變壓器△側(cè)零序環(huán)流iD對勵磁涌流及差動保護的影響6.30

變壓器△側(cè)零序環(huán)流iD助增對勵磁涌流及差動保護的影響袁宇波[1,2]陸于平[1]陳久林[1]李澄[1](1.江蘇省電力公司技術(shù)中心，江蘇省南京市210036；2.東南大學(xué)電氣工程系，江蘇省南京市210096)摘要：以Y0/△接線的變壓器Y0側(cè)空載合閘的暫態(tài)過程為例，分析了△側(cè)環(huán)流助增對Y0側(cè)相電流的影響，并在此基礎(chǔ)上研究了涌流助增對兩種不同轉(zhuǎn)角變換方法變壓器差動保護的影響。分析結(jié)果表明：由于△側(cè)環(huán)流的影響，從躲空載合閘涌流的角度分析，基于Y0側(cè)相電流差（）的差動轉(zhuǎn)角方式二次諧波含量損失不會很大；而基于Y0側(cè)消零序電流的（）可能在某些空投情況下差流某一相的二次諧波特征消失，出現(xiàn)某一相差動電流與內(nèi)部故障相類似的波形特征，該相二次諧波無法制動引起差動保護動作，同時進一步的分析發(fā)現(xiàn)，涌流中的三次諧波含量在此情況下是增強的，可以引入三次諧波輔助判據(jù)來解決在這種情況下的缺陷。關(guān)鍵詞：勵磁涌流零序環(huán)流助增作用1引言近年來，由于數(shù)字變壓器保護的大量使用，解決了許多實際問題，但隨著應(yīng)用的不斷深入，也暴露出了一些問題?？蛰d合閘勵磁涌流是引起變壓器誤動的老問題，從目前報道的變壓器空載合閘誤動的涌流波形來看，出現(xiàn)了一些奇怪的新現(xiàn)象[7,9]，變壓器某一相出現(xiàn)了和內(nèi)部短路故障電流相似的波形特征，該相差流中二次諧波的含量非常小，幾乎等于零，二次諧波無法制動，導(dǎo)致變壓器差動保護動作。論文經(jīng)過充分的研究，試圖從理論上對該種現(xiàn)象進行解釋，得到一定的結(jié)論，以引起相關(guān)部門的重視。變壓器差動保護的性能和變壓器接線方式、差動保護的構(gòu)成原理、整定值等都有關(guān)系。以國內(nèi)普遍采用的Y0/△-11接線的變壓器為例，差動保護中幅值相位校正普遍存在兩種不同的轉(zhuǎn)角方法：一種是基于相間差動原理（）；一種是基于消零序（）的相電流差動原理。而《大機組繼電保護整定導(dǎo)則》中給出了二次諧波系數(shù)整定范圍為15％-20％，但此二次諧波整定值并沒有指定是應(yīng)用于何結(jié)構(gòu)的變壓器，也沒有指定應(yīng)用于何種幅值相位校正的差動保護。普遍都采用導(dǎo)則中規(guī)定的15％-20％制動系數(shù)是否合理，現(xiàn)場也對使用過程中的一些問題也產(chǎn)生過疑惑[4]。這些因素主要原因是三相涌流不同于單相變壓器涌流，單相變壓器的空載合閘涌流等于該變壓器的勵磁電流，而Y0/△-11接線的變壓器，在Y0側(cè)空載合閘時，由于△側(cè)存在環(huán)流，其Y0側(cè)的相電流其是由該相勵磁支路的電流與環(huán)流疊加而成，在有些情況下，Y0側(cè)某一相的線電流中也會出現(xiàn)對稱性涌流，而不是一般意義上的偏于一側(cè)的涌流，需要進行充分的研究和分析。2變壓器差動保護的幅值相位校正方法由于變壓器各側(cè)的額定電流、相位在正常運行時不一致，因此在形成差動電流之前，一般要進行幅值相位校正。常規(guī)差動保護一般通過CT一次接線方式來進行轉(zhuǎn)角，而在數(shù)字保護中可通過軟件來校正，CT一次側(cè)統(tǒng)一接成Ｙ形。為簡化分析，本文以Y0/△-11接線的變壓器為例，并設(shè)其兩側(cè)繞組的匝數(shù)相等。在軟件中有兩種不同的轉(zhuǎn)角方式，一種是常用的相間差動方式，高壓Ｙ0側(cè)的轉(zhuǎn)角公式為：（1）,,為轉(zhuǎn)角以后的Y0側(cè)ABC三相電流；,,為流過Y0側(cè)繞組的ABC三相電流，經(jīng)過式（1）后，Y側(cè)臂電流中就不包含有零序電流。