（电力系统及其自动化专业论文）变压器差动保护误动机理及防治措施的研究.pdf

声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文变压器差动保护误动机理及防 治措施的研究，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：曼鍪 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：磕 日 期：坷五堑 导师签名： 日期： 肄 峭 华北电力大学硕+ 学位论文 1 1引言 第一章绪论 电力变压器是电力系统中重要的设备之一，其运行正常与否直接关系到整个电 网可靠性，因此要求变压器继电保护具有较高的可靠性。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仅可靠，而且要快速。但是变压器保护的 发展远远落后于系统发展的速度，据统计，目前变压器保护动作正确率普遍不高， 且有时候会出现一些原因不明的误动，传统的保护原理、保护方法面临严峻的挑战。 因此研究出可靠的判据，防止变压器保护误动，具有较大的理论和工程应用价值j 。 1 2课愿的研究背景 近十多年来，我国电力工业正处于突飞猛进的发展阶段，大容量、超高压的大 型电力变压器不断投产，系统规模不断扩大【2 】。据资料统计，2 2 0 k v 及以上变压器在 1 9 9 0 年是1 4 0 2 台，年故障率为1 7 1 故障次数百台年。到1 9 9 9 年2 2 0 k v 及以上 变压器由1 4 0 2 台发展到2 8 9 6 台，年故障率为0 8 3 故障次数百台+ 年。2 2 0 k v 变压 器在由1 9 9 0 年的1 3 0 2 台发展到1 9 9 9 年的2 5 2 6 台，增加了1 2 9 6 台，增加将近一 倍。3 3 0 k v 变压器由1 9 9 0 年的3 4 台发展到1 9 9 9 年的1 0 2 台，1 0 年增加了6 8 台， 增加了两倍。5 0 0 k v 变压器由1 9 9 0 年的6 6 台发展到1 9 9 9 年的2 3 3 台，增加了1 5 7 台。2 2 0 k v 变压器l o 年内变压器平均年故障率为1 4 3 故障次数百台+ 年；3 3 0 k v 变压器l o 年内变压器平均年故障率为2 9 5 故障次数百台年。 1 9 8 1 年1 9 8 9 年间，2 2 0 k v 及以上变压器保护在这9 年中共动作1 4 3 8 次，正 确动作9 0 8 次，不正确动作5 3 0 次，其平均正确动作率为6 3 1 4 ；1 9 9 0 年1 9 9 9 年的十年时间里，2 2 0 k v 及以上变压器保护共动作2 5 3 0 次，正确动作1 7 5 1 次，不 正确动作7 7 9 次( 其中误动作7 5 5 次，拒动2 4 次) ，其平均正确动作率为6 9 2 1 ； 9 0 年代比8 0 年代平均正确动作率提高了6 0 7 个百分点 从以上的统计数据可以看到：随着我国电力事业的飞速发展，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，但是相对于变压器数量的增加来看，提高的速度太慢了，严重影响系统的安全 稳定运行。 变压器采用差动保护作为主保护。但是，由于变压器具有和母线、发电机等不 同的特性即该设备两侧是通过磁路耦合，而不是一个纯电路结构。由于磁路的 华北电力大学硕十学位论文 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 其是在故障暂态和空载合闸的情况下。