（电气工程专业论文）电力变压器纵差保护性能改进的研究.pdf

中文摘要 中文摘要 摘要：电力变压器是电力系统中极其重要的电气设备，其安全运行关系到整个电 力系统能否连续稳定的工作。特别是大型变压器本身造价昂贵，一旦发生故障， 将造成巨大的经济损失。纵联差动保护作为变压器主保护之一，虽然有原理简单、 实现方便的优点，但在实际应用中面临着许多问题和难点，如对微小的匝间短路 不够灵敏以及励磁涌流与故障电流难以辨别。本论文基于电力系统集成保护项目， 对现有的变压器差动保护方法进行研究改进，对于提高电力变压器继电保护水平 有重要意义。 ， 本文首先对变压器差动保护存在的问题进行了分析，然后利用电磁暂态仿真 软件搭建变压器模型，对变压器不同电压初相角空载合闸以及变压器各种内部故 障进行了仿真。通过与动模实验波形对比验证了变压器仿真模型的有效性。同时， 研究了变压器分接头调整对差动电流的影响，提出了两种基于变压器分接头信息 的自适应改进方法，提高了变压器差动保护对微小内部故障的灵敏度。本文还深 入研究了基于等效瞬时电感辨识励磁涌流的方法，得出由于侧绕组中环流的存 在，使得流入保护的差流并不能正确反应励磁电感的变化情况。针对侧绕组内 环流对等效瞬时电感计算结果影响大，本论文利用集成保护多量测量信息的优点， 在变压器两侧电流基础上引入电压量，在变压器回路方程的基础上，求得变压器 空投时侧绕组环流。该方法在变压器匝间故障情况下仍能保持较高计算精度， 能准确地求取环流，大大改善了变压器差动电流与等效瞬时电感辨别励磁涌流的 方法。论文最后设计了集成保护实验平台实施方案并利用v c 编写了变压器纵差保 护程序，为电力系统集成保护的实际应用提供平台。 关键词：变压器分接头；差动保护；角型侧环流；励磁涌流；自适应改进 分类号：t m 7 7 3 a b s t r a c t a bs t r a c t a b s t r a c t ：p o w e rt r a n s f o r m e ri se s s e n t i a la n di m p o r t a n te l e m e n to f p o w e rs y s t e m i t p l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h ep o w e rs u p p l ys y s t e m t h er e l i a b i l i t yo fp o w e rt r a n s f o r m e r d i r e c t l yd e t e r m i n e sw h e t h e rt h ep o w e rs y s t e mw o r k ss a f e l yo rn o t e s p e c i a l l yf o re x t r a l l i g hv o l t a g et r a n s f o r m e ri se x p e n s i v e ，g r e a te c o n o m i cb e n e f i t sw o u l db el o s ta sa r e s u l t o ft h ef a u l to fp o w e rt r a n s f o r m e r d i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o ni st h em a s t e rp r o t e c t i o nf o r t r a n s f o r m e r sa l la l o n g t h e r ea r em a n yp r o b l e m sn e e dt os o l v e t h et r a n s f o r m e r d i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o ni sn o ts e n s i t i v i t yt ot h et u r n - - t o - t u r nc i r c l e ss h o r ta n di d e n t i f i c a t i o n o f t h ef a u l tc u r r e n tw i t hi n r u s hc u r r e n ti sa l s ot h ep r o b l e mt h a tc a n n o tb ee v a d e d b a s e d o nt h ei n t e g r a t e dp r o t e c t i o n ，t h e r ei sg r e a ti m p o r t a n tm e a n i n gi nt h ei m p r o v e m e n to f t r a n s f o r m e r p r o t e c t i o n l e v e la n di m p r o v i n go fe x i s t e dt r a n s f o r m e rd i f f e r e n t i a l p r o t e c t