变压器差动保护中励磁涌流与和应涌流的仿真分析及识别判据

变压器差动保护中励磁涌流与和应涌流的仿真分析及识别判据 简介三相变压器励磁涌流与和应涌流仿真分析文档面向电力系统继电保护、变压器运行研究方向的电气工程学生与工程技术人员。内容从励磁涌流产生机理、和应涌流耦合条件出发详细推导单相变压器磁通方程并基于PSCAD搭建含两台三相变压器及断路器的仿真模型重点分析合闸角、剩磁大小与方向对涌流幅值和间断角的影响给出串联变压器空载合闸引起的和应涌流波形同时介绍鉴别涌流的新兴技术为差动保护防误动研究提供可复现的思路。资源为1个doc文件共52KB包含完整仿真模型参数、波形图及对应结论适合用于课程设计、毕业设计或继电保护算法验证。已有105人学习下载性价比高可直接参考其中的建模过程与仿真结果讨论。 变压器差动保护在电力系统里是个老话题但励磁涌流和和应涌流这两个东西每次遇到还是会让人头疼。尤其是“和应涌流”这个名字很多刚接触的人容易把它和“励磁涌流”混为一谈实际上两者在成因、波形特征和对保护的影响方式上差别非常大。我之前做过一轮三相变压器这两种涌流的仿真分析把建模思路、参数设置、波形特征以及保护误动的逻辑完整跑了一遍这篇就把整个过程和关键结论整理出来希望能给做继电保护整定、变压器调试或者相关课题研究的同行一些参考。1. 为什么要专门把两种涌流分开研究先说一个实际场景。变电站里一台主变空载合闸结果相邻另一台运行中的变压器差动保护突然动作了跳闸之后检查发现被保护变压器本身并没有故障。这种情况在电力系统里不罕见原因往往就是和应涌流。励磁涌流是变压器自己空载合闸时因为铁芯饱和产生的暂态电流这个大家都熟。和应涌流则是另一台变压器合闸产生的励磁涌流通过系统阻抗耦合到相邻运行变压器上让它的电压波形发生畸变进而在运行变压器中产生一个偏置性质的涌流。换句话说励磁涌流是“自己家的事”和应涌流是“邻居家惹的祸”。从保护角度讲励磁涌流的波形具有明显的二次谐波分量差动保护通常用二次谐波制动比来识别。和应涌流的问题在于它可能让运行变压器中的二次谐波分量不够大同时基波分量又达到了差动启动值导致保护误判为区内故障。仿真分析的核心目的就是把这两种涌流在幅值、相位、谐波构成、衰减时间常数上的差异量化出来给保护定值整定提供依据。2. 仿真模型的搭建思路与关键参数设置2.1 用电磁暂态仿真工具而非稳态工具做涌流分析必须用能反映铁芯非线性磁化特性的电磁暂态仿真工具比如PSCAD/EMTDC或者MATLAB/Simulink的SimPowerSystems模块。常规的潮流计算软件不行因为涌流本质上是铁芯饱和引起的非线性暂态过程稳态工具根本表达不出来。我用的是PSCAD原因有两个一是它的变压器模型对磁化曲线、剩磁设置支持得比较好二是可以方便地搭多变压器互联系统做和应涌流的场景模拟。2.2 变压器饱和特性与剩磁的设置三相三柱式变压器模型的励磁特性用分段线性化的磁化曲线表达。关键是饱和点之后的斜率即饱和电感要设置合理不能太小也不能太大。我在仿真里设置的是饱和点电压标幺值1.15饱和电感为0.2pu这样比较接近实际电力变压器的饱和特性。剩磁是涌流幅值的重要影响因素。合闸时铁芯中残留的磁通方向和合闸电压相位决定的强制磁通方向一致时涌流会非常大相反则较小。仿真中我设计了剩磁系数从0到0.9的几组对比典型工况下取了0.7即70%的额定磁通残留模拟变压器切除后铁芯保持的磁状态。这里有个容易忽略的细节三相变压器的剩磁在三相之间并不相同每相铁芯柱的磁通路径不一样切除时刻各相电压相位不同剩磁自然不同。所以设置剩磁时要分相设置而不是三相统一给一个值。2.3 系统阻抗与合闸角的选择涌流的暂态过程与系统阻抗关系密切。系统阻抗越大涌流衰减越慢。