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采用變壓器模型的新型變壓器保護(hù)原理及設(shè)計(jì)

作者: 時(shí)間:2011-05-15 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

在變壓器差動(dòng)保護(hù)中,如何區(qū)分勵(lì)磁涌流與內(nèi)部故障電流是一個(gè)固有的、不可回避的難題,多年來一直成為研究的熱點(diǎn)。

現(xiàn)在實(shí)際運(yùn)行的變壓器差動(dòng)保護(hù),主要是采用以二次諧波制動(dòng)原理和間斷角原理來判別勵(lì)磁涌流,其中二次諧波制動(dòng)原理應(yīng)用最為廣泛。但是由于CT飽和,無功補(bǔ)償用的并聯(lián)電容或超高壓長輸電線分布電容的存在,使得變壓器發(fā)生內(nèi)部故障時(shí)也會(huì)產(chǎn)生很大的二次諧波,而且隨著大型變壓器鐵心采用冷軋硅鋼片后,飽和磁通倍數(shù)由1.4降至了1.2~1.3,甚至低至1.1~1.15,使勵(lì)磁涌流的二次諧波含量有時(shí)低至10% 以下,這樣二次諧波制動(dòng)原理的制動(dòng)比很難選取,保護(hù)就可能存在不正確動(dòng)作;基于間斷角原理的勵(lì)磁涌流識別方案也存在著受CT傳變影響等問題[1~4]。其他有代表性的鑒別勵(lì)磁涌流的方法有波形對稱原理、波形疊加原理、波形相關(guān)性分析法和波形擬合法。實(shí)際上,由于三相變壓器勵(lì)磁涌流的波形特征隨系統(tǒng)電壓和等值阻抗、合閘初相角、剩磁大小和方向、繞組接線方式和中性點(diǎn)接地方式、三相鐵心結(jié)構(gòu)、鐵心材料和組裝工藝、磁滯回線和局部磁滯環(huán)等不同而改變,所以任何以勵(lì)磁涌流波形特征為依據(jù)的防止由勵(lì)磁涌流而引起誤動(dòng)的措施均不能保證變壓器差動(dòng)保護(hù)不誤動(dòng),差別僅是誤動(dòng)次數(shù)的多少[5]。

不依賴于勵(lì)磁涌流波形特征的方案有:磁通特性識別法[6],等值電路參數(shù)鑒別法[7]。這兩種算法的不足在于都需要預(yù)先計(jì)算變壓器漏感參數(shù),而且整定困難,其應(yīng)用前景取決于理論上的進(jìn)一步突破[5]。本文利用變壓器的原始正常模型,推導(dǎo)出了動(dòng)作方程,并提出了保護(hù)判據(jù)。動(dòng)模實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了該方案的正確性和可行性。

2 基本原理

如圖1所示的雙繞組單相變壓器,下面的關(guān)系成立[8]



式中U1、U2為一、二次繞組的電壓;i1、i2為一、二次繞組的電流;L1、L1為一、二次繞組的漏感;r1、r2為一、二次繞組的電阻;Ψm為一、二次繞組的互感磁通。

設(shè)變壓器的變比為nT=1。將式(1)中的dΨm/dt消去得





由于式(2)是根據(jù)變壓器正常運(yùn)行的模型得到的,所以它適合于外部故障、勵(lì)磁涌流及過激磁情況。只有內(nèi)部故障時(shí),由于變壓器模型本身的內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)發(fā)生了變化,它才不再成立。因此,可以通過判別式(2)是否成立,來決定保護(hù)的動(dòng)作行為,因而,在勵(lì)磁涌流、過激磁、外部故障情況下保護(hù)不會(huì)誤動(dòng)作。下面分別推導(dǎo)兩繞組和三繞組變壓器的動(dòng)作方程,并根據(jù)其動(dòng)作方程提出了保護(hù)判據(jù)。

3動(dòng)作方程的推導(dǎo)

3.1兩繞組三相變壓器的動(dòng)作方程[9]

由圖2所示的Y/?接線的三相變壓器,根據(jù)電路原理可得到


側(cè)繞組各相的漏感;r為?側(cè)繞組各相的電阻;R為Y側(cè)繞組各相的電阻;Ψa,Ψb,Ψc,為兩側(cè)繞組的互感磁鏈。





側(cè)可測的各相電流,所以可將式(3)和式(4)中的等式分別兩兩相減,再進(jìn)行合并,并歸算到Y(jié)側(cè),可得


由于變壓器制造廠家一般只提供變壓器的短路電抗xk,并不提供各側(cè)繞組的漏感L1,L2,可以利用關(guān)系式代入式(5),可得




在變壓器正常運(yùn)行(包括產(chǎn)生勵(lì)磁涌流和外部故障)時(shí),式(6)中的3個(gè)等式成立,而且3個(gè)等式中的L2應(yīng)為同一值;只有變壓器發(fā)生內(nèi)部故障時(shí),式(6)中的3個(gè)等式不成立,越嚴(yán)重的故障等式兩邊的差別就會(huì)越大,并且分別利用3個(gè)等式計(jì)算出的L2也會(huì)有較大差別。這是制定兩繞組變壓器保護(hù)判據(jù)的依據(jù)。