i o n t h i sp a p e ra n a l y z e st h ep r o b l e m sa b o u tt h ed i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o n , a n da p p r a i s e s v a r i o u sw a y so fd i s t i n g u i s h i n gm e t h o d s u s et h es i m u l a t i n gs o f t w a r ee m t d ct om a k e t h et r a n s f o r m e rm o d e lw h i c hc a ns i m u l a t ei n t e g r a l l yi n t e r n a lf a u l to ft r a n s f o r m e ra n d t h em a g n e t i ci n r u s hc u r r e n t t h es i m u l a t i o nm o d e li sp r o v e de f f e c t i v eb yc o m p a r i n gt h e w a v e f o r mw i t hd y n a m i cs i m u l a t i o ne x p e r i m e n t s i ti saf e a s i b l ew a yt og e tt h ed a t ao f r e s e a r c hw h i c hi su s e f u lt ot h ef o l l o w i n gr e s e a r c h a tt h es a m et i m e ，t h ei n f l u e n c eo f t a p c h a n g et ou n b a l a n c ec u r r e n ti s s t u d i e d t w oa d v a n c e dm e t h o d sf o ri m p r o v i n gt h e s e n s i t i v i 锣o ft h ed i g i t a ld i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o ni sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r t h en e w a p p r o a c h e sb a s e do na d a p t i v ea d j u s t m e n to ft h ep e r c e n t a g ed i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o nt a k e s i n t oa c c o u n tt h et a pp o s i t i o no ft h ep o w e rt r a n s f o r m e r 、 ，i 廿1o n - l o a dt a pc h a n g e r t h e d i g i t a ld i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o nc a nb em o r es e n s i t i v et ot h ef a u l t so ft r a n s f o r m e rb y r e d u c i n gt h eu n b a l a n c ec u r r e n tc a u s e db yt h et a pc h a n g i n g b ys t u d y i n gt h ea l g o r i t h mo fe q u i v a l e n ti n s t a n t a n e o u si n d u c t a n c e s c h e m ef o r w y e - d e l t ac o n n e c t e dt r a n s f o r m e r , i tf i n d st h a ti t l i m i t e dt h ea p p l i c a t i o nb a s e do nt h e e q u i v a l e n ti n s t a n t a n e o u si n d u c t a n c es c h e m e t oi d e n t i f yt h ei n r u s ha c c o r d i n gt ot h e c i r c u l a t i n gc u r r e n ti nd e l t aw i n d i n g b e c a u s et h ec i r c u l a t i n gc u r r e n ti nd e l t aw i n d i n gi s n o te a s i l ym e a s u r a b l e ，t h i sp