和应涌流条件下变压器差动保护动作特性分析毕业论文说明书.doc

（ 本科毕业论文说明书本科毕业论文说明书 题题 目目： 和应涌流条件下变压器差动保护动和应涌流条件下变压器差动保护动 作特性分析作特性分析 摘 要 随着越来越多的超高压远距离输电线路在我国的建成和运行，大容量变压 器的应用也日益增多。电力变压器在电力系统输电和配电各个环节中广泛使用， 因此也就对变压器保护的可靠性和速断性提出了更高的要求。差动保护是变压 器的主保护，变压器在空载合闸或外部故障切除后恢复供电时，差动回路会流 入励磁涌流，若差动保护不能识别并躲过此电流，就会发生误动。因此，励磁 涌流的识别一直也是国内外继电保护工作者的研究热点。 励磁涌流一直是影响变压器差动保护正确动作的原因之一，本文从励磁涌 流的机理以及特征出发，研究了励磁涌流对变压器差动保护的影响。 论文最后以两单相变压器并联运行为例，利用励磁涌流偏向时间轴一侧的 特点，解释了和应涌流的产生机理及其变化特点，指出和应涌流产生的本质原 因是由于合闸变压器励磁涌流流过系统电阻使得其它变压器工作母线电压偏移， 导致铁心饱和造成的。文中初步分析了各种因素对和应涌流的影响，讨论了和 应涌流对变压器保护的危害，并在此基础上提出了相应的防范措施。 关键词：励磁涌流，变压器，和应涌流，matlab 仿真 abstract as ehv power network is developing rapidly, large capacity power transformers are used widely in the transmission system and distribution system. therefore, high performance and high reliability of power transformer protection are required urgently. at present, the main protection of internal faults of the power transformer is the differential protection. when the unloaded power transformer is switched on the power system or in the process that a fault, outside the protected zone, is cleared, the magnetizing inrush current will ususlly produced. the differential protection relays will maloperate. so it is still a research focus for relaying researchers in the world. inrush current has been one of the reason which infects the correct operation of the transformer differential protection, then we research how the inrush current influence the transformer differential protection based on mechanism of inrush current , the effects of current compensation. based on the analysis of sympathetic inrush in operating transformers, the principle and characteristics of sympathetic inrush are explained . it is shown that the inrush current caused by the energized transformer running across the system resistance results in the deviation of voltage in the common node which lead to the saturation of the core of the transformer is the main reason for the sympathetic inrush on the adjacent transformer. then the influence on transformer protection caused by sympathetic inrush are discussed. finally, several countermeasure to sympathetic inrush are proposed. key words: inrush current, transformer, sympathetic inrush resulting,matlab