引言

電力變壓器是電能輸送環(huán)節(jié)的核心部件,其安全穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)整個(gè)地區(qū)電力系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定與動(dòng)態(tài)穩(wěn)定有著極其重要的影響。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展,我國(guó)對(duì)基礎(chǔ)電力設(shè)施的投資也在逐年增加,電力變壓器的投運(yùn)與切除成為變電運(yùn)維倒閘操作工作的重要組成部分,因此認(rèn)真學(xué)習(xí)變壓器勵(lì)磁涌流的影響及其對(duì)策不僅僅是提升自身技能水平的關(guān)鍵,還是保障電網(wǎng)安全運(yùn)行的重要一環(huán),對(duì)實(shí)際的生產(chǎn)運(yùn)行有著積極意義。而現(xiàn)有的學(xué)術(shù)研究與工程技術(shù)實(shí)踐大多數(shù)集中于常規(guī)電力變壓器涌流的識(shí)別與抑制,少有文獻(xiàn)針對(duì)含DFIG并網(wǎng)的送出變壓器涌流影響差動(dòng)保護(hù)等方面進(jìn)行研究,故本文針對(duì)這種應(yīng)用場(chǎng)景,結(jié)合實(shí)際的生產(chǎn)運(yùn)行案例進(jìn)行了分析,并提出了保護(hù)改進(jìn)措施與建議。

1變壓器勵(lì)磁涌流研究背景

變壓器的勵(lì)磁支路上會(huì)存在2%~5%額定電流值的勵(lì)磁電流,這也是主變差動(dòng)保護(hù)中不平衡電流產(chǎn)生的原因之一,在正常運(yùn)行時(shí)或外部故障的情況下,勵(lì)磁電流均維持在一個(gè)很小的電流值,不會(huì)使主變的差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作。但是當(dāng)變壓器空載投入或外部故障切除后,則可能出現(xiàn)幅值大(額定電流的8倍左右)、衰減慢的勵(lì)磁涌流,其磁通o的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下:

式中:Lm為勵(lì)磁電感:Um為峰值:a為合閘時(shí)的電壓相角:N+為原邊繞組線圈匝數(shù):R+為原邊等效電阻:or為合閘初始狀態(tài)下的剩磁通。

勵(lì)磁電流幅值很大,極易引起主變的差動(dòng)保護(hù)產(chǎn)生很大的差流進(jìn)而發(fā)生誤動(dòng)作,導(dǎo)致主變跳閘。因此,在勵(lì)磁涌流的影響下必須采取有效的措施閉鎖差動(dòng)保護(hù)。如何防止勵(lì)磁涌流引起主變差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)以及區(qū)分勵(lì)磁涌流與內(nèi)部故障電流是當(dāng)前不可回避的難題。

常規(guī)電力變壓器勵(lì)磁涌流識(shí)別技術(shù)主要分為三類(lèi):第一類(lèi)是基于電流量的勵(lì)磁涌流識(shí)別,例如二次諧波制動(dòng)法:第二類(lèi)是基于電壓量的勵(lì)磁涌流識(shí)別,如諧波電壓制動(dòng)法:第三類(lèi)是綜合電流與電壓的綜合法,例如磁通特性識(shí)別法。而在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中,大多數(shù)采用第一類(lèi)識(shí)別方法—二次諧波制動(dòng)法,通過(guò)檢測(cè)三相差流中的二次諧波含量占比是否達(dá)到閾值來(lái)判別是勵(lì)磁涌流還是故障電流,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)及時(shí)閉鎖差動(dòng)保護(hù)的目的,配合三相或門(mén)制動(dòng)方案,任意一相二次諧波含量占比達(dá)到閾值時(shí)閉鎖差動(dòng)保護(hù),反之,開(kāi)放。

2含DFlG并網(wǎng)的送出變壓器故障特性與保護(hù)改進(jìn)方案

由于國(guó)家對(duì)新能源產(chǎn)業(yè)的大力支持,中大型整縣光伏電站以及沿海風(fēng)電上網(wǎng)已成為地區(qū)就地消納電力的常態(tài),依托供電企業(yè)自身的運(yùn)維優(yōu)勢(shì),未來(lái)向客戶提供新能源電站運(yùn)維也是供電企業(yè)的發(fā)展重點(diǎn)。其中,雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的廣泛應(yīng)用,使得地區(qū)電網(wǎng)的繼電保護(hù)不得不重新考慮其特有的故障特性,尤其是故障發(fā)生期間低電壓穿越的要求,使得傳統(tǒng)的二次諧波制動(dòng)不能滿足主變差動(dòng)保護(hù)的要求。

