采用變壓器模型的新型變壓器保護原理及設(shè)計

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

現(xiàn)在實際運行的變壓器差動保護，主要是采用以二次諧波制動原理和間斷角原理來判別勵磁涌流，其中二次諧波制動原理應(yīng)用最為廣泛。但是由于CT飽和，無功補償用的并聯(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)部故障時也會產(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，使勵磁涌流的二次諧波含量有時低至10% 以下，這樣二次諧波制動原理的制動比很難選取，保護就可能存在不正確動作；基于間斷角原理的勵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。實際上，由于三相變壓器勵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，所以任何以勵磁涌流波形特征為依據(jù)的防止由勵磁涌流而引起誤動的措施均不能保證變壓器差動保護不誤動，差別僅是誤動次數(shù)的多少^[5]。

不依賴于勵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)出了動作方程，并提出了保護判據(jù)。動模實驗數(shù)據(jù)驗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；Ψ_m為一、二次繞組的互感磁通。

設(shè)變壓器的變比為n_T=1。將式(1)中的dΨ_m/dt消去得





由于式(2)是根據(jù)變壓器正常運行的模型得到的，所以它適合于外部故障、勵磁涌流及過激磁情況。只有內(nèi)部故障時，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，來決定保護的動作行為，因而，在勵磁涌流、過激磁、外部故障情況下保護不會誤動作。下面分別推導(dǎo)兩繞組和三繞組變壓器的動作方程，并根據(jù)其動作方程提出了保護判據(jù)。

3動作方程的推導(dǎo)

3.1兩繞組三相變壓器的動作方程^[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；Ψ_a,Ψ_b,Ψ_c,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x_k，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




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

3.2三繞組三相變壓器的動作方程

下面以Y₀ / Y /?-11接線的三繞組變壓器為例推導(dǎo)動作方程，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;Ψ₁,Ψ₂,Ψ₃分別為穿過1、2、3側(cè)繞組的總磁鏈；Ψ_m為穿過1、2、3側(cè)繞組的公共磁鏈；Ψ_1L,Ψ_2L,Ψ_3L分別為1、2、3側(cè)繞組產(chǎn)生的除Ψ_m以外的漏磁鏈；Ψ_ijL(i≠j)為第i個繞組產(chǎn)生的除Ψ_m以外的和第j個繞組交鏈的漏磁鏈。

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判據(jù)。

（1）兩繞組變壓器的保護判據(jù)

判據(jù)1：當(dāng)差動電流大于門檻值時，利用L₂的估算值，計算式(6)中的3個等式兩邊的差值，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，保護跳閘。由于L₂的估算值與實際值存在著誤差，故此判據(jù)的動作門檻值要躲過勵磁涌流和外部故障時方程兩側(cè)的差值，它能夠保證在發(fā)生較嚴重的內(nèi)部故障時保護正確動作。

判據(jù)2：當(dāng)差動電流大于門檻值時，利用式(6)計算3個方程中的L₂，如果3個方程分別計算出的L₂之間的差值超過門檻值，判定變壓器發(fā)生內(nèi)部故障，保護跳閘。此判據(jù)可在判據(jù)1的基礎(chǔ)上進一步判別變壓器的輕微故障。但在內(nèi)部相間短路時，由于差動電流數(shù)值很大，計算出的3個L₂數(shù)值會較小，識別其差值較困難。

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


的6個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，保護跳閘。由于的估算值與實際值存在著誤差，故此判據(jù)的動作門檻值要躲過勵磁涌流和外部故障時方程兩側(cè)的差值，它能夠保證在發(fā)生較嚴重的內(nèi)部故障時保護正確動作。


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

5 動模試驗及結(jié)果

5.1 動模試驗系統(tǒng)

為了驗證上述方法的正確性及可行性，通過動模試驗獲得了大量變壓器在各種運行狀態(tài)下的真實數(shù)據(jù)，在此，用這些數(shù)據(jù)對保護判據(jù)進行驗證。

動模試驗系統(tǒng)接線如圖4所示。



在此系統(tǒng)中的試驗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%