simulation 目 录 第一章 绪 论1 11 本课题的背景知识及其研究本课题的意义 .1 12 本文的主要研究工作 .2 第二章 变压器差动保护分析.3 21 变压器的故障类型和不正正常工作状态 .3 22 变压器差动保护 .4 221 变压器纵差动保护的发展简史.4 222 变压器差动保护的基本原理.5 23 变压器差动保护发展现状 .7 231 变压器差动保护几种判别原理简述.8 232 变压器差动保护发展趋势 .13 24 本章小节 14 第三章 励磁涌流时变压器的状态分析与仿真15 31 变压器励磁涌流及鉴别方法 15 311 单相变压器的励磁涌流15 312 三相变压器励磁涌流的特性17 3.2 变压器空载合闸励磁涌流的仿真实验 .19 321 仿真模型的建立19 3.2.2 仿真结果及其分析19 3.3 本章小结 .23 第四章 变压器和应涌流仿真及分析25 41 和应涌流的产生机理和特点 25 42 并联运行变压器和应涌流分析及仿真 25 43 串联运行变压器和应涌流分析及仿真 28 44 和应涌流的出现影响涌流衰减速度的分析 31 45 和应涌流的特性 31 46 小结 32 第五章 和应涌流对变压器后备保护的影响极其对策的研究.33 51 引言 33 52 和应涌流对变压器保护的影响 33 53 应对和应涌流现象的一些措施 35 5.4 本章小结 .36 第六章 结 论.37 谢 辞38 参考文献.39 1 第一章第一章 绪绪 论论 11 本课题的背景知识及其研究本课题的意义 在电力系统中广泛的用变压器来升高或降低电压。变压器是电力系统中不 可缺少的重要电器设备。它的故障将对供电可靠性和系统安全运行带来严重的 影响，同时大容量的电力变压器也是十分贵重的设备。因此应根据变压器容量 等级和重要程度装设性能良好、动作良好的继电保护装置，以防止变压器大型 事故的发生。 近年来，我国 220kv 变压器的正确动作率相对于线路保护正确率 99%的标 准还处在比较低的水平，一直徘徊在 70-80%之间。变压器保护误动作情况时有 发生，给发电、送电和用电三方都带来了很大的直接和间接损失造成这一结果 的原因有管理的不足，有当前工作人员的素质问题（设计、制造、整定调试、 运行维护诸方面的失误） ，但更主要的是电力变压器继电保护在技术上的缺陷。 电流差动保护建立在基尔霍夫电流定律的基础上，具有另好的选择性，不 但能够正确区分区内外故障，而且不需要与其他元件的保护配合，可以无时限 的灵敏快速的切除区内各种故障，所以这种保护被广泛的应用在了线路及其变 压器的主保护。但是，对于变压器而言，由于其内部靠磁路联系，本质上不再 满足基尔霍夫电流定律，变压器励磁电流成了差动保护不平衡电流的一种来源， 这也是变压器发生误动作的主要原因之一。然而，大型电力变压器正常运行时 的励磁电流通常低于额定电流的 1%，所以适当整定差动保护门槛值仍可准确区 分变压器内部故障与外部故障。但是，电力变压器运行条件复杂，过励磁时励 磁电流可达额定电流的水平，空载合闸或者变压器外部故障被突然切除后端电 压突然恢复时，暂态励磁电流（即励磁涌流）的大小有时可与短路电流相比拟， 这样大的不平衡电流必然导致差动保护误动，所以变压器纵差保护面临的最严 重问题就是励磁涌流。过去和现在有关变压器励磁涌流的研究主要集中在如何 防止空投变压器本身励磁涌流引起纵差保护误动的问题上。大量研究工作已揭 示单台变压器励磁涌流的产生机理、波形特征和变化特点，同时提出多种鉴别 励磁涌流方法和防止励磁涌流引起误动的措施，在实际应用中主要有二次谐波 制动判据、间断角原理判剧和波形对称判剧等，但这些方法都有其不足之处。 因此，进一步研究和分析空载合闸励磁涌流的特性，并在此基础上探索快速、 准确地区分变压器励磁涌流和内部故障电流的新方法以提高变压器差动保护的 2 性能，是十分必要的。 和应涌流是指在电网中邻近的并联或串联变压器之间，已经工作的变压器 由于其他变压器的合闸也可能会产生涌流的现象，该涌流在合闸变压器涌流持 续一段时间后才产生，偏向时间轴的另一侧，然后逐渐增大，达到最大值后又 逐渐衰减。近些年来，出现了多起由于和应涌流引起的空投变压器导致相邻变 压器或发电机差动保护和后备保护误动的现象。在产生和应涌流的过程中可能 出现二次谐波不大，间断角消失等现象，造成运行变压器的涌流闭锁判据失效， 导致运行变压器差动保护误动作。由于运行变压器本身没有故障，并且误动是 发生在相邻变压器空投完成较长的一段时间之后，所以很难查明误动原因，误 动原因更具有隐蔽性。虽然和应涌流问题正逐渐引起继电保护界的重视，但对 其发生和发展的过程、影响因素的分析以及产生危害的原因还不是很清楚和完 善。这就迫使我们有必要全面研究变压器和应涌流的产生机理、性质特点、影 响因素，细致分析危害原因，提出完善的防范措施，实现变压器在和应涌流下 能够安全稳定地运行。 12 本文的主要研究工作 (1)对变压器差动保护的的工作原理，及其背景知识与发展现状进行了分析 与介绍。 (2)介绍了变压器励磁涌流的产生机理及特点。 (3)利用 matlab 软件对励磁涌流进行了建模仿真实验。 (4)介绍了和应涌流现象产生的机理及其特点，利用 matlab 软件对和应涌 流进行了仿真实验，讨论了和应涌流对变压器差动保护和后备保护的危害，并 在此基础上提出了相应的防范措施。 3 第二章 变压器差动保护分析 21 变压器的故障类型和不正正常工作状态 在电力系统中广泛的用变压器来升高或降低电压。变压器是电力系统不可 缺少的重要电气设备。它的故障将对供电可靠性和系统安全运行带来严重的影 响，同时大容量的电力变压器也是十分贵重的设备。因此应根据变压器 容量登 记和重要程度装设性能良好、动作可靠的继电保护装置。 变压器的故障可分为油箱外和油箱内两种故障。油箱外的鼓掌，主要是套 管和引出线上发生相同短路以及接地短路。油箱内的故障包括绕组的相间短路、 匝间短路、接地短路以及铁芯的烧损等。油箱内故障时产生的电弧，不仅会损 坏饶素的绝缘、烧毁铁芯，而且由于绝缘材料和变压器油因受热分解而产生大 量的气体，有可能引起变压器油箱的爆炸。对于变压器发生的各种故障，保护 装置应能锦葵的放变压器切除。时间表明，变压器套管和因出线上的相间短路、 接地短路、绕组的匝间短路是比较常见的故障形式：而变压器油箱内发生相间 短路的情况比较少。 变压器的不正常运行状态主要有：变压器外部短路引起的过电流，负荷长 时间超过额定容量引起的过负荷，风扇故障或漏油等原因引起冷却能力的下降 等。这些不正常运行状态回使绕组和铁芯过热。此外，对于中性点不接地运行 的星形界限变压器，外部接地短路时有可能造成变压器中性点过电压，威胁变 压器的绝缘；大容量变压器在过电压或低频率等异常运行工况下回使变压器过 励磁，引起铁芯和其他金属构件的过热。变压器处于不正常运行状态时，继电 保护应根据其严重程度，发出告警信号，使运行人员即使发现并采取相应的措 施， ，以确保变压器的安全。 变压器油箱内故障时，除了变压器各侧电流、电压变化外，油箱内的油、 气、温度等非电量也会发生。因此，变压器保护分电量保护和非电量保护两种。 非电量保护装设在变压器内部。线路保护中采用的许多保护如过流保护、纵差 动保护等在变压器的电量保护中部有应用，但在配置上有区别。 4 22 变压器差动保护 221 变压器纵差动保护的发展简史 电流差动保护原理是由 c.h.merz 和 b.price 在 1904 年提出的，其理论基 础是基尔霍夫电流定律，它是电力变压器的主保护，也是各种电气元件使用最 广泛的一种保护方式。 自上世纪 70 年代微处理器的出现，元件保护进入到微机保护时代。 国外在 70 年代即对变压器个别保护的计算机实现开展研究。80 年代国外 开始研制发电机及变压器整套微机保护。1989 年波兰 korbasiewcz 发表了发电 机变压器组微机保护系统。1990 年印度 verma 等也发表了变压器全套微机保护 的研究成果。到 90 年代见到正式商业产品，如 siemens 及 abb 公司均已有微机 发变组全套保护。 我国微机元件保护的研制，是从 80 年代开始的。1987 年在我国首先研制 成微机式发电机失磁保护系统，在此基础上于 1989 年开发研制成发电机全套微 机保护，并于 1994 年研制成我国第一套适用于 60 万 kw 及以下容量水、火发电 变压器组全套微机保护。随后，国内又研制成用于水轮机发电机变压器组的微 机保护，1988 年后有多家研制成了变压器微机保护。 电气主设备内部故障的主保护方案之一是差动保护，差动保护在发电机上 的应用比较简单。作为变压器主保护，对其要求有两方面，即防止外部短路时 不平衡电流及防止励磁涌流所致的误动作。但是作为变压器内部故障的主保护， 差动保护将有许多特点和困难，变压器具有两个及更多个电压等级，构成差动 保护所用电流互感器的额定参数各不相同，由此产生的差动保护不平衡电流将 比发电机的大得多。 变压器每相原副边电流之差（正常运行时的励磁电流）将作为变压器差动 保护不平衡电流的一种来源，特别是当变压器过励磁运行时，励磁电流可达变 压器额定电流的水平，势必引起差动保护误动作。更有甚者，在空载变压器突 然合闸时，或者变压器外部短路被切除而变压器端电压突然恢复时，暂态励磁 电流（即励磁涌流）的大小可与短路电流相比拟，在这样大的不平衡电流下， 要求差动保护不误动，是一个相当复杂困难的技术问题。 正常运行中的变压器，根据电力系统的要求，需要调节分接头，这又将增 5 大变压器差动保护的不平衡电流；变压器差动保护应能反应高、低压绕组的匝 间短路，而匝间短路时虽然短路环流中电流很大，但流入差动保护的电流可能 不大；变压器差动保护还应能反应高压侧（中性点直接接地系统）经高电阻接 地的单相短路，此时故障电流也较小；当变压器绕组匝间短路时，变压器仍带 有负荷，这就是说变压器内部短路时被保护设备仍有流出电流，影响保护的灵 敏动作。 综上所述，将差动保护用于变压器，一方面由于各种因素产生较大或很大 的不平衡电流，另一方面又要求能反应具有流出电流性质的轻微内部短路，可 见变压器差动保护要比发电机等其它元件差动保护复杂得多。 222 变压器差动保护的基本原理 下图所示为双绕组单相变压器纵差动保护的原理接线图: lh2 i1 i2 电 流 差 动 保 护 原 理 是 由 c . h . m er z 和 b . pr ic e 在 1 9 0 4 年 提 出 的， 其 理 论 基 础 是 基 尔 霍 夫 电 流 定 律， 它 是 电 力 变 压 器 的 主 保 护， 也 是 各 种 电 气 元 件 使 用 最 广 泛 的 一 种 保 护 方 式。 