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- 2021-05-15 发布
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• 6.3.1 单相变压器的励磁涌流
变压器的额定磁通----指变压器运行电压等于额定电压时,铁芯中产生
的磁通。
用标么值表示时,电压和磁通之间的关系为:
设变压器在t=0时刻空载合闸时,加在变压器上的电压为
u=Umsin(wt+α),解式(6-43)的微分方程,得:
-Φmcos(wt+α)----稳态磁通分量,其中Φm=Um/w;
Φ(0)----自由分量,如计及变压器的损耗,应该是衰减的非周期分量,
这里没有考虑损耗,所以是直流分量。
由于铁芯的磁通不能突变,可求得:
Φr----变压器铁芯的剩磁,其大小和方向与变压器切除时刻的电压(磁
通)有关。
(6 43)du
dt
(0)cos( ) (6 44)m t
(0) cos( ) (6 45)m r
6.3 变压器励磁涌流及鉴别方法
变压器稳态运行时:铁芯不会饱和;
变压器空载合闸后的暂态过程中:
最严重的情况是在电压过零时刻(α=0)合闸, 最大值为
2Φm+Φr,远大于Φsat,造成变压器的严重饱和。
在励磁涌流分析中,通常用θ=wt+α来代替时间,这样 是
以2π为周期变化的。在(0,2π)周期内,θ1<θ<2π-θ1时发
生饱和,而θ=π时饱和最严重。令Φ=Φsat,由图6-12可得:
1 1
coscos( ),0 , (6 46)m r sat
m
Arc
Φ(0)可能使 大于饱和磁通Φsat
图6-12
变压器铁芯饱和
合闸半个周期(wt=π)后 达到
最大值,即Φ=2Φmcosα+Φr
若铁芯剩磁Φr>0,
cosα>0
如图6-13所示:
铁芯不饱和时----磁化曲线的斜率
很大,励磁电流iμ近似为零;
铁芯饱和后-----磁化曲线的斜率Lμ
很小,iμ大大增加,形成励磁涌流。
在(0,2π)周期内:
励磁涌流的波形如图6-14所示,波形完全偏离时间轴一侧,
且是间断的。波形间断的宽度称为励磁涌流的间断角θJ,显
然:
1 1
1 1 1
0,0 , , 2
(6 47)
(cos cos ) / , 2m
or
i
L
图6-13
12 (6 48)J
图6-14
励磁涌流中除了基波分量外,还存在大量的非周期分量和谐
波分量。由于励磁涌流是周期函数,可以展开成傅氏级数:
将式(6-47)代入式(6-50),就可计算出非周期分量和各
次谐波分量。通常关心的是励磁涌流中非周期分量和高次谐
波分量的含量(即它们与基波分量的相对大小)。显然,在
上述简化的饱和特性的前提下,它们只与间断角有关,与励
磁涌流幅值无关。
0
1
( sin cos )(6 49)
2 n n
n
bi a n b n
2 2
0 0
1 1sin , cos , (6 50)n e n ea i n d b i n d
0 0
2 2
1 1 1
2 2
/ 2
n n n
I b
I a b
I a b
非周期(直流)分量为:
基波分量为:
高次谐波分量为:
综合上面的分析,单相变压器励磁涌流有以下特点:
1. 在变压器空载合闸时,涌流是否产生以及涌流的大小与合闸
角有关,合闸角α=0和α=π时励磁涌流最大。
2. 波形完全偏离时间轴的一侧,并且出现间断。涌流越大,间
断角越小。
3. 含有很大成分的非周期分量,间断角越小,非周期分量越大。
4. 含有大量的高次谐波分量,而以二次谐波为主。间断角越小,
二次谐波也越小。
非周期分量 基波 二次谐波 三次谐波 四次谐波
θJ=108° 76.8 100 13.2 7.8 2.8
θJ=150° 69.2 100 28.8 7.5 3.5
θJ=180° 63.7 100 42.4 0.0 8.5
表6-1:不同间断角下的谐波含量
• 6.3.2 三相变压器励磁涌流的特征
对于Y,d11接线方式的三相变压器,引入每相差动保护的
电流是两个变压器绕组电流之差,其励磁涌流也应该是两个
绕组励磁涌流的差值,即:
下面结合一个算例来说明它们的特点。
计算条件:
三相剩磁:
三相合闸角:
经计算,iμ.A, iμ.B, iμ.C的波形图如6-17(a)所示, iμ.A.r,
iμ.B.r, iμ.C.r的波形分别如图6-17(b)、(c)和(d)所示。
. . . . . . . . . . . ., ,A r A B B r B C C r C Ai i i i i i i i i
. . .