a p e ru s i n gt h e a d v a n t a g e s o fi n t e g r a t e d p r o t e c t i o n c o n s t r u c t saa l g o r i t h mt oo b t a i nt h ec i r c u l a t i n gc u r r e n tb a s e do nt h et r a n s f o r m e rm o d e l o o pe q u a t i o n s i tc a no b t a i na c c u r a t ec i r c u l a t i o nw h e nt h ei n t e r n a l t u r nt ot u r ns h o r t f a u l th a p p e n s ，w h i c hi sm a i n t a i n i n gg o o da c c u r a c ya n daw i d er a n g eo fa p p l i c a b i l i t y a t 北京交通大学硕士学位论文 l a s t ，p r o g r a m t h et r a n s f o r m e rd i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o na n dp r o v i d eae x p e r i m e n t a l p l a t f o r mt ot h ei n t e g r a t e dp r o t e c t i o nf o r t h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n s k e y w o r d s ：t r a n s f o r m e rt a p ；d i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o n ；c i r c u l a t i n gc u r r e n t ； i n r u s hc u r r e n t ；a d a p tm e t h o d c l a s s n 0 ：t m 7 7 3 v l l l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 提供阅览服务，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字冁川年6 月够日 导师签名： 签字日期：研年多月日 l 独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，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，也不包含为获得北京交通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：签字日期：年月 日 致谢 本论文的工作是在我的导师和敬涵教授的悉心指导下完成的，和敬涵教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年来 和敬涵老师对我的关心和指导。 和敬涵教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，在此向和敬涵老师表示衷心的谢意。 葛老师与华电的郑涛老师对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意 见，在此表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，实验室的各位同学对我论文中的研究工作给 予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 绪论 1 1课题的背景及意义 1 绪论 电力变压器是电力系统中重要设备之一，其运行正常与否直接关系到整个电 网可靠性，因此变压器继电保护要求具有较高的可靠性【l j 。尤其是随着电力事业的 发展，超高压输电线路在我国的建设越来越普遍，大容量超高压的大型电力变压 器的应用也随之扩大，这就要求变压器保护不仪可靠，而且要快速。但是变压器 保护发展远远落后于电网的发展速度。据统计【2 】，大容量的变压器装置每十年都在 成倍数的增长，然而变压器保护装置的运行情况虽然有一定的提高，但是目前变 压器保护与线路及发电机保护相比其动作正确率普遍不高，因此现代电力系统对 变压器的保护提出了更高的要求。 纵联差动保护在继电保护的发展过程中，有着独特而无法替代的地位，现今 仍然广泛应用于电气主设备和线路的保护中。差动保护是一切电气主设备的主保 护，它以其灵敏度高、选择性好、实现简单而广泛的应用在发电机、电抗器、电 动机、母线等电气设备上。鉴于差动保护在以上设备中成功应用，人们在变压器 保护上同样采用差动保护作为主保护【3 】。纵联差动保护作为电力变压器主保护之一 广泛应用于现场运行中。