（电气工程专业论文）基于模糊多判据的变压器保护研究.pdf

厶 p 士= i明明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于模糊多判据的变压器保护研究， 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：垄龆 e t期：垫! 竺：1 墨 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： 日期： 二- j j ，- 一 二 华北电力大学工程硕士专业学位论文 摘要 电力变压器是电力系统中极其重要的电气设备，它在整个电力系统中起着能 量和电压转换的作用，其安全运行直接关系到整个电力系统能否连续稳定地工作。 一直作为变压器主保护的差动保护本身存在着一个致命的缺陷：无法鉴别励磁涌 流和故障电流。本文首先以广东惠州东澎变电站主变压器为例，给出了变压器主保 护和后备保护的详细整定计算过程。分析了目前区分变压器励磁涌流和故障电流的 多种原理及存在的问题，提出了利用模糊识别原理来识别变压器励磁涌流的方法。 最后选定五个判据：二次谐波判据、间断角判据、基于波形特征判据、变压器端 电压判据、基于电压和电流微分比值原理判据。并通过实际工作中主变保护动作 情况，验证了所述方法的正确性。利用模糊识别原理构成的涌流识别方案，克服 了传统保护中的某些不足，改善了变压器保护的性能。 关键词：变压器，变压器保护整定，励磁涌流，模糊理论 a b s t r a c t p o w e rt r a n s f o r m e rb e l o n g st oac l a s so fv i t a lc o m p o n e n ti ne l e c t r i cp o w e rs y s t e m i tp l a y sar o l eo f c h a n g i n ge n e r g ya n dv o l t a g ei nt h ew h o l ep o w e rs y s t e m i t ss a f eo p e r a t i o ni sd i r e c t l yr e l a t i v et ot h e s t a b l eo p e r a t i o n a st h em a i np r o t e c t i o nf o ry e a r s ，d i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o nh a saf a t a lp r o b l e m ：i tc a nn o t d i s t i n g u i s ht h em a g n e t i z i n gi n r u s hc u r r e n ta n dt h ei n t e r n a lf a u l tc u r r e n t t a k i n gt h et r a n s f o r m e ro f d o n g p e n gs u b s t a t i o ni nh u i z h o u , g u a n g d o n ga sa l le x a m p l e ，t h es e t t i n go fm a i na n db a c kl l pp r o t e c t i o n i si l l u s t r a t e di nd e t a i l t h ep a p e ra n a l y s e sm a n yt h e o r yo ft h ec u r r e n td i s t i n c t i o nb e x v e e l lt r a n s f o r m e r i n r u s ht u r r e ta n df a u l tc u r r e n ta n dt h e i rp r o b l e m sa n dp u t sf o r w a r dam e t h o dw h i c hi su s i n gt h ef u z z y r e c o g n i t i o nt h e o r y a tl a s t ，w es e l e c tf i v ec r i t e r i o n s ：t h es e c o n dh a r m o n i cp r i n c i p l e ，i n t e r r u p t i v ea n g l e p r i n c i p l e , t h ep r i n c i p l ea c c o r d i n gt ot h ec o n t e