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  • 2021-05-15 发布

技能培训 变压器励磁涌流及鉴别方法

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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。