变压器励磁涌流畸变度检测法

李亚红,常旭东

(1.开滦协鑫发电有限公司, 河北 唐山 063000;2.南京南电继保自动化有限公司,南京 211106)

变压器励磁涌流畸变度检测法

李亚红1,常旭东2

(1.开滦协鑫发电有限公司, 河北 唐山 063000;2.南京南电继保自动化有限公司,南京 211106)

为了保证变压器安全运行,防止空载合闸时励磁涌流造成的误动,针对当今常用的变压器励磁涌流检测方法存在的缺陷和不足,提出了一种新的变压器涌流畸变度检测方法,即利用涌流畸变产生的高次谐波来检测励磁涌流。算例仿真验证,该方法能够可靠区分励磁涌流和故障电流,防止了变压器差动保护的误动和拒动。

变压器；励磁涌流；畸变度

变压器是电力系统中不可缺少的重要设备,一旦出现问题将会出现大面积停电,带来巨大的损失,因此变压器的安全性显得特别重要。通常变压器采用性能良好的差动保护作为主保护[1-2]。当差动保护用于变压器时,需要防止空载合闸时励磁涌流造成的误动。因为变压器在空载合闸时一般总是要在合闸侧产生励磁涌流,所以此电流仅在一侧(合闸侧)存在,必然形成差流。如果不采取一定的措施,将使得差动保护误动。因此,如何防止空载合闸时励磁涌流造成的误动,则成为变压器差动保护的一个重要课题。本文针对已有变压器励磁涌流检测方法的局限性,提出了励磁涌流畸变度检测方法。

1 变压器励磁涌流检测方法

1.1 二次谐波检测方法

二次谐波检测方法是最早采用的方法,有的差动保护装置现在仍在沿用。因为励磁涌流的畸变程度与许多因素有关,如铁芯工作磁密、饱和磁密、剩磁、空投时的合闸角等,其中剩磁与合闸角是随机的,所以涌流的畸变是不确定的,需要检测的特征量也是不确定的。如涌流中二次谐波所占比例相对比较大,但却不是一个确定的值,而是在一定范围里随有关因素的变化而变化。只能得出这样的结论:三相涌流中总有一相大于20%。根据这一结论,制动方式也只能采用“或” 制动,这正是二次谐波制动方法的缺陷之一。

1.2 间断角检测方法

间断角检测方法与二次谐波检测方法类似,由于剩磁与合闸角是随机的,因而涌流的畸变所形成的间断角也是不确定的[3]。为了消除反向电流的影响,一般要为电流设置一个门槛,这一门槛的设置使得故障电流也具有间断角。目前“间断角”定值取为65°,只能保证饱和磁密与工作磁密之比为1.2、 剩磁为0.5时可靠制动。虽然这一方法可以采用“与”门制动,但冗余度明显不足。而且,为了精确测量“间断角”的大小,需要大幅提高采样点的数值,这显然不是什么优点。

1.3 波形对称度检测方法

波形对称度检测方法的原理:在滤除非周期分量之后,故障电流基本是正弦波,正弦波的正半波和负半波是对称的,而励磁涌流因畸变就不能满足这一要求。对于故障电流来说,正、负半波是对称的,此时不应闭锁差动保护,而应开放保护;对于励磁涌流来说,此时应该闭锁差动保护,防止差动保护误动[4-5]。对于高次谐波来说,3、5、7等次谐波与基波一样同属奇次谐波,因此也是对称的;而偶次谐波正是造成励磁涌流不对称的原因。故此方法也可称为偶次谐波制动。在变压器过励磁时,其励磁电流的波形是对称的,此方法也和前面2种方法一样,需要增加5次谐波制动,以防变压器过励磁时的误动。

由于上述3种方法仅仅从某一个方面来反映涌流的畸变,并没有全面反映涌流的畸变,因而不可避免地具有这样或那样的局限性[6]。为了弥补它们的不足,更严格地区分励磁涌流和故障电流,更可靠地保证差动保护在空载合闸和过励磁时不误动, 本文提出了畸变度检测方法。

2 畸变度检测法

变压器励磁涌流的严重畸变产生了丰富的高次谐波,而故障电流就不含有这样丰富的高次谐波。因此,如果能利用这些丰富的高次谐波来检测励磁涌流,就能够全面反映涌流的畸变程度。

为了全面反映涌流的畸变程度,提出一个全新的物理量——畸变度,其定义为

式中:ik为某一时刻滤除直流分量的检测电流信号值;i1k为该时刻的基波数值;I1为基波的有效值;n为采样点数。

为了计算出Q值,首先对被检测电流用差分算法滤去其中的直流分量,得到ik序列,再用数字余弦滤波器滤出基波分量的i1k序列。因为余弦滤波前后没有相位移,可以准确和原序列进行比较,所以用常规的傅立叶变换计算出I1,就可根据Q值的计算公式计算出Q值。

对于故障电流来说,滤去直流分量后基本为一个正弦波,再经余弦滤波依然是一个正弦波,而数字余弦滤波器滤波前后没有相位移,故障电流的ik序列与i1k序列基本相同,故计算出的Q值很小。而对于励磁涌流来说,差分算法除能滤去直流分量以外,对各高次谐波也有放大作用,ik序列中包含基波和被放大的高次谐波,再经余弦滤波滤出基波的i1k序列。显然,此时的ik与i1k两序列相差甚远,故计算出的Q值很大。