这使得目前变压器保护偶尔会出现原因不明 的误动，事故后的分析也往往很难定论到某一个具体的原因，如江苏电网在2 0 0 2 年连续发生三次不同型号变压器比率制动特性差动保护在区外故障切除过程中的 误动情况，引起了运行部门和保护制造部门的高度重视，据了解，此情况在全国具 有一定的普遍性【3 4 1 。运行部门采用了一些有效的反事故措施，如通过抬高差动启动 值，但分析可知，仅仅通过提高定值来增加可靠性不是最优的方案，这样会降低区 内轻微故障的灵敏度，反而会得不偿失。因此不仅要对变压器差动保护进行研究， 还要从理论上对变压器及相关的二次设备的故障暂态性能进行研究，从中发现一些 有价值的特征量作为变压器差动保护附加判据，来解决由于磁路耦合引起的励磁涌 流的难题，防止变压器差动保护误动。 1 3变压器纵差动保护原理概述 1 3 1 变压器纵差动保护的基本原理 图1 1 示出了变压器纵差动保护单相原理接线， 、j ：为变压器两侧的一次电 流，j 凡厶为相应的c t 二次电流。均以母线侧为极性端，以母线指向变压器为正方向 指向。将c t 不同极性的端子相连接。差动继电器则并联在c t 的二次端子上。当变 压器正常运行或区外故障时，若变压器两侧c t 的变比合理选择，则在理想状态下 有j 。= 露+ ，：= 0 ，差动继电器不动作，此时j 。与，：反相。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j 。与厶同相，将变压器从系统中切除。 图1 - 1 双绕组变压器纵差动保护单相原理接线 1 3 2 变压器各侧电流相位差与平衡补偿 由于变压器y n ，d 接线的关系，变压器两侧电流间存在相位移动，为保证正常 运行或区外短路故障时j 。与，：有反相关系，必须进行相位校正7 1 ；即使满足了区外 故障时j ，与厶有反相关系，注意到变压器两侧电流互感器变比的不同，为保证区外 2 华北电力大学硕士学位论文 短路故障时差动继电器电流尽量小，应与l 吲相等，为此应进行幅值校正。 常规纵差动保护将变压器y 侧的电流互感器接成三角形，将d 侧的电流互感器 接成星形，以达到相位和幅值校正的目的。 由于微机保护软件计算的灵活性，数字式变压器差动保护除了按常规纵差动保 护接线进行相位和幅值校正外，还可以由软件进行相位校正和电流平衡的调整，在 这种情况下两侧电流互感器均可接成星形，明确区分涌流和故障的特性，大大加快 保护的动作速度。这种方法应用十分普遍，下面简要介绍。 a ) 相位校正 以y n d 一1 1 接线为例，采用在y 侧进行相位校正，其校正方法如下： y 儇0 ：= ( ，。一j 。) i 1 8 = ( 1 n i c ) 1 4 3 1 c = uc i o | _ 3 式中：j 。、j 。、j 。为y 侧电流互感器二次电流，e 、以、露为y 侧校正后的各相 电流。其它接线方式可以类推。b ) 幅值校正( 平衡系数的计算) 计算变压器各侧一次额定电流： ，s 。 月2 赢 式中：最为变压器最大额定容量，u 。为变压器各侧额定电压( 应以变压器铭牌电 压为准) 。 计算变压器各侧二次额定电流：i z 。= l n “ 式中：j 。为变压器各侧一次额定电流，行。为变压器各侧电流互感器变比。 以高压侧为基准，计算变压器中、低压侧平衡系数： ”2 等2 屯 l n 庇h n t a 1 t 羽s n 。f 瓦a u l n 1 t 尝= 等等 k 一。= 粤堑 u i n n t a h 将中、低压侧各相电流与相位的平衡系数相乘，即得幅值校正后的各相电流。 差动电流与制动电流的相关计算，都是在电流相位校正和幅值校正后的基础上进行 的。 1 4影响变压器差动保护动作正确性的几个因素 差动保护是变压器的主保护，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，可能引起变压器差动保护的不正确动作。