1.1, 1.15;
0.7, 0.7;
0, 4 / 3, 2 / 3;
m sat
r A r B r C
A B C
图6-17:三相变压器励磁涌流波形
注意iμ.A,iμ.B,iμ.C
最大值出现的时刻:
iμ.A:正向涌流,在
wt=π时达到最大值;
iμ.B:反向涌流,在
wt=2π/3(即wt+αB=2π)
时达到最大值;
iμ.C:反向涌流,在
wt=4π/3时达到最大值;
iμ.A,iμ.B,iμ.C的间断角
和二次谐波分别为:
78.6°,49.6°,
78.6°和14.8%,
37.6%,14.8%。
结合上面的算例,对于一般情况,三相变压器励磁涌流有以
下特点:
1. 由于三相电压之间有120°(2π/3弧度)的相位差,因而
三相励磁涌流不会相同,任何情况下空载投入变压器,至少
在两相中要出现不同程度的励磁涌流。
2. 某相励磁涌流(iμ.B.r)可能不再偏于时间轴的一侧,变
成了对称性涌流。其它两相仍为偏于时间轴一侧的非对称性
涌流。对称性涌流的数值比较小。非对称性涌流仍含有大量
非周期分量,但对称性涌流中无非周期分量。
3. 三相励磁涌流中有一相或两相二次谐波含量比较小,但至
少有一相比较大。
4. 励磁涌流的波形仍然是间断的,但间断角显著减小,其中
又以对称性涌流的间断角最小。但对称性涌流有另外一个特
点:励磁涌流的正向最大值与反向最大值之间的相位相差
120°。这个相位差称为“波宽”,显然稳态故障电流的波宽
为180°。
• 6.3.3 防止励磁涌流引起误动的方法
• 1 采用速饱和中间变流器
励磁涌流中含有大量的非周期分量,所以可以采用速饱和中
间变流器来防止差动保护误动。对于Y,d11接线方式的三相
变压器,常常有一相是对称性涌流,没有非周期分量,中间
变流器不能饱和,只能通过差动继电器的动作电流来躲过。
考虑到对称性涌流的幅值比较小,整定计算时,在式(6-27
)Iset=KrelKuIn中取Ku=1。
缺点:速饱和原理的纵差动保护动作电流大、灵敏度低。并
且在变压器内部故障时,会因非周期分量的存在而延缓保护
的动作,已逐渐淘汰。
• 2 二次谐波制动的方法
二次谐波制动----根据励磁涌流中含有大量二次谐波分量的特
点,当检测到差电流中二次谐波含量大于整定值时就将差动
继电器闭锁,以防止励磁涌流引起的误动。
二次谐波制动的差动保护----采用二次谐波制动方法的保护。
二次谐波制动元件的动作判据:
I1,I2----分别为差动电流中的基波分量和二次谐波分量的幅
值。
K2----二次谐波制动比,按躲过各种励磁涌流下最小的二次
谐波含量整定,整定范围通常为K2=15%~20%,具体数值据
现场空载合闸试验或运行经验确定。
“三相或门制动”方案----三相差动电流中只要有一相的二次谐
波含量超过制动比K2,就将三相差动继电器全部闭锁。
2 2 1I K I
差动电流速断保护:
为加快内部严重故障
时纵差动保护动作速
度,往往再增加一组不
带二次谐波制动的差动继电器,称差动电流速断保护。差动电
流速断保护按躲过最大励磁涌流速定,即取Kμ=4~8。
由于动作电流I’set.r很大,故采用不带制动特性的差动继电器。
变压器内部故障时,
测量电流中的暂态分量也
可能存在二次谐波。若二
次谐波含量超过制动比K2,
差动保护也将闭锁,一直
等到暂态分量衰减后才能
动作。电流互感器饱和也
会在二次电流中产生二次
谐波。电流互感器饱和越
严重,二次谐波含量越大。
图6-16:二次谐波制动差动保护逻辑框图
二次谐波制动
Iφ.r>Iφ.set.r(φ=A,B,C)表示相带有制动特性的差动继电器;
Iφ2>K2Iφ1(φ=A,B,C)表示相的二次谐波制动元件;与H2、
H4以及非门一起构成了三相或门制动的二次谐波制动方案。
二次谐波制动的优点:
