张梦龙 张 治 商国威

(内蒙古蒙东能源有限公司,内蒙古 呼伦贝尔021000)

在大型直流高压工程施工过程中,由于单极直流及其控制系统的异常工作,导致直流变压器及周围变压器发生喷射,是什么引起了变压器的恒偏角？直流磁位移并不是变压器所特有的一种现象。DC可分为直流偏磁、机电偏磁和普通变压器偏磁,磁差问题的研究具有重要意义。相对于其他磁饱和技术,直流偏角技术的应用更有意义。定常偏置对各种变压器保护的影响,特别是在安装了定常偏置装置之后。但是数据分析多以模拟为主,在实际应用中,存在屏蔽磁问题。在保护方面出现恒偏后,结合变压器波形特性,分析现场数据形成恒偏磁场的机理,并注意到灭火器对变压器保护装置的影响,针对当前变压器保护磁力不足的特殊情况,提出了一种优化方案,最后,用波形检验法模拟验证标准可靠性。

1 直流偏磁特征

直流畸变的主要原因是流入变压器的直流电流使变压器的铁心饱和。直流畸变的原因、影响和波形特征不同于通常的电流流动和兴奋现象。如果使用直流偏压,磁链表达式如下:

公式中,电流的频率为交流励磁链的频率,电流的频率为直流偏磁链的频率。从磁化曲线看,变压器的励磁电流与磁链之间存在非线性关系。对于直流偏压,一个稳定的直流偏压电流应该叠加在它上面。根据有关基础知识和现场经验资料,比较了几种磁饱和方法。附录A表A1列出了结果。对直流偏压的波形特性进行了理论分析。第一种情况下,直流偏压为正时,并且直流偏压随时间饱和产生单相励磁电流的公式为im (T)n(假定励磁电压在0时正大于0)。为了分析起见,忽略额定励磁电流和磁滞效应的影响可以近似地考虑某一特定角度(具体范围与直流偏磁的严重性有关,直流偏磁越严重性,角度值越大,若考虑磁滞效应和励磁回路电阻,则会出现一定的偏差)。

约为0其表达式如下:

公式中:F(ωT)是饱和磁化时励磁电流的函数,只在-α～α处有很大的值,20 ms的周期,结合现场资料,α通常为30度左右。不饱和态励磁电流对变压器的励磁性能无影响,饱和态励磁曲线假定为线性。根据公式(1),F(ωT)的近似表达式为:NF(ωT)=ksat(3),ksat是激发曲线的拐点,ksat是饱和段的斜率。由于直流偏磁下三相电流的波形特征基本相似,所以一般以中性点电流为研究对象来消除负载电流的干扰。在三相负载电流平衡中,中性点零序电流为三相叠加,外部直流电流为IDC,中性点电流Ig近似表示如下:

对普通Yd接线变压器而言,由于d侧零序线路的存在,会产生较大的三次谐波零序电流,并产生退磁效应,从而影响变压器的饱和特性和励磁电流波形。因此,Yd变压器和Yy变压器的中性点电流是不一样的(如图1)。3次谐波含量低于Y侧,但总体仍高于Y侧,电流特性随各次谐波含量而变化。有953兆瓦的变压器,1050瓦的主额定电流,100/1中性点电流互感器,三角环TA为3000/1[1]。

图1 Yy型变压器直流偏磁时中性点电流波形

2 现有直流偏磁保护及存在的不足

如前所述,直流畸变会对变压器造成一定的损坏。考虑到无磁预压抑制器的变压器、磁预压抑制器的异常状态或故障等因素,必须对直流磁预压进行适当的保护。

2.1 直流偏磁保护原理

直流偏磁保护又称饱和保护,广泛应用于变换器和电压变换器中(如图2)。传统的直流保护不能直接测量直流电流,传统的保护方法是测量变压器中性点电流并计算其上下限电流。对中性点,由变压器制造商提供相应的峰值电流和直流峰值电压表,并提供在不同直流电流下连续运行的时间。电流与时间的预先关系取决于变压器本体的制造特性,直流偏压值在单位时间内一般由生产厂家来保护。如果检测结果比预期的好,将启动跳闸或报警。中性点虽然是峰值电流,但是在系统状态下,电流膨胀、内外接地误差、开关位置偏差、故障切换后Ta暂态拖尾等都存在着误差,使得中性点产生零序电流,从而限制了直流偏磁的应用,有时还会出现错误“运行发生”的情况。