在我国，对容量超过1 0 m v a 的变压器要求装设差动保护； 对高压侧电压在2 2 0 k v 及以上电压等级的电力变压器，要求装设两套不同励磁涌 流识别原理的差动保护。但是变压器具有和发电机、母线等电气设备不同的特性 即该设备两侧是通过磁路耦合传递能量的，而不是一个纯电路结构。由于磁 路的存在，差动保护的基本原理基尔霍夫电流定律就不能在所有情况下都成 立，尤其是在空载合闸和故障暂态的情况下。为了克服差动保护的不足，科研人 员不得不加以附加判据，解决由于磁路耦合引起的励磁涌流等难题，防止变压器 差动保护误动。下面将主要分析影响变压器纵联差动保护正确动作的几个因素。 1 2影响变压器差动保护正确动作的几个因素 差动保护是变压器的主保护之一，它的安全可靠性对变压器保护影响最为关 键。变压器差动保护在正常运行和区外故障时，理想情况下流入差动继电器的电 流为零，保护装置可靠不动作。但实际上变压器在正常运行操作或区外短路时都 有可能产生较大的不平衡电流，引起变压器差动保护的不正确动作【4 1 。影响变压器 北京交通大学硕士学位论文 差动保护动作正确率主要有以下几个因素： ( 1 ) 励磁涌流因素。一般情况下电力变压器运行时，变压器铁芯工作在线性区 域，没有发生磁饱和，其励磁电流非常小，差动保护不容易误动。但在一些过渡 过程中，例如变压器空载合闸情况下，三相电力变压器铁芯易饱和，并且仅在变 压器一侧产生几倍甚至十几倍额定电流的励磁涌流。如不增加辨识励磁涌流的附 加闭锁判据，必将引起变压器差动保护误动。 ( 2 ) 变压器分接头调整。变压器高压绕组常有调压分接头，有的还要求具有带 负荷调节变压器分接头功能。分接头的调整，导致流入差动继电器的不平衡电流 增大。通常变压器差动保护装置是通过提高保护整定值来躲过其影响，但这样降 低了变压器差动保护的灵敏性。特别是当变压器发生微小的内部匝问短路故障时， 变压器保护为躲不平衡电流而提高整定值将导致差动保护拒动。 ( 3 ) c t 饱和因素。当发生变压器区外故障时，变压器一次侧电流的非周期分 量较大，如果变压器各侧的电流互感器饱和特性不一样，易引起某一侧的电流互 感器饱和，产生暂态不平衡电流，可能会引起差动保护误动。在外部故障切除过 程中，由于c t 的局部暂态饱和也可能会引起差动保护的误动。但在数字化变电站 中，光电互感器实际应用可有效避免c t 饱和问题。 ( 4 ) 变压器过励磁因素。当变压器一侧电压突然升高或者系统频率降低都会引 起变压器过励磁，这回样会导致励磁电流剧增，引起差动保护非选择性的误动。 ( 5 ) 内部轻微故障灵敏度问题。如第二条中所述为躲开由分接头调整引起的不 平衡电流，变压器差动保护降低了对内部故障的灵敏度。当变压器内部发生轻微 匝间短路或经高阻接地的匝地故障时，变压器外侧所量测的故障相电流变化量较 小，因此流入差动回路的差动电流幅值较小，影响差动保护的灵敏动作。 变压器差动保护在实际运行时，要求保护装置能够准确躲过各种因素造成的 不平衡电流，同时又保证在内部微小故障时也具有较高灵敏度是相当复杂和困难 的技术问题。变压器差动保护设计时应考虑需要解决以上提出的各种影响正确动 作问题：( 1 ) 正确识别励磁涌流和内部故障时的短路电流，这取决于有效的励磁涌 流识别判据；( 2 ) 有效的防止变压器分接头调整引起的不平衡电流的影响；( 3 ) 区外 故障电流导致二次侧c t 饱和引起保护误动，还包括外部故障切除后c t 局部暂态 饱和引起的差动保护误动；( 4 、正确识别变压器的过励磁问题。 针对变压器差动保护的不足，国内外大量科技工作者都在积极探索完善目前 的变压器差动保护原理，同时也探索和提出了一些新的原理应用到变压器保护中。 1 3变压器励磁涌流研究现状 2 绪论 由上述分析可知，影响变压器差动保护正确动作的原凶是多方面的，其中以 变压器空载合闸时所产生的励磁涌流的影响最为严重。这是由于一方面励磁涌流 的大小将达到变压器额定电流的几倍甚至近十倍；另一方面励磁涌流只流过变压 器的空投电源侧，而负荷侧因开路并没有电流。励磁涌流将流入纵差保护的差动 回路，若变压器差动保护不能准确识别励磁涌流并对差动保护进行闭锁，保护装 置必然会误动作。因此，当前变压器差动保护的核心问题是励磁涌流和内部故障 电流的鉴别，这也是国内外学者研究的重点，下文将简要分析现有的各种励磁涌 流辨别原理以及其特点。 1 3 1二次谐波原理 二次谐波制动i ! 去【5 】- 【刀是计算差流中的二次谐波分量，如果其值较大则判定为涌 流，常用的判别式为： r 丝 k ( 1 1 ) j d l 。 式( 1 1 ) 中，i d 2 与i d l 分别为变压器差动电流二次谐波和基波分量的幅值；k 为 二次谐波制动系数。一般情况下励磁涌流为尖顶波波形并含有间断角，其中含有 较大二次谐波分量，而故障电流中的二次谐波分量较小。二次谐波制动原理简单 明了，有多年的运行经验，该原理在微机变压器保护装置中得到了广泛采用。但 是采用二次谐波制动原理的变压器保护在实际运行中面临以下的问题【8 】【1 2 1 。l 宰 ( 1 )制动系数k 很难适当选择。