低壓△側(cè)的轉(zhuǎn)角公式為：（2）,,為轉(zhuǎn)角以后的△側(cè)ABC三相電流；,,為流過△側(cè)ＡＢＣ三相線電流。從式（1,2）中可看出，幅值相位校正后兩臂電流中其實是由高壓Y0側(cè)與低壓△側(cè)兩相的繞組電流差構(gòu)成的，其電流的構(gòu)成量是一一對應(yīng)的，校正后的電流不包含Y0側(cè)的零序電流與△側(cè)的零序環(huán)流。（1）式減（2）式得到各相的差動電流為：（3）從式（3）可以看出，該轉(zhuǎn)角方式的變壓器差動是相間差動原理，在正常運行或區(qū)外故障時，各相的勵磁電流ima,imb,imc很小，各相差動電流理論上等于零。另外一種幅值校正方法是基于減零序電流的電流差動原理，在Y0側(cè)減去零序電流：（4）其中i0為Y0側(cè)的零序電流：（5）低壓△側(cè)的轉(zhuǎn)角方式為：（6）△側(cè)的線電流是由△側(cè)繞組電流構(gòu)成：（7）且△側(cè)的環(huán)流iD等于：（8）由（6,7,8）可以推導(dǎo)得到△側(cè)校正后的電流為：（9）將式（4）減去式（9）得到各相的差動電流為：（10）從式（10）可以看出，基于減零序的分相電流差動保護原理，其幅值相位校正后兩臂電流中不包含高壓Y0側(cè)的零序電流與低壓△側(cè)的零序環(huán)流，兩臂電流分別由其對應(yīng)的繞組電流構(gòu)成。其在正常運行或者區(qū)外故障時，由于勵磁支路的電流可忽略，且，因此各相的差動電流為零。式（3）與式（10）表明，變壓器在正常運行與區(qū)外故障時，由于勵磁支路電流很小，因此差流很小，差動保護可靠不動作，但在空載合閘勵磁涌流時，由于其勵磁支路的電流不能夠忽略，將出現(xiàn)差流，并且以上兩種不同的轉(zhuǎn)角方式，其差流的涌流特征就有很大的差異，下面將分析涌流中二次諧波含量特征。3涌流中的二次諧波含量分析以下圖為例，其三相繞組為接線，各相磁路完全獨立，即三相變壓器由三個單相變壓器組成，相與相之間不存在磁場的耦合，進行仿真計算。（a）接線圖(b)單相等效圖圖1變壓器的三相接線和單相等效電路Fig1Thesinglephaseequivalentcircuitoftransformer將△側(cè)的電壓電流經(jīng)過變比歸算后，得到圖（1b）的單相等效電路，該變壓器微分方程描述[2]：（11）由于外加激勵三相對稱，即，且，計及i0與iD的初始值相等，將式（11）中三式相加可以推導(dǎo)得：（12）由圖（1b）可得：（13）由（13）推導(dǎo)得：（14）計及變壓器兩側(cè)漏抗相等，即，將（12）代入（14），可以解得側(cè)的環(huán)流為：（15）將式（15）代入式（13）并化簡得到Y(jié)0側(cè)各相線電流：（16）三相變壓器Y0側(cè)空載合閘時，由于飽和相的勵磁電流通過非飽和相，非飽和相的二次側(cè)必然感應(yīng)出電流來抵消該電流，這電流就是側(cè)的環(huán)流，環(huán)流iD對非飽和相是去磁的，但對飽和相是助磁，該現(xiàn)象稱為涌流的助增作用[1,2,3]。因此高壓側(cè)TA測量到的勵磁涌流，并非三相各自的鐵芯磁化電流、、，它由各相的勵磁電流與環(huán)流構(gòu)成（13），同時側(cè)的環(huán)流可由三相勵磁電流、、求得（15），因此三相電流分別都和、、有關(guān)，要求出各相線電流，就首先要求出、、。在忽略漏抗上壓降的情況下，以A相為例：（17）各相的磁鏈主要和電源電壓、各相鐵芯剩磁有關(guān)，工程上計算三相鐵芯的勵磁電流方法，可以根據(jù)高壓側(cè)各相電源電壓，先獨立求解出磁化電流，再用式（16）計算三相線電流。