電力變壓器差動(dòng)保護(hù)方案的對(duì)比分析

1變壓器勵(lì)磁電流出現(xiàn)突變低壓差動(dòng)保護(hù)是核電站的主要保護(hù)之一。差動(dòng)保護(hù)的理論依據(jù)是curveletbahns規(guī)律。對(duì)于在發(fā)電機(jī)和線路保護(hù)的應(yīng)用中,差動(dòng)保護(hù)表現(xiàn)出了良好的選擇性、高靈敏度和高速動(dòng)性。但對(duì)于變壓器而言,由于內(nèi)部磁路的聯(lián)系,其本質(zhì)上不再滿足基爾霍夫電流定律,變壓器勵(lì)磁電流成了差動(dòng)保護(hù)不平衡電流的一種來(lái)源。在正常運(yùn)行時(shí),變壓器勵(lì)磁電流通常低于額定電流的1%,所以設(shè)定差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作值可準(zhǔn)確區(qū)分變壓器內(nèi)部故障與外部故障。但是,電力變壓器運(yùn)行條件復(fù)雜,當(dāng)變壓器過(guò)勵(lì)磁運(yùn)行時(shí),勵(lì)磁電流可達(dá)到變壓器額定電流的水平,將引起差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)作。在變壓器空載合閘或者變壓器外部短路被切除而變壓器電壓突然恢復(fù)時(shí),勵(lì)磁涌流達(dá)到額定電流的6倍~8倍,可與短路電流相比擬。而勵(lì)磁涌流流經(jīng)電源側(cè),造成變壓器兩側(cè)電流的不平衡,從而在差動(dòng)回路內(nèi)產(chǎn)生不平衡電流,導(dǎo)致差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)作。為解決由于勵(lì)磁涌流而使變壓器差動(dòng)保護(hù)經(jīng)常出現(xiàn)誤動(dòng)作的問(wèn)題,尋求正確識(shí)別變壓器內(nèi)部故障和勵(lì)磁涌流的方法,筆者對(duì)各種差動(dòng)保護(hù)方案的原理、優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用情況進(jìn)行了分析和評(píng)價(jià)。2熱點(diǎn)差動(dòng)保護(hù)電流波形特征識(shí)別法是一種傳統(tǒng)的識(shí)別法,一直是人們研究的熱點(diǎn),目前仍然占據(jù)差動(dòng)保護(hù)的主流。該方法是以勵(lì)磁涌流和內(nèi)部故障電流波形特征的差異為依據(jù)。已應(yīng)用于實(shí)踐的有二次諧波制動(dòng)原理、間斷角原理、小波變換方法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法等。2.1變壓器差動(dòng)保護(hù)二次諧波制動(dòng)法是計(jì)算差動(dòng)電流中的二次諧波電流與基波電流的幅值之比,若其值較大,則判定為涌流,常用的判別式為:式中Id2——二次諧波電流幅值Id1——基波電流幅值二次諧波制動(dòng)原理比較簡(jiǎn)單,目前國(guó)內(nèi)外實(shí)際投運(yùn)的微機(jī)變壓器保護(hù)大都采用該原理。但是,該原理的變壓器差動(dòng)保護(hù)存在以下幾個(gè)問(wèn)題。(1)勵(lì)磁涌流是暫態(tài)電流,不適合用傅里葉級(jí)數(shù)的諧波方法。因?yàn)閷?duì)暫態(tài)信號(hào)而言,傅里葉級(jí)數(shù)法的周期延拓將導(dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)果。(2)很難選擇制動(dòng)比。