3.2三繞組三相變壓器的動(dòng)作方程

下面以Y0 / Y /?-11接線的三繞組變壓器為例推導(dǎo)動(dòng)作方程,變壓器接線圖如圖3所示。



對單相繞組有:

式中r1,r2,r3為1、2、3側(cè)繞組的電阻值;Ψ123分別為穿過1、2、3側(cè)繞組的總磁鏈;Ψm為穿過1、2、3側(cè)繞組的公共磁鏈;Ψ1L2L3L分別為1、2、3側(cè)繞組產(chǎn)生的除Ψm以外的漏磁鏈;ΨijL(i≠j)為第i個(gè)繞組產(chǎn)生的除Ψm以外的和第j個(gè)繞組交鏈的漏磁鏈。

由式(7)、(8)可得A、B、C三相的關(guān)系如下:





為變壓器廠家提供的變壓器各側(cè)的電抗(歸算到第1側(cè))。


4 保護(hù)判據(jù)

根據(jù)上面的推導(dǎo),可以分別制定兩繞組和三繞組變壓器的保護(hù)判據(jù)。

(1)兩繞組變壓器的保護(hù)判據(jù)

判據(jù)1:當(dāng)差動(dòng)電流大于門檻值時(shí),利用L2的估算值,計(jì)算式(6)中的3個(gè)等式兩邊的差值,如果等式兩邊的差值超過門檻值,判定變壓器發(fā)生內(nèi)部故障,保護(hù)跳閘。由于L2的估算值與實(shí)際值存在著誤差,故此判據(jù)的動(dòng)作門檻值要躲過勵(lì)磁涌流和外部故障時(shí)方程兩側(cè)的差值,它能夠保證在發(fā)生較嚴(yán)重的內(nèi)部故障時(shí)保護(hù)正確動(dòng)作。

判據(jù)2:當(dāng)差動(dòng)電流大于門檻值時(shí),利用式(6)計(jì)算3個(gè)方程中的L2,如果3個(gè)方程分別計(jì)算出的L2之間的差值超過門檻值,判定變壓器發(fā)生內(nèi)部故障,保護(hù)跳閘。此判據(jù)可在判據(jù)1的基礎(chǔ)上進(jìn)一步判別變壓器的輕微故障。但在內(nèi)部相間短路時(shí),由于差動(dòng)電流數(shù)值很大,計(jì)算出的3個(gè)L2數(shù)值會(huì)較小,識別其差值較困難。

因此,判據(jù)1用來識別嚴(yán)重內(nèi)部故障,判據(jù)2用來識別輕微內(nèi)部故障,兩者相結(jié)合就會(huì)達(dá)到很好的效果。


的6個(gè)方程等式兩邊的差值,如果等式兩邊的差值超過門檻值,判定變壓器發(fā)生內(nèi)部故障,保護(hù)跳閘。由于的估算值與實(shí)際值存在著誤差,故此判據(jù)的動(dòng)作門檻值要躲過勵(lì)磁涌流和外部故障時(shí)方程兩側(cè)的差值,它能夠保證在發(fā)生較嚴(yán)重的內(nèi)部故障時(shí)保護(hù)正確動(dòng)作。


同樣,判據(jù)1用來識別嚴(yán)重內(nèi)部故障,判據(jù)2用來識別輕微內(nèi)部故障,兩者相結(jié)合會(huì)達(dá)到很好的效果。

5 動(dòng)模試驗(yàn)及結(jié)果

5.1 動(dòng)模試驗(yàn)系統(tǒng)

為了驗(yàn)證上述方法的正確性及可行性,通過動(dòng)模試驗(yàn)獲得了大量變壓器在各種運(yùn)行狀態(tài)下的真實(shí)數(shù)據(jù),在此,用這些數(shù)據(jù)對保護(hù)判據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。

動(dòng)模試驗(yàn)系統(tǒng)接線如圖4所示。



在此系統(tǒng)中的試驗(yàn)變壓器為三單相變壓器組Y,d11,單相變壓器的參數(shù)分別為:額定容量10kVA;低壓側(cè)額定電壓380V;低壓側(cè)額定電流25.3A;高壓側(cè)額定電壓1000V;高壓側(cè)額定電流10A;空載電流1.45%;空載損耗1%;短路損耗0.35%;短路電壓9.0%

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