摘要 本文介紹用磁通原理來鑒別勵(lì)磁涌流，并用計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)過勵(lì)磁保護(hù)的基本原理及方法。

　　關(guān)鍵詞 變壓器 繼電保護(hù) 計(jì)算機(jī) 應(yīng)用

　　在計(jì)算機(jī)繼電保護(hù)研究領(lǐng)域，除了線路保護(hù)最受關(guān)注外，其次就是變壓器保護(hù)。這顯然是因?yàn)樽儔浩髟陔娏ο到y(tǒng)發(fā)電、輸電和配電各個(gè)環(huán)節(jié)中廣泛使用，因而其保護(hù)設(shè)備具有廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。

　　目前，計(jì)算機(jī)變壓器保護(hù)的研究成果主要集中在差動(dòng)保護(hù)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(qiáng)的運(yùn)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(jī)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)全套變壓器保護(hù)功能，即把差動(dòng)保護(hù)、過勵(lì)磁保護(hù)、零序保護(hù)及多種后備保護(hù)功能集于一身，其中差動(dòng)保護(hù)的研究仍然是最有特色的。但是過勵(lì)磁保護(hù)的研究不是很多，因此本文將在這方面進(jìn)行介紹。

　　現(xiàn)代大型變壓器的特點(diǎn)是容量大，電壓等級高，而且價(jià)格昂貴和修理困難。大型變壓器在電力系統(tǒng)中的地位非常重要，一旦發(fā)生故障，影響范圍很大。為保證系統(tǒng)和變壓器安全運(yùn)行，減少事故損失，對變壓器繼電保護(hù)提出了更苛刻的要求。

　　(1)提高靈敏度。要求差動(dòng)保護(hù)能靈敏動(dòng)作于匝間短路故障，同時(shí)亦要求靈敏動(dòng)作于內(nèi)部高電阻接地故障。

　　(2)保持高速度。對于接于超高壓遠(yuǎn)距離輸電線路的變壓器，當(dāng)發(fā)生內(nèi)部故障時(shí)，由于諧振亦會(huì)產(chǎn)生諧波電流，可能引起諧波制動(dòng)的差動(dòng)保護(hù)延緩動(dòng)作，需要采取有效的加速措施或?qū)で笮略淼膭?lì)磁涌流鑒別方法。

　　(3)有效地對付過勵(lì)磁。大型變壓器的工作磁密通常取得較高，短時(shí)過壓或頻率降低，勵(lì)磁電流會(huì)激增。一方面要求此時(shí)差動(dòng)保護(hù)不能誤動(dòng)，另一方面為防止變壓器流過很大的勵(lì)磁電流而發(fā)熱燒損，需要裝設(shè)滿足過勵(lì)磁倍數(shù)要求和具有反時(shí)限特性，并能計(jì)及過熱累積效應(yīng)的過勵(lì)磁保護(hù)。

　　計(jì)算機(jī)技術(shù)具有的長記憶功能和優(yōu)越的信息處理功能，以及在結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)，為解決這些難題提供了手段，主要表現(xiàn)在：可應(yīng)用更多更復(fù)雜的原理來改善勵(lì)磁涌流鑒別能力，目前提出各種磁制動(dòng)及圖象識別方法來鑒別勵(lì)磁涌流的原理，需要更復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算和邏輯處理。傳統(tǒng)的勵(lì)磁涌流的鑒別以二次諧波原理為主導(dǎo)，若用傳統(tǒng)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)可能會(huì)遇到困難。因此通常用磁通原理來鑒別勵(lì)磁涌流。

　　變壓器在運(yùn)行中，電壓增高或頻率降低時(shí)，會(huì)出現(xiàn)過勵(lì)磁。現(xiàn)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(lì)磁而造成變壓器的損傷。目前大型變壓器都要求安裝過勵(lì)磁保護(hù)。根據(jù)電壓ｕ，頻率f和磁通密度B的關(guān)系，一般采用下式檢測磁通密度，即：

　　B=K·u/f

　　過勵(lì)磁倍數(shù)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(biāo)幺值。

　　常規(guī)過勵(lì)磁保護(hù)多采用RC電路串聯(lián)分壓，依靠電容器C兩端電壓Uc來近似反映過勵(lì)磁倍數(shù)。通常包括兩段定時(shí)限，如當(dāng)n=1.05～1.2時(shí)以第一段時(shí)限發(fā)信號，當(dāng)n=1.25～1.4時(shí)按第二段時(shí)限跳閘。

　　過勵(lì)磁對變壓器的損傷主要是過壓過熱引起的，有一個(gè)時(shí)間積累過程。變壓器允許過勵(lì)磁運(yùn)行的時(shí)間隨過勵(lì)磁倍數(shù)而不同，美國、德國等國家都制定了過勵(lì)磁倍數(shù)與允許運(yùn)行時(shí)間關(guān)系曲線，這類曲線具有反時(shí)限特征。因此理想的過勵(lì)磁保護(hù)應(yīng)有反時(shí)限動(dòng)作特征，并能反映過勵(lì)磁時(shí)間積累過程。計(jì)算機(jī)技術(shù)為滿足這些要求提供了方便。

