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多原理的数字式变压器保护的应用
赵永彬, 陈笑雁
(国电南京自动化股份有限公司, 南京 210003)
摘 要: 分析使用几种原理的变压器保护，将各有优缺点的不同原理综合应用在同一保护上，提出多原理的数字式变压器保护，采用硬件和软件双重冗余性原理，大大提高了保护装置应用的可靠性和灵敏性。
关键词: 变压器保护; 误动和拒动; 多原理; 冗余; 可靠性和灵敏性
Applications of Digital Transformer Protection Based on Much Theory
ZHAO Yongbin, CHEN Xiaoyan
(Guodian Nanjing Automation Co,.Ltd, Nanjing 210003, China)
Abstract: The article analyzes application of transformer protection based on different theories, and brings forward much theory's digital transformer protection, theorie s with different advantages and disadvantages are used together in the same prot ection,the protection adopts hardware and software's redundancy, which improves reliability and sensitivity of the protection.
Key words: transformer protection; mistake action and rejec ting action; much theory; redundancy; reliability and sensitivity
1前言
国内微机变压器保护应用越来越广泛，变压器保护的技术难点在于空投变压器的励磁涌流制动。国内外微机保护的涌流谐波制动原理虽已得到普遍应用，但实际应用效果并不理想。每一种保护原理都可以从其数学分析或实际应用中找到它的不足之处。本文从数学方面分析变压器保护的多种原理，然后将不同原理应用在一起，互相弥补各自的不足，设计出一种多原理的微机变压器保护，大大提高了应用的可靠性。
2变压器励磁涌流的特点
正常运行情况下变压器工作在磁通的线性段OS，如图1。铁芯未饱和，其相对导磁率μ很大，变压器绕组的励磁电感也很大，因而励磁电流很小。
当变压器空投或故障切除后电压恢复时，一旦铁芯饱和后，相对导磁率接近1，变压器绕组电感降低，伴随出现数值很大的励磁涌流，其数值可以达到额定电流的6～8倍以上，出现尖顶形状的励磁涌流，如图2。其中含有相当成分的周期分量和高次谐波分量，尤以二次谐波比例较大［1］，并且在最初几个周期内可能完全偏于时间轴的一侧，波形出现间断，不对称，此电流流入差动继电器，可能引起保护装置误动。
3励磁涌流的数学分析
假定变压器在电压过零点时投入，分析单相达到的最大总磁通Φ=f(t)的关系，如图3。
为了分析方便，用两段折线Oa、ab代替磁通曲线Φ=f(I)，可分析出电流I=f(t)的关系，如图4，可知电流波形出现间断，间断角为t2＜t＜t3的角度。
对于单相变压器，忽略回路中的电阻，变压器投入时其暂态过程可用下式表达［1］
Aa、Ab含义如式(2)所示
A=cosα-(Bs-Br)/(U*Bm) (2)
其中：
Bs—变压器饱和磁通密度
Br—变压器剩余磁通密度
Bm—变压器最大工作磁通密度
Bm＝ /(wws)
U*—空投前系统电压与额定电压之比
 UT—变压器在实用抽头下的额定电压。
假定剩磁：Bra=Brb=Brc=0.6U*Bm，取饱和Bs=1.3U*Bm，则此时流入继电器电流间断角为：θja=θjc=115°，θjb=84°，θjb为对称性涌流的最小间断角。
利用上述关系可求出在不同Bs、Br情况下的间断角。例如，考虑最大剩磁情况，取Bra=Brb=Brc=0.9U*Bm，同时取Bs=1.4U*Bm，利用上述关系可以求得：θjb=π/3，θja=θjc=π/2。如果选取适当的Bs和Br值，最小间断角可能小于30°。