以第二種基于減零序轉(zhuǎn)角方式為例，高壓側(cè)幅值相位校正后的電流為：18式（18）可以化簡為：（19）得到了Y0側(cè)經(jīng)過校正后各相電流的表達式后，就可以來分析各相涌流中二次諧波的特征。文獻[10]推導(dǎo)了勵磁涌流的傅里葉級數(shù)表達式，即：（20）其中n為諧波次數(shù)，Um為電源電壓的峰值，Sa（）為采樣函數(shù)，為涌流的波寬。由此可以得到勵磁涌流中基波與二次諧波相位差為：。即偏向于時間軸正側(cè)的涌流基波與二次諧波的相位差為0°，偏向于時間軸負側(cè)的基波與二次諧波的相位差為180°。如圖（2）所示相量平面，為了能將基波與二次諧波進行比相，將基波倍頻，所以A1,B1,C1之間相位差為240o，類似為負序，以A1相為基準，如A相的勵磁電流ima偏向于時間軸正側(cè)，則其二次諧波相量ima2應(yīng)與A1同相，如勵磁電流ima偏向于時間軸負側(cè)，則其二次諧波相量ima2與A1反相，在某個時刻B相二次諧波imb2的正方向在B1相量方向，C相的二次諧波imc2相量的正方向在C1相量上。圖（2）三相勵磁電流中基波與二次諧波相量圖Fig2thephasorofbaseand2ndharmonicinthreephaseinrushY0/△-11接線的變壓器，其Y0側(cè)轉(zhuǎn)角后的電流由三相的勵磁電流共同決定，如果三相的二次諧波滿足一定的數(shù)量和相位關(guān)系，那么極有可能會導(dǎo)致某一相的勵磁涌流中的二次諧波含量很小，甚至等于零，引起二次諧波制動不住，導(dǎo)致差動保護誤動，該現(xiàn)象也曾經(jīng)見過報道[7,9]，因此必須要引起一定的重視。為簡化計算，以（19）為例，從圖（2）中可以看出，如果二次諧波的含量滿足如圖中所示情況，即AC相二次諧波含量相同，且都偏向于時間軸負側(cè)，B相涌流偏向于時間軸正側(cè)，其二次諧波的大小分別為：（21）根據(jù)式（19）得到校正后的高壓側(cè)各相電流二次諧波含量為：（22）此時經(jīng)過歸算后B相的二次諧波含量為零，同時通過計算，其它兩相涌流的二次諧波含量也較歸算前有所減小。但是如按照第一種相間電流差的歸算方法，可以得到高壓側(cè)歸算后的電流為：（23）其二次諧波含量為：（22）由于歸算后的三相高壓側(cè)電流為兩相勵磁電流的差除以，以為例，在三相電力變壓器勵磁支路的勵磁涌流中，根據(jù)以上關(guān)于二次諧波的相位分析結(jié)論，二次諧波相量一般不在一條直線上，無論中的二次諧波含量多少，只要中有一相二次諧波含量較大，其轉(zhuǎn)角后的二次諧波都能夠保證一定的含量。而式（18,19）轉(zhuǎn)角后高壓側(cè)電流是由三相勵磁電流構(gòu)成，在一個平面內(nèi)的三個相量必然線性相關(guān)，總有可能在某些條件下，三相涌流通過線性組合后二次諧波互相抵消，使得轉(zhuǎn)角后高壓側(cè)電流某一相電流的二次諧波為零或接近于零，但剩下的其它兩相其二次諧波應(yīng)該相對比較大。以圖2中的為例，當中的二次諧波相量分別滿足式（21）的條件時，通過式（19）中作用后，中的二次諧波含量等于零，如此時差動保護采用分相電流差動，那么該相的差動保護將會誤動；如果采用或制動，或許可以不引起誤動。同時分析發(fā)現(xiàn)，二次諧波含量比較小的相，對三次諧波來說是增強的，如下圖所示，對于ABC三相勵磁支路來說，涌流中基波與三次諧波的相位差也具有二次諧波相位的特征，即偏向于時間軸正側(cè)的涌流基波與三次諧波之間的相位差為0o，偏向于時間軸負側(cè)的涌流其基波與三次諧波夾角為180o，但是三次諧波ABC三相之間相差360o，因此三次諧波具有類似零序的性質(zhì)，如圖3所示為涌流中基波三倍頻與三次諧波的相位關(guān)系。