原理简单、调试方便、灵敏度高,在变压器纵差动保护中获得
了非常广泛的应用。
缺点:
在具有静止无功补偿装置等电容分量比较大的系统,故障暂态
电流中有比较大的二次谐波含量,差动保护的速度会受到影响
。若空载合闸前变压器已经存在故障,合闸后故障相为故障电
流,非故障相为励磁涌流,采用三相或门制动的方案时,差动
保护必将被闭锁。由于励磁涌流衰减很慢,保护的动作时间可
能会长达数百毫秒。
• 3 间断角鉴别的方法
间断角鉴别----励磁涌流的波形中会出现间断角,而变压器内
部故障时流入差动继电器的稳态差电流是正弦波,不会出现
间断角。间断角鉴别的方法就是利用这个特征鉴别励磁涌流
和故障电流,即通过检测差电流波形是否存在间断角,当间
断角大于整定值时将差动保护闭锁。
动作判据:间断角判据,波宽判据。
间断角判据:间断角的整定值一般取65°。当检测到间断角
大于65°时将差动保护闭锁。对于Y,d11接线方式的三相变
压器,非对称涌流的间断角比较大,间断角闭锁元件能够可
靠的动作,并有足够的裕量;而对称性涌流的间断角有可能
小于65°。进一步减小整定值并不是好方法,因为整定值太
小会影响内部故障时的灵敏度和动作速度。
波宽判据:由于对称性涌流的波宽为120°,而故障电流(正
弦波)的波宽为180°,因此在间断角判据基础上再增加一个
反应波宽的辅助判据,在波宽小于140°(有20°的裕量)时
也将差动保护闭锁。
电流互感器饱和会造成二次侧电流
间断角的“消失”。这个现象可用右
图6-17所示的电流互感器等效电路
来说明。一次侧的励磁涌流可看成
是一个恒流源,显然电流互感器的励磁电流iμ落后于i。
图6-18:间断角的检测方法 (a)对图6-18(a)所示的励磁涌流i,在i下降
到0的时刻iμ>0。
(b)由于电感电流不能突变,i进入间断区后iμ
通过电流互感器的负载电阻续流,其结果是二
次侧测量到的励磁涌流i2在间断区出现了相当大
的反向涌流,间断角消失,如图6-18(b)所示。
(c)反向涌流是按二次回路时间常数衰减的非
周期分量,变化比较慢。图6-18(c)示的i’2是
对i2进行微分后的绝对值|i’2|的波形。反向涌流
经微分后,间断角又得到“恢复”。故可在|i’2|的
波形里测量间断角。
ε是动作门槛,必须大于i’2中残余的反向涌流的
变化率,当|i’2|<ε的持续时间超过65°/ω
(ω=314是常数)时,间断角闭锁元件动作。
间断角原理的优点:由于采用按相闭锁的方法,在变压器合闸
于内部故障时,能够快速动作。
缺点:对于其它内部故障,暂态高次谐波分量会使电流波形畸
变(微分后畸变更加严重)。畸变会影响电流的波宽。若波形
畸变很严重导致波宽小于整定值,差动保护也将暂时闭锁而造
成动作延缓。
变压器的过励磁----对于有些工况,例如超高压远距离输电线路
由于突然失去负荷而造成变压器的过电压时,会造成铁芯饱和
,使励磁电流大大增加。
变压器过励磁时铁芯的饱和是对称的,励磁电流没有间断现象,也没有偶
次谐波分量。对于有可能产生过励磁的大型变压器,通常根据过励磁引起
的励磁电流中含有大量五次谐波分量的特征,采用五次谐波制动的方法,
来防止纵差动保护的误动,其实现方法与二次谐波制动方法类似。
图6-18(d)的|i’k|是变压器内部故障电流经微分后的波形,虽然没有间断角,
但|i’k|<ε的部分却被误测为“间断角”。显然|i’k|越小,间断角也越大,在|i’k|较
小时将差动保护误闭锁。为提高灵敏度,可采用浮动门槛,即取ε=KI’m2。其
中I’m2为|i’k|的幅值;K为比例系数,必须大于反向涌流最大值与I’m2的比值。
一般取K=0.25(厂家固定)。若i’2为正弦波,则间断角θk=2arcsin(K)=29°。
θk与电流大小无关,并且远小于65°,不会影响差动保护的灵敏度。