干式变压器差动保护二次谐波制动判据的仿真研究

摘要：利用二次谐波制动原理防止励磁涌流引起的差动保护误动是目前应用较广泛的方法。通过建立合理的干式变压器模型，对现有的各种二次谐波制动判据在不同运行条件下进行了仿真比较，得出了一些有益的结论。关键词：二次谐波制动；励磁涌流；差动保护1简介干式变压器在电力系统的安全运行中起着重要的作用。差动保护作为主保护的关键问题在于励磁涌流引起的保护误动。长期以来，二次谐波原理被用来制动涌流。常规励磁涌流方式会导致故障干式变压器跌落时非故障相闭锁故障相的现象，导致干式变压器保护延时动作。故障不能迅速排除，会降低超高压系统中干式变压器保护的性能。但在干式变压器保护微机化后，通过合理选择谐波制动比、制动逻辑或补充辅助判据，可以大大改善这一缺陷。二次谐波制动比的几种计算方法目前常用的二次谐波制动比的计算方法如下[1]: (1)谐波比较大相位制动记为判据1。也就是说，三相中二次谐波与基波的较大比值用于制动。(2)根据故障相位制动，类型(2)被记录为标准2。也就是说，差动电流的基波的较大相位的二次谐波与基波的比值被用于制动。(3)分相制动，以公式(3)为判据3。即，当每个相位差流中的二次谐波与基波的比率超过固定值时，执行制动。(4)综合相位制动

类型(4)被记录为标准4。也就是说，三相流的二次谐波的较大值与基波的较大值的比值被用于制动。为了更清楚地说明问题，本文在引入权重系数的基础上，从数学角度进行了比较。首先，设三相流的二次谐波与基波之比分别为ka，kb，kc，即：

通过观察三相的权系数可以发现，三相的分母相同，所以权系数的大小本质上反映了三相流基波的大小。具有较大谐波比的相位制动模式和分相制动模式的谐波比的计算基本如下：

对于谐波比较大的相制动方式，由于三相权重系数均取为1，实际上没有考虑各相电流差幅值对谐波比选择的影响。虽然这种闭锁保护方式可以保证励磁涌流时的保护不误动作，但对于超高压系统的大型干式变压器，由于励磁涌流衰减时间长，保护动作延时相当长，可达200 ms以上；而动模实验较差的情况甚至达到200。另一方面，在超高压系统中，当故障发生时，谐波含量较大。由于较大相位制动，在不考虑各相基波幅值的情况下，容易达到闭锁定值，造成保护动作的延时。对于分相制动方式，与较大相位制动方式相同，不考虑各相电流差幅值对谐波比选择的影响。虽然能使保护快速动作，但当相位差电流的一相或多相谐波比过小而无法闭锁保护时，容易造成误动。根据相制动方式，谐波比的选择实质上是制动用权重系数较大的相的谐波比，即先比较a、b、c，取三者较大值所在相的谐波比来判断。这种闭锁保护由于考虑了三相流幅值对谐波比的影响，克服了m

该闭锁保护考虑了基于谐波比(通过权重系数a、b、c)选择的差动电流幅值和实际三相谐波比含量的数值的影响，在保证干式变压器产生的励磁涌流不误动的前提下，提高了干式变压器保护的速动性。即使故障干式变压器合闸，虽然励磁涌流相位含有较大的二次谐波，且可能衰减较慢，但由于故障相位的存在，谐波比计算的分母保持较大的值，基本不随励磁涌流的衰减而减小，使谐波比迅速下降到闭锁定值以下，故障可快速切除。建模与仿真本文采用ATP仿真软件对干式变压器进行分析研究，接线图如图1所示。干式变压器铁心的磁滞效应是一个非常复杂的过程，其变化规律主要基于干式变压器的局部磁环特性。结合ATP仿真程序提供的功能，在磁滞效应的处理中考虑了干式变压器铁心的主磁环特性。干式变压器的饱和和磁滞效应是通过在线性干式变压器模型[2]的相应节点上增加非线性电感来实现的。参考文献[3]和[4]提供了一个适合分析研究超高压(500 kV)或超高压(750 kV)干式变压器保护性能的模型，可以模拟不同位置不同类型的匝间短路故障。因此，本文以该干式变压器模型为研究对象，对干式变压器内部故障进行分析和仿真。该模型可以逼真地模拟干式变压器的励磁涌流。在用96型元件模拟磁滞回线的情况下，模拟结果与动态模拟实验结果非常接近。

具体型号为：Y0/-11接线(高压侧Y0接线，低压侧接线)；铁芯采用Type-96元件，即带磁滞回线的非线性电感模型；饱和磁密度bs=1.15 BM。每相的剩磁为Bra=0.9 BM，BRB=BRC=-0.9 BM；波形采样每周48点。目前国内大型干式变压器差动保护制动率整定值的15% ~ 20%是按饱和磁通1.4倍额定磁通幅值时的合闸涌流考虑的。但由于干式变压器制造技术和制造材料的提高，现代干式变压器的饱和磁通倍数往往在1.2至1.3，甚至低至1.15，所以仿真中采用BS=1.15 BM。合闸侧电源无穷大，电源内阻抗为0.01 J0。