2.1送出變壓器故障特性分析

雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)正常并網(wǎng)運(yùn)行時(shí),定子三相繞組輸出電流直接接入地區(qū)電網(wǎng),轉(zhuǎn)子繞組則由AC-DC-AC變流器采用脈寬調(diào)制PWM控制方式提供可控幅值、相位及頻率的勵(lì)磁電流。采用內(nèi)環(huán)控制有功、外環(huán)控制并網(wǎng)母線電壓的方式,實(shí)現(xiàn)對(duì)雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)組的解耦,再經(jīng)過(guò)PI環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)運(yùn)算,得到控制有功功率與無(wú)功功率的指令值,調(diào)制信號(hào)后反饋至雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng),進(jìn)一步控制DFIG的勵(lì)磁電流。在機(jī)組內(nèi)部故障的情況下,網(wǎng)側(cè)電壓跌落較大到達(dá)定值時(shí),轉(zhuǎn)子Crowbar保護(hù)電路的投入使得風(fēng)力雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)不脫網(wǎng)運(yùn)行,并優(yōu)先向電網(wǎng)輸送無(wú)功電流支持網(wǎng)側(cè)電壓,定子短路電流的二次諧波含量因?yàn)閯?lì)磁電流變成衰減的直流分量而大幅度上升,未投入轉(zhuǎn)子Crowbar保護(hù)電路時(shí)的送出變壓器故障電流時(shí)域特性與常規(guī)變壓器故障電流保持一致,但投入轉(zhuǎn)子Crowbar保護(hù)電路時(shí),送出變壓器故障電流時(shí)域特性因轉(zhuǎn)子(l+s)fs電流分量使得故障電流不僅含有旋轉(zhuǎn)量、衰減的直流分量,還包括轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速反向旋轉(zhuǎn)暫態(tài)分量,兩種情況下的故障電流時(shí)域波形如圖1所示,故障電流Is的數(shù)學(xué)表達(dá)式:

式中:il、i2、i2分別為旋轉(zhuǎn)量幅值、短路時(shí)刻衰減的直流分量初始值、短路時(shí)刻轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速反向旋轉(zhuǎn)暫態(tài)分量幅值:os為轉(zhuǎn)子角速度:or為電網(wǎng)同步角速度:Ts為定子直流衰減時(shí)間常數(shù):Tc為投入轉(zhuǎn)子Crowbar保護(hù)電路延時(shí):Tr為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速反向旋轉(zhuǎn)暫態(tài)分量衰減時(shí)間常數(shù)。

圖1Crowbar未投入和投入時(shí)故障電流時(shí)域波形

對(duì)上述低電壓穿越過(guò)程中兩種情況下的故障電流進(jìn)行快速傅里葉變換分析,由圖2的結(jié)果不難發(fā)現(xiàn),未投入轉(zhuǎn)子Crowbar保護(hù)電路時(shí)的送出變壓器故障電流頻域特性與常規(guī)變壓器故障電流保持一致,其二次諧波含量占比為l.69%,此時(shí)不閉鎖差動(dòng)保護(hù),差動(dòng)保護(hù)可準(zhǔn)確動(dòng)作。投入轉(zhuǎn)子Crowbar保護(hù)電路時(shí)的送出變壓器故障電流頻域中將含有大量的二次諧波,其占比可高達(dá)40.5%,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)閾值設(shè)定值15%,此時(shí)在故障的情況下持續(xù)閉鎖主變差動(dòng)保護(hù),直到二次諧波隨時(shí)間衰減到15%以下主變差動(dòng)才能正確動(dòng)作,并且衰減時(shí)間在變壓器內(nèi)部故障下二次諧波制動(dòng)比率差動(dòng)保護(hù)超過(guò)2~4個(gè)周波,此時(shí)主變差動(dòng)保護(hù)延時(shí)動(dòng)作,一旦故障未及時(shí)切除,保護(hù)延伸至本級(jí)線路縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù),將擴(kuò)大停電面積。