n to ft h ew a v e f o r m ，t r a n s f o r m e rt e r m i n a lv o l t a g ea n dt h e p r i n c i p l eb a s e d0 nt h er a t i oo fv o l t a g ea n df l u x i o n a ld i f f e r e n t i a lc u r r e n t t h em e t h o dm e n t i o n e dw a s v e r i f i e db yt h eo p e r a t i o no fm a i nt r a n s f o r m e r si nw o r k i n g u n l i k et h et r a d i t i o n a lp r o t e c t i o no fc e r t a i n d e f i c i e n c i e s ，t h eu s eo ff u z z yr e c o g n i t i o nt h e o r yc o n s t i t u t i n gt h ei n r u s hc u r r e n tp r o g r a mi m p r o v e st h e p e r f o r m a n c eo ft h et r a n s f o r m e rp r o t e c t i o n h u a n g j i a j i a ( e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f x i a o s h i w u l ( e yw o r d s ：t r a n s f o r m e r , t r a n s f o r m e rp r o t e c t i o ns e t t i n g , m a g n e t i z i n gi n r u s hc u r r e n t ， f u z z yt h e o r y i 一 r f l ， 华北电力大学工程硕士专业学位论文 目录 摘要 a b s t r a c t 第一章绪论。1 1 1 课题的背景和意义l 1 2 判别励磁涌流方法的研究现状2 1 2 1二次谐波制动判据2 1 2 2 间断角原理3 1 2 3 波形对称原理。4 1 2 4 新判据。4 1 2 5 小结。4 1 3 本文的主要研究内容一6 第二章主变压器保护整定计算8 2 1 变压器主保护8 2 1 1 纵差保护原理介绍8 2 1 2 纵差保护整定计算原则9 2 2 变压器后备保护l l 2 3 变压器保护整定实例1 l 2 3 1 东澎变电站参数l l 2 3 2 主变压器保护整定。1 2 2 4 ，j 、结15 第三章基于模糊多判据的识别变压器励磁涌流1 6 3 1 模糊理论概述。1 6 3 1 1 模糊集合、隶属函数、模糊逻辑1 6 3 1 2 模糊模式识别理论1 6 3 1 3 模糊综合评判1 8 3 1 4 模糊理论应用到变压器差动保护的优越性1 8 3 2 模糊识别变压器励磁涌流1 9 3 2 1 变压器励磁涌流特征1 9 3 2 2 选定判据2 2 3 2 3 权重的选择3 0 3 3 小结3 3 第四章主变压器保护实际动作情况分析3 4 4 1 主变压器内部故障3 4 、 ，- ， ， 华北电力大学工程硕士专业学位论文 4 1 1 故障描述及保护动作情况3 4 4 1 2 故障录波。3 4 4 1 3 波形分析3 7 4 2 主变压器区外故障3 7 4 2 1 故障描述及保护动作情况3 7 4 2 2 故障录波3 8 4 2 3 波形分析。4 0 4 3 ，j 、结4 0 第五章结论4 1 参考文献4 2 致谢4 4 在学期间发表的学术论文和参加科研情况4 5 l i _ 华北电力大学工程硕士专业学位论文 1 1 课题的背景和意义 第一章绪论 电力变压器是电力系统中极其重要的电气设备，从电能的生产、输送到分配 都离不开变压器，它是整个电力系统的转换枢纽，因此其安全运行直接关系到整 个电力系统能否连续稳定地工作。尽管现在生产的变压器，结构上比较可靠，内 部故障的机率相对于输电线路和发电机而言较小，但如果因故障而遭到破坏，影 响范围大，破坏系统的正常运行，带来严重的后果；特别对于现代大型变压器， 其容量大、电压等级高、造价昂贵、结构复杂、检修难度大，在经济上必然带来 很大的损失。因此，电力变压器保护一直受到继电保护工作者的重视。 据最新资料【1 2 】显示，2 0 0 3 2 0 0 7 期间，随着继电保护技术的发展，2 2 0 k v 及 以上变压器保护的平均正确动作率在逐年提高( 具体数据见表1 1 ) ，但仍低于线 路保护的正确动作率( 9 9 以上) 。 