自 上 世 纪 7 0 年 代 微 处 理 器 的 出 现， 元 件 保 护 进 入 到 微 机 保 护 时 代。 国 外 在 7 0 年 代 即 对 变 压 器 个 别 保 护 的 计 算 机 实 现 开 展 研 究。 8 0 年 代 国 外 开 始 研 制 发 电 机 及 变 压 器 整 套 微 机 保 护。 1 9 8 9 年 波 兰 k or ba si e w cz 发 表 了 发 电 机 变 压 器 组 微 机 保 护 系 统。 1 9 9 0 年 印 度 v er m a 等 也 发 表 了 变 压 器 全 套 微 机 保 护 的 研 究 成 果。 到 9 0 年 代 见 到 正 式 商 业 产 品， 如 si e m en s 及 a b b 公 司 均 已 有 微 机 发 变 组 全 套 保 护。 我 国 微 机 元 件 保 护 的 研 制， 是 从 8 0 年 代 开 始 的 4。 1 9 8 7 年 在 我 国 首 先 研 制 成 微 机 式 发 电 机 失 磁 保 护 系 统， 在 此 基 础 上 于 1 9 8 9 年 开 发 研 制 成 发 电 机 全 套 微 机 保 护， 并 于 1 9 9 4 年 研 制 成 我 国 第 一 套 适 用 于 6 0 万 k w 及 以 下 容 量 水、 火 发 电 变 压 器 组 全 套 微 机 保 护。 随 后， 国 内 又 研 制 成 用 于 水 轮 机 发 电 机 变 压 器 组 的 微 机 保 护。 1 9 8 8 年 后 有 多 家 研 制 成 了 变 压 器 微 机 保 护。 电 气 主 设 备 内 部 故 障 的 主 保 护 方 案 之 一 是 差 动 保 护， 差 动 保 护 在 发 电 机 上 的 应 用 比 较 简 单。 作 为 变 压 器 主 保 护， 对 其 要 求 有 两 方 面， 即 防 止 外 部 短 路 时 不 平 衡 电 流 及 防 止 励 磁 涌 流 所 致 的 误 动 作。 但 是 作 为 变 压 器 内 部 故 障 的 主 保 护， 差 动 保 护 将 有 许 多 特 点 和 困 难， 变 压 器 具 有 两 个 及 更 多 个 电 压 等 级， 构 成 差 动 保 护 所 用 电 流 互 感 器 的 额 定 参 数 各 不 相 同， 由 此 产 生 的 差 动 保 护 不 平 衡 电 流 将 比 发 电 机 的 大 得 多。 变 压 器 每 相 原 副 边 电 流 之 差 （ 正 常 运 行 时 的 励 磁 电 流） 将 作 为 变 压 器 差 动 保 护 不 平 衡 电 流 的 一 种 来 源， 特 别 是 当 变 压 器 过 励 磁 运 行 时， 励 磁 电 流 可 达 变 压 器 额 定 电 流 的 水 平， 势 必 引 起 差 动 保 护 误 动 作。 更 有 甚 者， 在 空 载 变 压 器 突 然 合 闸 时， 或 者 变 压 器 外 部 短 路 被 切 除 而 变 压 器 端 电 压 突 然 恢 复 时， 暂 态 励 磁 电 流 （ 即 励 磁 涌 流） 的 大 小 可 与 短 路 电 流 相 比 拟， 在 这 样 大 的 不 平 衡 电 流 下， 要 求 差 动 保 护 不 误 动， 是 一 个 相 当 复 杂 困 难 的 技 术 问 题。 正 常 运 行 中 的 变 压 器， 根 据 电 力 系 统 的 要 求， 需 要 调 节 分 接 头， 这 又 将 增 大 变 压 器 差 动 保 护 的 不 平 衡 电 流； 变 压 器 差 动 保 护 应 能 反 应 高、 低 压 绕 组 的 匝 间 短 路， 而 匝 间 短 路 时 虽 然 短 路 环 流 中 电 流 很 大， 但 流 入 差 动 保 护 的 电 流 可 能 不 大； 变 压 器 差 动 保 护 还 应 能 反 应 高 压 侧 （ 中 性 点 直 接 接 地 系 统） 经 高 电 阻 接 地 的 单 相 短 路， 此 时 故 障 电 流 也 较 小； 当 变 压 器 绕 组 匝 间 短 路 时， 变 压 器 仍 带 有 负 荷， 这 就 是 说 变 压 器 内 部 短 路 时 被 保 护 设 备 仍 有 流 出 电 流， 影 响 保 护 的 灵 敏 动 作。 综 上 所 述， 将 差 动 保 护 用 于 变 压 器， 一 方 面 由 于 各 种 因 素 产 生 较 大 或 很 大 的 不 平 衡 电 流， 另 一 方 面 又 要 求 能 反 应 具 有 流 出 电 流 性 质 的 轻 微 内 部 短 路， 可 见 变 压 器 差 动 保 护 要 比 发 电 机 等 其 它 元 件 差 动 保 护 复 杂 得 多。 i-i ij i2 i1lh1 2 图图 2-12-1 双绕组变压器差动保护单相原理接线图双绕组变压器差动保护单相原理接线图 i1、i2分别为分别为变压器依次侧和二次侧的一次电流，参考方向为母线指向 变压器：i1、i2为相应的电流互感器二次电流。