勵(lì)磁電感

如何正確區(qū)分勵(lì)磁涌流和內(nèi)部故障電流一直是變壓器縱差保護(hù)的難題，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。產(chǎn)生勵(lì)磁涌流的本質(zhì)原因是變壓器勵(lì)磁支路的非線性，在引入電壓量后可以利用計(jì)算出的等效勵(lì)磁電感的大小和變化規(guī)律來識(shí)別勵(lì)磁涌流和內(nèi)部故障，該方法利用變壓器飽和及非飽和狀態(tài)下勵(lì)磁電感的不同，判斷變壓器鐵心的工作狀態(tài)，進(jìn)而識(shí)別勵(lì)磁涌流，具有良好的性能。文獻(xiàn) 推導(dǎo)了基于變壓器兩側(cè)線圈電流的等效勵(lì)磁電感計(jì)算公式。但對(duì)于Y，d接線的三相變壓器而言，有時(shí)現(xiàn)場(chǎng)配置的電流互感器無法測(cè)得三角形側(cè)繞組電流，使得基于文獻(xiàn)的等效瞬時(shí)勵(lì)磁電感計(jì)算方法的應(yīng)用受到限制。文獻(xiàn) 提出了一種可行的無需測(cè)量側(cè)繞組電流的勵(lì)磁電感計(jì)算方法，但其計(jì)算稍顯復(fù)雜。

勵(lì)磁電感計(jì)算原理

由于變壓器勵(lì)磁涌流過程是一個(gè)極其復(fù)雜的電磁暫態(tài)過程，工程上往往采用一些近似的簡化處理方法: ①忽略其衰減過程，近似認(rèn)為涌流波形是一個(gè)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)波形，而采用穩(wěn)態(tài)電路的處理辦法進(jìn)行分析，如經(jīng)典的二次諧波制動(dòng)就是采用了穩(wěn)態(tài)電路的傅里葉級(jí)數(shù)的分析方法；②非線性的磁化特性曲線采用近似的兩折線(2段直線) 線性化表示。文獻(xiàn) 指出可采用近似穩(wěn)態(tài)電路的分析方法來分析涌流的暫態(tài)過程，否則將使問題復(fù)雜化而無實(shí)際意義。在此前提下，如變壓器涌流過程中三相鐵心同時(shí)飽和或不飽和，則上述算法可較準(zhǔn)確地計(jì)算變壓器三相勵(lì)磁電感，但實(shí)際變壓器空投時(shí)情況復(fù)雜，可能出現(xiàn)一相飽和、兩相飽和和三相飽和的情形，并且各相進(jìn)入飽和及退出飽和的時(shí)間不同，此時(shí)按本文算法計(jì)算的三相勵(lì)磁電感與實(shí)際值有偏差，但一般變壓器涌流過程中總存在三相鐵心同時(shí)不飽和的時(shí)間段，故并不妨礙涌流的識(shí)別。

勵(lì)磁電感仿真驗(yàn)證

由圖1可知，變壓器正常運(yùn)行時(shí)鐵心不飽和，其勵(lì)磁電感較大且近似保持不變，2 種算法都能反映這一特點(diǎn)。由圖2可知，此時(shí)變壓器 A，C 兩相飽和，B 相未飽和，故 B 相勵(lì)磁電感表現(xiàn)為正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)的電感，而在圖2中濾除零序后B相差流也呈飽和形態(tài)，對(duì)比圖2可知，的三相差流在三相鐵心同時(shí)不飽和時(shí)段(即圖2三相差流同時(shí)為 0 的時(shí)段)都為 0，在其他時(shí)間不為 0，即其三相差流的波寬和間斷角相同，并保持同步變換，這一特點(diǎn)也可從理論分析中得出，在此情況下，雖然本文算法所得的勵(lì)磁電感與實(shí)際值有偏差，但并不妨礙涌流的識(shí)別。由仿真圖可知，2種算法獲得的三相差流間斷角最小相(A相)的間斷角相近，2 種算法A相電感的計(jì)算結(jié)果也相近。再看 B，C 相的情況，雖然本文算法B，C 相勵(lì)磁電感的涌流特征比文獻(xiàn)算法稍差，但還是能較好地表征涌流的特征。