表卜l2 0 0 3 2 0 0 7 年2 2 0 k v 及以上系统变压器保护动作情况 项目2 0 0 3 年2 0 0 4 年2 0 0 5 年2 0 0 6 年2 0 0 7 年 动作总次数 1 5 02 0 01 7 81 7 2 1 7 l 正确动作次数1 0 91 5 81 5 51 6 21 6 5 不正确( 误动) 4 14 12 21 0 5 动作次数( 拒动) 0 ll01 正确动作率( ) 7 2 6 77 9 o o 8 7 0 89 4 1 99 6 4 9 差动保护长期以来一直作为变压器的主保护，其原理简单，动作灵敏，而且 不需要与其它元件的保护配合，可以反映变压器的各种相间故障和接地故障，并 能正确地快速区分区内和区外故障，一度在变压器保护中写下了辉煌的篇章。变 压器在正常运行或外部故障时，流入差动继电器的只是不平衡电流，这是一个很 小的数值，保护不会动作；当变压器内部故障时，相当于变压器内部又多了一个 故障支路，流入差动继电器的差动电流等于故障点电流( 变换到电流继电器的二 次侧) ，只要故障电流大于差动继电器的动作电流，差动继电器就迅速动作，跳 开变压器各电源侧的断路器。 变压器的纵差保护同样需要躲过流过差动回路的不平衡电流。产生不平衡电 流的原因主要有【3 】：计算变比与实际变比不一致产生的不平衡电流；由变压 华北电力大学工程硕士专业学位论文 器带负荷调节分接头产生的不平衡电流；电流互感器传变误差产生的不平衡电 流；变压器励磁涌流产生的不平衡电流。其中，前三点不利因素主要依靠差动 保护自身特性加以解决，而最后一点，是变压器差动保护面l 临的最严重的问题。 变压器的励磁回路相当于变压器内部故障的故障支路，励磁电流全部流入差 动继电器中，形成不平衡电流，它的大小取决于励磁电感的数值，也就是取决于 变压器铁芯是否饱和。正常运行和外部故障时变压器都不会饱和，励磁电流一般 不会超过额定电流的2 5 ，对纵差保护的影响常常略去不计。当变压器空载投 入或外部故障切除后电压恢复时，变压器电压从零或很小的数值突然上升到运行 电压，相当于受到一个阶跃电压的作用，该电压将建立一个工作磁通使变压器最 终能稳定运行。在磁通的建立过程中，产生一个附加的直流磁通，如果同时变压 器铁芯还存在剩磁，并且剩磁的方向与附加直流磁通的方向一致，则合成后的磁 通将会周期性的超越饱和磁通门槛，导致变压器铁芯饱和，产生很大的暂态励磁 电流即励磁涌流。励磁涌流的最大值可达额定电流的4 _ 8 倍，并与变压器的额定 容量有关。 由于励磁涌流很大，若用动作电流来躲过其影响，纵差保护在变压器内部故 障时灵敏度将会很低，因此需要额外增加励磁涌流闭锁环节防止误动。 1 2 判别励磁涌流方法的研究现状 判别变压器励磁涌流是变压器保护的核心问题。传统的变压器保护中，基本 上都是利用差流中的二次谐波分量和间断角这两个判据区别故障电流和励磁涌流 的特点制动来消除涌流的影响。 1 2 1二次谐波制动判据 二次谐波制动方法是根据励磁涌流中含有大量二次谐波分量的特点，当检测 到差电流中二次谐波含量大于整定值时就将差动继电器闭锁，以防止励磁涌流引 起的误动。二次谐波制动元件的动作判据为 其中，厶、厶分别为差动电流中的基波分量和二次谐波分量的幅值；k 称为 二次谐波制动比，按躲过各种励磁涌流下最小的二次谐波含量整定，整定范围为 k 22 1 5 2 0 。 二次谐波制动原理简单明了，在微机变压器保护装置中得到了广泛应用，但 也存在很大的局限性 】： 2 华北电力大学工程硕士专业学位论文 ( 1 ) 大容量变压器、远距离输电的发展，使得内部故障时的暂态电流也可能产 生较大的二次谐波；大型变压器内部严重故障时，有可能谐振产生较大的二次谐 波使保护延时动作。 ( 2 ) - 次谐波制动比往往取1 5 一1 7 ，这个值是按照饱和磁通为1 4 倍额定 磁通时最b - - - - 次谐波来考虑的。但现代变压器的饱和磁通倍数经常在1 2 到1 3 之 间甚至更低，在此情况下涌流的最：j 、- - 次谐波含量有可能低至1 0 以下，从而导 致变压器差动保护误动。 ( 3 ) 励磁涌流是暂态电流，不适合用傅里叶级数的谐波分析方法。因为对于暂 态信号而言，傅里叶级数的周期延拓将导致错误的结果； ( 4 ) 很难适当选择制动比。美国西屋公司的制动比为7 o 7 5 ，但a b b 公司 取1 0 ，我国和大部分国家则取1 5 ，谁更科学较难评判； ( 5 ) 对于二次谐波制动原理，通常采用或门制动，即一相制动三相的方案。当 合闸于变压器匝间故障时，就会由于二次谐波制动而延时动作。有的变压器也会 因空载合闸时二次谐波不明显而导致误动。因此，系统的扩大和运行方式的增多 使二次谐波“含量高 不再是励磁涌流的独有特征。 