流入差动继电器 kd 的差动电 流为 (2.1) 2 / 1 iiij 纵差动保护的动作判据为 6 i i (2.2) jset 式中，i为纵差动保护的动作电流；i =为差动电流的有效值。setr2 1 ii 设变压器的变比为 nb=u1/u2，若选择两侧电流互感器的变比，使之满足 (2.3) t ta ta n n n 1 2 式中， n，n分别表示 lh1，lh2 的变比(lh1 指高压侧，lh2 指低压侧)； 1ta2ta n 变压器的变比。 t 则由 i2=n i1知，式（2.3）可进一步表示为： t (2.4) 1 2 1 2 i i n n n b ta ta 由 i1=i1/ n， i2= i2/ n，则当正常运行或变压器外部故障时，有下 1ta2ta 式成立 (2.5) 2 2 1 1 2 1 tata n i n i ii 忽略变压器的损耗，正常运行和区外故障时一次电流的关系为 i +n i =0,根据 2t1 式(2.5)，正常运行和变压器外部故障时，差动电流为零，保护不会动作；变压 器内部(包括变压器与电流互感器之间的引线)任何一点故障时，相当于变压器 内部多了一个故障支路，流入差动继电器的差动电流等于故障点电流（变换到 电流互感器二次侧） ，只要故障电流大于差动继电器的动作电流，差动保护就能 迅速动作。因此，式（2.4）变为变压器纵差动保护中电流互感器变比选择的依 据。 由此可见，变压器差动保护的保护范围是变压器各侧电流互感器所包围的 区域，理想情况下，当且仅当该区域发生短路故障时，继电保护才动作，而正 常运行或区外故障时保护可靠不动作。但实际上变压器差动保护由于其自身的 特点，在实现时需要考虑差动回路中存在不平衡电流的问题： (1)电流互感器不同型产生的不平衡电流。变压器有两个及更多电压等级, 构成差动保护所用的电流互感器的额定参数各不相同，它们的饱和特性和励磁 电流（归算到同一侧）也都是不同的。因此，在变压器的差动保护中将引起较 大的稳态不平衡电流。在外部短路时，这种不平衡电流可能会很大。 (2)由于电流互感器选用的是定型产品，而定型产品的变比都是标准化的， 7 这就会出现电流互感器的计算变比与实际变比不完全相符的问题，以至在差动 回路中产生不平衡电流。 (3)电力系统中常用带负荷调整变压器分接头的方法来调整系统的电压。调 整分接头实际上就是改变变压器的变比，其结果必将破坏电流互感器二次电流 的平衡关系，产生了新的不平衡电流。 (4)变压器两侧三相的接线方式不尽相同，所以其两侧的电流相位也可能不 一致，从而产生不平衡电流。 (5)变压器的励磁电流（励磁涌流）产生的不平衡电流。 因此，变压器差动保护的动作判据为 (2.6) max 1 1bpj n i iii 式中： ijbpmax为差动保护的最大不平衡电流。 上述变压器差动保护中不平衡电流的第一项可通过合适的差动保护整定值 来躲开；对微机保护来说，第二、三、四项不平衡电流可通过合适的软件设置 来消除其影响。而最后一项，即励磁电流是不能通过物理手段或整定值消去的。 这是因为变压器差动保护的范围不仅包含变压器各侧的绕组，还包含变压器的 铁芯，即变压器差动保护内不仅有电路还有磁路，这就违反了差动保护的理论 依据基尔霍夫电流定律。假设被保护的变压器有 n 个绕组和一个公共铁芯， 即有 n条电路和一条公共磁路，则有：ii=ie,其中 ii为流入变压器各端子的 1 n i 电流相量，ie为变压器的励磁电流。如果认为其它不平衡电流已经有效的消除 或躲开，那么 ie就成了变压器差动回路中的不平衡电流，即流入变压器的各端 子电流相量之和等于变压器的励磁电流。当变压器及所在的系统正常运行时， 励磁电流很小，一般不超过变压器额定电流的 3%5%，外部故障时，由于电压 降低，励磁电流也相应减小，其影响就更小。因此，正常励磁电流引起的不平 衡电流影响不大，可以忽略不计。但是当变压器空载投入和外部故障切除后电 压恢复时，可能会出现很大的暂态励磁电流，其值可达额定电流的 68 倍，而 且持续时间长。因此，励磁涌流将在差动回路中引起很大的不平衡电流，可能 导致变压器差动保护误动跳闸或延迟动作。 23 变压器差动保护发展现状 差动保护是变压器内部故障的主保护，差动保护原理的提出是建立在严格 的基尔霍夫电流定律（kcl）基础上的，差动保护在线路和发电机上应用的比 8 较成功，因为它们严格满足 kcl 定律，但是作为变压器内部故障的主保护，差 动保护面临着新的问题。从电路上看变压器一次绕组和二次绕组并非是一个节 点，变压器差动保护原理是建立在变压器稳态磁路平衡基础上的，是差动保护 原理的一种拓展，在暂态过程中这种平衡关系将被打破，只有等到暂态过程结 束后，这种原先的平衡关系才能重新建立。因此需要检测这种暂态过程，避免 变压器差动保护在此暂态过程中的误动。 无论是传统的模拟式保护，还是目前普遍应用的数字式保护，变压器差动 保护在实施中主要需要解决两个问题：一是鉴别励磁涌流和故障电流；二是区 分外部故障和内部故障。长期的运行经验表明，变压器差动保护在一定程度上 能够较好地区分内部故障和外部故障，但在励磁涌流和故障电流的鉴别上还存 在一定的不足。因此当前变压器差动保护的主要矛盾仍然集中在励磁涌流和故 障电流的鉴别上。