一种基于电感参数的变压器直流偏磁保护方法与流程

1.本发明属于变压器技术领域，特别是涉及到一种基于电感参数的变压器直流偏磁保护方法。


背景技术：

2.高压直流输电单极大地回路运行和地球磁暴条件下交流电网的接地变压器—输电线路—大地回路中存在直流电流，同时大量的非线性元件运行时均可能产生直流分量，从而在交流电网中形成交直流混杂的特殊环境，导致变压器和其他电磁设备的直流偏磁。变压器发生直流偏磁时，铁心饱和程度加深，造成漏磁增大，内部构件损耗升高，绝缘性能下降等一系列电磁效应；同时变压器在直流扰动下的励磁电流畸变，谐波分量增大，造成系统电能质量下降，无功装置投切等后果。目前，变压器直流偏磁异常及相关保护问题已严重威胁了电网及其主要设备的安全稳定运行。但目前变压器直流偏磁状态辨识方法未考虑到变压器在直流扰动下的偏磁特点，保护策略并不完善，关于变压器在直流扰动下的内部异常和故障及相关保护亦未做深入研究，因此需要结合变压器直流偏磁的特点探索新的辅助保护策略。


技术实现要素：

3.本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于电感参数的变压器直流偏磁保护方法，考虑直流扰动情况，建立基于漏感参数的变压器直流扰动模型，利用基于端口量测信息时域差分原理计算变压器各侧动态漏电感参数，在此基础上构建直流扰动保护判据。基于变压器电磁耦合模型分析交直流混合条件下变压器的电磁特性，利用关键电磁参数表征变压器遭受直流扰动时的异常，归纳关键电磁参数在直流偏磁时的变化规律，形成一种基于动态漏电感参数识别的变压器保护方案。
4.一种基于电感参数的变压器直流偏磁保护方法，其特征是：包括以下步骤，且以下步骤顺次进行，
5.步骤一、建立基于电感参数的变压器直流扰动模型
6.以三相变压器回路方程为基础，建立变压器直流扰动模型，
[0007][0008]
式中，ψ
ma
、ψ
mb
、ψ
mc
为各相两绕组的互感磁链，l
a1
、l
b1
、l
c1
为δ接绕组中的动态漏电感，l
a2
、l
b2
、l
c2
为y接绕组中的动态漏电感，r1为δ接绕组中的电阻，r2为y接绕组中的电阻，u
a1
、u
b1
、u
c1
为原边绕组电压，u
a2
、u
b2
、u
c2
为副边绕组电压，i
a1
、i
b1
、i
c1
为原边绕组电流，i
a2
、i
b2
、i
c2
为副边绕组电流，u
dc1
、u
dc2
、u
dc3
为不同相直流注入量。
[0009]
变压器正常运行时，l
a1
＝l
b1
＝l
c1
＝l
01
，l
a2
＝l
b2
＝l
c2
＝l
02
，将变压器参数进行归算并消去磁链，获得
[0010][0011][0012]
式中，u'
a1
、u'
b1
、u'
c1
、i'
a
、i'
b
、i'
c
、r'1、l'
01
、u'
dc1
、u'
dc2
、u'
dc3
均为归算到y侧的值；
[0013]
以a相为例，获得不同时刻的离散化方程：
[0014][0015][0016]
获得漏感参数，进行直流扰动下的漏电感参数辨识；
[0017]
步骤二、建立振动谐响应模型
[0018]
采用双绕组三相变压器，制定变压器保护判断依据，
[0019]
一、变压器运行时，利用ct、pt获取端口电压、电流数据，基于量测信息计算动态漏电感，并计算1/4周波平均值得到归算后的原边动态漏电感平均值l'
01e
和副边动态漏电感平均值l
02e
，定义漏电感差值因子ζ，表征变压器两侧绕组动态漏电感的变化，
[0020]
ζ＝|l
′
01e
‑
l
02e
|
[0021]
