变压器直流偏磁对微机保护的影响研究

分类号： 学校代码：10079 密级：华 北 电 力 大 学硕 士 学 位 论 文题 目： 变压器直流偏磁对微机保护的影响研究英 文 题 目： The study of the impact of transformer DC bias on Micro-computer protection研 究 生：黄刚 专 业：电力系统及其自动化研 究 方 向：电力系统自动化技术指 导 教 师：刘宗歧 职称：教授论文提交日期：2010 年 1 月华 北 电 力 大 学声 明本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文变压器直流偏磁对微机保护的影响研究 ，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名： 日 期： 关于学位论文使用授权的说明本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的,复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。(涉密的学位论文在解密后遵守此规定)作者签名： 导师签名： 日 期： 日 期： 华北电力大学硕士学位论文I摘 要地 磁 感 应 电 流 (GIC)或高压直流输电接地极入地电流流过变压器，会引起直流偏磁饱和，导致励磁电流畸变，产生谐波，无功变化，影响继电保护的正确动作，威胁电力系统的安全运行。本 文 基 于 PSCAD/EMTDC 和 MATLAB 软 件 研 究 了 变 压 器 直 流 偏磁 的 谐 波 和 无 功 特 性 ， 得 出 了 相 应 的 变 化 规 律 和 特 点 ， 并 以 此 为 基 础 分 析 和 评 估了 直 流 偏 磁 对 保 护 装 置 的 影 响 情 况 ， 同 时 结 合 微 机 保 护 原 理 和 算 法 ， 对 直 流 偏磁 励 磁 谐 波 对 数 字 式 保 护 的 影 响 特 点 进 行 评 述 ， 最 后 以 2010 年 西 北 750KV 规划 电 网 为 算 例 ， 依 据 GIC 水 平 评 估 值 ， 对 变 压 器 微 机 式 差 动 保 护 可 能 受 到 的 直流 偏 磁 影 响 情 况 进 行 仿 真 分 析 。关 键 词 ： 变 压 器 ， 直 流 偏 磁 ， 谐 波 ， 微 机 保 护ABSTRACTGeomagnetic induced currents (GIC) or a high-voltage DC transmission grounding into the earth current flows through the transformer will cause DC bias magnetic saturation, resulting in excitation current distortion, producing harmonics, reactive changes ，which will affect the correct relay actionand threaten the safe operation of power system. Based on PSCAD / EMTDC and MATLAB software research the transformer DC bias of the harmonic and reactive power characteristics, obtained the corresponding changes in the laws and characteristics, and as a basis for analysis and assessment of the DC bias on the impact of protection devices , combined with microprocessor-based protection principle and algorithm, the DC bias excitation harmonics on the impact of characteristics of digital protection is reviewed and finally with the Northwest 750KV planning power