(3)在變壓器內(nèi)部故障不對(duì)稱的情況下,尤其在變壓器附近裝配無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備時(shí),會(huì)在故障電流中產(chǎn)生較大的二次諧波分量,使差動(dòng)保護(hù)被迫制動(dòng),直到二次諧波分量衰減后不能動(dòng)作,從而延遲了切除故障時(shí)間。(4)隨著電網(wǎng)電壓等級(jí)的提高和系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)大以及變壓器單機(jī)容量的擴(kuò)大,大型變壓器內(nèi)部嚴(yán)重故障時(shí),由于諧波使短路電流中的二次諧波含量增大,有可能使二次諧波制動(dòng),引起差動(dòng)保護(hù)延時(shí)動(dòng)作。2.2間斷角的保護(hù)間斷角原理利用了勵(lì)磁涌流波形具有較大間斷角的特征,通過(guò)檢測(cè)差流間斷角的大小實(shí)現(xiàn)鑒別涌流的目的。該原理的模擬式保護(hù)裝置已在電力系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用,但需解決電流互感器引起間斷角變形的問(wèn)題。當(dāng)電流互感器飽和時(shí),在涌流的間斷區(qū)域?qū)a(chǎn)生反向電流,可能導(dǎo)致涌流間斷角消失引起差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng),而對(duì)于內(nèi)部故障電流,電流互感器飽和將導(dǎo)致差動(dòng)電流的間斷角增大,從而引起拒動(dòng)。此外,用微機(jī)實(shí)現(xiàn)間斷原理時(shí),增加了保護(hù)裝置的硬件成本,主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面。(1)需要較高的采樣率以準(zhǔn)確測(cè)量間斷角,對(duì)CPU的計(jì)算速度提出了更高的要求。(2)勵(lì)磁涌流在間斷處的電流非常小,幾乎接近于0,而A/D轉(zhuǎn)換芯片在O點(diǎn)附近轉(zhuǎn)換誤差最大,因此,需要選用高分辨率的A/D轉(zhuǎn)換芯片。2.3高頻檢測(cè)與奇點(diǎn)檢測(cè)小波變換在時(shí)域和頻域中具有表征信號(hào)局部特征的能力,非常適合于非平穩(wěn)信號(hào)的分析,克服了傅里葉變換只能適應(yīng)穩(wěn)態(tài)或準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)信號(hào)分析的缺點(diǎn),可以準(zhǔn)確地提取信號(hào)的特征。目前,小波變換在差動(dòng)保護(hù)方面的應(yīng)用研究較為深入,但一直以來(lái)主要集中在高次諧波檢測(cè)和奇異點(diǎn)檢測(cè)。實(shí)際上兩者都是間斷角原理的一種推廣。高頻檢測(cè)反映的是差流狀態(tài)突變產(chǎn)生的高次諧波,高頻細(xì)節(jié)出現(xiàn)的位置對(duì)應(yīng)于變壓器飽和時(shí)刻、退飽和時(shí)刻或故障發(fā)生時(shí)刻。如果差動(dòng)電流的高頻細(xì)節(jié)突變周期性出現(xiàn),則為勵(lì)磁涌流;若出現(xiàn)一次后便很快衰減為0,則為內(nèi)部故障。奇異點(diǎn)檢測(cè)利用小波變換模極大值原理,檢測(cè)的是差流狀態(tài)突變而產(chǎn)生的第二類間斷點(diǎn),奇異點(diǎn)與勵(lì)磁涌流間斷角對(duì)應(yīng)。該方法還存在以下問(wèn)題。(1)就微機(jī)保護(hù)而言,獲得高頻分量需要提高采樣頻率,從而增加了技術(shù)難度和硬件成本。(2)受到系統(tǒng)諧波的影響時(shí),能否經(jīng)受住環(huán)境高頻噪聲考驗(yàn),有待進(jìn)一步研究。