近十多年来，国内外学者一直致力于变压器继电保护的研究， 提出了许多判别励磁涌流的新原理和新方法。 231 变压器差动保护几种判别原理简述 1. 二次谐波制动原理 二次谐波制动原理，国外在七十年代就提出了，并于八十年代开始投入实 际应用中。试验表明，励磁涌流中含有的谐波分量中，二次谐波分量最高。对 单相变压器而言，谐波分量可以达到 20%以上，而三相变压器，也必然有一项 或者两相可以达到 20%。因此该判别方法由此将差动电流中的二次谐波分量 id2 和基波分量 id1的比值 k 作为鉴别故障电流和励磁涌流的依据。表达式为： id2/id1k 式中：id1、id2分别是差流中的基波和二次谐波幅值；k二次谐波制动系数， 常取值为 0.150.20。 二次谐波制动法简单，软硬件设计也较容易。另外，因为经过 ct 传变以后 的二次涌流中，偶次谐波的比例会有所增大，所以用这种方法有利于保证差动 保护在励磁涌流中不误动。由于以上的原因，二次谐波制动是目前为止在变压 器微机保护中应用最广泛的励磁涌流判别方法。siemens、abb 和 ge 公司都研 制生产了采用该判据的变压器保护装置。 但是随着电力系统电压等级的提高以及单台变压器容量的增大，采用二次 谐波制动原理的变压器保护在实际运行中，却不得不面临以下的问题： 9 (1)在微机保护中广泛使用基于傅氏级数的谐波分析方法，从严格意义上讲， 该方法只适用于稳态交流分量的分析，而励磁涌流是暂态电流，其中含有较大 的衰减直流分量，将衰减的直流分量在时间轴上截断并进行周期延拓，会导致 产生离散的幅度谱，混叠到周期信号的频谱中，影响二次谐波分量的大小，甚 至导致误判。 (2)二次谐波制动比常取为 15%17%，但是，随着电网电压等级的提高和 规模的扩大以及变压器单台容量的增大，大型变压器内部严重故障时，由于谐 波使短路电流中谐波含量增加，基于二次谐波制动原理的差动保护延时动作， 特别是对变压器端部接长线的情况更是如此；另外，15%17%的制动比是按照 一般饱和磁通为 1.4 倍额定磁通幅值时合闸涌流的大小来考虑的。但现代变压 器的饱和磁通倍数经常在 1.2 到 1.3 甚至更低，在此情况下涌流的最小二次谐 波含量有可能低至 10%以下，从而导致变压器差动保护误动。二次谐波制动比 应该如何选择才更科学？ (3)对于二次谐波制动原理，通常采用一相制动三相的方案，即三相差流中 有一相差流的二次谐波含量超过定值就闭锁整个差动保护，可以保证保护在励 磁涌流情况的不误动和内部故障情况下的正确动作。然而对于带有潜在内部故 障的三相变压器，如绕组发生匝间短路，当变压器空载合闸时，一相为故障电 流，另两相为励磁涌流，其结果是差动保护被二次谐波制动而不能快速动作， 由于大型变压器励磁涌流衰减较慢，导致差动保护被长时间闭锁。即使采用综 合相制动方案，也会存在一定的延时。 2. 间断角闭锁原理 间断角闭锁原理的变压器差动保护率先由我国于 60 年代提出并制成样机14， 其模拟式保护装置已经得到广泛应用。间断角闭锁原理是利用励磁涌流波形具 有较大的间断而短路电流波形连续变化不间断的特征作为鉴别判据。该方法简 单直接，但它是以精确测量间断角为基础，如遇到 ta 暂态饱和传变会使涌流二 次侧间断角发生畸变，有时会消失，必须采取某些措施来恢复间断角，但这却 增加了保护硬件的复杂性；同时间断角原理还要受到采样率、采样精度的影响 及硬件的限制，因此该原理在实际数字差动保护中的应用效果并不十分的理想。 间断角闭锁原理的变压器差动保护采用如下判据：当差流的间断角大于 10 650时，判别为励磁涌流，此时立即闭锁比率差动继电器，以防止其在变压器空 载合闸和外部故障切除电压恢复过程中误动；当间断角小于 650且波宽大于 1400时，判别为可能不是励磁涌流，并短时开放出口比率差动继电器。 间断角闭锁原理的变压器差动保护与二次谐波制动原理的差动保护相比， 有如下显著特点：（1）一般采用按相闭锁的方式，某一相符合间断角涌流闭锁 条件则闭锁该相比率差动元件，在变压器各种内部故障时能迅速动作于跳闸； （2）具备较高的抗变压器过励磁能力，只有在过励磁倍数达到 1.26 倍以上时， 比率差动保护才有可能误动，所以一般不需要附设变压器过励磁时差动保护的 闭锁判据。而二次谐波制动的比率差动保护必须附设其他过励磁闭锁判据（如 五次谐波制动判据） 。用数字技术来实现间断角闭锁原理时有两个难点：一个是 准确测量间断角的问题；另一个是 ta 传变引起的间断角波形变形的问题。间断 角闭锁原理对采样率的要求较高，一般为了准确测量间断角，采样率至少为 72 点/周，如此高的采样率对硬件提出了更高的要求。涌流间断角处电流非常小， 几乎接近于零，而 a/d 转换芯片正好在零点附近的转换误差最大，需要高分辨 率的 a/d 转换芯片。另外更为严重的是，涌流一般偏向于时间轴的一侧，经 ta 饱和传变后，由于反向电流的作用会使间断角消失，虽然可以采取一定的恢复 措施，但由于变压器铁芯磁特性的非线性，要准确恢复间断角是很困难的。 3. 小波变换方法 20 世纪 80 年代后期发展起来的小波变换在时、频两域都具有表征信号局 部特征的能力，被誉为分析信号的数学显微镜，非常适合于非平稳信号的分析， 克服了傅里叶变换只能适应稳态或准稳态信号分析、时域完全无局部性的缺点， 可以准确地提取信号的特征。