变压器差动保护二次谐波制动仿真分析

吴成明，张鑫，鲁月娥，王毅，王婷乐

(1.三峡大学 电气与新能源学院，湖北 宜昌 443002； 2.安徽送变电工程公司，安徽 合肥 230022)

变压器差动保护二次谐波制动仿真分析

吴成明1，张鑫1，鲁月娥1，王毅1，王婷乐2

(1.三峡大学 电气与新能源学院，湖北 宜昌 443002； 2.安徽送变电工程公司，安徽 合肥 230022)

变压器差动保护中传统的二次谐波制动方案在变压器空载合闸、内部故障或外部故障切除时，若TA饱和，变压器差流中二次谐波含量较低，差动保护容易误动。文章首先分析了变压器空载合闸中励磁涌流的二次谐波和基波之间的幅值关系，利用二次谐波制动的原理防止励磁涌流造成差动保护误动作，这也是目前最普遍应用的方法。通过建立合理的变压器模型，在不同的情况下进行各种二次谐波仿真、比较，验证了其可靠性与正确性。

二次谐波；励磁涌流；变压器模型

1 引言

变压器在电力系统安全运行中起着重要作用。差动保护性能优越，在电力系统主设备的保护中一直充当主保护使用。但在变压器差动保护中，如何区分励磁涌流与内部故障电流是一个固有的、不可回避的难题，多年来一直成为研究的热点，从某种意义上来说，这一问题的解决取决于对变压器内部故障和励磁涌流作用机理的正确认识。长期以来二次谐波原理被用于制动励磁涌流，从而防止误动作。因此有必要对其进行分析仿真研究，而PSCAD能够很好地对电力系统进行建模分析和研究。PSCAD是一款电磁暂态软件包，它由很多可视化模块组成，具有较完善的模型库，主要研究电力系统的暂态过程，对电力系统时域和频域进行快速而又准确的仿真分析。

2 励磁涌流的产生机理

变压器正常运行和外部故障时不会饱和，励磁电流一般小会超过电力系统稳定运行时额定电流的2%～5%，从而对纵差动保护的影响可以忽略。当变压器空载投入或者外部故障切除后电压恢复时，变压器电压从零或很小的值突然上升到运行电压。在这个电压上升的暂态过程中，变压器可能会严重饱和，产生很大的暂态励磁电流。这个暂态励磁电流就是励磁涌流。

变压器产生的励磁涌流最大可能会达到额定电流的4～8倍，并与变压器的额定容量有关。而和应涌流一般发生在两台变压器上，当一台变压器空载合闸时会对另一台变压器励磁电流的影响，产生的过程大致可分为两种：一种是两台变压器串联，当末端变压器空载合闸时，另一台变压器可能产生和应涌流；另一种是两台变压器并联，当一台变压器合闸时，另一台可能会产生和应涌流。

以单项变压器为例，忽略漏抗和绕组电阻，空载合闸时变压器铁芯中的磁通为:

φ=-φmcos(ωt+θ)+φmcos(θ)+φr

故而，在电压过零时空载合闸将会产生最大磁通为：

φp=2φm+φr

式中,φm为变压器磁通的最大值;φr变压器空载合闸瞬间时铁芯中的剩磁。

3 二次谐波制动保护

当变压器空载投入和外部故障切除后电压恢复的情况下，可能出现很大的励磁电流即励磁涌流。由于变压器励磁涌流中含有大量谐波分量，而内部故障时不会产生如此多的二次谐波分量，因此利用差电流中二次谐波所占的比率作为制动系数来区分变压器的励磁涌流与内部故障。二次谐波制动比的值按躲过各种励磁涌流下最小的二次谐波含量整定，整定范围通常为15%～20%。其计算方法有两种:

(1)谐波比最大相制动。即三相中只要有一相差流二次谐波含量大于其整定值K2的设定值，则制动。

(2)分相制动。即每一相差流二次谐波含量都大于的设定值，则制动。

前者谐波比最大相制动可以保证励磁涌流时保护不误动，按故障相制动可较大改善最大相制动方式动作延时长的不足。但只以一相的谐波比制动，可能导致误动。分相制动方式能迅速动作，但存在误动风险。

但随着变压器铁心材料的变化，使得励磁涌流中二次谐波含量降低，导致误动；而远距离长线路输电使得内部故障时暂态电流产生较大的二次谐波，导致拒动。因此，二次谐波制动原理的制动比K2很难适当选择。

4 建模与仿真

本文选择电磁暂态程序PSCAD作为变压器UMEC 模型的仿真工具。PSCAD (Power Systems Computer Aided Design) 是加拿大马尼托巴高压直流研究中心开发的电力系统电磁暂态计算软件。

4.1 电力系统的模型

下面在PSCAD 中采用变压器UMEC模型建立仿真电路如图1所示。系统中，电源为100MVA、220kV；变压器T1 为60MVA、电压变比15/10kV、YN/delta 型连接；变压器漏阻抗都取为0.1(标幺值)。

图1 变压器仿真电路

4.2 模拟空载合闸

模拟工况：BRK11起初处于打开状态，BRK12起初处于关闭状态；设定BRK12在0s的时候打开，使其处于空载状态，BRK11设定在0.25s关闭，这样在0.2s的时候就实现了空载合闸。

图2 空载合闸励磁涌流波形

图3 放大后的空载合闸励磁涌流波形

4.3 合闸角对励磁的影响

上图系统中的频率为50Hz，所以一个周期为0.02s。通过改变合闸的时间可以改变合闸角。下面对A相分别对α=0°、30°、60°、90°的合闸进行仿真分析。仿真结果如下：

