沈阳变压器回收专题计算机在变压器过励磁保护中的应用
摘要 本文介绍用磁通原理来鉴别励磁涌流，并用计算机来实现过励磁保护的基本原理及方法。
关键词 变压器 继电保护 计算机 应用
在计算机继电保护研究领域，除了线路保护最受关注外，其次就是变压器保护。这显然是因为变压器在电力系统发电、输电和配电各个环节中广泛使用，因而其保护设备具有广阔的应用领域。
目前，计算机变压器保护的研究成果主要集中在差动保护方面。由于广为采用的16位微处理器(包括单片微处理器)具有很强的运算和处理能力，为充分利用其资源，最新的趋势是用一套主机系统来实现全套变压器保护功能，即把差动保护、过励磁保护、零序保护及多种后备保护功能集于一身，其中差动保护的研究仍然是最有特色的。但是过励磁保护的研究不是很多，因此本文将在这方面进行介绍。
现代大型变压器的特点是容量大，电压等级高，而且价格昂贵和修理困难。大型变压器在电力系统中的地位非常重要，一旦发生故障，影响范围很大。为保证系统和变压器安全运行，减少事故损失，对变压器继电保护提出了更苛刻的要求。
(1)提高灵敏度。要求差动保护能灵敏动作于匝间短路故障，同时亦要求灵敏动作于内部高电阻接地故障。
(2)保持高速度。对于接于超高压远距离输电线路的变压器，当发生内部故障时，由于谐振亦会产生谐波电流，可能引起谐波制动的差动保护延缓动作，需要采取有效的加速措施或寻求新原理的励磁涌流鉴别方法。
(3)有效地对付过励磁。大型变压器的工作磁密通常取得较高，短时过压或频率降低，励磁电流会激增。一方面要求此时差动保护不能误动，另一方面为防止变压器流过很大的励磁电流而发热烧损，需要装设满足过励磁倍数要求和具有反时限特性，并能计及过热累积效应的过励磁保护。
计算机技术具有的长记忆功能和优越的信息处理功能，以及在结构上的特点，为解决这些难题提供了手段，主要表现在：可应用更多更复杂的原理来改善励磁涌流鉴别能力，目前提出各种磁制动及图象识别方法来鉴别励磁涌流的原理，需要更复杂的数学运算和逻辑处理。传统的励磁涌流的鉴别以二次谐波原理为主导，若用传统技术来实现可能会遇到困难。因此通常用磁通原理来鉴别励磁涌流。
变压器在运行中，电压增高或频率降低时，会出现过励磁。现代大型变压器采用冷轧晶粒定向硅钢片，选择饱和磁密Bs与额定工作磁密Be之比仅为1∶1左右，更容易因过励磁而造成变压器的损伤。目前大型变压器都要求安装过励磁保护。根据电压ｕ，频率f和磁通密度B的关系，一般采用下式检测磁通密度，即：
B=K·u/f
过励磁倍数n可以表示为：n=B/Be=u*/f*=u*T*
式中，u*=u/ue,f*=f/fe,T*=T/Te，分别为电压、基频频率和基频周期相对于额定量的标幺值。
常规过励磁保护多采用RC电路串联分压，依靠电容器C两端电压Uc来近似反映过励磁倍数。通常包括两段定时限，如当n=1.05～1.2时以第一段时限发信号，当n=1.25～1.4时按第二段时限跳闸。
过励磁对变压器的损伤主要是过压过热引起的，有一个时间积累过程。变压器允许过励磁运行的时间随过励磁倍数而不同，美国、德国等国家都制定了过励磁倍数与允许运行时间关系曲线，这类曲线具有反时限特征。因此理想的过励磁保护应有反时限动作特征，并能反映过励磁时间积累过程。计算机技术为满足这些要求提供了方便。
计算机过励磁保护虽然也可以采用传统的方法，即通过RC串联电路将Uc作为输入信号直接反应n的变化，但这样需单独占用一个模入通道。为节省通道(尤其在全套计算机变压器保护中)，可采用已有的电压输入量，通过数字计算来实现过励磁保护。
用计算机实现时可以先分别计算u和f(或T)，然后再计算n。
电压u的计算比较容易，对U采样与离散化，即可得到采集数据。在采样过程中应遵循香农采样定理。
频率f的测量则可采用所谓“全周波波形过零监视器”方法，通过检测周期T实现。这种方法简便易行，计算量小，实践证明完全能满足精度要求。其原理是先将输入信号整形成同周期的方波，并用高速脉冲计数器(即CTC)对方波持续一周期时间进行计数，计数器的起停由方波上升沿(或下降沿)控制，计数结果可反映输入电压周期T的长短，亦即确定了f的大小。因计数结果是从计数器读入的，故不占模入通道，但需要附加一个简单的外部过零检测电路。
频率f的测量也可以不用任何附加电路，而直接使用“频率跟踪采样”算法，所得到的当前采样周期Ts，这是因为Ts与当前频率f及周期T保持确定的关系。
这类测频的当前共同特点是依靠检测波形过零点，故障扰动过程中可能出现额外过零点而造成大的测量误差，此时可利用频率不会突变的特点来剔除坏测量数据，或者在扰动发生时暂停频率测量，过后再恢复。
过励磁保护特性的算法可以有多种选择，下面介绍一种作为举例：
变压器过励磁后，引起铁芯温度升高，造成局部过热，其主要原因之一是铁损增加。铁损随频率下降而增加，并近似随电压上升的平方值成比例增加。为了计及过励磁的时间累积效应，定义一个综合过励磁倍数Nm为：
Tk—与Nk相应的持续时间
m—累积计算次数
当过励磁倍数超过动作门坎值Ng后，根据反时限特性曲线得到作时延，定时器开始计时，只要计时未到，就反复计算式(1)，并根据给定的反时限特性不断用新的综合过励磁倍数Nm决定允许时延Tm，再减去现已达到的时延，便得到还需要的时延△Tm，即：
很显然，式(1)和式(2)不仅考虑了当前时刻的过励磁信息，也包含了从定时器起动时刻到当前时刻这一段时间里的过励磁信息。
另一个问题是如何实现反时限特性。由于不同的变压器其过励磁能力各不相同，如果用某种固定的函数关系t=f(n)来实现反时限特性会引起较大的误差。制造厂家给出了变压器“过励磁倍数—允许运行时间”曲线，或者几个特殊的过励磁倍数与相应的允许运行时间值。对于前一种情况，可将曲线数字化后变为表格输入计算机，通过查表的方法来得到反时限特性；对于后一种情况，则需要通过曲线拟合来近似得到完整的曲线。困难之处是在不知反时限特性曲线的情况下难以确定采用什么拟合方法最好。最简单的可用线性插值法来拟合。由于允许过励倍数反时限特性曲线均具有下凸的特点，在插值点上得到允许时间将会略大于实际允许时间。通常对应于过励磁倍数较大时，有一段反时限特性曲线曲率较大，为避免线性插值带来较大误差，需根据实际情况采用非线性拟合，如抛物线、平方曲线拟合、最小二乘法等。这时减小实时计算量，最好是事先离线多计算几点，或者用整定软件事先多计算几点，以表格形式存入计算机内存，而实时计算时只用线性插值算法。
过励磁保护通常需要两个起动门坎值：达到较低门坎值(n=1.05)时，提醒运行人员调整变压器工况，避免更严重的过励磁；超过较高门坎值(n=1.08)并达到了过励磁特性曲线所允许的运行时间后即动作于跳闸。
实践证明：计算机技术实现变压器过励磁保护优于传统的RC电路保护，值得进一步推广应用。