电力变压器内部励磁涌流判别方法的新进展
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作者: 孙晓娜 刘鲲
摘要：励磁涌流是电力变压器内部故障的主要电气量标志，它的判别一直是变压器差动保护的关键问题。为了准确判别励磁涌流，世界各国的科技工作者先后提出了许多方法，但仍不能很好地满足当前电力变压器保护所要求的可靠、安全及动作的快速性。文中对各种判别方法的原理、优缺点、技术关键及研究和应用现状进行了较详细的分析与客观评价，对比研究后给出了今后励磁涌流判别方法的发展方向。
关键词：电力变压器 励磁涌流 内部故障
1、引言
差动保护一直是电力变压器的主保护，其理论根据是基尔霍夫电流定律。由于大型电力变压器正常运行时的励磁电流相对于额定电流通常很小，所以适当设定差动保护动作值可以准确区分变压器内部故障与外部故障。但是，当空载合闸或者变压器外部短路被突然切除而端电压突然恢复时，暂态励磁电流(即励磁涌流)急剧增大，有可能达到短路电流的数量级，这样大的不平衡电流就必然导致差动保护误动作。为此，变压器差动保护的主要任务就是准确鉴别励磁涌流和内部故障电流。
为解决由于励磁涌流而使变压器差动保护经常出现误动作的问题，寻求正确识别变压器内部故障和励磁涌流的方法，国内外学者提出了电流特征判别法、磁通特性判别法、等值回路参数法等。本文较为详细地对各种判别方法的原理、优缺点及应用情况进行了分析，并介绍了新近提出的一些判别方法。
2、电流特征判别法
该方法利用励磁涌流和内部故障电流不同的波形特征作为区别的依据。主要有二次谐波制动原理、间断角特征原理、采样值差动原理、波形对称原理和尖顶波特征原理及波形正度特征原理…等。
2．1二次谐波制动原理
此原理是计算差动电流中的二次谐波分量与基波的比值，并据此设定制动比。若比值大于此制动比，则保护动作。目前国内外实际投入运行的变压器保护大都采用该原理。但是，采用二次谐波制动原理的变压器保护，存在着以下3个问题：
一是励磁涌流是暂态电流，不适合用傅里叶级数的周期延拓分析方法。
二是对于不同的应用环境很难选择适当的制动比。
三是现代变压器涌流时，二次谐波含量低，容易导致误动：而大容量变压器、远距离输电的发展，使得暂态电流中的二次谐波含量增大，容易导致拒动。
2．2间断角特征原理
由于涌流波形有较大间断角，此原理通过检测差动电流间断角的大小来鉴别励磁涌流与故障电流。此原理的模拟式保护装置已经投入应用，但是采用间断角原理的变压器保护，存在着以下2个问题：
问题一，由于电流互感器发生饱和，使间断角发生变形。
问题二，用微机实现时要求较高的计算速度和高分辨率的转换芯片，导致硬件成本升高。
2．3尖顶波特征原理
此原理的根据，一方面是由于变压器铁心材料的导磁性能随着饱和程度的增加而下降；另一方面是矽钢片的饱和是非均匀的，表层较里层容易饱和，所以励磁涌流波形具有尖顶波的这一特性。由此提出将初始5rns内差电流的数据拓展为10ms数据窗，为便于对差电流进行微分运算，先对数据进行拟合，得到电流近似的表达式，再根据拟
合曲线的相关特性构成判据，以识别励磁涌流和内部故障。
这是波形特征判别原理的新方法，利用最小二乘法拟合出差电流波形的表达多项式，再根据曲线在各点处的曲率大小和凹凸特性构成判据。但由于涌流波形与许多因素有关，使得在应用中存在的问题是：比较阈值难以确定，如果取得太大，保护可能误动；如果选得太小，保护可能拒动。
3、磁通特性判别法
该方法利用发生励磁涌流和内部故障电流时磁通特性的不同作为区别的依据。主要有励磁阻抗变化原理、瞬时励磁电感基频分量原理，等效瞬时漏感原理等。
3．1励磁阻抗变化原理
此原理利用测量阻抗在正常运行和故障时是基本不变的，而当励磁涌流时则是急剧变化的特性来区分励磁涌流与故障电流。用测量阻抗与其数学期望的均方差方差
3．2瞬时励磁电感基频分量原理