(3)如何正確檢測(cè)模值還是一個(gè)難題。2.4對(duì)已訓(xùn)練的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的檢測(cè)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)應(yīng)用于變壓器內(nèi)部故障和勵(lì)磁涌流的判別,主要是利用ANN優(yōu)秀的模式識(shí)別能力進(jìn)行電流波形識(shí)別。設(shè)計(jì)ANN時(shí)要經(jīng)歷如下幾個(gè)過(guò)程。(1)ANN類型的確定。(2)輸入和輸出層中各節(jié)點(diǎn)數(shù)目的確定。(3)隱含層及其節(jié)點(diǎn)數(shù)需多次試湊確定。(4)傳遞函數(shù)的選擇。(5)訓(xùn)練樣本的獲取。(6)數(shù)據(jù)預(yù)處理。(7)訓(xùn)練。(8)對(duì)已訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測(cè)試。該方法存在以下幾個(gè)問(wèn)題。(1)由于設(shè)計(jì)ANN過(guò)程需反復(fù)進(jìn)行,若在訓(xùn)練過(guò)程中或檢驗(yàn)時(shí)不能滿足要求,那么網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及各種參數(shù)都需要調(diào)整并重新訓(xùn)練,所以訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一件非常復(fù)雜煩瑣的事。(2)訓(xùn)練時(shí)需要大量的樣本數(shù)據(jù),其獲取和預(yù)處理的工作量相當(dāng)大,而且仍很難保證訓(xùn)練樣本集的完備性,從而出現(xiàn)誤判。3勵(lì)磁涌流算法計(jì)算利用內(nèi)部故障和勵(lì)磁涌流時(shí)變壓器磁鏈—差流ψ-id曲線的差別,文獻(xiàn)提出了勵(lì)磁涌流的磁通特性識(shí)別法。變壓器發(fā)生勵(lì)磁涌流時(shí),ψ-id曲線即為變壓器的空載磁化曲線;發(fā)生內(nèi)部故障時(shí),ψ-id曲線將偏離磁化曲線,且故障越嚴(yán)重偏離越嚴(yán)重。具體判據(jù)是:如果ψ-id位于磁化曲線之上,則該不平衡電流為勵(lì)磁涌流,否則為內(nèi)部故障電流。該判據(jù)雖然理論上可行,但實(shí)際上由于受到變壓器剩磁的影響,在勵(lì)磁涌流情況下計(jì)算得到的ψ-id將偏離磁化曲線,從而導(dǎo)致誤判。文獻(xiàn)又對(duì)上述方法進(jìn)行了改進(jìn),采用ψ-id曲線斜率dψ/did百分勵(lì)磁涌流和內(nèi)部故障電流的方法。如圖1所示,變壓器正常運(yùn)行于鐵心未飽和時(shí),dψ/did數(shù)值較大且為常數(shù);鐵心飽和時(shí),dψ/did數(shù)值較小;發(fā)生勵(lì)磁涌流時(shí),鐵心交替飽和,dψ/did將在大值與小值間周期變化;而內(nèi)部故障時(shí)dψ/did數(shù)值較小且為常數(shù)。為利用此特征,建立一個(gè)自動(dòng)計(jì)數(shù)器kc(kc>0)若dψ/did位于區(qū)域1內(nèi),則kc自動(dòng)增加1,若dψ/did位于區(qū)域2內(nèi),則kc自動(dòng)減1;其他情況下kc值不變。對(duì)于變壓器內(nèi)部故障狀態(tài),kc呈單調(diào)增加,而勵(lì)磁涌流時(shí)kc將從不大于1個(gè)閾值。因此可以確定一個(gè)閾值kcmax,從而得到下述判據(jù)。kc≥kcmax為內(nèi)部故障;kc<kcmax為勵(lì)磁涌流。