二次谐波制动比常取为1 5 - 2 0 ，但随着电 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，由于谐振使短路电流中谐波含量增加，这样基于二次谐波制动原理的 差动保护将延时动作，特别是对变压器端部接长线的情况更是如此；另外， 1 5 - 2 0 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1 0 以下，从而导致变压器差动保护误动。 ( 2 )对于二次谐波制动原理，通常采用一相制动三相的方案。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。 1 3 2间断角原理 3 北京交通大学硕士学位论文 间断角原理就是通过检测励磁涌流波形中间断角的大小来区分励磁涌流和故 障电流的【1 3 】【15 1 。间断角原理利用了励磁涌流中特有的波形间断特征，能够较清楚 地区分励磁涌流和故障电流。但在微机变压器差动保护上采用间断角原理面临如 下问题：( 1 ) 需要较高的采样率以准确地测量问断角，对c p u 的计算速度提出了更 高的要求。( 2 ) 涌流间断角处的电流非常小，几乎接近于零，而a d 转换芯片正好 住零点附近的转换误差最大。因此，需要高分辨率的a d 转换芯片。 同时，当差流较小时其中的谐波含最和频率的变化对间断角测量的影响比较 大，因此基于间断角原理的微机保护在系统振荡情况下有可能误动。另外，具有 间断角的电流经过电流瓦感器后，间断角可能减小甚至消失，给间断角原理识别 励磁涌流带来了 l = i 难。 1 3 3波形对称及波形相关原理 波形对称原理是对流入继电器的差电流波形特征进行分析的一种方法，首先 将差电流进行差分滤波，以尽可能地消除电流波形中所含有的衰减直流分量，然 后利用经差分滤波后的差流波形的前半波与后半波作对称比较，根据比较的结果 来判断是否发生了励磁涌流。波形对称 1 6 】的定义由式( 1 2 ) 给出： l ，l ，ti i 鲁二掣i k( 1 2 ) l l 一f + i l 。 其中，i7 i 为经差分滤波后差流的前半波第i 点的数值，i i + 1 8 0 为差流得后半波 对应第i 点的数值，k 为阀值。从波形对称方法的原理来看，只要励磁涌流有明显 的特征，故障电流畸变较小，谐波含量较少时，该方法可以实现快速出口和可靠 闭锁于涌流。但是，当故障电流畸变严重时，则需要延时出口0 7 。 波形相关原理【”1 - 【2 0 1 利用励磁涌流的饱和段与非饱和段之间的形状、大小和变 化率的差异来区分励磁涌流和故障，其基本思想是：将变压器差流波形按照。一定 的方法分为两段等长的波形，通过比较这两段波形的相关性来区分励磁涌流和故 障电流。该方法实现的关键问题之一是确定被比较的两段波形，所以波形重组原 则是决定算法优劣的关键因素，直接影响到判据的可靠性。另外，波形相关度的 整定值的确定还有待进一步研究。 1 3 4有功功率识别法 文献【2 1 】根据变压器内部故障时消耗大量有功功率这一特性提出了基于有功 功率消耗总量的保护方案。通过计算从各个端口流进变压器的有功功率的总和来 区分变压器的内部故障电流和励磁涌流。由于励磁涌流时的平均有功功率几乎为 4 绪论 零，而内部故障时消耗大量有功功率，通过设置一个流进变压器的平均功率的门 槛值便可检测出变压器的内部故障。该方法物理概念明确，算法为积分值，但在 具体应用过程中算法的稳定性以及电压电流采样值对应性上还有需要完善。 1 3 5 基于励磁阻抗或瞬时励磁电感变化的识别方法 该识别方法是从励磁涌流产生的本质原因变压器铁芯磁路饱和的机理出 发来寻求解决问题的办法。文献 2 2 1 禾j 用在励磁涌流时，变压器的励磁阻抗急剧变 化，而在正常运行或故障时，励磁阻抗基本不变的特征来区分励磁涌流与内部故 障。该方法是基于单相双绕组变压器模型而提出的，可以适用于由三个单相变压 器构成的三相变压器组，但对于三相三柱式或三相五柱式变压器是否适用，特别 是对于具有接线方式的三相变压器，由于侧绕组内部的环流不易测取，此时 测量阻抗的变化是否能够真实地反映励磁阻抗的变化，还有待详细的研究和探讨。 文献 2 3 】以瞬时励磁电感作为研究对象，提出一种通过检测瞬时励磁电感基 频分量的有无来区分励磁涌流和内部故障的方法。其理论依据为：励磁涌流情况 下，变压器铁芯必然经历饱和与非饱和过程，瞬时励磁电感是时变、交替变化的， 具有较大的基频分量；而在内部故障情况下，变压器铁芯工作于线性区，瞬时励 磁电感基本为常数，无基频分量或基频分量很小。依据此特征，可以实现励磁涌 流与内部故障的判别。为计算方便，文中提出了等效瞬时电感的概念，并论证了 等效瞬时电感和瞬时励磁电感在判别励磁涌流和内部故障时具有等效性。 同时，文献 2 3 1 在文献 2 2 1 的基础上，改进了等效瞬时电感的计算方法，有效 地考虑了原边绕组电阻的影响，提高了计算精度。在此基础上，给出了利用等效 瞬时电感的变化量来识别励磁涌流与故障的时域法。设定一个门槛值，如果等效 瞬时电感变化量大于门槛值，判为涌流；否则判为故障。 文献【2 4 】基于等效瞬时电感变化特性判别变压器励磁涌流算法的基础上，深入 分析和探讨了具有y a 接线方式的三相变压器等效瞬时电感的计算问题。针对变 压器侧绕组内部环流对等效瞬时电感计算结果影响大，而又难以通过线电流计 算得到的特点，提出了一种新型的变压器差动保护c t 配置方案，该方案适用于三 相分体式变压器。