结合变压器正常运行情况，对ζ进行整定，ζ0为ζ的整定值，以变压器正常运行时两侧动态漏电感畸变值进行整定；当变压器遭受直流扰动时，励磁饱和程度加深，励磁电流畸变，漏磁增大，动态漏电感参数发生变化，当ζ＞ζ0时，表明变压器存在较大直流扰动，发出报警，保护动作；
[0022]
二、根据变压器动态漏电感时变特性，建立动态漏电感的变化函数f(l)，
[0023][0024]
式中：l
p
表示l'
01e
或l
02e
，为实际动态漏电感平均值；l
pz
表示l'
01ez
或l
02ez
，为基准
值，将变压器无直流扰动时的原、副边动态漏电感平均值作为基准值；定义η为动态漏电感变化限值，根据变压器正常运行时的漏感变化率整定；在f1＞η或f2＞η时，判定变压器发生直流偏磁，保护动作；
[0025]
三、根据变压器励磁涌流在空载合闸后几个周期内衰减程度，构建识别励磁涌流与直流偏磁的辅助判据，
[0026][0027]
式中：l
′
01
(k)和l
′
01
(k t
s
nt)分别为k时刻与k t
s
nt时刻归算后的原边动态漏电感值，t
s
为一个工频周期，n为采样点序号，l
e
为动态漏电感平均值，l0为l
e
的整定值，l0由变压器正常运行时动态漏电感数据进行整定；
[0028]
若k时刻变压器内部出现异常或故障时，采用当前动态漏电感l
′
01
(k)与之后2
‑
3t
s
内的l
′
01
(k nt t
s
)计算l
e
，计算获得的平均值l
e
均未超出整定值l0，判定直流扰动未造成电感参数的较大变化，不触发保护动作。
[0029]
通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：一种基于电感参数的变压器直流偏磁保护方法，考虑直流扰动情况，建立基于漏感参数的变压器直流扰动模型，利用基于端口量测信息时域差分原理计算变压器各侧动态漏电感参数，在此基础上构建直流扰动保护判据；本发明有助于变压器直流偏磁状态下的快速动作，具有科学合理，真实有效，实用价值高等优点。
附图说明
[0030]
以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明：
[0031]
图1为一种基于电感参数的变压器直流偏磁保护方法采用的双绕组三相变压器。
[0032]
图2为一种基于电感参数的变压器直流偏磁保护方法原理接线图。
[0033]
图3为一种基于电感参数的变压器直流偏磁保护方法变压器直流偏磁原边动态漏电感变化曲线。
[0034]
图4为一种基于电感参数的变压器直流偏磁保护方法变压器直流偏磁副边动态漏电感变化曲线。
[0035]
图5为一种基于电感参数的变压器直流偏磁保护方法仿真分析获得关键电磁参数计算结果。
[0036]
图6为一种基于电感参数的变压器直流偏磁保护方法动态试验获得关键电磁参数计算结果。
[0037]
图7为一种基于电感参数的变压器直流偏磁保护方法负载试验电流结果。
具体实施方式
[0038]
一种基于电感参数的变压器直流偏磁保护方法，包括以下步骤：
[0039]
1.建立基于电感参数的变压器直流扰动模型
[0040]
如图1所示为三相变压器直流扰动模型，在此基础上建立变压器直流扰动模型，三相变压器回路方程如式(1)所示
[0041][0042]
式中：ψ
ma
、ψ
mb
、ψ
mc
为各相两绕组的互感磁链，l
a1
、l
b1
、l
c1
为δ接绕组中的动态漏电感，l
a2
、l
b2
、l
c2
为y接绕组中的动态漏电感，r1为δ接绕组中的电阻，r2为y接绕组中的电阻，u
a1
、u
b1