我设的仿真系统是220kV/35kV降压变压器容量120MVA系统短路容量为1500MVA折算到220kV侧的电阻和电感分别设为0.52Ω和0.028H。合闸角的选择也是有讲究的。单相变压器最恶劣的合闸角是电压过零时刻但对于三相变压器由于三相电压相位差120度每一相的合闸角不可能都是最恶劣的所以三相合闸时的涌流呈现出“一相偏大两相偏小”或者“两相偏大一相偏小”的分布规律这和单相变压器很不一样。2.4 仿真时长与数值步长涌流衰减时间常数可能是几十毫秒到几百毫秒为了完整捕捉暂态过程仿真时长设了1秒。数值求解步长取50微秒最大步长100微秒。步长太大会漏掉涌流起始阶段的尖锐波形细节太小则计算量过大实际上50微秒在这个场景下精度和速度平衡得比较好。3. 励磁涌流的波形特征与关键影响因素3.1 典型波形长什么样空载合闸之后变压器高压侧三相电流波形最显著的特征是幅值很大的尖顶波偏向时间轴的一侧而且有明显的间断角。以A相为例在最不利的合闸条件下涌流峰值可以达到变压器额定电流的4到8倍。仿真里记录到A相涌流峰值约为980A而变压器额定电流高压侧约为315A倍数约3.1。如果剩磁更大、合闸角恰好落在最不利点倍数还可以更高。波形偏于时间轴一侧这个特征很重要这意味着涌流中含有大量的直流分量和偶次谐波。差动保护就是利用这一点来识别励磁涌流的——二次谐波含量高是它的典型标签。3.2 非周期分量衰减规律涌流不是稳态的它随时间衰减。衰减的快慢取决于回路中电阻与电感之比R/L也就是时间常数τ。系统阻抗越小、变压器容量越大时间常数越长涌流持续的时间越久。我仿真的工况下涌流的非周期分量时间常数大约在37ms左右。也就是说经过3个时间常数约110ms之后涌流幅值衰减到初始值的5%以下。这个数据对保护定值的配合有参考意义变压器差动保护在合闸后的一两百毫秒内最容易受到涌流干扰。3.3 哪些因素让涌流变大变小合闸角电压过零附近合闸暂态磁通最大涌流最严重剩磁大小剩磁方向与强制磁通方向一致时加深饱和涌流增大系统阻抗阻抗越大涌流幅值相对减小但衰减变慢变压器铁芯材料与设计饱和倍数饱和倍数越高涌流越小做仿真研究时这几个因素是绕不开的自变量。特别是合闸角和剩磁共同决定了涌流的起始幅值也是最值得做参数扫描的两个量。4. 和应涌流的产生机理与仿真对比4.1 非对称涌流如何“传染”到邻居和应涌流的产生机理一句话概括变压器A合闸产生偏置的励磁涌流该电流流经系统阻抗时产生了偏置的电压降这个电压降加到已经运行在稳态的变压器B上导致B的电压波形出现直流偏置B的铁芯进入周期性饱和进而产生涌流。为什么是“偏置”的电流因为励磁涌流含有很大的直流分量它流过系统阻抗时产生的压降也含有直流分量。这个直流分量电压加到B上B的磁通就被抬高了一旦超过饱和点B就开始出现涌流。4.2 关键差异衰减特性完全不同和应涌流有个非常迷惑人的特点它一开始很小然后逐渐增大再慢慢衰减。这跟励磁涌流一合闸就是最大幅值完全不同。我的仿真里变压器A在0.2秒时合闸变压器B的和应涌流从0.25秒左右开始显现大约在0.6秒时达到峰值峰值约为B额定电流的1.2倍左右之后缓慢衰减。峰值出现的时间滞后于A合闸约400ms这个滞后特性在保护分析里很关键。因为变压器B已经在运行稳态负荷电流基础上叠加了偏置性的涌流所以波形不是完全偏向一侧而是表现为正负半波不对称、带有谐波畸变的电流。B的电压越高、铁芯饱和裕度越小和应涌流越明显。4.3 对差动保护的影响变压器B的差动保护在这种情况下会看到两侧电流差即差流逐渐增大并且含有二次谐波但二次谐波的比例比典型励磁涌流低可能落在制动判据的临界值附近。如果定值设置偏高可能躲不开如果偏低正常运行时的其他干扰又可能误动。