这里主要分析计算干式变压器△侧、Y侧不带故障空投；△侧带故障空投以及带长线时内部各种故障情况（带长线的系统仿真模型接线图如图2），用以比较以上几种判据速动性和可靠性。谐波的计算采用傅式算法，以合闸后第一个周波终点为时间起点，并逐点递推，以便观察谐波比随时间的变化关系。以下各图中Ia，Ib，Ic代表各相差流；K1max、K2max、K3max、K4max代表四种不同判据的制动比曲线。以下给出了几种较典型的分析算例。 （1）△侧不带故障空投 设A相合闸角为30°，在这种情况下图3（a）为干式变压器△侧不带故障空投时的三相电流波形。

（2）Y侧不带故障空投 干式变压器在Y／△接线情况下，Y侧空投时产生对称涌流的机会较大。由理论分析及录波证明，对称涌流仅会产生于一相差流中。为了研究励磁涌流较严重的情况，取A相合闸角αA＝30°。图4为αA＝30°时，Y侧不带故障空投的情况。 （3）△侧带故障空投 图5为高压侧B、C两相短路时干式变压器△侧空投时的情况。

（4）带长线内部故障 图6是干式变压器带长线、高压侧发生短路、匝比为5％时的故障仿真结果。4 仿真结果分析 设二次谐波制动比整定为20％。从上面的仿真结果可以看出：干式变压器△侧不带故障空投时，对二次谐波含量而言，四种判据图的变化趋势相同如（图3（b）），都随时间的推移而增大，这意味着励磁涌流衰减的过程中，基波比二次谐波衰减快（仅对此模型而言）。这时只有判据一可靠制动。判据二、三、四都可能误动。并且若干式变压器谐波制动定值取得偏小，则出口需要的时间会更长。特别是判据二、三算出的谐波含量虽然也是随时间增加而增大，但是100 ms以后依然达不到闭锁保护所需要的值。所以其可靠性较低。因此，△侧不带故障合闸时，判据一可靠性较高，判据四其次，判据二、三较差。  干式变压器Y侧不带故障空投时，对二次谐波含量而言，四种判据的变化趋势（图4（b））与图3（b）相同。但是只有判据一能够可靠制动励磁涌流。判据二、三、四都会造成差动保护误动。但是如果为了消除对称涌流的影响，采用单相制动三相即或逻辑，很可能造成干式变压器带故障合闸时的拒动或带长延时动作。 考虑了干式变压器△侧带故障空投时较严重的情况（图5（b））。即在满足差动判据的前提下故障相短路电流尽量小，以便模拟出干式变压器带故障空投时保护的长延时动作过程。为此，将故障点设在非电源侧，利用干式变压器自身的电阻电感值来限制短路电流。图5（a）为高压侧内部B，C两相短路干式变压器空投时的情况。判据一即使在谐波制动定值取得偏小（如15％～17％）的情况下，保护在80 ms以后都不一定能出口；判据二、三、四此时几乎是等效的：合闸后经过一个周波就能够判断出故障。综上所述，从保护的速动性来考虑，判据二、三较优，判据四次之，判据一较差。 干式变压器带长线内部故障时，由于电感和电容发生谐振，短路电流中的谐波含量会明显增加，从而给二次谐波制动比的整定带来了困难。在图6中可以看出，故障后一段时间内，利用判据一、三、四计算出的二次谐波含量都很大，且远大于谐波制动比。大概要维持20ms以后，谐波含量才有可能会小于谐波定值，保护才有可能出口。当谐波制动比小于20%时，出口需要的时间会更长。因此带长线的干式变压器发生匝间故障时，二次谐波制动的判据除了判据二外均有可能将故障电流误判为励磁涌流，从而闭锁保护。5 结论 虽然三相涌流中可能有一相涌流的二次谐波成分小于10％，但是至少会有一相涌流的二次谐波成分较大。因此，二次谐波仍然是励磁涌流的一个典型特征。对于500 kV超高压输电系统，特别是西北电网正在筹建的750 kV特高压系统，很可能将使用国外进口的大型电力干式变压器，这种干式变压器由于使用了高性能的铁芯、其磁滞的影响将大大减小。在使用时应适当降低二次谐波制动比整定值。 微机干式变压器差动保护中，谐波比较大相制动方式由于与模拟式保护一致，故延续传统的定值选取方法应能保证保护正常工作；综合相制动方式，其定值应该小于较大相谐波比。综合相制动方式制动比宜取为15％～17％，以保证较好的综合性能。而对按相制动方式，其定值选取要仔细考虑。 二次谐波制动的干式变压器差动保护应用其效果是肯定的，但是对于二次谐波制动原理来说，无论采用那一种判据，均存在这方面或那方面的不足。因此实际应用中，应该寻找新的原理和依靠辅助判据来弥补二次谐波制动原理的不足，提高超高压干式变压器保护的综合性能。