关键词：变压器差动保护
电力变压器是电力系统重要的电气设备,整个电力系统的稳定安全运行都和它有关。随着社会的发展，时代的进步，电力变压器的容量、性能、标准等必然逐渐也要随之提高，否则无法保障人们的生活质量，满足不了人们的需求。
时代的发展，技术的创新，新材料新工艺的出现，电力变压器的快速性和可靠性标准也在提高。对励磁涌流及内部故障进行暂态仿真，对分析变压器的运行状况很有帮助，也可以改进现有变压器保护性能及发展新型变压器保护方案。
一、变压器励磁涌流
1.励磁涌流形成的原因
当合上断路器给变压器充电时，有时会看到变压器电流表的指针摆动很大，之后很快回到正常的空载电流值，这个冲击电流我们叫做励磁涌流。励磁涌流的根本原因是变压器铁芯饱和。其大小的原因有很多，铁芯饱和程度、铁芯的剩磁、合闸时电压的相角等等。在变压器空载合闸这短暂时间，电压、电流的波形会畸变，产生谐波。下面以一台单相变压器空载合闸为例。为了简便，变压器额定电压幅值u和额定磁通的幅值为。假设电源内阻抗为零，且不计合闸回路电阻涌流不衰减。
图2变压器铁芯磁化曲线
通常是以2π为周期变化，由图3-3可看出，合闸之后半个周期，磁通达到最大值Φ = 2Φm，即瞬时值是稳态值的两倍，此时铁心已极度饱和。根据图3-2可知，铁芯的饱和程度是有限制的会影响励磁涌流的大小，同时铁心的剩磁和合闸时电压的相角也影响励磁涌流大小。由此可以得出结论，单相变压器，我们可以在电压最大时合闸，能减小励磁涌流。但三相变压器就不行了，只能保证一相，其他两相只能介于0和最大值之间。
图3变压器过零合闸时其内部磁通与系统电压之间的关系
2.识别励磁涌流的方法
目前基于间断角原理和二次谐波原理能有效识别出励磁涌流，国内的变压器差动保护装置主要也是基于这两个原理。此外，还有波形对称原理，波形叠加原理、波形相关性分析法、波形拟合法这些利用波形特征来识别变压器励磁涌流的方法。最近，电压制动原理、等值电路原理、磁特性原理等也有应用和研究。
（1）间断角原理
大量数据表明，励磁涌流波形中有明显的间断角，而区内故障电流都是连续的，根据这个特点能区别二者；一般利用分相涌流判别方法，在变压器内部故障时能迅速跳闸。但是，实现间断角原理有下列难点：虽然励磁涌流的间断角出现在变压器的一侧，但是这些
带有间断角的电流进入电流互感器时使CT饱合随之出来的间断角大打折扣，想要保持原来的特性加大了装置的复杂性。同时间断角要求的采样率很大，更高的要求对计算机硬件就被提出了。综上所诉，这些原因使间断角原理的应用受阻，没能更好地利用。除此之外硬件复杂和成本较高，在现实使用过程中要着进一步分析经济技术和现场考验。
（2）波形对称原理
波形对称原理顾名思义也是根据波形来区分励磁涌流和内部短路电流。先把流入差动继电器电流进行微分，一般来说内部故障电流是上下半波对称的，然而励磁涌流波形明显偏向一侧，比较微分出来的电流上半波与下半波是否对称，即可区分开二者。上面说到，由于励磁涌流的波形中出现间断角，导致励磁涌流在一个周波波形的前半周与后半周不对称；而大量研究数据证明，变压器内部故障时的电流正弦波，波形的前半周与后半周是也几乎对称的。在此基础上，学者们又提出波形拟合法、波形相关性分析法等，其本质道理是大致相同的，换句话说都是间断角原理发展的产物。相对间断角原理好处是，它比较容易实现，对微机保护硬件要求没有那么高，降低了成本，更具有经济性。
二、电力变压器保护的仿真设计与实现
本节采用PSCAD软件来建立三相变压器空载合闸时励磁涌流的仿真模型。仿真采用230kv电力系统，电源初相角为0°，电源内阻大小为1欧，内阻抗大小为0，等效为无穷大电源，频率为60Hz。变压器采用Yd的接法，变比为132.79kv/35kv,漏抗标幺值大小为0.1，变压器容量为50MVA。
利用PSCAD软件建立的电力变压器空载合闸模型如下：
图4变压器励磁涌流仿真模型
如下图，其中B1为高压侧三相断路器，它有两个控制按钮，0表示断路器闭合状态也是closed，1表示断路器断开状态,可以配合合闸角alpha逻辑进行闭合。显然变压器空载合闸前要确保断路器是断开状态。B2为低压侧三相短路器，它也有两个控制按钮，0表示断路器闭合状态，1表示断路器打开状态，用于控制负荷侧空载，使得空载合闸实验能顺利进行。
图5控件模块
下图所示，根据A相的电压设置控制合闸角，当电压检测器检测A相电压过零时，将会产生一个信号；用一个方波器产生信号，因为方波在零点时值为1，与我们的要求相反，所以让它和1做异或，就可以得到相反的信号，这个信号将会触发单稳态触发器，输出一个正脉冲，再与之前A相电压过零点做与可以得到一系列信号。这些信号又触发一个单稳态触发器产生正脉冲，脉冲的宽度由alpha即合闸角度控制，最后经过一个异或门，使得输出0时候断路器合闸，输出1时断路器跳闸。最后为了更完善，还加了一个手动合闸的控件，当Ctrl=1时，手动合闸；否则就是上面说的自动自定义合闸。
图7合闸角与时间的转换模块
三、总结
随着继电微机保护的发展，变压器的保护也在不断革新，研究新型变压器保护的算法和保护方案作为继电保护可靠性发展重要课题之一。
本文从理论以及实际仿真实验的角度分析了电力变压器差动保护在电力系统运行中存在的涌流以及各种内部故障等多种问题。本文的主要工作都是基于理论分析和仿真验证的基础上实现的，还缺少一定的实验基础。变压器器在电力系统中一直处于很重要的位置，随着时代的发展，对其保护的灵敏行和可靠性要求也会提高。
参考文献
[1]王梅义.高压电网继电保护运行技术[M].电力工业出版,2014,10.
[2]赵洪梅.电力变压器的继电保护[J].电力与能源,2014,34.
[3]成花丽.浅谈继电保护在变电站中的应用及特点[J].科技创新导报,2015,6:95-96.
[4]成花丽.浅谈继电保护在变电站中的应用及特点[J].科技创新导报,2015,17:95.
论文作者:范少宁
论文发表刊物:《科技中国》2016年8期
论文发表时间:2016/10/20
标签：变压器论文; 波形论文; 励磁论文; 电压论文; 原理论文; 断路器论文; 电流论文; 《科技中国》2016年8期论文;