、u
c1
为原边绕组电压，u
a2
、u
b2
、u
c2
为副边绕组电压，i
a1
、i
b1
、i
c1
为原边绕组电流，i
a2
、i
b2
、i
c2
为副边绕组电流，u
dc1
、u
dc2
、u
dc3
为不同相直流注入量；
[0043]
变压器正常运行时，l
a1
＝l
b1
＝l
c1
＝l
01
，l
a2
＝l
b2
＝l
c2
＝l
02
。将变压器参数进行归算并消去磁链，得到
[0044][0045][0046]
式中：u'
a1
、u'
b1
、u'
c1
、i'
a
、i'
b
、i'
c
、r'1、l'
01
、u'
dc1
、u'
dc2
、u'
dc3
均为归算到y侧的值。
[0047]
以a相为例，可得到不同时刻的离散化方程：
[0048][0049][0050]
结合变压器运行电压、电流参量，联立式(4)和式(5)，即可计算漏感参数，实现直流扰动下的漏电感参数辨识。
[0051]
2.建立振动谐响应模型
[0052]
以双绕组三相变压器为例，制定变压器保护判据如下：
[0053]
判据1、变压器运行时，利用ct、pt获取端口电压、电流数据，基于量测信息计算动态漏电感，并计算1/4周波平均值得到归算后的原边动态漏电感平均值l'
01e
和副边动态漏电感平均值l
02e
。定义漏电感差值因子ζ，表征变压器两侧绕组动态漏电感的变化：
[0054]
ζ＝|l
′
01e
‑
l
02e
|
ꢀꢀ
(6)
[0055]
结合变压器正常运行情况，对ζ进行整定，ζ0为ζ的整定值，由变压器正常运行时两侧动态漏电感畸变程度进行整定。当变压器遭受直流扰动时，励磁饱和程度加深，励磁电流畸变，漏磁增大，可能导致动态漏电感参数发生变化，当ζ＞ζ0时，表明变压器存在较大直流扰动，发出报警，保护动作。
[0056]
判据2、根据变压器动态漏电感时变特性，定义动态漏电感的变化函数f(l)。
[0057][0058]
式中：l
p
表示l'
01e
或l
02e
，为实际动态漏电感平均值；l
pz
表示l'
01ez
或l
02ez
，为基准值，将变压器无直流扰动时的原、副边动态漏电感平均值作为基准值。定义η为动态漏电感
变化限值，根据变压器正常运行时的漏感变化率整定。如果f1＞η或f2＞η时判定变压器发生直流偏磁，保护动作。
[0059]
判据3、考虑到变压器励磁涌流在空载合闸后几个周期内衰减的特点，构建识别励磁涌流与直流偏磁的辅助判据：
[0060][0061]
式中：l
′
01
(k)和l
′
01
(k t
s
nt)分别为k时刻与k t
s
nt时刻归算后的原边动态漏电感值，t
s
为一个工频周期，n为采样点序号，l
e
为动态漏电感平均值，l0为l
e
的整定值，l0由变压器正常运行时动态漏电感数据进行整定。
[0062]
辅助判据配合原理为：若k时刻变压器内部出现异常或故障时，利用当前动态漏电感l
′
01
(k)与之后2
‑
3t
s
内的l
′
01
(k nt t
s
)计算l
e
，如果计算得到的平均值l
e
均未超出整定值l0，则判定直流扰动未造成电感参数的较大变化，此时保护不动作。
[0063]
3.仿真分析
[0064]
采用时域场路耦合模型仿真模拟变压器直流偏磁。变压器参数如表1所示，铁心硅钢片型号为dw360
‑
50。
[0065]
表1单相变压器额定参数
[0066][0067]
分析励磁电流和动态电感在直流扰动下的变化特性。变压器一次侧空载电流为i0，接入直流源u
dc
时产生的直流电流为i
dc
。
[0068]
变压器负载运行时接60w/220v灯泡，关键电磁参数计算结果如图5所示。