采用该方案既保证了等效瞬时电感的正确计算，同时又不会使 变压器差动保护存在保护死区。 除上述方法之外，还有变压器回路方程法【2 5 】以及小波变换【2 6 】。【2 9 】、神经网络 【3 0 1 1 3 1 1 和形态学【3 2 1 等新技术新理论在变压器励磁涌流识别方面的应用。虽然各种辨 识方法具有一定的新意，但均存在一定不足，需要进一步研究解决。 5 北京交通大学硕士学位论文 1 4 论文的主要工作 本论文依托于国家自然基金电力系统集成保护项目，主要针对电力变压器差 动保护进行研究，通过阅读大量变压器保护相关文献，分析比较现有变压器差动 保护的优、缺点，研究了如何对变压器差动保护的算法以及性能进行改进，主要 做了以下工作： ( 1 ) 利用电磁暂态仿真软件e m t d c p s c a d 搭建变压器仿真模型，并对空载合闸 时励磁涌流及变压器内部故障进行仿真。并通过变压器动模实验数据验证了仿 真模型的有效性，为论文进一步研究工作提供了可靠数据。 ( 2 ) 分析了变压器分接头调整对差动电流的影响机理。研究了向变压器差动保护引 入分接头信息的方法。通过引入分接头调整信息，提出两种自适应改进方法， 大大减小了南变压器分接头调整引起的不平衡电流，提高保护装置的灵敏度。 通过仿真验证了方法的有效性。 ( 3 ) 研究了前人提出的变压器等效瞬时电感辨识励磁涌流方法。分析常见的y d 接 线方式电力变压器在不同互感器安装位置下，角型侧环流对等效电感算法的影 响。提出了一种基于变压器回路方程计算角侧环流的算法，并对变压器等效电 感算法进行了改进。 ( 4 ) 利用v c 编写了变压器差动保护程序，并设计了集成保护数字实验平台方案， 为集成保护理论研究以及工程实现打下基础。 6 变压器差动保护原理及建模仿真研究 2 1引言 2 变压器差动保护原理及建模仿真研究 本节从最基本的差动保护原理出发，详细介绍了差动保护的构成，分析了各 构成环节需要解决的问题以及其对保护的性能影响，研究了造成差动不平衡电流 的原因。同时，利用电力系统电磁暂态仿真软件构建了变压器仿真模型，对空载 合闸时励磁涌流和变压器内部故障进行了详细的仿真，为以后各节的研究打下基 础。 2 2变压器纵联差动保护原理概述 2 2 1变压器差动保护基本原理 图2 1 显示了单相双绕组变压器差动保护的原理接线。z ，f 为变压器两侧的 一次电流，t ，f 分别为相应的c t 二次电流。图中电流的正方向为从左到右， 差动继电器并联在c t 的二次端子上，流入继电器的差动电流为厶= 一。当变 压器正常运行或区外故障时，若变压器两侧的c t 变比选择合理，在理想情况下差 动电流为零，差动继电器不动作，此时与f 同方向。当变压器发生内部故障时， 差动继电器有短路电流流过而动作，此时t 与f 反方向，变压器将从系统中切除。 7 - m 一 2 一 l j 、f 冉善意 图2 1单相双绕组变压器差动保护原理接线 2 2 2纵联差动保护的构成 纵差保护由多个环节组成，其中主要包含以下几个模块：差动电流速断模块、 比率制动模块、励磁涌流鉴别模块、过励磁检测模块，如图2 - 2 所示。 7 北京交通大学硕士学位论文 图2 - 2 纵筹保护构成卅：节 差动电流速断的原理是当变压器中任意相差动电流超过数倍的额定电流定 值时，保护装置不必进行励磁涌流识别直接输出跳闸信号。电流速断保护动作快 速，当变压器发生严重的内部故障时可迅速跳闸，保护变压器本体安全，减小了 故障对其损坏。 比率制动模块考虑了电流互感器c t 存在的测量误差，在线路正常运行或出现 外部故障时，由于变压器两侧误差存在，差动继电器会有一定的不平衡电流流过。 当变压器外部发生故障时，将有较大的穿越电流通过，此时不平衡电流将增大。 采用比率制动可以有效的区分变压器内部外部故障。结合图2 - 1 其整定原理如下所 示： 黪苞 亿， uc d 材z d 、 式中：i 。d 为差动电流，i 础为差动门槛，i z d 为制动电流，k 为制动系数。其中： 乙= 阻l 降2 ， 州之1 ) 2 ( 2 3 ) 式( 2 1 ) 中第一个式子主要用于躲过保护装置本身存在的绝对误差，包含电流 互感器的传变误差、变压器分接头调整引起的误差等。第二个式子用于躲过外部 故障时，随穿越电流大小变化的不平衡电流。 评价差动保护性能优劣的重要指标是其反应区内故障的灵敏性与可靠性。变 压器区内故障主要是匝间故障。变压器发生匝间短路时，短路匝中的电流可高达 额定电流的几十倍，但是在变压器外部反应电流并不大。保护装置如果门槛值设 8 变压器差动保护原理及建模仿真研究 定过高将不能发现变压器内部故障变压器保护拒动，如果故障进一步扩大会造成 变压器损坏。而如果任意降低比率差动的动作门槛则容易使保护的误动，造成系 统的不稳定或用户断电。所以对比率制动保护的合理整定是十分必要的。本课题 所研究的内容是建立在数字变电站集成保护基础之上，在数字变电站中光电式互 感器可以有效地解决传统电流互感器饱和问题。因此，本论文在第三章通过引入 变压器分接头位置信息对差动保护的比率制动特性进行了改进。在保证保护装置 可靠性的前提下使其对微小内部故障具有更高的灵敏性。 