所以，小波变换的出现立刻引起了科技界时、频 分析方法的新革命，当然也为励磁涌流和内部故障电流的判别带来了福音。自 从小波变换的妙用被继电保护工作者认识以来，就前仆后继地涌现出一大批从 事励磁涌流判别的科研人员，都试图通过小波变换彻底解决 100 年前留给我们 的技术难题变压器励磁涌流与内部故障的判别。 目前，小波变换在此方面的应用研究如火如荼，但一直以来主要集中于高 次谐波检测和奇异点检测，此外并未发现大的突破。实际上，两者都是间断角 原理的一种推广，高频检测反映的是差流状态突变产生的高次谐波，高频细节 出现的位置对应于变压器饱和、退饱和时刻或故障发生时刻。若差流的高频细 11 节突变周期出现，则为励磁涌流；若出现一次后便很快衰减为 0，则为内部故 障。奇异点检测利用了小波变换模极大值原理，检测的是差流状态突变而产生 的第 2 类间断点，奇异点与涌流间断角相对应。 但是，对微机保护来讲，获得高频分量势必需要提高采样频率，从而增加 了技术难度和成本，而且可能会受到系统谐波的影响，能否经受住环境高频噪 声的考验，有待进一步研究。另外，如何正确检测模值也是一个难题。 4. 波形对称原理 波形对称原理是对变压器的电流波形进行分析的一种方法。即，首先将流 入继电器的差流进行微分，将微分后差流的前半波与后半波作对称比较，根据 比较的结果去判断是否发生了励磁涌流。 这种方法实际上是间断角原理的推广。它的提出正是基于对励磁涌流导数 的波宽及间断角的分析，但是它比间断角原理容易实现，克服了间断角原理对 微机硬件要求太高的缺点。该方法的作者对其进行了仿真实验和动模实验，验 证了其有效性，至于能否得到实际应用，尚需时间检验。 5. 等值电路法 这类方法将变压器整体看成一个阻抗，通过测量端电压和端电流计算变压 器的等效阻抗或者等效导纳，通过阻抗或者导纳的变化来鉴别励磁涌流。变压 器用在励磁涌流时，变压器的励磁阻抗急剧变化，而在正常运行或者故障时励 磁阻抗基本不变这一特征来区分变压器励磁涌流和短路电流，算法不需要变压 器参数和系统参数。 在正常情况下，变压器的励磁电流很小，对于现代大型变压器，通常要小 于 1%变压器额定电流，因此，当变压器运行在磁化曲线的线性段时，励磁阻抗 很大，一般以变压器额定电压和电流为基准的励磁阻抗 zm100。当变压器空投 或区外故障切除，电压恢复正常的过程中，由于磁通不能突变，磁通中出现了 非周期性的暂态分量，与铁芯剩磁一起使变压器铁芯饱和，同时由于电压是交 变的，因而在一个周波内变压器铁芯周期性地进入饱和区和退出饱和区，当进 入饱和区时，励磁电流的瞬时值很大，可能达到变压器额定电流的 510 倍甚至 更大，而退出饱和区时，只有正常的励磁电流，其瞬时值很小，在涌流的间断 角区内，zm则变的相当大，因此在励磁涌流时期，zm的最大值与最小值可能相 12 差几百倍甚至上千倍。通过检测这种剧烈变化就可以进行励磁涌流的鉴别。 参考文献中提出了一种基于变压器导纳型等值电路中检测对地导纳参数变 化来鉴别变压器内外部故障的方法。原文作者在解析分析和实验观测的基础上 得到如下结论：（1）铁芯线圈的漏抗近似相等，此时在变压器导纳型等值电路 中，各节点的互导纳几乎与变压器的铁芯饱和无关；（2）铁芯未饱和时，各节 点的对地导纳几乎为零。当铁芯饱和时，对地导纳又与空心变压器的对地导纳 几乎一致，且是一不等于零的常数。与上述两个结论对应的有：（1）内部匝间 短路时，故障绕组的对地导纳是该绕组短路匝数的一个非线性函数，且随内部 故障匝数的增大而变大。非故障绕组的导纳与故障匝数无关，仍为一接近于零 的常数。 （2）涌流时高压侧绕组的对地导纳和低压侧的对地导纳都大于零，而 中压侧对地导纳接近于零或略小于零（3）各绕组的互导纳与铁芯的磁通密度无 关，也与内部匝间短路无关。这种算法的优点是快速，即使内部故障叠加涌流， 一般可以在半个周波内给出正确的判断结果，同时鉴别励磁涌流时，将不再用 谐波判别，而对内部故障却可以快速识别。 6. 磁通特性原理 磁通特性原理是通过综合利用变压器电压和电流的信息来鉴别励磁涌流的。 该方法是从励磁涌流产生的本质原因变压器铁芯磁路饱和出发，通过提取磁 通变化特征来识别励磁涌流和故障电流。磁通特性原理考虑的是变压器的励磁 特性，以变压器每个绕组的电压回路方程为基础，如下式所示，理论上可以完 全消除励磁涌流的影响。 u=ri+l + di dt d dt 式中：r、l 分别为该组的电阻和漏感，u、i、为该组电压、电流和磁通 的瞬时值。由于上式是根据变压器正常运行的模型得到的，所以在变压器正常 运行、外部短路、空载合闸和过励磁等情况下均满足，只有内部故障时，由于 变压器模型本身的内部结构参数发生了变化，它才不再成立，从而可以区分内 部故障和励磁涌流。 磁通特性制动原理的判断和计算过程都比较简洁，检测速度较快，适宜用 微机保护实现，但是该原理需要知道变压器绕组的漏感和磁制动曲线，这在实 际中不太可能行的通，还有待继续研究。 13 232 变压器差动保护发展趋势 电力系统飞速发展对继电保护不断提出新的要求，电子技术、计算机技术 与通信技术的迅猛发展又为继电保护技术的发展不断地注入了新活力。