总结以往变雎器差动 华北电力大学硕十学位论文 保护误动数据，主要有以下几个比较重要的问题： ( 1 ) 分接头调整问题。变压器高压绕组常有调压分接头，有的还要求带负荷 调节，导致不平衡电流增大。 ( 2 ) 涌流问题。一般情况下电力变压器工作在线性区域，变压器铁芯没有饱 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，变压器铁芯 容易在暂态过程中饱和，产生几倍甚至十几倍额定电流的励磁涌流，引起变压器差 动保护误动。变压器涌流包括：空载合闸、带负荷合闸产生的励磁涌流；一台变压 器正常运行，另外一台并联或级联变压器空投充电时在正常运行变压器上产生的和 应涌流；变压器在区外故障切除过程中产生的恢复性涌流，本论文第二章主要分析 了恢复性涌流产生的机理和对变压器差动保护的影响。 ( 3 ) 过励磁问题。变压器在稳态过励磁情况下，也会导致励磁电流剧增，引 起差动保护非选择性的误动。 ( 4 ) c t 饱和问题。如在区外故障过程中，一次侧电流的非周期分量较大，如 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t a 的 局部暂态饱和也可能会引起差动保护的误动。 ( 5 ) 内部轻微匝问故障灵敏度问题。变压器内部轻微匝间故障时，虽然流过 短路环的电流很大，但流入差动回路的电流可能很小，影响差动保护的灵敏动作。 综上所述，在实现变压器差动保护时，要求差动保护能够躲过稳态、暂态不平 衡电流，同时保证在内部轻微匝间故障时也具有较高的灵敏度，是相当复杂和困难 的技术问题。主要需要解决的问题：( 1 ) 有效的防止变压器分接头调整引起的稳 态不平衡与非饱和暂态不平衡电流的影响，这可通过比率制动特性的差动保护原理 来克服；( 2 ) 正确识别励磁涌流和内部故障时的短路电流，这取决于有效的涌流 识别判据；( 3 ) 区外故障电流导致二次倾i j 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。 1 5 变压器差动保护研究现状 长期以来，继电保护工作者对上述问题进行了大量的试验分析研究，并取得了 一定的研究成果，下面主要针对涌流识别、抗c t 饱和方法作一国内外研究概况综述。 1 s 1 变压器涌流国内外研究概况 在防止励磁涌流造成变压器差动保护误动这个问题上，国内外学者进行了大量 的研究工作，根据励磁涌流区别于内部故障电流的特征，提出了许多识别励磁涌流 的方法，可以粗略地分为以下几个方面：( a ) 从采用的电气量的多少来看，涌流的 4 华北电力大学硕十学位论文 识别有：( 1 ) 根据电流波形特征，如二次谐波制动，问断角原理；( 2 ) 引入电压 信号，可以进一步计算变握器的磁链或功率，如基于磁制动原理的识别判据； ( 3 ) 更可靠的是进一步引入开关量状态，根据空投故障时存在某侧的开关从开到合的变 位信息来确定是否有产生涌流的先决条件。( b ) 在利用电气特征量的基础上，目 前还有大量的研究工作集中在识别方法的探索上。包括现代信号处理的方法，如相 关法的识别、小波奇异性间断角检测；在判据上包括利用智能判别理论如神经网络、 模糊控制理论等。对选用哪些电气特征量和采用何种识别方法的两方面研究都很重 要，且两者常常是密不可分的。目前工程上应用比较成熟的主要是二次谐波制动原 理、波形对称原理和间断角原理，随着研究领域的逐步扩大，研究层次的逐渐加深， 产生的若干新兴学科也为判别励磁涌流提供了新的手段。下面简要地概述一下这些 原理。 ( 1 ) 二次谐波制动【s 测量纵差动保护中三相差动电流中的二次谐波含量识别涌流。判别式为 l a 2 p i d t 9 1 5 2 0 ( 1 - 1 ) 式中：如。