1 2 2 间断角原理 励磁涌流的波形中会出现间断角，而变压器内部故障时流入差动继电器的稳 态差流是正弦波，不会出现间断角。间断角鉴别【6 】的方法就是利用这个特点鉴别 励磁涌流和故障电流，即通过检测差电流波形是否存在问断角，当间断角大于整 定值时将差动保护闭锁。该原理【7 8 】的优点在于：利用涌流波形明显的间断特征， 能清楚地区分出励磁涌流和故障电流；可以采用分相制动方案，保证变压器在 发生内部故障时快速跳闸。间断角原理是由我国率先提出并应用于现场的变压器 保护原理，在实际运行中，该原理还需要考虑以下几个问题： ( 1 ) 涌流间断处的电流非常小，几乎接近于o ，而a d 转换芯片正好在零点附 近的转换误差最大，因此需要高分辨率a d 转换芯片，否则会引入较大a d 转换 误差，甚至导致判据失效。 ( 2 ) 准确进行间断角的判断，需要较高的采样率，对c p u 的计算速度提出了更 高的要求。 ( 3 ) 受t a 饱和的影响。t a 饱和时，间断角区域会产生反向电流，饱和越严重， 反向电流越大，间断角可能消失。为了避免间断角原理失效，必须采取某些措施 恢复阳j 断角，但由于变压器铁心的非线性，要准确恢复间断角有一定的难度。 ( 4 ) 随着电压等级的提高和大容量变压器的出现，以前的间断角保护原理提出 的闭锁角整定值在多大程度上能够满足现代微机保护的要求也是一个需要重新考 虑的问题。 华北电力大学t 程硕士专业学位论文 由此可见，一方面，间断角原理的差动保护在技术上可行，能够快速、有效 地区分短路电流和励磁涌流；另一方面，间断角原理的硬件实现成本较高，需要 在实用化过程中作进一步经济技术分析并经受现场考验【9 1 。 1 2 3 波形对称原理 波形对称原理是利用差动电流一个周波数据窗内前、后半个周波的对称性来 判断是否发生内部故障。微分波形对称法【m d l 】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周波和后半周波做对称比较，根据比较的结果判断是否 发生了励磁涌流。该方法作为间断角原理的推广，具有间断角原理的优点，可以 采用分相制动方案，对变压器空载合闸于内部故障的情况，能够快速动作。相对 于间断角原理，波形对称原理更易于在微机保护中实现，并且对微机保护的硬件 要求也不高，目前该方法在微机保护中得到了较多的应用。但是考虑到实际运行 的复杂性和多样性，为了避免在一些情况下的误判，需要进行大量的实验验证和 实际运行的检验。此外，还有积分型波形对称法和基于波形相关性分析的新算法 竺【1 2 可0 1 2 4 新判据 近年来，国内外学者一直致力于变压器保护新原理的研究，提出了不少判别 励磁涌流的新原理和新方法。 变压器是一个非线性时变系统，其电压和电流并非线性相关，它们之间的关 系是相互补充的，以前的研究只利用单一的电流量很难全面地描述变压器的运行 状态。随着新一代微机保护性能的提升，变压器主、后备保护一体化的实现，在 变压器主保护中引入电压量亦成为可能，综合电压和电流两个状态变量来描述变 压器的运行状态，信息才具有完备性，为变压器主保护提供了新的方法和途径。 目前，该类方法中比较有代表性的有：磁通特性原理【1 3 l 、基于励磁阻抗或瞬时励 磁电感的变压器保护原理【1 4 郴】、等值电路原理【2 0 1 、序阻抗原理【2 1 珑】、功率差动原 理【2 3 2 5 1 和基于回路方程的变压器保护原理【2 6 - 2 7 】等。 另外，随着计算机技术的飞速发展，现代数字信号处理技术已经逐渐渗透到 继电保护的各个领域，新的保护原理和方案不断地应用于微机继电保护中，推动 其向更高层次发展。从8 0 年代至今，不少学者把小波理论、数学形态学等非线性 学科为主导的数字信号处理技术应用到励磁涌流识别上来，并提供了新的处理思 路和手段。 1 2 5 小结 以上鉴别方法在一定程度上提高了对励磁涌流鉴别的准确度，但它们依然是 4 华北电力大学工程硕士专业学位论文 基于单- n 据的。电力系统继电保护对故障信息进行提取、综合、分析，以判断 电力设备及线路是否发生故障或计算故障点位置，它是一个信息综合利用的过程。 电力系统故障过程非常复杂，影响因素多，会因系统故障初始状态不同而表现出 有一定的冗余性、互补性和不确定性。传统的基于单个保护继电器或单一判据的 保护装置，能有效利用的信息量有限，不足以提供对各种故障的广泛而准确的检 测。 本文利用模糊逻辑和模糊模式识别的有关理论，对变压器保护中励磁涌流的 识别方法进行了探讨。相比较而言，传统的布尔逻辑保护存在着以下缺陷： ( 1 ) 保护的定值整定复杂，对系统运行方式的适应性差。