A1、B1、C1同方向，由上面分析可知，AC相涌流偏向于時間軸負側(cè)，因此AC相三次諧波在負方向，B相涌流偏向于時間軸正側(cè)，因此B相三次諧波在正方向，如圖（3）為旋轉(zhuǎn)平面圖：圖（3）三相勵磁電流中基波與三次諧波相量圖Fig3thephasorofbaseand3rdharmonicinthreephaseinrush下面將通過仿真與實際故障錄波進一步說明。4仿真與實際錄波實例圖（4）空載合閘時各相勵磁電流與零序環(huán)流iDFig4theenergizinginrushandcirculationcurrentiD變壓器為接線方式，一次側(cè)為接線方式，A相電壓合閘角為120o，，，，通過仿真計算得到變壓器側(cè)空載合閘的結(jié)果。從圖（4）可以明顯的看出，從高壓Y0側(cè)空載合閘時，ABC三相的勵磁支路的勵磁電流具有明顯的涌流特征，其二次諧波含量也相對較高，但是用式（4）進行幅值相位校正后，高壓Y0側(cè)ABC三相轉(zhuǎn)角后的電流波形于勵磁電流的波形特征相差很大。如圖（5）所示。圖（5）幅值相位校正后的ABC三相電流波形Fig5currentofphaseABCbyrevisemethod從中可以看出，B相出現(xiàn)了類似于內(nèi)部故障短路電流的特征，其波形與二次諧波見圖（5）。從圖（6）中看出，B相電流類似二次工頻正弦波，二次諧波含量非常小，差動保護很難區(qū)分是區(qū)內(nèi)故障還是空載合閘涌流，會引起B(yǎng)相差動保護誤動，如采用分相電流差動，B相差動動作跳三相，那么必然導(dǎo)致變壓器差動保護誤動。同時分析可以知道，A、C相的二次諧波也有不同程度的下降，但是還是能夠滿足15％的制動條件，為了保證差動保護在空載合閘的時候不誤動，可將該原理設(shè)置成三相或制動模式，同時從圖（5）可以看出，差動電流中的三次諧波含量很大，在20%以上，三次諧波的含量是增強的，可以增加三次諧波輔助制動判據(jù)。圖（6）B電流波形及其二次諧波含量Fig6thewaveformofphaseBandits2ndand3rdharmoniccontent文獻[9]報道了一次現(xiàn)場基于減零序原理出現(xiàn)的誤動現(xiàn)象，但是并沒有分析出變壓器差動保護在空載合閘涌流時誤動的原因，現(xiàn)將錄波圖與描述引用如下：圖（7）一次實際誤動的C相差流與二次諧波含量圖Fig7thewaveformofphaseBandits2ndharmoniccontent從圖可以看出C相差流的二次諧波含量在10%以上，且逐漸變大，最后才達到14%以上（0-20ms和80-100ms的量是由于采樣數(shù)據(jù)窗暫態(tài)造成全波傅氏算法的誤差）。根據(jù)上述二次諧波含量的分析圖，可以看出由于C相差流的勵磁涌流判據(jù)中的二次諧波含量小于二次諧波閉鎖整定值（整定值為15%），C相涌流的初始波形對稱性極好，基于波形對稱原理差動保護也出口跳閘，而波形對稱原理從本質(zhì)上看是一種偶次諧波制動原理的推廣，因此造成了二套不同涌流制動原理的差動保護同時跳閘的現(xiàn)象。但從該波形后面的部分可以看出，該波形出現(xiàn)了對稱性畸變，含有豐富的三次次諧波含量，應(yīng)該充分應(yīng)用。圖（8）實際現(xiàn)場測錄到的三相涌流Fig8thethreephasecurrentwaveformoftransformeratsiteexperiments圖（8）為實際現(xiàn)場變壓器啟動試驗中的錄波數(shù)據(jù)，可以看出，由于側(cè)環(huán)流的助增作用，引起變壓器Y0側(cè)的涌流與單相涌流不同，其中B相出現(xiàn)了對稱性涌流，但是其勵磁支路的電流特征應(yīng)該和單相變壓器的涌流特征相似。