励磁涌流辨识模块如绪论中所介绍的一直是研究的热点。其中各种新型的数 学方法以及辨别原理方法都被引用其中。针对传统辨识更多的只针对电流量测量 判别，而数字变电站集成保护为变电站内各种量测数据共享提供可靠的平台，在 第四章本文主要研究了引入变压器电压量后的瞬时等效电感方法辨别励磁涌流， 并验证有关文献中关于互感器接线方式对瞬时等效电感实用性的影响，提出一种 计算环流的方法，为其实用性打下基础。 过励磁检测模块主要是针对现代大型电力变压器设定的一种保护算法磅：大型 电力变压器铁芯都采用冷轧硅钢片，当电压频率比增加时，工作磁感应强度b 增 加，使励磁电流增大，特别是铁芯饱和后励磁电流急剧增大，造成差动不平衡电 流急剧增加，有可能使保护误动作。同时，使靠近铁芯的绕组导线、油箱壁中产 生涡流损耗，形成发热，引起高温严重时造成局部变形和损伤周围的绝缘介质。 过励磁保护一般安装在大型电力变压器中这是考虑到大型电力变压器额定工作时 的磁感应强度高，容易发生过励磁，并且检修难度大。过励磁电流与励磁涌流有 本质区别，其不含有偶次谐波分量，除基波分量外，谐波主要是3 次、5 次谐波。 由于变压器内部故障电流互感器传变时也会出现3 次谐波，因此，一般采用5 次 谐波电流来克服过励磁对差动保护的影响。 为了验证改进方法的实用性下一小节介绍了利用电力系统中常用的电磁仿真 软件e m t d c p s c a d 搭建的变压器暂态仿真模型，并对励磁涌流以及内部故障进 行大量的仿真试验。 2 3 变压器暂态仿真建模 变压器差动保护方案和定值能否正确选择与整定，从某种意义上来说，依赖 于充分掌握变压器励磁涌流和内部故障电流的特征。由于大型变压器的造价昂贵 且连续运行的特点，不可能拿来做实验对象，若依靠动模试验，虽然可以获得励 磁涌流的资料，但在动模试验中很难充分考核在变压器空载合闸时影响励磁涌流 大小的各种因素，而且动模试验成本较高，现在很多研究单位还没有动模试验的 9 北京交通大学硕士学位论文 设备。利用数字计算机来进行的电力系统数字仿真具有系统网络结构、系统参数 和系统工况改变方便，造价低廉，模拟情况多等优点，因此对变压器励磁涌流和 内部故障电流进行数字仿真具有重要的意义。 2 3 1励磁涌流产生的原因 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。为了表达方便，以变压器额定电压的幅值和额 定磁通的幅值为基值的标么值来表示电压u 和磁通中。变压器的额定磁通是指变 压器运行电压等于额定电压时，铁芯中产生的磁通。用标么值表示时，电压和磁 通之间的关系为： ：坐(2-4)u = 二一 设变压器在t = o 时刻空载合闸时， 若忽略电源阻抗和变压器漏阻抗压降， 求解微分方程可得： 加在变压器上的电压为“= s i n ( w t + a ) 。 则有： 警= s i n ( w t + a ) ( 2 - 5 ) 矽= 一九c o s ( w t + 岱) + c ( 2 - 6 ) 式中积分常数c 由合闸瞬间的铁芯剩磁纯决定，由于铁芯的磁通不能突变， 可求得 c = 九c o s a + o , 因此空载合闸的铁芯磁通为： 矽= 一丸c o s ( 谢+ 口) + 加c o s 口+ 谚 ( 2 - 7 ) 式中，一九c o s ( w t + a ) 为稳态磁通分量，丸c o s f z + 以为自由分量，如果计及变 压器损耗，自由分量应该是衰减的非周期分量，在此忽略损耗的影响。 电力变压器的饱和磁通一般为识。= 1 1 5 1 4 ，而变压器的运行电压一般不会 超过额定电压的1 0 ，相应的磁通矽不会超过饱和磁通吮所以在变压器稳态运 行时，铁芯是不会饱和的。但在变压器空载合闸时产生的暂态过程中，由于自由 分量的作用使矽可能大于破造成变压器的饱和。若铁芯的剩磁识 0 ，c o s o ! 0 ， 1 0 变压器差动保护原理及建模仿真研究 合闸半个周期后达到最大值，即= 2 丸c o s 口+ 力。最严重的情况是在电压过零 时刻合闸，夕的最大值为2 丸+ 秀，远大于饱和磁通丸，造成变压器的严重饱和。 为得到空载合闸励磁涌流可利用变压器铁芯的磁化曲线求得，此时中的波形如图 2 9 所示。 一 图2 - 3 励磁涌流产生原理图 2 3 2变压器励磁涌流仿真 当前变压器主保护差动保护的主要矛盾仍集中在励磁涌流和内部故障电 流的鉴别上。稳态情况下，变压器的励磁电流很小，只有额定电流的1 - 2 ，但是 变压器空载合闸时，可达额定电流的数倍并且只流过变压器一侧。这个暂态过程 将持续几周波甚至几秒，因此在变压器差动保护的设计整定中，需要充分考虑励 磁涌流的影响，通过有效的辩识手段区分励磁涌流，以保证差动保护不会因励磁 涌流而误动。 e m t d c 是目前世界上被广泛使用的一种电力系统仿真分析软件，该软件能结 合某一具体的变压器差动保护建立电源变压器一互感器的系统仿真模型，可以较系 统地仿真和分析变压器暂态过程。本文利用e m t d c p s c a d 建立了变压器空载合 闸模型。变压器模型采用电力系统常用的y 0 ，d ll 接线方式，电压变比为 3 5 k v 2 2 0 k v ，容量为1 2 0 m v a 。 