变压器差动保护中定 值较多，速断定值、比例制动定值、二次谐波定值、电压等定值整定麻烦，计算 复杂，需要考虑最严重的情况，计及各种运行工况和因素的影响，稍有不慎就可 能出现定值与系统运行不相适应的情况，造成保护的误动或拒动。系统运行方式 发生变化时，保护的灵敏性和可靠性都要发生变化： ( 2 ) 保护判别采用布尔逻辑，判据定值采用固定的定值。这意味着输入即使发 生变化，或中间某一环节出现错误，也可能得到截然不同的结果。例如常规变压 器保护中利用二次谐波含量识别励磁涌流，定值多取为1 5 。因此二次谐波含量 为1 4 9 或1 5 1 时，判断结果截然不同。 ( 3 ) 存在着技术性能与保护可靠性的矛盾。各种判据或因本身原理的缺陷，或 因外在因素的干扰，一旦出错，保护就会拒动或误动。而采用多判据的逻辑组合， 又因环节的增多，每一环节的错误判断都可能导致最终结果的错误，降低了保护 的可靠性。 运用模糊理论实现变压器保护有以下几大优势1 2 8 l ： ( 1 ) 容错性好。即使某一判据不尽完善，只会使模糊量的隶属度大小发生偏移， 再加上综合其它判据进行判断，会大大提高保护的可靠性。同时，运行出现异常 情况时，多判据反映的信息量比单判据反映的信息量多。使各判据之间取长补短， 避免了“一票否决 ，真正做到了“集思广益”，体现了智能化的特点，使保护 对运行状态判断的可靠性更高。 ( 2 ) 模糊理论更加符合人脑的思维习惯和自然界的客观规律。电力系统的运行 状态千变万化，对其进行确切描述是不可能的，而模糊描述不仅有利于提高解决 问题的效率。 ( 3 ) 易于增加新的判据，通过调整权重实现新旧判据的结合和转换。一个新判 据出现时，会存在很多不完善的地方。利用模糊理论综合新旧判据，在投入运行 的最初阶段，将老判据的权重取大些，在保证保护的可靠性的前提下，新判据积 累运行经验。当新判据逐渐趋于完善时，可逐渐加大它的权重，实现新旧判据的 稳步过渡。 5 华北电力大学工程硕士专业学位论文 1 3 本文的主要研究内容 在掌握主变压器保护整定和大量阅读有关变压器励磁涌流识别文献的基础之 上，针对现有传统的差动保护所面临的种种问题，尤其是大容量变压器的励磁涌 流和内部故障电流的特点越来越不明显而导致保护延时动作这一问题，运用模糊 识别理论，从采用识别励磁涌流的多个判据入手，并利用多个判据进行综合评判， 以期更准确的判断变压器的状态。 国内外对励磁涌流的实验和分析资料很多，提出了许多可行的算法和方案， 本文根据励磁涌流的波形特征，以及变压器在饱和时的非线性特性决定选取判据 如下： 二次谐波判据 二次谐波原理简单明了，在常规保护中有较多的运行经验，用微机实现比常 规保护更容易。因此，目前国内外实际投入运行的计算机变压器保护大都采用这 个原理。 间断角原理 间断角原理利用了励磁涌流明显的波形特征，能清楚的区分内部故障和励磁 涌流。此原理的励磁涌流判据并未涉及到涌流的具体波形和幅值，而是利用了涌 流波形的鲜明特征，因此，它对不同的涌流均能识别。 基于波形特征判据 变压器正常运行、内部短路、外部短路时波形具有正弦函数特征，而励磁涌 流时因励磁电流包含非周期分量、间断角而不具有正弦函数特征，因此通过这个 特点来区别涌流和短路故障。 该方法具有特征明显，判断精确，并可以实现分相制动，同时对c t 饱和也有 制动作用。但是，此方法需要在准确跟踪基波频率的情况下，对波形进行分析比 较。 变压器端电压判据 变压器处于内部故障时，其端电压有明显的降低t 但在变压器因励磁涌流出 现严重饱和时，端电压会发生畸变，其中包含较大的谐波分量，这样就可以鉴别 励磁涌流或加速保护出口。 分析和实验表明，在内部轻微故障时，可能因变压器端电压下降不多而使其 反映不够灵敏，同时电压制动原理的应用与系统阻抗的大小密切相关，在系统阻 抗较小时，该原理的保护的动作特性有可能变坏。 基于电压和电流微分比值原理判据 鉴于利用磁通特性原理区分励磁涌流的不足，提出利用电源侧电压和电流微 分的比值来判别变压器是否含有励磁涌流。该方法原理简单，无需任何先验参数， 6 华北电力大学工程硕士专业学位论文 具有数据采集方便，计算量小，动作可靠、迅速等特点。 由于要用到原边侧的电流值，所以当原边侧为形接线时，无法测得绕组中 的电流，其应用受到限制。 其中：判据是仅基于电流量的，判据是基于电流波形的，判据是基于 电压量的，而判据是同时利用了电压量和电流量。 将传统微机保护改造成为利用模糊原理构成的变压器保护，能得出一个较为 客观的结论，为模糊变压器保护的实用化打下良好的基础。利用模糊识别原理构 成涌流识别方案，来克服传统保护中的某些不足，改善变压器保护的性能。 7 华北电力火学u t 程硕士专业学位论文 2 1 变压器主保护 第二章主变压器保护整定计算 电流纵差保护3 1 不但能正确区分区内外故障，而且不需要与其他元件的保护 配合，可以无延时地切除区内故障，具有独特的优点，因而被广泛地用作变压器 的主保护。 