采用變壓器模型的新型變壓器保護原理及設計

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

現在實(shí)際運行的變壓器差動(dòng)保護，主要是采用以二次諧波制動(dòng)原理和間斷角原理來(lái)判別勵磁涌流，其中二次諧波制動(dòng)原理應用最為廣泛。但是由于CT飽和，無(wú)功補償用的并聯(lián)電容或超高壓長(cháng)輸電線(xiàn)分布電容的存在，使得變壓器發(fā)生內部故障時(shí)也會(huì )產(chǎn)生很大的二次諧波，而且隨著(zhù)大型變壓器鐵心采用冷軋硅鋼片后，飽和磁通倍數由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(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，保護就可能存在不正確動(dòng)作；基于間斷角原理的勵磁涌流識別方案也存在著(zhù)受CT傳變影響等問(wèn)題^[1~4]。其他有代表性的鑒別勵磁涌流的方法有波形對稱(chēng)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，由于三相變壓器勵磁涌流的波形特征隨系統電壓和等值阻抗、合閘初相角、剩磁大小和方向、繞組接線(xiàn)方式和中性點(diǎn)接地方式、三相鐵心結構、鐵心材料和組裝工藝、磁滯回線(xiàn)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的防止由勵磁涌流而引起誤動(dòng)的措施均不能保證變壓器差動(dòng)保護不誤動(dòng)，差別僅是誤動(dòng)次數的多少^[5]。

不依賴(lài)于勵磁涌流波形特征的方案有：磁通特性識別法^[6]，等值電路參數鑒別法^[7]。這兩種算法的不足在于都需要預先計算變壓器漏感參數，而且整定困難，其應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，推導出了動(dòng)作方程，并提出了保護判據。動(dòng)模實(shí)驗數據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(guò)激磁情況。只有內部故障時(shí)，由于變壓器模型本身的內部結構參數發(fā)生了變化，它才不再成立。因此，可以通過(guò)判別式(2)是否成立，來(lái)決定保護的動(dòng)作行為，因而，在勵磁涌流、過(guò)激磁、外部故障情況下保護不會(huì )誤動(dòng)作。下面分別推導兩繞組和三繞組變壓器的動(dòng)作方程，并根據其動(dòng)作方程提出了保護判據。

3動(dòng)作方程的推導

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(xiàn)的三相變壓器，根據電路原理可得到


側繞組各相的漏感；r為?側繞組各相的電阻；R為Y側繞組各相的電阻；Ψ_a,Ψ_b,Ψ_c,為兩側繞組的互感磁鏈。





側可測的各相電流，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側，可得


由于變壓器制造廠(chǎng)家一般只提供變壓器的短路電抗x_k，并不提供各側繞組的漏感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(shí)，式(6)中的3個(gè)等式成立，而且3個(gè)等式中的L₂應為同一值；只有變壓器發(fā)生內部故障時(shí)，式(6)中的3個(gè)等式不成立，越嚴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)等式計算出的L₂也會(huì )有較大差別。這是制定兩繞組變壓器保護判據的依據。

3.2三繞組三相變壓器的動(dòng)作方程

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



對單相繞組有：

式中r₁,r₂,r₃為1、2、3側繞組的電阻值;Ψ₁,Ψ₂,Ψ₃分別為穿過(guò)1、2、3側繞組的總磁鏈；Ψ_m為穿過(guò)1、2、3側繞組的公共磁鏈；Ψ_1L,Ψ_2L,Ψ_3L分別為1、2、3側繞組產(chǎn)生的除Ψ_m以外的漏磁鏈；Ψ_ijL(i≠j)為第i個(gè)繞組產(chǎn)生的除Ψ_m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(chǎng)家提供的變壓器各側的電抗(歸算到第1側)。


4 保護判據

根據上面的推導，可以分別制定兩繞組和三繞組變壓器的保護判據。

（1）兩繞組變壓器的保護判據

判據1：當差動(dòng)電流大于門(mén)檻值時(shí)，利用L₂的估算值，計算式(6)中的3個(gè)等式兩邊的差值，如果等式兩邊的差值超過(guò)門(mén)檻值，判定變壓器發(fā)生內部故障，保護跳閘。由于L₂的估算值與實(shí)際值存在著(zhù)誤差，故此判據的動(dòng)作門(mén)檻值要躲過(guò)勵磁涌流和外部故障時(shí)方程兩側的差值，它能夠保證在發(fā)生較嚴重的內部故障時(shí)保護正確動(dòng)作。

判據2：當差動(dòng)電流大于門(mén)檻值時(shí)，利用式(6)計算3個(gè)方程中的L₂，如果3個(gè)方程分別計算出的L₂之間的差值超過(guò)門(mén)檻值，判定變壓器發(fā)生內部故障，保護跳閘。此判據可在判據1的基礎上進(jìn)一步判別變壓器的輕微故障。但在內部相間短路時(shí)，由于差動(dòng)電流數值很大，計算出的3個(gè)L₂數值會(huì )較小，識別其差值較困難。

因此，判據1用來(lái)識別嚴重內部故障，判據2用來(lái)識別輕微內部故障，兩者相結合就會(huì )達到很好的效果。


的6個(gè)方程等式兩邊的差值，如果等式兩邊的差值超過(guò)門(mén)檻值，判定變壓器發(fā)生內部故障，保護跳閘。由于的估算值與實(shí)際值存在著(zhù)誤差，故此判據的動(dòng)作門(mén)檻值要躲過(guò)勵磁涌流和外部故障時(shí)方程兩側的差值，它能夠保證在發(fā)生較嚴重的內部故障時(shí)保護正確動(dòng)作。


同樣，判據1用來(lái)識別嚴重內部故障，判據2用來(lái)識別輕微內部故障，兩者相結合會(huì )達到很好的效果。

5 動(dòng)模試驗及結果

5.1 動(dòng)模試驗系統

為了驗證上述方法的正確性及可行性，通過(guò)動(dòng)模試驗獲得了大量變壓器在各種運行狀態(tài)下的真實(shí)數據，在此，用這些數據對保護判據進(jìn)行驗證。

動(dòng)模試驗系統接線(xiàn)如圖4所示。



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