勵(lì)磁電感研究結(jié)論

勵(lì)磁電感的計(jì)算主要取決于差流的大小和變化，空投產(chǎn)生涌流時(shí)，原始的勵(lì)磁電流出現(xiàn)間斷角，在間斷期間(即非飽和區(qū))其勵(lì)磁電流極小且其變化率相對(duì)于電流不間斷時(shí)的變化率也極小，其所對(duì)應(yīng)的勵(lì)磁電感很大，而勵(lì)磁電流較大的區(qū)間其所對(duì)應(yīng)的勵(lì)磁電感很小，對(duì)某種勵(lì)磁電感計(jì)算方法，只要其獲得的差流能足夠保持原始勵(lì)磁電流在涌流時(shí)的間斷屬性，就能夠正確識(shí)別涌流。由仿真結(jié)果可知，在正常運(yùn)行時(shí)，本文算法與文獻(xiàn)算法一樣，可正確計(jì)算出勵(lì)磁電感；在空投時(shí)，本文算法獲得的差流能夠保持原始勵(lì)磁電流的間斷屬性，能較好地反映涌流特征；在故障或空投于故障時(shí)，本文算法獲得的三相勵(lì)磁電感都成故障相形式，但這并不妨礙與涌流時(shí)的勵(lì)磁電感計(jì)算值相區(qū)分，因而，從涌流識(shí)別角度來說，本文的勵(lì)磁電感算法是能夠勝任的。

勵(lì)磁電感研究背景

變壓器保護(hù)的正確動(dòng)作率相比線路保護(hù)仍然很低，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2002—2007 年 220 kV 及以上變壓器保護(hù)的正確動(dòng)作率僅為 85.87%。電流差動(dòng)保護(hù)作為電力變壓器的主保護(hù)，反映差動(dòng)電流的增加而動(dòng)作于跳閘。但是，實(shí)際上差動(dòng)電流的增加并不是變壓器內(nèi)部故障的本質(zhì)特征，各種原因造成的鐵芯飽和同樣會(huì)導(dǎo)致變壓器差動(dòng)回路電流的增加而引起保護(hù)的誤動(dòng)。因此，電流差動(dòng)保護(hù)必須與勵(lì)磁涌流識(shí)別判據(jù)配合，共同構(gòu)成變壓器的主保護(hù)方案。

變壓器勵(lì)磁涌流識(shí)別方案主要包括以下 2 種：基于波形特征的識(shí)別方法和基于 T 型等效電路的識(shí)別方法。以二次諧波制動(dòng)原理為代表的波形識(shí)別方法利用勵(lì)磁涌流和內(nèi)部故障的波形差異來區(qū)分內(nèi)部故障和鐵芯飽和。但是，差動(dòng)電流中二次諧波的含量與鐵芯飽和并不具備一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，也就是說鐵芯飽和并不一定表現(xiàn)為二次諧波含量的增加，暫態(tài)過程中差動(dòng)電流所分解得到的二次諧波也不一定是由鐵芯飽和造成的。因此波形特征識(shí)別方法存在整定困難、動(dòng)作時(shí)間長等問題，制約了電力變壓器主保護(hù)性能的提高?；?T 型等效電路的勵(lì)磁涌流識(shí)別方法較之波形特征識(shí)別方法，已經(jīng)從僅考慮電氣量特征發(fā)展為考慮鐵芯飽和時(shí)的參數(shù)特征，其更能反映勵(lì)磁涌流的本質(zhì)特征。文獻(xiàn)提出了基于T型等效電路漏電感或回路方程的變壓器保護(hù)判據(jù)。由電機(jī)學(xué)的理論可知，漏電感并不是變壓器的實(shí)際物理參數(shù)，其僅能用來描述變壓器的穩(wěn)態(tài)特征，在鐵芯飽和時(shí)的漏電感參數(shù)特性需要進(jìn)一步的研究和驗(yàn)證，另外，漏電感的數(shù)值較小，在保護(hù)整定時(shí)也存在一定的困難。文獻(xiàn)利用等效勵(lì)磁電感的特征構(gòu)建勵(lì)磁涌流識(shí)別判據(jù)，但是勵(lì)磁阻抗的計(jì)算需要用到傅氏算法，基于勵(lì)磁電感的頻率特性和勵(lì)磁電感的平均值的方法，在計(jì)算等效勵(lì)磁電感數(shù)值之后還需要分析其特征，限制了繼電保護(hù)的動(dòng)作速度。隨著電子式互感器技術(shù)的逐漸成熟和廣泛應(yīng)用，時(shí)域參數(shù)識(shí)別方法在輸電線路保護(hù)中得到了一定程度的應(yīng)用，這為構(gòu)建不受勵(lì)磁涌流影響的快速變壓器保護(hù)提供了一個(gè)新的途徑。