2 1 1 纵差保护原理介绍 图2 - 1 所示为双绕组单相变压器纵差保护的原理接线图。j 。、j ：分别为变压 器一次侧和二次侧的一次电流，参考方向为母线指向变压器；j 。、j ：为相应的电 流互感器二次电流。流入差动继电器k d 的差动电流为 纵差保护的动作判据为 i ，= i i + 1 2 i r 芝i 嘲 式中，l 为纵差保护的动作电流；= p + j ：j 为差动电流的有效值。 图2 1 双绕组单相变压器纵差动保护的原理接线图 8 ( 2 1 ) ( 2 - 2 ) 华北电力大学工程硕士专业学位论文 设变压器的变比为n t = u ，则式( 2 - 1 ) p - y 进一步表示为 j ，：立+ 土 l t a 2 ，h l 若选择电流互感器变比，使之满足 则可得 监= 唧 i i t a ! j ，- n 7 l , + 1 2 n r a 2 ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 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厅r + 厶= 0 。 根据式( 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问的引线) 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 ) 成为变压器纵差保护中电流互感器变比选择的依据。 实际电力系统中都是三相变压器( 或三相变压器组) ，并且通常是y d l l 的接 线方式，这样的接线方式造成了变压器一、二次电流的不对应。对于数字式差动 保护，一般仍将y 侧的三相电流直接接入保护装置内，由计算机的软件实现转换 功能，简化接线。 2 1 2 纵差保护整定计算原则 2 1 2 1 纵差动保护动作电流的整定原则 ( 1 ) 躲过外部短路故障时的最大不平衡电流，整定式为 is e t = k 嗨l l 吼b 嗽 式中，k 耐一可靠系数，取1 3 。 k 吣一外部短路故障时的最大不平衡电流。 9 ( 2 - 6 ) 华北电力大学工程硕十专业学位论文 l 。一包括电流互感器和变压器变比不完全匹配产生的最大不平衡电流和互感器 传变误差引起的最大不平衡电流。 k 一= ( f 二+ u + 0 1 k n p k 髓) i k 一 ( 2 - 7 ) 式中，i 。一外部短路故障时最大短路电流； m 一由于电流互感器计算变比和实际变比不一致引起的相对误差； u 一由变压器分接头改变引起的相对误差，一般可取调整范围的一半； 0 1 一电流互感器容许的最大稳态相对误差； k 。一电流互感器同型系数，取为l ； k 。一非周期分量系数，取1 5 2 ，当采用速饱和变流器时，由于非周期分量能引 起其饱和，抑制不平衡输出，可取为l 。 ( 2 ) 躲过变压器最大的励磁涌流，整定式为 i 毗= kr e l k n i n( 2 - 8 ) 式中，k 。，一可靠系数，取1 3 一1 5 。 ，一变压器的额定电流； k 。一励磁涌流的最大倍数( 即励磁涌流与变压器额定电流的比值) ，我们取为4 8 ，可以根据变压器的额定容量的上限来选择。 由于变压器的励磁涌流很大，实际的纵差动保护通常采用其他措施来减少它 的影响；一种是通过鉴别励磁涌流和故障电流，在励磁涌流时将差动保护闭锁， 这时在整定值中不必考虑励磁涌流的影响，即取k ，= 0 ：另一种是采用速饱和变 流器减少励磁涌流产生的不平衡电流，采用加强型速饱和变流器的差动保护 ( b c h 2 型) 时，取k ，= l 。 ( 3 ) 躲过电流互感器二次回路断线引起的差电流。变压器某侧电流互感器二次回路 断线时，另一侧电流互感器的二次电流全部流入差动继电器中，要引起保护的误 动。有的差动保护采用断线识别的辅助措施，在互感器二次回路断线时再将差动 保护闭锁。若没有断线识别的措施，则差动保护的动作电流必须大于正常运行情 况下变压器的最大负荷电流，即 l 懈= k 嘲1 1 嘛 式中，k 删一可靠系数，取1 3 1 5 。 1 0 ( 2 9 ) 华北电力大学工程硕士专业学位论文 一一变压器的最大负荷电流。在最大负荷电流不能确定时，可取变压器的额定 电流。 按上面三个条件计算纵差保护的动作电流，并选取最大者。所有电流都是折 算到电流互感器二次侧的数值。对于y ，d 1 1 接线三相变压器，在计算故障电流和 负荷电流时，要注意y 侧电流互感器接线方式，通常在d 侧计算比较方便。 2 1 2 2 纵差动保护灵敏度系数的校验 纵差动保护的灵敏度可校验式为 k = 等 ( 2 1 0 ) 式中，l 响，为各种运行方式下变压器区内端部故障时，流经差动继电器的最小差 动电流；灵敏系数k 一般不应低于2 。 