grid in 2010 as an example, simulated and analysed the Possible impacts of microprocessor-based transformers differential protection in DC bias magnetic according to the level of the assessed value of GIC.Huang Gang(Electric Power System and Its Automation)Directed by prof. Liu ZongqiKEY WORDS: Transformer, DC bias, harmonics, microprocessor-based protection华北电力大学硕士学位论文II目 录中文摘要英文摘要第 一 章 引 言 .11.1 课 题 提 出 .11.2 国 内 外 研 究 现 状 .11.2.1 国 外 研 究 现 状 .11.2.2 国 内 研 究 现 状 .21.3 本 论 文 主 要 工 作 .3第 二 章 变 压 器 直 流 偏 磁 及 其 对 保 护 的 影 响 .42.1 变 压 器 直 流 偏 磁 及 现 象 分 析 .42.1.1 变 压 器 直 流 偏 磁 机 理 .42.1.2 变 压 器 直 流 偏 磁 时 的 电 流 谐 波 .52.1.2 变 压 器 直 流 偏 磁 时 的 无 功 和 电 压 .92.2 变 压 器 直 流 偏 磁 对 保 护 的 可 能 影 响 .102.2.1 对 传 统 模 拟 式 继 电 保 护 的 影 响 .102.2.2 对 数 字 式 微 机 保 护 的 影 响 .112.3 保 护 误 动 导 致 的 典 型 大 停 电 事 故 .122.4 本 章 小 结 .13第 三 章 变 压 器 直 流 偏 磁 对 不 同 原 理 保 护 的 影 响 .143.1 对 负 序 保 护 的 影 响 .143.1.1 模 拟 式 负 序 滤 过 器 的 影 响 .143.1.2 数 字 式 负 序 滤 过 器 的 影 响 .163.1.3 对 负 序 量 启 动 保 护 装 置 的 影 响 .173.2 对 零 序 保 护 的 影 响 .173.2.1 零 序 分 量 滤 过 器 .183.2.2 零 序 滤 过 器 的 影 响 .193.2.3 对 零 序 量 启 动 保 护 装 置 的 影 响 .213.3 对 差 动 保 护 的 影 响 .213.4 对 瓦 斯 保 护 的 影 响 .223.5 本 章 小 结 .23第 四 章 变 压 器 直 流 偏 磁 对 电 网 主 设 备 保 护 的 影 响 .244.1 对 发 电 机 负 序 保 护 的 影 响 .244.1.1 负 序 过 流 保 护 判 据 .244.1.2 负 序 保 护 整 定 方 法 .254.1.3 对 发 电 机 负 序 保 护 影 响 仿 真 分 析 .274.2 对 变 压 器 保 护 装 置 的 影 响 .304.2.1 对 变 压 器 差 动 保 护 的 影 响 .30华北电力大学硕士学位论文III4.2.2 对 变 压 器 瓦 斯 保 护 的 影 响 .364.3 对 无 功 补 偿 装 置 的 影 响 .374.4 本 章 小 结 .39第 五 章 变 压 器 直 流 偏 磁 对 微 机 保 护 算 法 的 影 响 .405.1 对 滤 波 算 法 的 影 响 .405.1.1 对 简 单 数 字 滤 波 器 的 影 响 .405.1.2 对 基 于 零 、 极 点 配 置 的 数 字 滤 波 器 的 影 响 .455.1.3 对 基 于 傅 里 叶 算 法 的 数 字 滤 波 器 的 影 响 .475.1.4 算 例 分 析 .495.2 对 保 护 算 法 的 影 响 .505.2.1 对 电 气 量 算 法 的 影 响 .505.2.2 对 保 护 功 能 算 法 的 影 响 .545.3 对 微 机 保 护 影 响 算 例 仿 真 .545.3.1 2010 年陕甘青宁 750kV 电网 GIC 水平评估 .545.3.2 变 压 器 差 动 保 护 仿 真 实 验 .555.4 本 章 小 结 .60第 六 章 结 论 和 展 望 .616.1 结 论 .616.2 展 望 .61参 考 文 献 .63致 谢 .66附 录 .67附 录 1 西 北 750kV 及 以 上 输 电 系 统 地 理 位 置 接 线 图 .68附 录 2 西 北 输 电 网 系 统 MATLAB 等 效 模 型 .68附 录 3 西 北 电 网 主 变 及 线 路 参 数 .69在 学 期 间 发 表 的 学 术 论 文 和 参 加 科 研 情 况 .71华北电力大学硕士学位论文1第 一 章 引 言1.1 课 题 提 出磁暴在电网引发的地磁感应电流（Geomagnetically Induced Current，简称GIC）频率在0.0010.1Hz 之间， 与电网50Hz 的交流电相比 ，GIC 可看作为准直流电流。