勵(lì)磁電感保護(hù)原理

變壓器 T 型等效電路如圖3所示。由于鐵磁材料的非線性特征(典型磁化特性曲線如圖4所示，其中 B、H 分別為磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度，Bm、Hm分別為最大磁感應(yīng)強(qiáng)度和最大磁場(chǎng)強(qiáng)度)，在空載合閘以及故障切除后母線電壓突然升高等情況下會(huì)發(fā)生勵(lì)磁涌流現(xiàn)象。由鐵芯飽和所導(dǎo)致的勵(lì)磁電流增大會(huì)影響電流差動(dòng)保護(hù)的正確動(dòng)作，故需要設(shè)置專門的勵(lì)磁涌流識(shí)別判據(jù)。由此可見，變壓器主保護(hù)方案將變壓器的工作狀態(tài)分為正常運(yùn)行、故障以及勵(lì)磁涌流 3 部分，勵(lì)磁涌流識(shí)別判據(jù)的動(dòng)作速度和可靠性直接影響了電流差動(dòng)保護(hù)的性能。

設(shè)置變壓器保護(hù)的目的是及時(shí)發(fā)現(xiàn)變壓器內(nèi)部故障并動(dòng)作于跳閘，以此來防止故障擴(kuò)大造成的設(shè)備損壞。從這一角度出發(fā)，變壓器保護(hù)方案僅需快速靈敏可靠地識(shí)別內(nèi)部故障，而無需關(guān)注勵(lì)磁涌流。基于此，將變壓器的工作狀態(tài)分為兩類：一是非故障狀態(tài)，包括變壓器正常運(yùn)行(空載或帶負(fù)載)和變壓器鐵芯飽和兩種情況；二是故障狀態(tài)，包括變壓器內(nèi)部匝地、匝間故障和引出線故障。

因此，變壓器不同工作狀態(tài)下勵(lì)磁電感的特征如下：

1）變壓器正常運(yùn)行及外部故障時(shí)，勵(lì)磁電感數(shù)值非常大，且不具有波動(dòng)性。

2）變壓器發(fā)生內(nèi)部故障時(shí)，等效勵(lì)磁電感數(shù)值很小(漏感級(jí)別)，并無波動(dòng)。

3）變壓器空投等原因造成鐵芯飽和時(shí)，勵(lì)磁電感的數(shù)值在正常高值與飽和低值之間周期變化，具有明顯的波動(dòng)性。

由此，可以利用變壓器不同工作狀態(tài)下勵(lì)磁電感的數(shù)值特征構(gòu)建快速變壓器保護(hù)方案。需要特別指出的是，當(dāng)變壓器空載合閘于故障時(shí)，內(nèi)部故障與鐵芯飽和的特征同時(shí)存在，等效勵(lì)磁電感可能同時(shí)具有較低的數(shù)值和波動(dòng)性，在構(gòu)建保護(hù)判據(jù)時(shí)需要利用定值和延時(shí)的配合來保證故障判據(jù)的正確性。