为差动电流的基波；l a 2 , , 为差动电流中的二次谐波电流。 二次谐波电流制动原理因判据简单，在电力系统的变压器纵差动保护中获得了 普遍应用。但随着电力系统容量增大、电j 玉等级提高、变压器容量增大，应注意如 下问题：1 ) 当系统带有长线路或用电缆线连接变压器时，变压器内部短路故障差 动电流中的二次谐波含量可能较高将引起次谐波制动的纵差动保护拒动或延时 动作；2 ) 对某些大型变压器，变压器的工作磁通与铁芯饱和磁通之比有时取得较 低，这导致励磁涌流中的二次谐波含鼍降低，影响对励磁涌流的识别，保护可能发 生误动。 ( 2 ) 间断角原理【9 , 1 0 判别电流间断角识别励磁涌流的判据为 只 6 5 0 ；眈 6 5 0 就判为励磁涌流，闭锁纵差动保护；而当岛6 5 0 且眈1 4 0 0 时， 则判为故障电流，开放纵差动保护。 虽然式( 1 - 2 ) 判据直接简单，但这是建立在精确测量只、o o 基础上的。考虑 到电流互感器在饱和状态下会使传变后的次电流间断角发生变化甚至可能消失， 测量护。和以要求采样频率高( 大于3 6 0 0 h z ) ，这就对c p u 的运算速度提出了更高 的要求：同时，由于涌流间断角处的电流非常小，几乎接近零，而a d 转换在零点 附近的转换误差很大，因此必需选用高分辨率的a d 转换芯片。这些都使得间断角 原理所需的硬件成本提高了。 ( 3 ) 电搓制动原理 5 华北电力大学硕士学位论文 文献 1 l 】提出了一种利用变压器电压鉴别励磁涌流的方法，其基本思想是：当变 压器因励磁涌流出现严重饱和时，端电压会发生严重畸交，其中包含较大的谐波分 量，可以用来鉴别励磁涌流，原理简述如下： 如果变压器三相电压满足 巧 或 死 ( 1 - 3 ) 此时判为励磁涌流，保护闭锁。其中v l 为电压基波分量的幅值；，瓦分别是 门槛值；瓦。是一个监视量，目的是为了克服在涌流时端电压畸变引起的电压v 的 下降导致保护误动作； 上1 2 荟心( 1 4 ) 墨= 一吒i i 其中：圪为电压原始采样值；为基波分量计算采样值。 ( 4 ) 小波理论在变压器保护中的应用 数字信号处理技术的飞速发展和一些新兴数学工具的出现，给励磁涌流的识别 提供了新的思路和新的处理手段。近年来从f o u r i e r 变换发展起来的小波变换分析法， 具有多尺度分析和良好的时频局部化特性，能在不同频带( 尺度) 上考察信号特征的 演化，特别适用于边缘和峰值突变信号的处理和特征提取。小波理论应用在电力变 压器保护中的方法主要是应用在信号处理、波形的特征提取 1 2 , 1 3 1 。如用小波理论来 测量间断角识别励磁涌流。 文献【1 4 】、【1 5 提出了利用小波分析提取间断角的特征，以间断角的有无来判别 励磁涌流。对变压器c t 的- 次电流进行小波变换，选取第三尺度小波变换的模极大 值作为提取的特征，对比对称性涌流和短路电流的第三尺度的小波变换，可以看出 励磁涌流经小波变换其波形中对应于间断角处的相邻两模极大值是同号的，而故障 电流恰好相反，利用这一特征来识别对称涌流。对于c t 饱和的影响来说，由于采用 差分使间断角有所恢复，第三尺度的小波又可以滤除被差分放大的高频分量，所以 该原理有很大的抗c t 饱和性。 文献【1 6 】提出了一种基于小波包变换的识别变压器励磁涌流的新算法。该算法 能正确地区分变压器带长线和不带长线空投励磁涌流与各种典型内部故障，同时不 会将外部故障误判为内部故障，保证励磁涌流的正确识别，且具有实时实现的可能。 将小波技术应用在变压器差动保护中的实用化过程还需要进一步的探索，如何 保证计算的实时性和动作的可靠性是一个比较重要的问题。 ( 5 ) 人工神经网络【1 7 1 1 9 】 文献【1 8 提出了一种用变压器原边正序和负序电流分量的方向来区分变压器状 态的b a n n ( 专家系统和神经网络) 方法。