　　計(jì)算機(jī)過勵(lì)磁保護(hù)雖然也可以采用傳統(tǒng)的方法，即通過RC串聯(lián)電路將Uc作為輸入信號直接反應(yīng)n的變化，但這樣需單獨(dú)占用一個(gè)模入通道。為節(jié)省通道(尤其在全套計(jì)算機(jī)變壓器保護(hù)中)，可采用已有的電壓輸入量，通過數(shù)字計(jì)算來實(shí)現(xiàn)過勵(lì)磁保護(hù)。

　　用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)時(shí)可以先分別計(jì)算u和f(或T)，然后再計(jì)算n。

　　電壓u的計(jì)算比較容易，對U采樣與離散化，即可得到采集數(shù)據(jù)。在采樣過程中應(yīng)遵循香農(nóng)采樣定理。

　　頻率f的測量則可采用所謂“全周波波形過零監(jiān)視器”方法，通過檢測周期T實(shí)現(xiàn)。這種方法簡便易行，計(jì)算量小，實(shí)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(jì)數(shù)器(即CTC)對方波持續(xù)一周期時(shí)間進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器的起停由方波上升沿(或下降沿)控制，計(jì)數(shù)結(jié)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(jì)數(shù)結(jié)果是從計(jì)數(shù)器讀入的，故不占模入通道，但需要附加一個(gè)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(dāng)前采樣周期Ts，這是因?yàn)門s與當(dāng)前頻率f及周期T保持確定的關(guān)系。

　　這類測頻的當(dāng)前共同特點(diǎn)是依靠檢測波形過零點(diǎn)，故障擾動(dòng)過程中可能出現(xiàn)額外過零點(diǎn)而造成大的測量誤差，此時(shí)可利用頻率不會(huì)突變的特點(diǎn)來剔除壞測量數(shù)據(jù)，或者在擾動(dòng)發(fā)生時(shí)暫停頻率測量，過后再恢復(fù)。

　　過勵(lì)磁保護(hù)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(lì)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(jì)及過勵(lì)磁的時(shí)間累積效應(yīng)，定義一個(gè)綜合過勵(lì)磁倍數(shù)Nm為：

　　式中 Nk—K時(shí)刻過勵(lì)磁倍數(shù)

　　Tk—與Nk相應(yīng)的持續(xù)時(shí)間

　　m—累積計(jì)算次數(shù)

　　當(dāng)過勵(lì)磁倍數(shù)超過動(dòng)作門坎值Ng后，根據(jù)反時(shí)限特性曲線得到作時(shí)延，定時(shí)器開始計(jì)時(shí)，只要計(jì)時(shí)未到，就反復(fù)計(jì)算式(1)，并根據(jù)給定的反時(shí)限特性不斷用新的綜合過勵(lì)磁倍數(shù)Nm決定允許時(shí)延Tm，再減去現(xiàn)已達(dá)到的時(shí)延，便得到還需要的時(shí)延△Tm，即：

　　很顯然，式(1)和式(2)不僅考慮了當(dāng)前時(shí)刻的過勵(lì)磁信息，也包含了從定時(shí)器起動(dòng)時(shí)刻到當(dāng)前時(shí)刻這一段時(shí)間里的過勵(lì)磁信息。

　　另一個(gè)問題是如何實(shí)現(xiàn)反時(shí)限特性。由于不同的變壓器其過勵(lì)磁能力各不相同，如果用某種固定的函數(shù)關(guān)系t=f(n)來實(shí)現(xiàn)反時(shí)限特性會(huì)引起較大的誤差。制造廠家給出了變壓器“過勵(lì)磁倍數(shù)—允許運(yùn)行時(shí)間”曲線，或者幾個(gè)特殊的過勵(lì)磁倍數(shù)與相應(yīng)的允許運(yùn)行時(shí)間值。對于前一種情況，可將曲線數(shù)字化后變?yōu)楸砀褫斎胗?jì)算機(jī)，通過查表的方法來得到反時(shí)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(shí)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(lì)倍數(shù)反時(shí)限特性曲線均具有下凸的特點(diǎn)，在插值點(diǎn)上得到允許時(shí)間將會(huì)略大于實(shí)際允許時(shí)間。通常對應(yīng)于過勵(lì)磁倍數(shù)較大時(shí)，有一段反時(shí)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(jù)實(shí)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(shí)減小實(shí)時(shí)計(jì)算量，最好是事先離線多計(jì)算幾點(diǎn)，或者用整定軟件事先多計(jì)算幾點(diǎn)，以表格形式存入計(jì)算機(jī)內(nèi)存，而實(shí)時(shí)計(jì)算時(shí)只用線性插值算法。

　　過勵(lì)磁保護(hù)通常需要兩個(gè)起動(dòng)門坎值：達(dá)到較低門坎值(n=1.05)時(shí)，提醒運(yùn)行人員調(diào)整變壓器工況，避免更嚴(yán)重的過勵(lì)磁；超過較高門坎值(n=1.08)并達(dá)到了過勵(lì)磁特性曲線所允許的運(yùn)行時(shí)間后即動(dòng)作于跳閘。

　　實(shí)踐證明：計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)變壓器過勵(lì)磁保護(hù)優(yōu)于傳統(tǒng)的RC電路保護(hù)，值得進(jìn)一步推廣應(yīng)用。