由于Q值全面反映了变压器涌流的畸变程度,因此能够更可靠地保证差动保护在变压器空载合闸时不误动,并且能够更严格区分励磁电流与故障电流,从而保证差动保护在故障时不拒动。此判据具有较高的冗余度,而且可以采用 “与”门制动方式实现变压器三相的差动保护,保证了在空投于有故障的变压器时差动保护不会延时动作。此方法适用于变压器差动保护长期正确动作率不高的状况。

3 仿真验证与分析

以两个现场具体的录波数据为例,分别计算出Q值。一个是含有较大非周期分量的故障电流;一个是典型的对称性励磁涌流。

3.1 故障电流的仿真验证与分析

以银川新城变压器一次故障电流的录波数据为依据,录波图如图1所示。

图1 银川新城变压器故障电流的录波波形

根据图1的录波波形的原始数据,经差分算法和余弦滤波算出ik和i1k如表1所示,其中i为原始录波数据。

I1可用常规的傅里叶变换计算出来,约为31.8。有了以上这些数据就可计算此电流的Q值约为1.85。

3.2 励磁电流的仿真验证与分析

以茬平变压器一次空载合闸时励磁电流的录波数据为基础,录波图如图2所示。根据图2的录波波形的原始数据,经差分算法和余弦滤波算出ik和i1k如表2所示,其中i为原始录波数据。I1可用常规的傅里叶变换计算出来,约为9.0。有了这些数据就可计算此电流的Q值约为25.7。

通过以上两个典型的具体例子可以看到:故障电流时,Q值仅为1.85,而空投时的励磁涌流Q值为25.7,两者之间的差距很大。所以只有适当选择Q的阀值,才能可靠地区分故障电流和励磁涌流。阀值Q的选择要注意以下问题:

表1 银川新城变压器录波数据及计算数据

图2 茬平变压器空投时的励磁电流的录波波形

1)Q值的计算与采样点有关,采样点越高,计算出的Q值越大。上面两个具体的实例中,采样点都是20。如果采样点是12、24、32等,对同样的波形,计算出的Q值也不一样。采样点越高,计算出的Q值越大,判断结果的准确度越高。同样,阀值Q的选取也与采样点有关,采样点越高,阀值也应相应选得高一些。

表2 茬平变压器空投时的励磁电流录波数据及计算数据

2) 故障电流的Q值较小,且波动也很小,而励磁涌流的Q值很大,且波动也很大。故阀值Q应选择偏向故障电流。根据以上两个具体实例来看,当采样点为20时可选择Q的阀值为4,此时的安全系数为2.16。

4 结 语

本文定义了反映畸变程度的物理量——畸变度,从畸变度的计算方法来看,计算出来的畸变度必然无一例外地包含了全部高次谐波,因此也就全面反映了涌流的畸变程度。经仿真算例验证,该方法具有很高的冗余度,能够可靠区分励磁涌流和故障电流,防止变压器差动保护的误动和拒动,改善变压器差动保护正确动作率不高的现状。

[1] 高春如.大型发电机组继电保护整定计算与运行技术[M]：第二版.北京:中国电力出版社,2010. GAO Chunru. Setting calculation and operation technology of relay protection for large-scale generator units [M]. Beijing: China Electric Power Press, 2010.

[2] 许正亚.发电厂继电保护整定计算及其运行技术[M].北京:中国水利水电出版社,2009. XU Zhengya. Setting calculation and operation technology for power plants [M]. Beijing: China Water & Power Press, 2009.

[3] 王祖光.间断角原理变压器差动保护[J]. 电力系统自动化,1979,3(1):18-30. WANG Zuguang. Transformer differential protection based on intermission angle principle [J]. Automation of Electric Power Systems, 1979,3(1):18-30.

[4] 孙志杰, 陈云仑.波形对称原理的差动保护[J]. 电力系统自动化, 1996,20(4):42-46. SUN Zhijie, CHEN Yunlun. Transformer differential protection based on symmetry principle of current waveforms [J]. Automation of Electric Power Systems, 1996,20(4):42-46.

[5] 聂永辉.基于EMD 和SVM 的变压器励磁涌流和短路电流识别[J].黑龙江电力,2013,35(4):303-306. NIE Yonghui. Identification of inrush current and short circuit current for transformer based on EMD and SVM [J]. Heilongjiang Electric Power, 2013,35(4):303-306.

[6] 郭伟伟.马力.防止变压器励磁涌流造成差动保护误动的方法[J].电工技术,2012(6): 10-11. GUO Weiwei, MA Li. Prevention of differential protection malfunction generated by transformer inrush current [J]. Electric Engineering, 2012(6): 10-11.

(责任编辑 郭金光)

Method for detecting the distortion of transformer inrush current

LI Yahong1, CHANG Xudong2

(1. Kailuan GCL Power Co. Ltd.， Tangshan 063000, China; 2. Nandian Automation Co. Ltd., Nanjing 211106, China)

In order to guarantee the safe operation of transformers, and to prevent them from the malfunction caused by inrush current under the situation of no-load closing, the paper proposed, aiming at the defects of the common detecting method for transformer inrush current, a new method for detecting the distortion of transformer inrush current. It is a method that uses the high harmonics generated by inrush distortion to detect inrush current. The simulation example proves that this method is able to distinguish inrush current from fault current so as to prevent malfunction and misstrip of transformer differential protection.

transformer; inrush current; degree of distortion

2015-03-16。

李亚红(1971—)，男，工程师,主要从事火力发电厂生产管理工作。

TM41

A

2095-6843(2015)06-0512-03