由于涌流时变压器铁心必然经历饱和与非饱和过程，瞬时励磁电感是时变、交替变化的，具有较大的基频分量：内部故障时，变压器铁心工作于线性区，瞬时励磁电感恒为常数，无基频分量。据此，可实现励磁涌流与内部故障的有效判别。但瞬时励磁电感很难精确求取，为方便计算提出了等效瞬时电感的概念。对于大型电力变压器来说，其等效电阻非常小，因此变压器的统
通过对等效瞬时电感进行傅里叶数分解，提取基频分量，即可实现区别励磁涌流与内部故障的目的。
上述两种原理，应用变压器电压和电流信号，不需要变压器的励磁阻抗及一、二次绕组漏阻抗等的具体数值，不但能够快速、可靠、安全地区分励磁涌流和内部故障电流，而且即使合闸于轻微故障情况，也可无延时地进行判别，准确地确定出故障相与涌流相，所以在实际应用中会有很好的前景。但是，目前它们仅适合于三单相变压器组，尚未推广到三柱式或五柱式变压器。
3．3 等效瞬时漏感原理
当变压器绕组发生变形或故障时，由于绕组的几何尺寸的变化，不论横向漏电感还是纵向漏电感磁场分布都将发生较大改变，从而使变压器绕组的漏感值发生变化，且故障相与非故障相的漏感值也会有明显的差异，基于这种差异或变化量制定了变压器保护判据。
在此假设下得到的判据是可行的，但在实际运行中由于制造工艺、老化程度和外部不平衡等因素的影响，常常出现三相绕组参数不平衡的情况，这时就会引起保护装置的误动。
4、等值回路参数法
该方法利用发生励磁涌流和内部故障电流时等值方程或参数的不同作为区别的依据。主要有等值回路原理nu和等值参数原理u副。
4．1等值回路原理
此原理利用△侧绕组内的不平衡电流推导得到变压器正常运行时的绕组不平衡参数回路方程，而在内部发生故障时回路方程不再成立这一特征来区分励磁涌流与故障电流。
联立变压器两侧各项回路方程可得包含电压电流及其一阶导数的方程：
其电压项的系数由变压器原、副边绕组的电阻及漏感值决定，在变压器正常运行状态下(包括励磁涌流及外部故障)，绕组电阻及漏感不会发生变化，式恒成但当变压器内部故障时，绕组电阻及漏感发生变化，式不再成立。所以可以通过判别式是否立来区分励磁涌流与故障电流。
此原理的不平衡系数需要变压器的励磁阻抗及一、二次绕组漏阻抗等的具体数值，文中是通过对变压器正常运行时原副边电流进行参数辨识而取得的，而且故障时的准确参数尚无可行的测取方法，导致整定困难，不利于实际应用。
4．2等值参数原理
此原理基于变压器导纳型等值电路，利用在励磁涌流时等值导纳为大于0的常值，而故障时的导纳随故障匝比而改变的特性区分变压器是否发生励磁涌流。
对于此等效电路，导纳Y13，Y23和Y12压器运行状况无关，是一个常数，而导纳Y10，Y20和Y30与变压器的运行状况相关。如果主绕组1在最外层，第3绕组在最里层，则励磁涌流时，Y10和Y30为大于0的常值；内部故障时，故障绕组的导纳(Y10，Y20或Y30)随故障匝比的增加而变正，但非故障绕组的导纳仍旧几乎为0或稍微变负。所以，根据导纳Y1O和Y30的瞬时值建立
此原理需要获取变压器漏电感参数，以求取Y13，Y23和Y12，进而根据实时采样得组电压、电流值计算瞬时导纳YI0和Y30，槛值的整定较难。
5．结论及展望
目前使用的励磁涌流与内部故障判别方法虽然种类繁多，但都不够完善，不能满足电力变压器继电保护的要求。为此，加速研制新判据非常迫切与重要。科学地讲，由于变压器发生励磁涌流时磁路的饱和，变压器是一个非线性时变系统，其电压、电流并非线性相关，而是系统中独立的2个变量。所以，只有应用电压、电流2个状态变量同时表述变压器的运行状态，信息才具有完备性。就理论而言，存在2种途径判别变压器励磁涌流与内部故障：一种途径是抛开差动保护的思路，应用变压器电流、电压信息，从解决问题的开始就避开励磁涌流的问题，如基于变压器回路方程的算法消去了直接体现变压器铁心磁通的非线性项，从而避开了励磁涌流的纠缠；另一种途径就是直面励磁涌流，寻求判别励磁涌流和内部故障的方法，这种途径应充分考虑励磁涌流时变压器铁心的非线性，如磁通特性法。此外，这一问题的解决还必须借助先进的科技识别手段，随着科学技术的发展，这一问题必将得到解决。
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