對比上面的變壓器仿真、保護誤動錄波，現(xiàn)場啟動錄波波形特征可以看出，由于側(cè)環(huán)流的助增作用，引起三相涌流出現(xiàn)新的特征，其對變壓器差動保護的影響也不容忽視，并且其誤動原因應(yīng)該和轉(zhuǎn)角方式有關(guān)，需要引起廣泛的關(guān)注。5結(jié)論建議措施論文討論了零序助增作用給變壓器差動保護帶來的影響，并分析了不同原理變壓器差動保護在涌流情況下的特性，通過對兩種不同原理差動保護的分析，可以得到以下結(jié)論：（a）變壓器差動保護躲勵磁涌流的性能與差動保護的原理有關(guān)，基于相間電流差的差動保護原理，經(jīng)過幅值相位校正后，由于其幅值相位校正后的電流只和兩相勵磁電流有關(guān)，其二次諧波含量的損失較小，對基于二次諧波或波形對稱原理的變壓器差動保護影響較小。（b）基于消除零序的差動保護原理，其在區(qū)內(nèi)故障時，靈敏度較高，但在涌流的情況下，由于其校正后的電流與三相勵磁電流都有關(guān)，在某些情況下，可能會使得三相勵磁電流中的二次諧波含量相互抵消，引起二次諧波制動原理失效，導(dǎo)致差動保護誤動，但其它兩相的二次諧波可能含量較高，同時通過分析可以發(fā)現(xiàn)，二次諧波含量較小差動電流中含有豐富的三次諧波分量，因此更為有效的方法采用三次諧波輔助判據(jù)，但三次諧波的整定值的大小需要進一步的探討。本文中采用的變壓器模型由于采用三相磁路相互獨立，因此結(jié)論只適用于三相五柱式或三相分體變壓器，對于三相三柱的變壓器，由于三相磁路之間本身存在耦合，理論上看，如將△繞組開斷進行空載合閘，Y0側(cè)還可能出現(xiàn)對稱性質(zhì)涌流，因此需要充分考慮三行磁路耦合的變壓器模型，進行深入的研究。參考文獻王維儉，候炳蘊(WANGWeijian，HOUBingyun)大機組繼電保護理論基礎(chǔ)(TheTheoryoflargeGeneratorandTransformerProtection)[M]北京：水利電力出版社(Beijing：HydraulicandE1ectricPowerPress)，1989．史世文(ShiShiwen),大機組繼電保護(Largescalegeneratortransformerunitprotection)[M],水利電力出版社(BeijingHydraulicandElectricPowerPress),1987陳增田(ChenZengtian).電力變壓器保護（第二版）(ProtectionofTransformer).北京：水利電力出版社(HydraulicandE1ectricPowerPress)[M]，1989李本瑜(LiBenyu),RCS-978變壓器保護二次諧波制動系數(shù)整定值探討(SettingproblemforcoefficientofsecondaryharmonicssuppressiononRCS-978transformerprotectionset),繼電器(Relay),2004.8vol32(15).74:75鄧祥力,劉世明(DengXiangli,LiuShiming),變壓器保護兩種轉(zhuǎn)角方式的比較Comparisonoftwocurrentcompensationmethodsintransformerprotection),繼電器(Relay),2004.8vol32(16).陳松林,李海英等(ChenSongLin，LiHaiying，eta1)RCS-978變壓器成套保護裝置(RCS-978DigitalTransformerProtectionSet)[J].電力系統(tǒng)自動化(AutomationofE1ectricPowerSystem)，2000，24(22)：52-56.陳松林,變壓器保護應(yīng)用中一些技術(shù)問題的探討,2004電氣主設(shè)備保護會議,中國南京.