沈陽變壓器回收專題計算機在變壓器過勵磁保護中的應用
摘要 本文介紹用磁通原理來鑒別勵磁涌流，并用計算機來實現過勵磁保護的基本原理及方法。
關鍵詞 變壓器 繼電保護 計算機 應用
在計算機繼電保護研究領域，除了線路保護最受關注外，其次就是變壓器保護。這顯然是因為變壓器在電力系統發電、輸電和配電各個環節中廣泛使用，因而其保護設備具有廣闊的應用領域。
目前，計算機變壓器保護的研究成果主要集中在差動保護方面。由于廣為采用的16位微處理器(包括單片微處理器)具有很強的運算和處理能力，為充分利用其資源，最新的趨勢是用一套主機系統來實現全套變壓器保護功能，即把差動保護、過勵磁保護、零序保護及多種后備保護功能集于一身，其中差動保護的研究仍然是最有特色的。但是過勵磁保護的研究不是很多，因此本文將在這方面進行介紹。
現代大型變壓器的特點是容量大，電壓等級高，而且價格昂貴和修理困難。大型變壓器在電力系統中的地位非常重要，一旦發生故障，影響范圍很大。為保證系統和變壓器安全運行，減少事故損失，對變壓器繼電保護提出了更苛刻的要求。
(1)提高靈敏度。要求差動保護能靈敏動作于匝間短路故障，同時亦要求靈敏動作于內部高電阻接地故障。
(2)保持高速度。對于接于超高壓遠距離輸電線路的變壓器，當發生內部故障時，由于諧振亦會產生諧波電流，可能引起諧波制動的差動保護延緩動作，需要采取有效的加速措施或尋求新原理的勵磁涌流鑒別方法。
(3)有效地對付過勵磁。大型變壓器的工作磁密通常取得較高，短時過壓或頻率降低，勵磁電流會激增。一方面要求此時差動保護不能誤動，另一方面為防止變壓器流過很大的勵磁電流而發熱燒損，需要裝設滿足過勵磁倍數要求和具有反時限特性，并能計及過熱累積效應的過勵磁保護。
計算機技術具有的長記憶功能和優越的信息處理功能，以及在結構上的特點，為解決這些難題提供了手段，主要表現在：可應用更多更復雜的原理來改善勵磁涌流鑒別能力，目前提出各種磁制動及圖象識別方法來鑒別勵磁涌流的原理，需要更復雜的數學運算和邏輯處理。傳統的勵磁涌流的鑒別以二次諧波原理為主導，若用傳統技術來實現可能會遇到困難。因此通常用磁通原理來鑒別勵磁涌流。
變壓器在運行中，電壓增高或頻率降低時，會出現過勵磁。現代大型變壓器采用冷軋晶粒定向硅鋼片，選擇飽和磁密Bs與額定工作磁密Be之比僅為1∶1左右，更容易因過勵磁而造成變壓器的損傷。目前大型變壓器都要求安裝過勵磁保護。根據電壓ｕ，頻率f和磁通密度B的關系，一般采用下式檢測磁通密度，即：
B=K·u/f
過勵磁倍數n可以表示為：n=B/Be=u*/f*=u*T*
式中，u*=u/ue,f*=f/fe,T*=T/Te，分別為電壓、基頻頻率和基頻周期相對于額定量的標幺值。
常規過勵磁保護多采用RC電路串聯分壓，依靠電容器C兩端電壓Uc來近似反映過勵磁倍數。通常包括兩段定時限，如當n=1.05～1.2時以第一段時限發信號，當n=1.25～1.4時按第二段時限跳閘。
過勵磁對變壓器的損傷主要是過壓過熱引起的，有一個時間積累過程。變壓器允許過勵磁運行的時間隨過勵磁倍數而不同，美國、德國等國家都制定了過勵磁倍數與允許運行時間關系曲線，這類曲線具有反時限特征。因此理想的過勵磁保護應有反時限動作特征，并能反映過勵磁時間積累過程。計算機技術為滿足這些要求提供了方便。