勵(lì)磁電感研究結(jié)論

在變壓器 T 型等效電路的基礎(chǔ)上，提出了一種基于勵(lì)磁電感的變壓器快速主保護(hù)方案，采用時(shí)域快速算法，用最小二乘法在 2ms 內(nèi)計(jì)算等效勵(lì)磁電感，利用等效勵(lì)磁電感在正常運(yùn)行、鐵芯飽和以及內(nèi)部故障時(shí)的不同數(shù)值特征構(gòu)建保護(hù)方案，在原理上考慮了勵(lì)磁涌流的特征，具有良好的性能。動(dòng)模試驗(yàn)結(jié)果表明，該方案不受勵(lì)磁涌流的影響，能夠有效地識(shí)別 2.27%匝以上的匝間故障，動(dòng)作時(shí)間小于 13 ms，且該方案不受系統(tǒng)運(yùn)行方式變化以及系統(tǒng)諧波的影響，從動(dòng)作可靠性和速動(dòng)性方面都優(yōu)于傳統(tǒng)的二次諧波制動(dòng)的差動(dòng)保護(hù)，故可作為超高壓特高壓電網(wǎng)中的單相變壓器保護(hù)新原理，具有良好的應(yīng)用前景。 2100433B

勵(lì)磁電感是僅在變壓器中才出現(xiàn)的名詞，也就是一個(gè)等效電感值，事實(shí)上這個(gè)電感是變壓器的初級(jí)側(cè)電感，作用在其上的電流不會(huì)傳導(dǎo)到次級(jí)，既是所有次級(jí)開路從初級(jí)測(cè)得的電感，它的作用是拿來對(duì)鐵芯產(chǎn)生激磁作用，使鐵芯內(nèi)的鐵磁分子可以用來導(dǎo)磁，就好比鐵芯是磁中性，繞上繞組后，加入電源，它就像個(gè)永久磁體，開始有磁力了，這個(gè)電感稱它為勵(lì)磁電感，這個(gè)名稱只在變壓器中使用。

由于勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁方式不同，又可分 為自并勵(lì)接線(見圖)、他勵(lì)接線和復(fù)勵(lì)接線三種。其 中自并勵(lì)主勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁是一種廣泛使用的勵(lì)磁方式. 正常運(yùn)行時(shí)，由自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器改變主勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁 電流，以實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁調(diào)節(jié)。當(dāng)自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器 退出運(yùn)行時(shí)，則用手動(dòng)磁場(chǎng)變阻器改變主勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁 電流從而調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁。 自并勵(lì)同軸直流勵(lì)磁機(jī) 勵(lì)磁系統(tǒng)原理圖 直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁方 式的特點(diǎn)是:①有獨(dú)立 的勵(lì)磁電源，運(yùn)行獨(dú)立 性好(指電力系統(tǒng)或主 機(jī)發(fā)生短路故障時(shí)勵(lì)磁 系統(tǒng)仍能維持其應(yīng)有的 能力);②勵(lì)磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 1一發(fā)電機(jī);2一發(fā)電機(jī)勵(lì)磁線簡單，有較多的制造和 圈;3一電流互感器;4一電壓運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，設(shè)備投資及 互感器;5一直流勵(lì)磁機(jī);6一運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用少，在合 勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁線圈;7一磁場(chǎng)變理使用和維護(hù)得當(dāng)?shù)那?阻器;8一自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器況下，可滿足一般運(yùn)行 要求;③直流勵(lì)磁機(jī)有換流器和電刷等轉(zhuǎn)動(dòng)接觸部件， 運(yùn)行維護(hù)工作量大，維護(hù)不當(dāng)將降低運(yùn)行可靠性;④因 受換流器的限制，同軸直流勵(lì)磁機(jī)的容量不能做得過 大，在n一300Or/min時(shí)，極限功率約600 kw。因此與 發(fā)電機(jī)同軸的直流勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁方式一般只適用于單 機(jī)容量為100 MW及以下的透平發(fā)電機(jī)。 較大容量的發(fā)電機(jī)可用經(jīng)齒輪減速器與發(fā)電機(jī)主 軸連接的低速直流勵(lì)磁機(jī)供給勵(lì)磁。該直流勵(lì)磁機(jī)的 轉(zhuǎn)速一般在250一l000r/min之內(nèi)。這種勵(lì)磁方式可適 用于125一600 Mw的透平發(fā)電機(jī)，但由于采用齒輪減速器，存在著占地面積大、噪聲大的缺點(diǎn)。2100433B