这种特征的GIC流过变压器会引起变压器的偏磁饱和，导致励磁电流畸变，产生谐波，无功变化，因此可能引起电力系统继电保护装置误动，对电力系统的安全运行造成影响 1-7。在1989年3月13日，磁暴导致了加拿大魁北克（Hydro-Qubec）电网大停电事故，造成了巨大经济损失和社会影响 8-10。随着我国远距离输电线路的建设，近年在江苏阳淮输电线路系统的上河变电站发现了GIC扰动现象 7,11,12，广东岭澳核电站主变中性点监测到了55.8安培的GIC 7。因此，研究变压器直流偏磁对电力系统保护影响有重要意义。除了磁暴之外，高压直流输电接地极入地电流同样会导致变压器的直流偏磁饱和11 -17。但是，变压器直流偏磁对不同类型保护的影响机制不同，电磁继电器是通过检测电流有效值实现保护,而数字继电器则以检测电流的幅值为依据，因此,数字继电器对电流波形畸变( 或谐波) 很敏感。研究表明 18,在变压器偏磁饱和谐波的情况下,数字继电器动作的正确性比电磁继电器低20% 30%。保护误动将造成输电线路、变压器或补偿电容器等退出运行,可能导致系统负荷转移或无功缺额增大,进而引发更严重的事故。由于比传统继电保护更具优点 19,20，微机保护装置在电网的建设中得到越来越广泛的应用，而在远距离、大容量输电网中直流偏磁的影响也会更加突出 7,11,12，但我国的相关研究还不深入，因此本文提出研究变压器直流偏磁对微机保护的影响。1.2 国 内 外 研 究 现 状1.2.1 国 外 研 究 现 状近年来，特别是在加拿大魁北克大停电事故发生后，美国、加拿大等国开始了直流偏磁对继电保护影响的研究。美国的PSRC（电网继电器委员会）研究认为 18，由于GIC造成变压器直流偏磁引起的谐波，会对电容器的运行产生较大影响，会造成中性点零序电压保护，电容器过流保护，电容器过压保护误动；在对变压器的影响中分析了包括三相三柱，三相五柱，单相变压器组等五类变压器受GIC 的影响程度，认为GIC 会使变压器铁芯发热引起瓦斯保护动作，而且由于励磁激增会造成变压器差动保护误动；在对GIC对发电机的影响中，认为发电机负序过流保护可能会受其影响而误动，而且谐波会引起发电子转子过热，造成跳闸。提出了用串联电容器等方法阻止GIC 电流，减少对继电保护的影响。虽然PSRC已经对变压器直流偏磁引起的谐波可能带来的保护误动华北电力大学硕士学位论文2进行了分析，但分析过于简单，对不同直流偏磁下的波形特征，零序、负序等保护受直流偏磁的影响特点及程度都没有涉及。美国的J. G. Kappenman等人对 GIC引起的CT偏磁饱和对继电保护的影响进行了研究21。提出GIC 会引起CT偏磁饱和，会对CT的测量精度产生影响，进而影响到继电保护的正确动作。但是由于变比的不同，GIC对CT的计量精度的影响不同，提出CT 变比越大，GIC的影响越小。在CT的剩磁影响的分析中认为GIC 会对CT的饱和时间有影响。分析认为，由于保护CT变比较大，电磁暂态性能较好， GIC引起的CT 偏磁饱和对继电保护的影响很小。因此，J. G. Kappenman等人的研究结论可供本论文借鉴。美国的Leontina M. V. G. Pinto等人在对GIC对电力系统的影响的研究中 22，认为一些数字继电器由于保护算法可能会对谐波比较敏感，易引起继电器误动。V. D. Albertson等人认为数字继电器的动作量是通过幅值采样得到的，而传统的电磁式动作量则是电压、电流的有效值，所以直流偏磁对数字继电器的影响更大 23,24。但是他们对直流偏磁对数字继电器的影响只是做了简单的阐述，其对微机保护算法的影响特点还不清楚，直流偏磁针对具体电网的微机保护的影响也有待进一步分析，本课题就是在这种情况下提出来的。1.2.2 国 内 研 究 现 状随着我国西电东送、全国联网战略的逐步实施，必将形成一些东西走向的大容量、远距离输电线路，而我国也有大量、分布广泛的火成岩地质地区，可能受到GIC 的严重影响 7,11。