丁網(wǎng)林,駱健,劉強,零序電流對數(shù)字變壓器差動保護Y,d矢量變換的影響及對策(DingWanglin,LuoJian,LiuQiang,EffectofZero-sequenceCurrentonStar-deltaVectorTransformofDigitalTransformerDifferentialProtection,),電力系統(tǒng)自動化,2004,vol28(5)電力系統(tǒng)自動化,(AutomationofE1ectricPowerSystem),2004,vol28(5)吳奕(WUYi),主變空載合閘涌流造成微機差動保護跳閘的分析與建議(AnalysisandSuggestiontoDigitalDifferentialProtectionbytheEffectofRushCurrentWhenPoweronaUnloadedTransformer),江蘇電機工程,2004.6[10]袁宇波（YuanYubo）,自適應(yīng)變壓器差動保護原理與方法的研究，東南大學(xué)電氣工程系博士學(xué)位論文，2004.1TheInfluenceAnalysisonY/DeltaTransformerDifferentialProtectionbyAdd-assistCirculationCurrentatDeltaSideYUANYu-bo1,2，LUYu-ping2，WangXijun2，ChenJiuLin1,LIChen1(1.R&DCenterofJiangsuElectricPowerCo,Nanjing210036,JiangsuProvince,China)2.ElectricalEngineeringDepartmentofSoutheastUniversity,Nanjing210096,JiangsuProvince,China）ABSTRACT：Inrecentyears,Somenewphenomenahavebeenobservedwhenrecordingdatawaveforms,whichleaddifferentialprotectionmal-operations..Ithasbeendiscoveredthatonephaseofinrushcurrentindifferentialcalculatingcurrentissimilartotheinternalfaultcurrent,andthevalueofitssecondharmoniccomponentisalmostequaltozero,whichisverysmallandlowandcausesatransformerdifferentialrelaymal-operation.Inthispaper,thecausesofthiskindofmal-operationsareanalyzed.Itispointedoutthatthestrategyofanglecompensationindifferentialprotectionhasagreatinfluenceonmal-operations.WhenenergizinganunloadtransformeronY0side,thecirculatingcurrentindeltasidemayeliminateordistortinrushcurrentwaveformsonY0side.Thiskindofeliminationeffectphenomenonininrushcurrentiscalledtheaffectionofadd-assistcurrent(AA)ininrush.ItisalsostudiedhowAAcurrentimpactontheperformanceofdifferentialprotectionperformancewithtwodiff