随着数 字技术的发展、微型计算机和微处理器的出现，为继电保护数字化开辟了广阔 前景。20 世纪 90 年代中后期人工智能以及网络技术的飞速发展，出现了以微 机和光传输技术为特征的全数字控制智能保护系统，以此为标志，微机继电保 护技术呈现出网络化，智能化，以及保护、控制、测量和数据通信一体化的发 展趋势。 (一) 全面提取涌流特征，提高励磁涌流识别能力，改善变压器差动保护性 能。 尽管从差动保护作为变压器的主保护那一天起，正确识别励磁涌流就成为 变压器差动保护所需要解决的重要问题，但是在没有完善的新原理可以取代差 动保护前，必须不断提高变压器差动保护励磁涌流识别能力。传统的二次谐波 制动原理只利用了励磁涌流中明显的二次谐波特征信息，而各种辅助判据的使 用意味着通过增加信息量来保证保护的正确动作。间断角原理利用了电流波形 间断角特征来识别励磁涌流，与二次谐波制动原理相比利用了更多的信息。其 他的基于波形特征的识别方法本质上与间断角原理类似，但是用来提取涌流特 征的波形是包括了间断角的整个涌流波形，因此性能上来说更为优越。随着小 波分析、数学形态学等数学工具以及神经网络模糊逻辑等智能技术在励磁涌流 识别方法中的应用，为励磁涌流特征的更为全面的提取提供了新的途径。总之， 为保证变压器差动保护正确可靠动作，综合利用变压器励磁涌流特征提取全面 信息来识别励磁涌流是今后一段时间内的发展趋势。 (二) 摆脱现有技术的束缚，独辟蹊径，探寻变压器保护新的原理。 纵联差动保护原理上完全不反应外部短路，因此取得了被保护设备在内部 故障时保护动作的灵敏性、快速性和选择性，被广泛用于电气主设备和输电线 的主保护。但是纵差保护只能用于满足电流基尔霍夫定律的纯电路设备，而在 变压器差动保护范围内，不仅包含电路，而且包含非线性的铁心磁路，造成当 变压器本身无故障空载合闸、外部故障切除电压恢复或过励磁时，差动保护中 流过很大的励磁电流，因此最初变压器采用差动保护作为主保护就隐含了不满 足差动保护应用的基本前提。因此摆脱现有技术束缚，探寻新的变压器保护原 14 理是今后研究的重点方向。基于磁通特性的原理、等值电路法原理、等值方程 原理以及功率差动原理就是一次有益的探索，但是这些新原理在实际应用中还 存在着大量的问题，需要更进一步的完善和发展。 从应用的进程上来看，保护新原理的应用可能经历三个阶段：第一阶段， 由于保护新原理不受励磁涌流的影响，因此可以作为变压器差动保护励磁涌流 识别方法进行应用，这也是很多新原理研究的出发点；第二阶段，新原理保护 与差动保护配合使用，由于差动保护作为变压器主保护已经历了几十年的考验 和完善，因此二者结合使用，可以取长补短。第三阶段，新原理保护取代差动 保护，这是保护新原理研究的目标. 24 本章小节 本章首先介绍了变压器的故障和保护配置，接着详细叙述了变压器差动保 护的基本原理，阐述了差动回路中的不平衡电流对变压器差动保护的影响；综 述了 变压器差动保护的现状和发展趋势，并且对现有的故障电流和励磁涌流鉴 别方法进行了比较，分析了其优缺点，从中可以看出，目前广泛使用的二次谐 波制动原理和间断角原理存在着很多问题，而其它一些鉴别励磁涌流的方法， 在理论上效果较理想，但真正应用到实践中还有一定距离。由于变压器运行条 件的复杂性和故障类型的多样性，以及 ct 饱和等因素的影响，现有的各种保 护方案均未能完美的解决现存的一些问题，为了改善变压器保护的性能，加速 研制新的保护原理和算法势在必行。 15 第三章 励磁涌流时变压器的状态分析与仿真 31 变压器励磁涌流及鉴别方法 311 单相变压器的励磁涌流 我们已经知道励磁涌流是由于变压器铁芯饱和造成的，下面以一台单相变 压器的空载合闸为例来说明励磁涌流产生的原因。下图为变压器的分段磁化曲 线图。 a s e o b f i 图图 3-13-1 变压器铁芯的分段磁化曲线变压器铁芯的分段磁化曲线 将变压器的磁化曲线近似看作两条分段直线 oa 和 ae，它们与纵轴的交点 a 点的磁通定义为饱和磁通。当时，变压器铁芯未饱和，此时铁芯的 s s 相对导磁率很高，绕组的励磁电抗也很大，所以励磁电流很小；当时，变 s 压器铁芯饱和，此时铁芯的相对导磁率减小，绕组的励磁阻抗减小，此时变压 器的励磁特性工作在直线 ae 或 bf 上，磁通的微小增量，都会引起电流巨大的 变化。 在空载合闸时，为简化分析过程，假设电源内阻抗为零，且电源电压是纯 正弦电压，既 u=u sin() (3.1) m t 式中:为电压合闸初相角。 当空载单相变压器突然投入无穷大电源时，若忽略该变压器漏抗，并令一 16 次绕组匝数 n1=1，则 = u sin() d dt m t 即 = cos()+ c (3.2) m t 根据初始条件得：c=cos+因此，空载变压器合闸时铁芯的磁通为 m su = cos()+cos+ m t m su （3.3） 式中=，为稳态磁通的幅值；为空载合闸前的铁芯剩磁。 m m u su 为了得到空载合闸励磁涌流，可利用变压器铁芯的磁化曲线，用作图 法求解。如图所示。 ix 0 i 0 2 21 0 ix 0 is x 0 p p p x 0 x 0 s s 0 0 t （a a） 变压器铁芯的磁化曲线变压器铁芯的磁化曲线 （b b） 励磁涌流的波形励磁涌流的波