因此，国内的华北电力大学和天津大学等科研机构也于近年开展了GIC 影响的相关研究，其中，华北电力大学的研究包括地磁感应电流对我国电网影响问题的研究国家自然基金项目、黑龙江省电力公司磁暴对黑河电网设备影响的研究等项目，但只涉及到电网GIC的基本理论、模型、算法等方面，还没有进行过直流偏磁对保护方面的研究。相关项目的研究成果 12,25,26可以为本课题提供理论依据。国内由于直流输电工程的大量建设，在高压直流输电接地极入地电流对交流系统的影响方面做了大量的研究，其中也涉及到了对保护影响方面的内容。南京理工大学的蒯狄正等人在500kV三峡龙泉一江苏政平直流系统出现的变压器偏磁问题的研究中 27，以直流换流站切换滤波器时的谐波为考查量，对ABB 公司、GE公司、南瑞公司的零序方向保护和距离保护，通过OMICRON试验装置在有无叠加电网故障的两种情况下进行测试，得到了影响不大的结论。该结论是基于较小的直流偏磁，在线路保护上实验得出的，那么直流偏磁增大，励磁畸变增大后，变压器、发电机、电容器等保护会不会受到影响，在750kV的输电线路上保护的动作情况如何，四方公司的微机保护动作情况怎么样，这些问题都有待于解决。华南理工大学的李海锋等人认为研究直流单极一大地运行方式下 14，直流偏磁对华北电力大学硕士学位论文3保护用电流互感器传变特性的影响很小，其对交流保护的影响主要在于变压器直流偏磁谐波。相对于线路保护而言，变压器直流偏磁谐波对变压器保护的影响更严重一些。他们的研究方法在本论文中同样可以借鉴。综上，不论是单极大地运行方式下的直流输电工程还是GIC 对变压器的偏磁影响都将更加严重，由此可能对电网保护带来的影响也将更加突出。在750kV 电网和特高压电网中，直流偏磁对保护的影响程度是否会增大，对四方微机保护拒动和误动情况也还需要做进一步研究。这也是本论文研究工作的意义所在。1.3 本 论 文 主 要 工 作华 北 电 力 大 学 所 做 工 作本 文 主 要 研 究 变 压 器 直 流 偏 磁 对 继 电 保 护 的 影 响 情 况 ， 针 对 直 流 偏 磁 的 谐 波 特性 对 传 统 保 护 和 数 字 保 护 的 影 响 情 况 做 了 具 体 分 析 ， 并 深 入 研 究 了 微 机 保 护 算 法 受直 流 偏 磁 的 影 响 情 况 。主 要 工 作 和 研 究 内 容 包 括 如 下 几 个 方 面 ：1.介 绍 了 变 压 器 直 流 偏 磁 及 其 现 象 ， 并 针 对 不 同 原 理 的 保 护 受 其 影 响 的 特 点 作了 具 体 分 析 。基 于 PSCAD/EMTDC 软 件 ， 对 不 同 结 构 变 压 器 直 流 偏 磁 谐 波 进 行 分 析 ， 研 究 了不 同 直 流 情 况 下 ， 谐 波 、 无 功 、 电 压 的 变 化 规 律 ， 提 出 了 其 对 保 护 可 能 产 生 的 影 响 。2.研 究 了 负 序 、 零 序 滤 过 器 受 直 流 偏 磁 谐 波 的 影 响 特 征 及 直 流 偏 磁 对 发 电 机 、 变压 器 、 无 功 补 偿 装 置 保 护 影 响 评 估 。基 于 PSCAD/EMTDC 和 Matlab 软 件 ， 对 负 序 滤 过 器 、 零 序 滤 过 器 在 直 流 偏 磁时 的 不 平 衡 输 出 作 出 分 析 ， 对 发 电 机 负 序 保 护 ， 变 压 器 差 动 保 护 、 瓦 斯 保 护 、 无 功补 偿 装 置 在 直 流 偏 磁 时 所 受 的 影 响 进 行 仿 真 研 究 。3.研 究 了 变 压 器 直 流 偏 磁 对 微 机 保 护 算 法 的 影 响 情 况 及 算 例 仿 真 。基 于 Matlab 软 件 对 微 机 保 护 算 法 受 直 流 偏 磁 谐 波 影 响 特 点 进 行 分 析 ， 以 2010年 陕 甘 青 宁 750kV 电 网 为 算 例 ， 对 其 最 大 GIC 可 能 引 起 微 机 差 动 保 护 影 响 情 况 进行 分 析 ， 差 动 保 护 原 副 边 电 流 通 过 PSCAD/EMTDC 建 模 获 取 ， 利 用 Matlab 编 程 完成 微 机 保 护 相 关 电 气 量 的 计 算 ， 通 过 计 算 数 据 对 四 方 保 护 动 作 情 况 进 行 评 估 。4.文 章 的 最 后 对 研 究 工