当按上述整定原则整定的动作电流不能满足灵敏度要求时，需要采用具有制 动特性的差动继电器。 2 2 变压器后备保护 除了主保护外，变压器还应装设相间短路和接地短路的后备保护。后备保护 的作用是为了防止由外部故障引起的变压器绕组过电流，并作为相邻元件( 母线 或线路) 保护的后备以及在可能的条件下作为变压器内部故障时主保护的后备。 变压器的相间短路后备保护通常采用过电流保护、低电压启动的过电流保护、 复合电压启动的过电流保护以及负序过电流保护等，也有采用阻抗保护作为后备 保护的情况。而在电力系统中，接地故障是最常见的故障形式。接于中性点直接 接地系统的变压器，一般要求在变压器上装设接地保护如零序电流保护，作为变 压器主保护和相邻元件接地保护的后备保护。 2 3 变压器保护整定实例 以广东惠州东澎变电站群l 主变整定为例，说明主变压器配备保护的整定，验 证以上说明的保护整定方法。 2 3 1 东澎变电站参数 主变型号：s f p s z 7 1 5 0 0 0 0 2 2 0 ( 广东电力设备厂) 容量s n = 1 5 0 m v a 额定电压u 。= 2 2 0 k v 1 2 l k v 1l k v l l 华北电力大学工程硕士专业学位论文 额定电流，。= 3 9 3 6 a 7 1 5 7 a 3 9 3 6 a 短路阻抗( ) ：高- 中= 1 4 ：u v 高低= 2 4 ；吒中一低= 7 4 主变归算阻抗乙= k 1 0 0 ) x ( u 1 2 s 。) 却= ( u 高呻1 0 0 ) x ( 2 2 0 2 1 5 0 ) = 4 5 1 7 q 2 - - 4 1 = ( u 高咄1 0 0 ) x ( 2 2 0 2 1 5 0 ) = 7 7 4 4 【2 ，- 变高c t ： 6 0 0 5 = 1 2 0变中c t ：1 2 0 0 5 = 2 4 0 变低一分支5 0 1 c t ： 5 0 0 0 5 = 1 0 0 0变低二分支5 6 1 c t ：5 0 0 0 5 = 1 0 0 0 变高中性点零序c t ： 6 0 0 5 = 1 2 0变中中性点零序c t ： 6 0 0 5 = 1 2 0 变高间隙零序c t ： 1 0 0 5 = 2 0变中间隙零序c t ： 1 0 0 5 = 2 0 正常运行时，撑l 主变中性点直接接地，拌2 主变中性点经间隙接地。 2 3 2 主变压器保护整定 2 3 2 1 短路电流计算 ( 1 ) 2 2 0 k v 母线归算阻抗( 标幺值) ： z l 一= 0 0 1 3 1 9 3 q 2z o 一= o 0 2 9 2 2 8 q z l 。i 。= 0 0 8 8 6 11 q 2z o 。i 。= 0 2 1 7 5 5 2 q 2 ( 2 ) 1 1 0 k v 母线归算阻抗( 有名值) ： z i 一= 7 0 6 1 q 2z o 一= 9 9 1 6 q 2 z 1 。i 。= 14 9 6 q 2z o 。i 。= 12 2 8 q ( 3 ) l o k v 母线归算阻抗( 有名值) ： z l 一= 0 2 9 8 5 dz o 一= 0 3 2 8 5 q 2 ( 4 ) 1 1 0 k v 母线故障流过变高的短路电流 厶一孙= 2 3 0 x1 0 3 1 7 3 2 x ( 6 9 7 9 + 4 5 1 7 ) 】_ 2 5 4 6 2 8 a 厶。缸2 = 2 2 0 x 1 0 3 2 x ( 4 6 8 8 + 4 5 1 7 ) 】= 1 1 9 5 0 2 a ( 5 ) l o k v 母线故障流过变高的短路电流 厶一孙= 2 3 0 x1 0 3 1 7 3 2 x ( 6 9 7 9 + 7 7 4 4 ) 】= 1 5 7 3 0 4 a i d 曲= 2 2 0 x10 3 2x ( 4 6 8 8 + 7 7 4 4 ) = 8 8 4 8 5 a ( 6 ) l o k v 母线故障流过变低的短路电流 l 一孙= l l x l 0 3 1 7 3 2 x ( 0 2 9 8 5 ) = 2 1 2 7 7 a l 曲孙= 1 0 5 x1 0 31 1 2 x ( 0 3 2 8 5 ) = 1 5 9 8 2 a 2 3 2 2 保护整定 主变压器的保护型号为r c s 一9 7 8 g 2 ，可提供一台变压器所需要的全部电量保 护，主保护和后备保护可共用同一t a ( 电流互感器) 。这些保护包括：稳态比率差 动、差动速断、工频变化量比率差动、零序比率差动分侧比率差动、复合电压闭 1 2 华北电力大学工程硕士专业学位论文 锁方向过流、零序方向过流、零序过压、间隙零序过流。 ( 1 ) 差动保护 差动电流起动值k 喇= o 4 1 , = 1 5 7 4 1 3 1 a 差动速断i = 6 l = 2 3 6 2 1 9 6 8 a 比率制动系数k b = 0 5 二次谐波制动系数k 船= o 2 c t 报警门槛值易= o 1 = 3 9 3 6 0 3 3 a ( 2 ) 后备保护 高压后备 a ) 复压过流保护：= 7 8 v ( 线电压)= 6 v i i = 3 9 3 6 x 1 3 0 9 = 5 6 8 5 3 3 4 7 4 at = 3 0 s ( 跳三侧) 1 2 = 3 9 3 6 1 5 0 9 = 6 5 6 5 4 7 at = 8 0 s ( 跳三侧) b ) 零序过流保护( 按中调定值整定) ： i o l = 1 0 0 0 8 3 3 a r o l l = 3 m ( 跳2 2 0 k v 母线) t o l 2 = 3 5 j ( 跳变高) k = 6 0 0 5 0 0 al = 2 0 s ( 停用) r 0 2 2 = 5 5 s ( 跳三侧) 其中，零序i 段带方向，方向指向2 2 0 k v 侧母线；零序l i 段不带方向。 c ) 间隙零序电流电压保护： i l x = 1 0 0 5 au l x = 1 8 0 vt k = 1 2 s d ) 过负荷： 厶一1 0 5 0 9 5 x 3 9 3 6 = 4 3 5 0 3 2 3 ，6 3 at = 5 s ( 告警) e ) 闭锁有载调压、启动风冷： l = 3 9 3 6 x 0 6 7 = 2 6 3 7 1 2 2 0 a= 2 s i 嘶憎= 3 9 3 6 3 2 8 a t = 2 s f ) 校验灵敏度： 1 = k 。“= 1 1 9 5 0 2 5 6 8 5 = 2 1 0 2 2 满足要求 中压侧后备保护 。a ) 主变变低复压过流保护定值 u l = 7 0 v ( 线电压) u 2 = 6 v = 1 3 0 9 7 1 5 7 = 1 0 3 3 7 9 4 3 1 a t i l = 2 和( 跳1 1 0 k v 母联) t 1 2 = 2 7 s ( 跳变中开关) 1 2 = 1 3 0 9 x7 1 5 7 = 1 0 3 3 7 9 4 3 1 a t 2 = 3 0 s ( 跳三侧开关) b ) 阻抗保护 z i = i 0 2 2 2 z h = i 0 2 2 f 正l l = o 9 s ( 跳l10 k v 母联) t ：d l = 0 9 s ( 跳110 k v 母联) 1 3 互1 2 = 1 2 s ( 跳变中) t z d 2 = 1 2 s ( 跳变中) 一 华北电力大学工程硕十专业学位论文 二_ 二- 二二二= = 二一 c ) 零序保护 i o , 23 6 0 3 0 0 a r o l l = 2 4 j ( 跳母联) 瓦1 2 = 2 7 s ( 跳变中) 如= 3 6 0 3 0 0 a l = 3 ( 跳三侧)2 = 2 0 s ( j 蛐) 3 = 2 0 s ( 退出) d ) 间隙零序电流电压保护 l x 2 1 0 0 5 a u 讧= 1 8 0 v e ) 过负荷 i 西= 1 0 5 0 9 5 x7 1 5 7 = 7 9 1 0 3 7 3 3 0 a 主i 低压侧一分支5 0 1 后备保护 a ) 主变变低复压过流保护定值 u l = 7 0 v ( 线电压)= 6 v = 1 5 9 8 2 1 5 = 1 0 6 5 4 a t i 。= o 5 s ( 髟h o k v 分段，闭锁备自投) t l3 = 1 1 s ( 跳主变各侧) ，= 1 3 0 9 x 3 9 3 6 = 5 6 8 5 3 3 5 6 9 a t 2 l = 1 3 s ( 跳l o k v 分段，闭锁备自投) t 2 3 = 1 9 5 ( 跳主变各侧) b ) 零序过压保护( 退出) & = 1 2 8 f 1 2 = 0 8 s ( 跳变低5 0 l 开关) t 2 2 = 1 6 s ( 跳变低5 0 l 开关) v o = 1 5 0 v t o = l o s ( 告警) c ) 过负荷 厶= 1 0 5 0 9 5 x 3 9 3 6 = 4 3 5 0 3 2 4 3 5 a 主i 保护低压侧二分支5 6 1 后备保护 a ) 主变变低复压过流保护定值 u l = 7 0 v ( 线电压)以= 6 v l 2 1 5 9 8 2 1 5 = 1 0 6 5 4 a t l l = 0 5 s ( 变低5 6 l 开关) t t 3 = 2 0 s ( 退出) 厶= 2 5 0 0 0 0 2 5 0 a t 2 l = 1 1 s ( 跳变低5 6 1 开关) t 2 3 = 2 0 s ( 退出) b