因为变压器为y 0 ，d 1 1 接线方式，变压器两侧的电流存在3 0 0 相角差，+ 为了 消除由相位引起的不平衡电流，传统电磁式变压器保护通常把变压器角型侧的电 流互感器星型接线，而变压器星型侧的电流互感器角型接线。随着微机保护的广 泛应用，为了简便电流互感器的接线同时考虑到提高接线可靠性，变压器各侧的 电流互感器c t 都可采用星型接线，变压器电流量测量通入到微机保护中后通过软 件计算进行相位调整。下面是当剩磁为零的情况下，利用p s c a d 对三相y 0 ，d ll 接线方式的电力变压器其a 相电压在不同初相角下空载合闸三相电流以及流入差 北京，立通大学硕十学位论文 动保护的著动电流进行了仿真。i 刊时，利用m a t l a b 计算了流入变压器若动保护的 各差流二次谐波分量与基波分量的比值。 ”：。蒜，* 。s。* 。，。z 。”e ；， a ) 台闸角为口，二相一次侧诫城形 b 】合m m 为0 0 时，一扶侧差巍波 幽2 - 4 a 相台闸角为矿时，变压器一次侧涌流及流 保护差沭波型 罔2 - 5 a 相合闸角为矿时，各差流分量二次谐波所占百分比 ， a ) 台目角为3 r ，辅次侧流被* 圈2 4 5 a 丰h 合m 角为旷时，变压器 b 1 合闸期为3 0 0 时= 次侧蔗滤波形 次侧j i | j 流及流 保护差流波型 变压器麓动保护原理及建模仿真研究 图2 7 a 柏合闸角为3 0 0 时，各麓流分晕二次谐踱所占百分比 a ) 台闸角为时，= 杜敬侧讷i 波形 “i - e m ； b l 合闸角为9 p 时= 扶侧差瀛被形 罔2 - 8 a 相合闸角为9 矿时，变压器一次侧涌流及流 保护差流波型 圈2 - 9 a 相合闸角为9 矿时，再差流分量一次谐波所占百分比 ! i 蓐瑟 i i i 泔时 惭榆 亩。；。茅 a 1卉m 角为1 5 r ，一相一次侧涌流波形b 1 台闸舶为1 5 口时，二次捌差流被形 =im链怖；，i，*niiiii!。i鞋附洲i_； l；jidiiiiyi # ；l二liiiiii o秘睡麓洲洲_。 ldltmjiiiiii|i j llniiii_i n雏舢艄m矗 !=e ie；miiji_ti 镕；_1|=9t 一 一 l * 一 oi， m m m。湘啪釉搴- 北京交通大学硕士学位论文 幽2 - 1 0 a 桶台闸角为1 5 矿时，变压器次侧涌流及流入保护差流波型 图2 1 ia 辑l 合闸角为15 0 0 时，各筹流分景次谐波所占百分比 为丁验证变压器空载合闸仿真的有效性，小文引川了部分变压器动模实验数 据。下图为变压器空载合闸时电流波形同： 。“；一 一 1 i ；r 高斋茹一南 m m a ) 台m 角口r ! 相一次侧* 流被彤 图2 1 2 动模c 相台闸角为矿时 叫1 ：【 硎 l l ， _ b 黼黼 1 ”f川； 榭：l ； 一 f “；j ；目m b 1 台m 抽为r 时，一次侧差* c 波形 变压器一次侧涌流及流八保护差流波型 比较图2 _ 4 与图2 1 2 ，变压器空载合j 中j 仿真后的波形与动模实验变压器空载合 闸时次侧三相励磁涌流波形基本| 致 过对三相变压器不同角度空载合闸仿真 因此保证了励磁涌流仿真的有效性。通 可以发现励磁涌流有如下特点： ( i ) 励磁涌流为尖项波，其中台有相当成分的非周期分量和高次谐波分量。高 次谐波中以二次和三次谐波为主，二次谐波分量的比例r 分显著而且随着时间 的推移，其所占比例反而有所增加，且至少有相二次谐波分量很人，可能超过 基波分量的6 0 0 o ( 女n 毗上各图中斧流分量二次谐波所占百分比所示) 。并且最初几 个周期内可能完全偏于时间轴的一侧。 ( 2 ) 励磁涌流的幅值与变压器空载投入时的电压初相角有关。在电压过零点投 入变雎器，此相励磁 j l j 流幅值最人；在电眶最大时投入励磁涌流幅值最小。对于 三相变压器，由于三相电压之间有1 2 0 。的相位差，所以三相励磁电流不会相同。 任何情况下空投，至少在两相中要出现程度不问的励磁涌流。 ( 3 ) 空载台闸各相励磁涌流波形呈间断特性，间断角随合闸角度不同而不同。 1 4 诗 黼 一 娜珊舯舯瑚。栅 变压器差动保护原理及建模仿真研究 对于对称性涌流其间断角较偏向时间轴一侧的涌流小，但其二次谐波含量一般高 于整定值2 0 。 在变压器励磁涌流的仿真中，变压器剩磁也是影响变压器励磁涌流的重要因 素之一。下面介绍利用e m t d c p s c a d 考虑变压器剩磁方法。在变压器研究中， 往往要考虑饱和的情况。饱和可以通过以下两种方法描述：一种是在最靠近铁心 的绕组中用一个动态电感描述；一种是加一个补偿电流源。在e m t d c 中利用的 是补偿电流源的方法【3 3 】，因为这样在饱和时不用改变子系统矩阵。对单相双绕组 变压器，用一个电流源来模拟饱和，如下图所示。 场 图2 1 3 补偿电流源模拟铁心饱和 电流i s ( t ) 是绕组电压u l ( t ) 的函数。首先，绕组磁通织( f ) 由电流i s ( t ) 和非线性 饱和电感l s ( t ) 来确定，即 嗔o ) = 厶o ) 厶o ) ( 2 7 ) 方程( 2 - 7 ) 的非线性特性如图2 - 1 4 所示。丸、i m 处为拐点，拐点以下变压器工 作