图4 α=0°

图5 α=30°

图6 α=60°

图7 α=90°

合闸角度不同对励磁涌流的影响从上图中我们可以看出，合闸角在0～90°变化的过程中：

(1)α=90°时

如果在合闸瞬间电压正好达到最大值，则磁通的瞬间值恰好为零，即在铁芯里开始就建立了稳态磁通，和稳态时情况一样。此时励磁电流很小，一般不超过额定电流的2%～10%。在这种情况下，不会产生励磁涌流。

(2)α=0°时

如果在空载合闸时，恰好在电压瞬时值u=0时接通路，则铁芯中应该具有磁通-Φm，但是由于铁芯中的磁通不能突变，既然合闸前铁芯中没有磁通，这一瞬间仍要保持磁通为零。因此，在铁芯中就出现1 个非周期分量的磁通，其幅值为Φm。这样在经过半个周期后，铁芯中的磁通就达到2Φm+Φr。如果铁芯中的磁通还有剩磁磁通将达到。此时变压器的铁芯严重饱和，励磁电流将急剧增大到稳态值的几十倍，即可能达到额定8～10倍。

由分析可知，合闸时间决定了合闸角的大小，而合闸角的大小决定了励磁涌流是否会产生及其大小。

4.4 不同合闸角二次谐波含量

分析合闸角的不同二次谐波含量的不同，从而验证其变压器差动保护二次谐波制动的可靠性。采用PSCAD中的FFT模块，建立图8模型。该模块功能灵活，输入可以使三相也可以是一相，此处先只分析A相涌流的波形，采用的是一相输入通道，另外输出有三相通道，分别是幅值，相位以及直流分量。

图8 FFT模块

图9 FFT滤波后七次谐波的波形

图10

图11

图8中为FFT模块，图9为通过FFT滤波后七次谐波的波形。图10为为各次谐波含量的柱状图。图11为基波和二次谐波含量的柱状图，由图11可以清楚的二次谐波与基波含量的比较。

分析不同合闸角不同相的二次谐波含量，当α=0°,90°的时候三相的波形如图12,图13。通过FFT滤波，分析写过如表1所示。

图12 α=0°时三相波形

图13 α=90°时三相波形

合闸角基波幅值二次谐波幅值二次谐波百分比A5.9873e-0061.5932e-00626.55%0°B5.4796e-0061.1122e-00620.29%C4.8449e-0063.0543e-0076.29%A6.0459e-0061.5768e-00626.13%30°B4.8925e-0064.0665e-0078.3%C5.3717e-0061.0229e-00620%A4.8972e-0064.2414e-0078.6%90°B5.3615e-0061.0086e-00618.81%C6.0531e-0061.6537e-00627.56%

通过上表我们可以清晰的看出来在不同的合闸角，三相励磁涌流至少有两项大于15%。

由以上分析，对于一般的情况，三相变压器励磁涌流有以下特点：

由于三相电压之间有的相位差，因而三相励磁涌流不会相同，任何情况下空载投入变压器，至少在两相中要出现不同程度的励磁涌流。

三相励磁涌流中有一相或两相二次谐波含量比较小，但至少有一相比较大。

二次谐波制动元件的动作判据为I2>K2I1(15%

5 结论

利用二次谐波制动能有效的防止励磁涌流引起的误动。利用二次谐波的含量的比较，及时锁闭，方式误动，减少误动带来的不必要的损失。

PSCAD/EMTDC 是在电力系统中被广泛使用的一个程序，含有丰富的元件库，利用其中的变压器UMEC 模型，能够较为准确的仿真变压器励磁涌流的波形，从仿真结果可以看出，涌流波形中二次谐波含量都比较突出，无论是基于间断角还是二次谐波含量制动的原理都是从波形的原始特征出发，是比较接近实际情况的，因此在变压器空投时能通过二次谐波的制动方法有效闭锁差动保护。

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Simulation Analysis of Second Harmonic Brake of Differential Protection of a Transformer

WUCheng-ming1,ZHANGXin1,LUYue-e1,WANGYi1,WANGTing-le2

(1.College of Electrical Engineering &New Energy Three gorges University,Yichang 443002,China;2.Anhui Transmisstion and Transformation Engineering Corporation,Hefei 230022,China)

The traditional transformer differential protection scheme of second harmonic brake in transformer no-load closing,internal fault and external fault removal,if TA saturation,second harmonic content in the transformer differential current is low,the differential protection misoperation easily.This paper analyzes the excitation inrush current in the transformer no-load closing between fundamental and second harmonic amplitude relationship,using the principle of second harmonic brake to prevent the excitation inrush current differential protection misoperation.This is by far the most widely used method.Through establishing reasonable model of transformer in different situations are compared,and all kinds of second harmonic simulation,verified its reliability and validity.

second harmonic;inrush current;transformer model

1004-289X(2016)06-0042-04

TM41

B

2015-09-25

吴成明(1968-)，男，汉族，湖北枝江人，教授，主要从事计算机应用与电力系统仿真； 张鑫(1993-)，男，汉族，湖北神农架人，硕士研究生，电力系统仿真； 鲁月娥(1989-)，女，汉族，湖北荆门人，硕士研究生，电力系统仿真； 王毅(1991-)，男，汉族，湖北咸宁人，硕士研究生，电力系统仿真； 王婷乐(1990-)，男，汉族，安徽合肥人，电力系统运行与控制。