[0069]
变压器负载运行时励磁电流和动态电感与变压器空载运行时的结果类似。变压器无直流时，原、副边动态漏电感波动平稳，漏电感近似为常数；交直流混合条件下变压器励磁饱和，动态漏电感发生畸变；随着直流扰动增大，励磁饱和程度加深，漏电感畸变幅度加剧，如图5(e)、(f)。图5(g)中l
0∑
＝l'
01e
l
02e
，表示总漏电感，在直流扰动下的动态漏电感基本保持不变。
[0070]
结合仿真结果，对判据1和判据2进行评价，结果见表2所示。
[0071]
表2动态漏电感变化
[0072][0073]
t表2中f
∑
表示总漏电感的变化函数。对比分析变压器直流偏磁时的动态漏电感变化情况，i
dc
＝0.5i0时l'
01e
、l
02e
变化较小，f1、f2均小于2.0％；当i
dc
＝i0时，f1、f2均大于5.0％；当i
dc
＝2i0时，f1、f2均大于10.0％。结果表明，直流扰动下判据1的变化并不显著；判据2中总漏电感f
∑
的变化较小，相对于单侧漏电感f1、f2可近似为常数。因此，判据2具有更高适用性。
[0074]
4.动模实验
[0075]
实验变压器参数见表1，设计时域差分模块与滤波模块，对动态电感参数进行辨识，同时消去实验过程中存在的噪声影响。接线原理如图2所示。
[0076]
变压器负载运行时接60w/220v灯泡，变压器负载实验电流结果，如图6所示。
[0077]
通过对比图5和图6可知，变压器负载运行时，原、副边电流的仿真结果与实验测量结果基本相同。设计时域差分模块对直流注入侧绕组的动态电感进行辨识，无直流与交直流混合条件下动态电感测量结果，如图7所示。
[0078]
图7表明，直流扰动下变压器绕组动态电感波形出现畸变，正负半周不再对称。与图5对比可知，动态电感的仿真结果与实验数据基本相同。对比无直流和交直流混合条件下的关键参数，结果如表3所示。
[0079]
进一步研究不同直流扰动时动态漏电感参数的变化特性，调节滑动变阻器r
d
使得直流扰动量从0增加至2i0时，动态漏电感的变化曲线，如图3和4所示。
[0080]
结合实验结果，对判据1和判据2进行评价，结果见表3所示。
[0081]
表3动态漏电感变化
[0082][0083]
对比分析变压器直流偏磁时的动态漏电感变化情况，i
dc
＝0.5i0时，l'
01e
、l
02e
变化较小，f1、f2均小于2.0％；i
dc
＝i0时，f1接近5.0％、f2接近10％，动态漏电感参数畸变明显。设定f1或f2大于5％时报警，应引起注意；i
dc
＝2i0时，f1、f2均大于10.0％，动态漏电感参数严重畸变。选取η＝10％作为判据2的整定值，如果f1或f2大于整定值，判定变压器发生直流偏磁，保护动作。实验结果表明，直流扰动下判据1的变化并不显著，判据2具有更高的适用性。
[0084]
由表4可知，仿真计算的动态漏电感数值低于实验数据，分析其原因是由于实际量测时的漏磁及误差等影响所导致。文中所制定的保护判据为动态漏电感的变化率，因此在
一定程度上有效避免了变压器直流扰动故障时的电感辨识偏差问题。
[0085]
本发明的一种基于电感参数的变压器直流偏磁保护方法，经过仿真与实验分析的结果表明，利用所提方法通过变压器电感参数实现变压器直流偏磁保护，实现了本发明目的并且达到了所述的效果。
[0086]
本发明实施例中的计算条件、图例等仅用于对本发明作进一步的说明，并非穷举，并不构成对权利要求保护范围的限定，本领域技术人员根据本发明实例获得的启示，不经过创造性劳动就能够想到其它实质上等同的替代，均在本发明保护范围内。