該方法計(jì)及了勵(lì)磁涌流時(shí)變壓器鐵心飽和深入到勵(lì)磁涌流的產(chǎn)生源,因而實(shí)現(xiàn)了判別勵(lì)磁涌流的目的,具有一定的先進(jìn)性,但仍然存在如下不足。(1)需要用到變壓器的實(shí)際磁化曲線及漏抗參數(shù),這些參數(shù)若測(cè)量不準(zhǔn)或者發(fā)生變化,是否對(duì)勵(lì)磁涌流的鑒別產(chǎn)生影響尚需研究。(2)確定區(qū)域1和區(qū)域2較困難。(3)由于磁滯效應(yīng),磁化曲線并不是直線而是回線,并且kcmax需要通過(guò)試驗(yàn)確定。文獻(xiàn)利用變壓器磁通特性研究如何構(gòu)成差動(dòng)保護(hù)時(shí),避開(kāi)了不容易求得的漏感參數(shù),避開(kāi)了區(qū)域1和區(qū)域2之間的模糊性,提出了一種新方法。該方案基于電壓與電流微分比值的原理,將變壓器磁鏈方程進(jìn)行變換,得到:由于漏感L一般較小,可近似認(rèn)為L(zhǎng)=0,上式即變?yōu)?設(shè)磁化曲線的斜率為k,即變壓器正?？蛰d投入和內(nèi)部故障時(shí)的ψ-id關(guān)系如圖2所示。由圖2之中的ψ-id的關(guān)系曲線可知,對(duì)應(yīng)于變壓器正常時(shí)的折線1和2,在變壓器鐵心未飽和時(shí),在一個(gè)很大值和一個(gè)很小值之間變化。對(duì)應(yīng)于變壓器內(nèi)部故障時(shí)的直線3,近似于一個(gè)常數(shù)且數(shù)值很小。由此可見(jiàn),通過(guò)觀察的大小和變化可識(shí)別變壓器處于正常狀還是故障狀態(tài),但求需要知道變壓器鐵心的磁化曲線,是很難實(shí)現(xiàn)的。但是由式(1)可知,u和比值與u和比值是相等的,而且u和是很容易得到的,故可用u和的比值得到k值,由k值的變化來(lái)確定變壓器的運(yùn)行狀態(tài)。該方案有以下優(yōu)點(diǎn)。(1)該方案構(gòu)成原理簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)采集方便、計(jì)算量小、判據(jù)清楚,并具有較高的實(shí)用價(jià)值。(2)無(wú)需知道具體變壓器的磁化曲線及漏感參數(shù),因此構(gòu)成的保護(hù)裝置簡(jiǎn)單方便。(3)利用比值原理根據(jù)比值系數(shù)的大小和變化趨勢(shì)來(lái)判斷變壓器的狀態(tài),內(nèi)部故障和正常合閘分界線很明顯。但該方案的原理忽略了漏感L的大小,是否對(duì)勵(lì)磁涌流的鑒別產(chǎn)生不利的影響還需做進(jìn)一步的研究和證明。4變壓器保護(hù)的參數(shù)辨識(shí)法該方法基于變壓器一次側(cè)、二次側(cè)的互感磁鏈平衡方程與一次側(cè)和二次側(cè)電壓關(guān)于電流和互感磁鏈的方程,消去互感磁鏈,得到只包含一次側(cè)、二次側(cè)電壓和電流的線性模型。該模型不直接反映變壓器鐵心磁通的非線性,只表達(dá)變壓器一次和二次繞組漏感(l1、l2)、電阻(r1、r2)、電壓(u1、u2)及電流(i1、i2)間的關(guān)系。以單相變壓器為例,設(shè)變比為1,其表達(dá)式為:當(dāng)變壓器無(wú)故障時(shí),式(2)恒成立,而內(nèi)部故障時(shí),式(2)不再成立,定義,則當(dāng)|ε|>α?xí)r,變壓器為內(nèi)部故障。當(dāng)變壓器在正常運(yùn)行時(shí),勵(lì)磁涌流、過(guò)勵(lì)磁或外部短路時(shí),繞組漏感和電阻為常數(shù),而在內(nèi)部故障時(shí)就會(huì)發(fā)生變化。因此,可將繞組漏感和電阻是否發(fā)生變化作為區(qū)分變壓器內(nèi)部故障的判據(jù),變壓器保護(hù)的參數(shù)辨識(shí)法就是基于此原理。該方法不同于前述幾種方法,擺脫了勵(lì)磁涌流和過(guò)勵(lì)磁電流的困擾,其原理簡(jiǎn)單,但是在實(shí)踐中還存在如下困難。