根据运行和动模录波的结果，结合理论分析，一般情况下，间断角θj∈(60°,150°)。
4二次谐波制动原理
变压器空投或切除后恢复供电时，三相励磁涌流中不同程度含有二次谐波分量［1，2］，二次谐波分量的含量存在很大的分散性。
为了在变压器空投时保护不误动，常选取三相电流中最大二次谐波含量来闭锁差动保护，即“或”门方式。制动关系如下
max(I2A/I1A，I2B/I1B，I2C/I1C)≥K1 (3)
其中：I1A、I1B、I1C，I2A、I2B、I2C分别表示三相差流有效值和二次谐波有效值。
试验与分析表明：三相中总有一相的二次谐波含量超过30%，一般选取15%~20%的比值便可以 很好地闭锁差动保护。所以采用式(3)三相中最大相来制动，可以在变压器空投或故障切除 后恢复供电时可靠闭锁差动保护，保护不误动，这种方法是可行的。但采用式(3)制动方式，如果在带有匝间短路的变压器合闸时，由于变压器容量、电压等级、变压器的铁芯结构等因素影响，励磁涌流可能长达5s才衰减，保护只有非故障相涌流经过长时间衰减后，才能动作［3］。此时可能造成变压器保护的实际拒动，严重时可能烧毁变压器。为了提高此时差动保护的灵敏性，不少人员采用二次谐波的分相制动原理，即“与”门方式，制动关系如下
式(4)中的变量含义如式(3)示。
此时K2取值为7%~12%左右，任何一相的二次谐波含量小于式（4）中的K2值，保护不被谐波闭锁。该原理的二次谐波制动关系在变压器空投或故障切除后恢复供电时，发生轻微匝间故障，涌流闭锁基本上不受健全相的涌流影响，在经过1～2个周波后，保护被解除闭锁，可以快速动作，事故不至于扩大，如图6所示。
采用式(4)的制动原理，试验分析表明,在变压器空投或故障切除后恢复供电时，容易误动。同样容量、电压等级的变压器多次试验，三相励磁涌流二次谐波含量存在很大的分散性，有时某相的二次谐波含量可能小于7.5%，甚至更小，所以式(4)中的K2值选取即使很小，达到7.5%，也不能可靠的闭锁保护。同时由于电力系统高压超高压长线路以及电缆的使用，补偿电容或电缆容性电流的影响，在正常故障时，也会使故障电流中出现不同含量的二次谐波，如果式(4)中的K2值太小，会在区内故障时误闭锁差动保护，造成保护的 延缓动作或拒动。
针对上述两种二次谐波的选取，式(3)不会造成空投变压器保护的误动，但会在某些故障下，保护延缓动作，式(4)会造成保护的误动和拒动。
5间断角原理
由数学和录波分析可知，涌流波形出现间断，正常情况下间断角θj∈(60°,150°)，当 剩磁在0.3~0.7Bm的情况下，利用判断间断角的大小来闭锁差动保护，便可防止变压 器空投或切除后恢复供电时保护误动。为了使允许的最大剩磁达到0.7Bm以上，以及在变压器过激磁时不会误动作，通常增加测量涌流波宽作为判据。
涌流判据取决于涌流导数的最大波宽和最小间断角，在同样饱和磁通密度Bs下，跟剩磁密度Br有很大关系。
1)可能的最大剩磁密度为0.9Bm
波宽θω≥130°，间断角θj≤50°
2)可能的最大剩磁密度为0.3～0.7Bm
波宽θω≥140°，间断角θj≤65°
上述两种情况下的判据，在波宽和间断角同时满足的情况下，方允许继电器动作。
由图5的三相励磁涌流求导可得，此时A相的初相角αa=0，B相励磁涌流ijb为对称性。B相最大波宽θbw=2π/3
A、C相的涌流偏于时间轴的一侧，其导数dija/dt的后半波和dijc/dt的前半波有最大波宽，A相最大波宽θaw=2π/3+arcsinAa,C相最大波宽计算与A相类似。
涌流闭锁元件的波宽和间断角，通常按式(5)整定，波宽θω≥120°，间断角θj≤60°(5)在涌流情况下不满足式(5)，闭锁保护；在故障时满足条件，开放保护。
励磁涌流很大时，如果电流互感器饱和，在间断角中会出现反向电流，为防止反向电流影响波宽和间断角，实际计算时取一定的门槛，门槛公式为
IT=K1*iT+I0
其中：
IT代表某相间断角无流时浮动门坎值；
iT为一周内差流的最大值；
K1是比例系数；
I0为门坎值的固定 [1] [2] 下一页
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