图2 直流偏磁抑制装置示意图

2.2 空充励磁涌流对直流偏磁保护的影响

经过比较和分析,如果不过载,变压器也会出现暂时饱和,因为进水流量可能更大,导致中性点5处的峰值电流更高(如表1)。然而,这不是由直流余压引起的电能,简单的空载合闸将不会对变压器进行任何额外的处理,直流偏压保护可能会出现故障,此外,气流还具有无功流动和恢复流动的风险。虽然这两种电流的值一般都很低,但它们对直流电失真的辨别也有一些负面影响[2]。

表1 直流偏磁时中性点电流

2.3 零序通路对直流偏磁的影响

常规变压器常采用三角形连接线圈或平衡线圈。由于三角环的存在,变压器始终有零序通过圆。当接地侧发生内外两种故障时,中性点电流较大,且电流峰值较大,同样会引起直流偏磁保护误动作,为了避免这种误动作,三角圆变压器一般不装直流偏磁保护。虽然可靠性得到了保证,但由于没有足够的直流偏压保护,在极端情况下设备的安全运行可能受到影响。

2.4 挡位不一致问题

如果变压器的三相在不同的通道中,则一定的零序电流流过与负载电流相关的中性点。虽然常数不是很大,但它存在的时间很长。采用反时限累计计算方法,对直流偏磁保护有一定的影响。

3 直流偏磁保护优化

3.1 励磁涌流识别及闭锁

当前对电流互感器的识别方法是完善的。尽管不同算法在识别冲击电流方面取得了很好的效果,但是由于直流偏压的特性和冲击电流有一些相似之处,如二次谐波含量高,波长不对称,不连续角等,如果直接采用已有的冲击电流判据,会造成误判等。第一个阻尼,而第二个不阻尼；第一个值较大,而第二个值较小。因此,可以设置以下两种闭合模式。隔离直流偏压保护阻断大差动电流,当差动电流有一定值时,比率差动的初值通常可用。如果中性点电流在给定的时间段内有明显的衰减,则偏置保护被阻断。

3.2 低三次谐波闭锁判据

在直流偏磁作用下,中性点产生较高的三次谐波,通过对三次谐波含量的识别,可以协调地识别直流偏磁。设定三次谐波含量固定值。当真实值低于定值时,DC偏磁保护闭锁。实践证明,该整定值可调高50%～100%,既保证了直流偏磁的可靠效果,又有效地防止了各种异常情况的误操作。

3.3 挡位异常闭锁

在异常传输的情况下,控制系统可能会与异常传输或不一致传输产生相应的联系,并且在输入开关量后,保护将锁定直流偏压保护[3]。

3.4 TA拖尾闭锁

针对直流偏磁在实际中的应用,提出了一些定性鉴别直流偏磁的方法。在较长时间内,若有较小的梯度,则可阻断直流偏磁保护。电流直流分量由一阶微分算法滤波,滤波后电流峰值由滤波后计算出来,若较低,则阻断偏压保护。不同的滤波算法对实际的直流偏磁信号有不同的影响,所以需要结合滤波算法确定电流判据的权重。计算直流电流分量和交流分量(例如,当直流分量大于交流分量时,基波和次谐波的均方根值),或共享和阻断直流偏磁保护[4]。

结束语

根据直流降的磁通特性,对变压器的几种磁饱和特性进行了比较分析,得出了直流降的成波特性及其对保护的影响。分析了安装磁预压抑制装置对直流偏磁保护的影响,指出了现行直流偏磁保护判据的不足。此外,还提出了一些优化措施,如充气准则、低谐波准则、延时准则、拖尾阻塞准则、低谐波准则以及零序差流算法,有效地提高了直流偏磁保护的可靠性,解决了变压器不能装三角形电路直流偏磁保护的实际问题,仿真结果表明,该判据的有效性与直流偏磁保护的适用范围相矛盾。