(1)變壓器一、二次繞組漏電感極難準(zhǔn)確獲得,導(dǎo)致整定困難。(2)對(duì)于具體變壓器需要大量試驗(yàn)以確定制動(dòng)閾值α,其應(yīng)用前景取決于理論上的進(jìn)一步突破。5變壓器故障的判據(jù)文獻(xiàn)提出了一種基于有功功率差動(dòng)的變壓器主保護(hù)新原理,該原理通過(guò)計(jì)算變壓器內(nèi)部消耗的有功功率來(lái)區(qū)分勵(lì)磁涌流和內(nèi)部故障。其基本原理是:正常運(yùn)行時(shí)變壓器消耗有功非常小,勵(lì)磁涌流時(shí)由于繞組存在儲(chǔ)能,第1個(gè)周期流入變壓器的有功較大,但是第2個(gè)周期之后,變壓器消耗的有功都非常小,當(dāng)變壓器絕緣損壞時(shí),電弧放電發(fā)熱將消耗大量的有功。所以通過(guò)檢測(cè)變壓器消耗有功的大小,即差有功功率可判別變壓器是否發(fā)生內(nèi)部故障。差有功率法的判據(jù)為:如果W(t)>ξ,則為內(nèi)部故障。對(duì)于單相雙繞組變壓器有:式中,u1、u2、i1、i2、r1、r2分別是變壓器一、二次繞組的瞬時(shí)電壓、電流和電阻。差有功率法不再受限制于勵(lì)磁涌流波形特征的鑒別中,從物理機(jī)理出發(fā)綜合考慮電壓和電流信息,是一種全新的方案,但是存在以下不足。(1)該方案仍然無(wú)法回避勵(lì)磁涌流帶來(lái)的不利影響,需要避開(kāi)涌流時(shí)變壓器第1周期的充電過(guò)程,使判別延時(shí)。(2)由于涌流時(shí)負(fù)載損耗很難精確計(jì)算,空載損耗增加,整定不容易。(3)變壓器外部故障時(shí)流過(guò)變壓器的較大穿越電流使變壓器消耗較大的有功,差有功率法帶來(lái)的影響不容忽視。文獻(xiàn)在文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上引入了瞬時(shí)功率的概念,直接利用變壓器兩側(cè)電壓和電流的采樣值計(jì)算出三相差瞬時(shí)功率并對(duì)其進(jìn)行頻譜分析,根據(jù)變壓器在不同狀態(tài)下三相差瞬時(shí)功率所表現(xiàn)出的頻譜特性差異來(lái)識(shí)別勵(lì)磁涌流和內(nèi)部故障電流。該方案從能量守恒的角度出發(fā),彌補(bǔ)了電流差動(dòng)保護(hù)在理論上的不足,同時(shí)合理利用了瞬時(shí)功率與有功功率之間的聯(lián)系,具有一定的優(yōu)越性。但勵(lì)磁涌流時(shí)變壓器的負(fù)載損耗和空載損耗并不小,而少匝數(shù)短路時(shí)形成的負(fù)載損耗也不大,單純利用有功損耗難以區(qū)分。因此該方案需利用瞬時(shí)功率幅頻特性中直流分量與基頻分量的比值來(lái)識(shí)別,在實(shí)現(xiàn)上增加了難度。目前該方案處于理論研究中。6多判據(jù)法的特點(diǎn)文獻(xiàn)提出的基于模糊邏輯的多判據(jù)法,在勵(lì)磁涌流識(shí)別法的基礎(chǔ)上,借助于模糊邏輯隸屬度和權(quán)重的概念,綜合了二次諧波制動(dòng)原理波形特征識(shí)別法、磁通特性識(shí)別法和低電壓判據(jù)的優(yōu)點(diǎn),利用模糊集合理論提出了一種多判據(jù)法。該方法體現(xiàn)了智能化特點(diǎn)。目前該方法只是變壓器差動(dòng)保護(hù)中識(shí)別勵(lì)磁涌流的一個(gè)新探索,還有許多問(wèn)題難以解決。一是模糊邏輯中隸屬函數(shù)與權(quán)重應(yīng)當(dāng)如何選擇?二是該方案需要技術(shù)人員對(duì)該原理有較深入的認(rèn)識(shí)。因此該方法仍需科研工作者進(jìn)行深入的研究。7變壓器差動(dòng)保護(hù)的發(fā)展趨勢(shì)