圖2Crowbar未投入和投入時(shí)故障電流FFT分析

2.2送出變壓器差動(dòng)保護(hù)改進(jìn)方案

上述分析表明,原有的二次諧波制動(dòng)方案并不能在含DFIG并網(wǎng)的送出變壓器內(nèi)部故障時(shí)開(kāi)放主變差動(dòng)保護(hù),因此需要提出一種新的保護(hù)判據(jù)來(lái)解決變壓器內(nèi)部故障時(shí)諧波含量過(guò)高的問(wèn)題。利用變壓器勵(lì)磁涌流(對(duì)稱性或非對(duì)稱性涌流)出現(xiàn)明顯的間斷特征(一般為間斷角大于65o或者半周波寬小于l40o),內(nèi)部故障時(shí)故障電流為連續(xù)的衰減波,沒(méi)有間斷這一特征,即間斷角原理識(shí)別勵(lì)磁涌流。但傳統(tǒng)的間斷角原理判據(jù)并不具有抗電流互感器飽和與數(shù)據(jù)采集小部分缺失的能力,因此本文提出符號(hào)序列比例制動(dòng)法,將涌流與故障電流進(jìn)行符號(hào)化處理,再利用符號(hào)序列中特定符號(hào)模式出現(xiàn)的比例構(gòu)成判據(jù)來(lái)辨識(shí)勵(lì)磁涌流和故障差流。根據(jù)式(3)符號(hào)序列的定義,相鄰兩個(gè)采樣點(diǎn)的差流采樣值呈現(xiàn)下降趨勢(shì)記作0,基本保持不變記作l,呈現(xiàn)上升趨勢(shì)記作2。

式中:X(m)為符號(hào)序列:I(k)為數(shù)據(jù)窗第k個(gè)采樣值:C為符號(hào)序列的閾值因子,一般取0.003。

在勵(lì)磁涌流中,由于間斷角的存在,勵(lì)磁涌流會(huì)出現(xiàn)0、1、2三種特征,總共包含00、01、02、10、11、12、20、21、22九種符號(hào)序列,而故障電流只存在02特征。

通過(guò)上述方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行符號(hào)序列化后,保留其中00、11、22三種模式進(jìn)行計(jì)算,并引入電壓閉鎖功能作為輔助判據(jù),因送出變壓器區(qū)內(nèi)故障時(shí)一般伴隨電壓降低、電流升高,而勵(lì)磁涌流時(shí)電壓反而有所升高,11模式出現(xiàn)的比例r11的計(jì)算公式如下:

式中:N00、N11、N22分別為模式00、11、22出現(xiàn)的事件數(shù):r11·set為符號(hào)序列門(mén)檻值,一般取0.2:Uf為故障時(shí)刻主變高壓側(cè)并網(wǎng)點(diǎn)電壓:Uset為電壓?jiǎn)?dòng)閾值,一般取低電壓穿越無(wú)功補(bǔ)償時(shí)電壓跌落值0.9U1,U1為變壓器原邊電壓。

當(dāng)公式(4)滿足時(shí),則判斷為勵(lì)磁涌流閉鎖主變差動(dòng)保護(hù),否則判定為區(qū)內(nèi)故障,并開(kāi)放差動(dòng)保護(hù)使其動(dòng)作。

本文利用PsCAD/EMTDC平臺(tái)模擬空載合閘勵(lì)磁涌流(模擬1)、變壓器匝間故障(模擬2)、勵(lì)磁涌流疊加匝間5%輕微短路故障(模擬3)三種不同類(lèi)型的故障或涌流情景,在不考慮主變差動(dòng)延時(shí)元件閉鎖的前提下,分別對(duì)比改進(jìn)前后保護(hù)是否正確啟動(dòng),仿真結(jié)果如表1所示,結(jié)果表明所提保護(hù)方案能有效解決傳統(tǒng)二次諧波制動(dòng)法不適用于含DFIG并網(wǎng)的送出變壓器故障時(shí)差動(dòng)保護(hù)延時(shí)動(dòng)作的問(wèn)題。

3結(jié)語(yǔ)

對(duì)于含DFIG并網(wǎng)的送出變壓器發(fā)生內(nèi)部故障時(shí),因轉(zhuǎn)子Crowbar保護(hù)電路的投入,二次諧波制動(dòng)法會(huì)閉鎖主變差動(dòng)保護(hù)。鑒于此,本文提出了基于間斷角識(shí)別原理的符號(hào)序列比例制動(dòng)法,具有抗電流互感器飽和與數(shù)據(jù)采集小部分缺失的能力,并引入母線電壓作為輔助判據(jù)。算例表明,改進(jìn)后的保護(hù)方案能有效識(shí)別變壓器涌流和內(nèi)部故障電流,在各種運(yùn)行工況下均能可靠動(dòng)作。