計算機過勵磁保護雖然也可以采用傳統的方法，即通過RC串聯電路將Uc作為輸入信號直接反應n的變化，但這樣需單獨占用一個模入通道。為節省通道(尤其在全套計算機變壓器保護中)，可采用已有的電壓輸入量，通過數字計算來實現過勵磁保護。
用計算機實現時可以先分別計算u和f(或T)，然后再計算n。
電壓u的計算比較容易，對U采樣與離散化，即可得到采集數據。在采樣過程中應遵循香農采樣定理。
頻率f的測量則可采用所謂“全周波波形過零監視器”方法，通過檢測周期T實現。這種方法簡便易行，計算量小，實踐證明完全能滿足精度要求。其原理是先將輸入信號整形成同周期的方波，并用高速脈沖計數器(即CTC)對方波持續一周期時間進行計數，計數器的起停由方波上升沿(或下降沿)控制，計數結果可反映輸入電壓周期T的長短，亦即確定了f的大小。因計數結果是從計數器讀入的，故不占模入通道，但需要附加一個簡單的外部過零檢測電路。
頻率f的測量也可以不用任何附加電路，而直接使用“頻率跟蹤采樣”算法，所得到的當前采樣周期Ts，這是因為Ts與當前頻率f及周期T保持確定的關系。
這類測頻的當前共同特點是依靠檢測波形過零點，故障擾動過程中可能出現額外過零點而造成大的測量誤差，此時可利用頻率不會突變的特點來剔除壞測量數據，或者在擾動發生時暫停頻率測量，過后再恢復。
過勵磁保護特性的算法可以有多種選擇，下面介紹一種作為舉例：
變壓器過勵磁后，引起鐵芯溫度升高，造成局部過熱，其主要原因之一是鐵損增加。鐵損隨頻率下降而增加，并近似隨電壓上升的平方值成比例增加。為了計及過勵磁的時間累積效應，定義一個綜合過勵磁倍數Nm為：
Tk—與Nk相應的持續時間
m—累積計算次數
當過勵磁倍數超過動作門坎值Ng后，根據反時限特性曲線得到作時延，定時器開始計時，只要計時未到，就反復計算式(1)，并根據給定的反時限特性不斷用新的綜合過勵磁倍數Nm決定允許時延Tm，再減去現已達到的時延，便得到還需要的時延△Tm，即：
很顯然，式(1)和式(2)不僅考慮了當前時刻的過勵磁信息，也包含了從定時器起動時刻到當前時刻這一段時間里的過勵磁信息。
另一個問題是如何實現反時限特性。由于不同的變壓器其過勵磁能力各不相同，如果用某種固定的函數關系t=f(n)來實現反時限特性會引起較大的誤差。制造廠家給出了變壓器“過勵磁倍數—允許運行時間”曲線，或者幾個特殊的過勵磁倍數與相應的允許運行時間值。對于前一種情況，可將曲線數字化后變為表格輸入計算機，通過查表的方法來得到反時限特性；對于后一種情況，則需要通過曲線擬合來近似得到完整的曲線。困難之處是在不知反時限特性曲線的情況下難以確定采用什么擬合方法最好。最簡單的可用線性插值法來擬合。由于允許過勵倍數反時限特性曲線均具有下凸的特點，在插值點上得到允許時間將會略大于實際允許時間。通常對應于過勵磁倍數較大時，有一段反時限特性曲線曲率較大，為避免線性插值帶來較大誤差，需根據實際情況采用非線性擬合，如拋物線、平方曲線擬合、最小二乘法等。這時減小實時計算量，最好是事先離線多計算幾點，或者用整定軟件事先多計算幾點，以表格形式存入計算機內存，而實時計算時只用線性插值算法。
過勵磁保護通常需要兩個起動門坎值：達到較低門坎值(n=1.05)時，提醒運行人員調整變壓器工況，避免更嚴重的過勵磁；超過較高門坎值(n=1.08)并達到了過勵磁特性曲線所允許的運行時間后即動作于跳閘。
實踐證明：計算機技術實現變壓器過勵磁保護優于傳統的RC電路保護，值得進一步推廣應用。