鎖相的標(biāo)志。若此時差流不滿足低諧波特征，則直接采用“3取2”邏輯；若此時差流最大存在相低諧波且其他相存在幅值低于門檻值特征，則加判最大相諧波判據(jù)。

綜合步驟2、步驟3 計算結(jié)果形成最終的勵磁涌流閉鎖結(jié)果。

方案中步驟3 是在前2 步判斷滿足低諧波特征情況下才判斷最大相諧波判據(jù)，因此可減小非故障相諧波含量對保護整體動作行為的影響。

5 仿真分析

5.1 RTDS 仿真分析

驗證方案的可行性，建立RTDS 仿真模型進行模擬（如圖8 所示）。其中S1，S2 為電源系統(tǒng)；TA1-TA4 為變壓器各側(cè)電流互感器；TV1-TV3為變壓器各側(cè)電壓互感器；G1，G2 為發(fā)電機；BRK1-BRK6 為各側(cè)斷路器。模型參數(shù)如表3 所示。

圖8 RTDS 仿真模型

表3 仿真參數(shù)

控制RTDS 模型變壓器空投合閘角，每隔30°進行一次空投測試，重點觀察模擬與現(xiàn)場出現(xiàn)相同特征波形情況下勵磁涌流邏輯的表現(xiàn)以及改進后的邏輯對縱差保護整組動作時間的影響。

圖9 和圖10 為仿真錄波波形中與現(xiàn)場波形類似的波形，分析優(yōu)化后的判據(jù)可以正確判斷出勵磁涌流并閉鎖差動保護。

圖9 RTDS 差流仿真波形

圖10 二次諧波閉鎖狀態(tài)

模擬空投于故障變壓器，對于接地及相間故障，故障特征明顯，改進后的邏輯能夠快速開放，與改進前動作行為無明顯差異。圖11 和圖12 為空投于變壓器3%匝間輕微故障時的勵磁涌流波形，此波形特征與現(xiàn)場波形特征類似。

根據(jù)波形分析，由于空投于輕微匝間故障時，出現(xiàn)低諧波比及小電流的特征，但總體上故障特征明顯，當(dāng)故障相諧波含量低于15%時，最大相諧波判據(jù)已滿足開放條件，因此對縱差保護的動作時間無影響。

經(jīng)仿真驗證，采用改進后的勵磁涌流判據(jù)，在正?？胀稌r出現(xiàn)現(xiàn)場類型特征的波形時可以有效判別勵磁涌流。通過模擬空投于故障變壓器，改進后的勵磁涌流判據(jù)對故障情況下縱差保護的整組動作時間無明顯影響。

圖11 空投匝間故障差流波形

圖12 空投匝間故障二次諧波閉鎖狀態(tài)

5.2 波形回放分析

將現(xiàn)場案例2 中的波形對保護裝置進行波形回放仿真驗證。圖13 為回放的現(xiàn)場動作波形，圖14 為采用改進后的方案得到的勵磁涌流判別情況。結(jié)果表明采用優(yōu)化后的方案可以有效識別勵磁涌流波形。

圖13 差流回放波形

圖14 二次諧波閉鎖狀態(tài)

6 結(jié)語

針對變壓器空投時產(chǎn)生低諧波比的勵磁涌流，而常規(guī)勵磁涌流判據(jù)無法有效閉鎖的問題，提出了采用“3 取2”復(fù)合制動、相電流諧波判據(jù)和最大相諧波判據(jù)的綜合制動邏輯。對比常規(guī)的勵磁涌流閉鎖判據(jù)，文章所提閉鎖邏輯優(yōu)化方案具有如下優(yōu)點： 方法簡單，針對特定的工況準(zhǔn)確率高，有利于工程應(yīng)用；在原邏輯基礎(chǔ)上增加輔助判據(jù)，保證邏輯架構(gòu)的一致性、可移植性；多種判據(jù)的綜合運用能夠在差流基波較小的情況下提高復(fù)合制動的邏輯準(zhǔn)確性。

文章提出的改進勵磁涌流閉鎖算法對于低諧波比及基波電流較小類型的勵磁涌流有較好的識別效果，但對于未被發(fā)現(xiàn)的其他特殊勵磁涌流特征，其效果有待進一步驗證。