指出当变压器发生区内不对称故障时，变雎 器两侧负序电流的符号相同，当变压器发生区外不对称故障时，变压器两侧的负序 6 华北电力大学硕士学位论文 电流的符号相反；而当变压器发生区内对称性故障时，变压器两侧故障电流的正序 分量的符号相同，当变压器发生区外对称性故障时，变压器两侧故障电流的正序分 量的符号相反。基于以上判据的多层反向传播网络模型，以负序电流、正序电流、 原边相电压作为输入，以l 、0 作为输出表征其内部还是区外故障。 ( 6 ) 基于模糊逻辑的多判据法2 0 。2 4 】 该方法基于对现有励磁涌流识别算法的认识，借助模糊逻辑隶属度和权重的概 念，综合了各判据的优点，使各判据之间取长补短。该方法弥补了严格依照精确定 量判别涌流的不足，避免了一票否决，真正做到集思广益，体现了智能化特点。可 以综合二次谐波制动的原理、波形特征识别法、磁通特性法和低电压判据等的优点， 利用模糊集合理论提出一种多判据方法。该方法只是变压器励磁涌流识别中的一个 新探索，目前有很多问题难以解决。如：模糊逻辑中的隶属函数与权重应当如何选择， 而且需要技术人员对问题有较深入的了解认识。所以，该方法需要研究工作者进行 深入细致地研究。 1 5 2c t 饱和研究现状 c t 饱和问题困扰了包括线路、变压器、发电机、母线等各元件的差动保护，它 是一个公共的问题，国内外一些学者提出了多种解决方法，下面将逐一介绍。 ( 1 ) 时差法 时差法是目前应用比较广泛的方法 2 5 , 2 6 。利用故障启动时间和保护启动时间的 时间差，就可判断c t 饱和的时间差。在区外故障时，变压器某侧c t 可能会饱和， 使差动保护误动。但在故障发生初始时刻和电流过零点附近存在一个线性传变区， 在该区内，差动保护不会误动，这说明差动动作与实际故障在时间上是不同步的， 而是滞后实际故障一段时间。而在区内故障时，因为差动电流就是故障电流的实际 反映，因此差动动作和故障同步发生。利用这个鲜明的特点就可以构成一个异步方 法的t a 饱和判据。故障后可以快速判别，随后周期性开放差动，即可以有效地克 服c t 饱和的影响，并且在区外转区内故障时，也能够正确地快速动作。实践证明， c t 严重饱和引起的启动与动作之间的时间差大约为5 m s ，考虑一定的裕度，只要取 时差为3 7 5 m s ，就可以正确判别c t 饱和。但当区外发生严重故障，c t 在1 4 周波内 饱和，此时故障发生和差流出现的时差很微小，如果定位出现微小偏差，就不能保 证“时差法”做出准确识别。 ( 2 ) 谐波制动法【2 7 1 c t 严重饱和时有一段饱和时间区域内的一次电流不能正确传变到_ 二次侧，二次 侧电流出现缺损和畸变，电流中含有非常丰富的谐波分量。此种方法就是采用c t 严 重饱和时谐波比来防止差动保护误动。由于在计算各次谐波的幅值时用到了傅里叶 算法，导致衰减性直流分量存在时，算出的谐波比在一定范围内振荡，影响了这种 7 华北电力大学硕十学位论文 方法的准确性。 ( 3 ) 磁制动原理 文献 2 8 】提出了利用磁制动原理的母线差动保护，从电流互感器饱和的物理本 质出发，实时地计算出电流互感器的磁链，认为如果磁链小于饱和磁链，就是 c t 的线性传变区，否则就是饱和区域。提出了基于电流互感器磁链的饱和判据为： ) i _ 眦础+ l i + 甲( 啡：， ( 1 5 ) 式中：甲( o ) 为故障开始时电流互感器磁通；f 是c t 二次侧电流；c t 漏磁阻抗已归算 到二次侧负荷阻抗中，r 和三是归算后的二次侧电阻和电感。 如式( 1 - 5 ) 满足，则互感器就进入饱和区域，在这段区域内闭锁差动保护，如 果不满足，那么就开放比率制动特性差动保护。