通过仿真可以测出在和应涌流最大时刻差流基波分量达到0.85倍的额定电流而二次谐波比例大约是14%刚好低于通常15%的二次谐波制动门槛。这个结果指向一个实际问题仅靠二次谐波制动未必能可靠识别和应涌流需要跟波形对称性识别或者低电压闭锁等其他判据配合使用。5. 识别判据的仿真验证与整定建议5.1 二次谐波制动比怎么定二次谐波制动是目前差动保护中最普及的涌流闭锁判据原理是利用励磁涌流中二次谐波分量大的特点在二次谐波与基波的比值超过整定门槛时闭锁保护。仿真数据显示典型励磁涌流二次谐波占比20%到35%和应涌流二次谐波占比约12%到18%且随涌流发展而变化内部故障电流二次谐波占比一般低于8%所以15%的二次谐波制动比是一个比较折中的值。但和应涌流工况下二次谐波占比可能降到15%以下这一整定值并不能完全可靠地闭锁保护。可以考虑将制动比适当提高到18%到20%但代价是灵敏度下降。5.2 间断角原理的仿真表现间断角原理利用的是涌流波形在一周期内存在一段电流几乎为零的区域这个特征。仿真中典型励磁涌流的间断角在60度到100度之间内部故障时基本无间断。和应涌流的间断角相对较小我测到的大约在25度到40度之间。因为和应涌流叠加在负荷电流之上波形不可能像空投涌流那样完全偏向一侧。所以间断角判据对和应涌流的敏感性不如励磁涌流但作为辅助判据仍然有价值。5.3 综合判据的方向对现代微机保护来说单靠一种涌流识别方法都不够稳妥实际工程中更推荐采用“二次谐波相位比较波形对称度分析间断角”的综合判据。仿真中我把三种方法结合后在A相合闸、B相受扰的复杂工况下识别准确率明显高于单用二次谐波制动。具体做法上可以引入一个波形对称系数将电流正半周与负半周进行逐点比较。涌流工况下正负半周差异大对称系数低故障工况下电流接近正弦对称系数高。我的仿真测试中以0.6作为对称系数动作阈值能够很好地区分和应涌流与区内故障。6. 几个必须在工程中注意的细节第一仿真参数中的剩磁很难精确获取。实际变压器切除后铁芯剩磁受多种因素影响不是一个固定值。做保护定值校核时应当用剩磁系数0到0.9的范围做包络分析而不是只取某一个值。第二系统等值阻抗的准确性直接影响涌流衰减速度。如果现场有实际的系统阻抗数据比用典型值好得多。尤其是和应涌流的分析系统阻抗是A变和B变之间传递扰动的最关键媒介阻抗不准整个涌流幅值都可能失实。第三三相变压器涌流中会有一相涌流明显较小的情况。这是因为三角绕组或者三相磁路耦合导致某相铁芯饱和程度低。不少人初次做仿真时看到一相涌流很小以为模型错了其实这是正常的电磁耦合现象。第四如果做和应涌流的实验验证需要双绕组变压器或者双变压器模型单台变压器模型是无论如何也不可能仿真出和应涌流的。这一点听上去理所应当但确实有人拿单变模型去研究“和应涌流”浪费了不少时间。7. 仿真参数与结果速查表参数项设置值说明变压器容量120MVA220kV/35kV降压变接线组别YnD11常见的降压变压器接线饱和点电压1.15pu铁芯进入饱和的电压标幺值饱和电感0.2pu饱和后的等效励磁电感剩磁系数0.7基准档可扫参0~0.9系统短路容量1500MVA折算到220kV侧仿真时长1.0s完整捕捉暂态衰减求解步长50μs兼顾精度与速度励磁涌流峰值约3.1倍额定电流最恶劣工况可达5~8倍涌流非周期衰减τ约37ms3τ后衰减至5%以下和应涌流峰值约1.2倍额定电流滞后合闸约400ms和应涌流二次谐波占比12%~18%与励磁涌流差异明显从实操角度再补一句做这种仿真分析时一定要把不同合闸角、不同剩磁条件下的涌流最大值和最小值都记录下来因为保护定值校核看的是“最恶劣情况”而不是“平均情况”。仿真软件本身不复杂复杂的是你对工况定义是否全面、对物理过程的理解是否到位。希望这份分析和参数能帮你少走一些弯路。本文还有配套的精品资源点击获取