磁制动检测c t 饱和，从物理本质上 解决了c t 饱和的判别问题，从理论上找到了解决电流互感器饱和引起差动保护误动 问题的可靠方法。但磁制动方案的难点在于需要整定三个参数：归算后的二次侧负 载电阻震、二次侧负载电感工、剩磁以及c t 励磁曲线饱和点磁链值。 ( 4 ) 采样值差动抗c t 饱和能力 基于采样值抗c t 饱和方法。采样值差动的一个突出特点是它不是计算某一数据 窗的差流值，而是通过多点重复判别来判定动作与否，根据这个特点，采样值差动 可以通过合理地选择重复判别次数，有效地抑制由于c t 饱和引起的误动【2 5 1 。 采样值差动保护不同于基于相量的差动保护，它不仅考虑波形幅值的大小，更 需要考虑波形的集散程度，即若波形的幅值很大，但不具备较好的分布均匀性，可 能会无法满足采样值差动保护的动作判据。此外短路电流中的谐波成分对采样值差 动保护会产生不利影响。 ( 5 ) a b b 方法 a b b 的差动保护采用标积制动原理，标积制动原理灵敏度高，但它对相位特 性特别敏感，容易误动，因此采取了特殊的措施来抗c t 饱和【2 9 1 。如图1 2 所示，动 作电流乞和制动电流k 的取法分别如式( 1 - 6 ) 、式( 1 - 7 ) ： 1 肇= l t + j 2 i ( 1 - 6 ) k = 铲咖础嚣冀 m 7 ， 式中：五、j ：分别为变压器两侧电流，都以流入变压器为正方向。令t 为额定电流的有 效值。动作条件分别为式( 1 - 8 ) 和式( 1 - 9 ) ： 当气，l e 6 时， 7 ”彪( ，一一k 。) + r a i n ( 1 _ 8 ) i l o p mj 当l 。| i 。 b 时t 8 华北电力大学硕+ 学位论文 ( ，l 6 或，? i 。 f ) ( 2 - 6 ) 式中：甲b = ( 1 - 埘) 、壬，m ( s i n o s i n ( t o o + 0 ) ) ，称之为变压器的偏磁p ”。 令口= 砌+ 目，是故障切除时刻的电势相角。则偏磁 甲，。= ( j 一所) 、匕( s i n 8 一s i n a ) ( 2 - 7 ) 正是由于偏磁。的存在，造成了恢复性涌流。在区外故障发生前后变压器磁 通和励磁涌流的变化情况如图2 4 所示。图中甲，。为变压器的饱和磁通。在系统正 常运行和区外故障期间甲 。，变压器饱和，励磁电感迅速减小，从而产生了恢 复性涌流。 p 蜥t厂厂森= = = 念。 - 严、 7 o 一 一衍 i 。 。矗 区外地t 期郎 敲膏埘辟詹 正常运行 图2 4 无损变压器在区外故障发生前后的磁通与恢复性涌流 这里没有考虑损耗，所以偏磁呈不衰减的直流性质。如果计及损耗，它是衰减 的非周期性质。 在变压器铁芯磁化特性曲线确定的情况下，偏磁v 。= ( j 一所) 匕( s i n 8 一s i n a ) 的 数值将决定变压器铁芯饱和的程度以及恢复性涌流的最大峰值。文献【3 3 】分析了变 压器区外故障的严重程度m 、故障发生时刻的电势相角0 对恢复性涌流的影响a 从 式( 2 7 ) 可知，故障切除时刻的电势相角口同样影响恢复性涌流的大小。具体关系 如下： ( 1 ) 故障越严重( 研越小) ，变压器励磁电压在切除故障时恢复的幅度就越大， 从而恢复性涌流就大；反之，就小。 ( 2 ) 变压器区外故障发生时刻的电势相角0 的正弦值s i n ( o ) 越大，恢复性涌流 就越大；反之，就小。 ( 3 ) 变压器区外故障切除时刻的电势相角口的正弦值s i n ( a ) 越大，恢复性涌流 就越小；反之，就大。 ( 4 ) 当m 接近1 ，即发生故障点远离变压器的单相接地故障或s i n 8 * s i n a 时， 偏磁、i ，。z 0 ，不会产生恢复性涌流。 ( 5 ) 当m 很小，即发生故障点在变压器出口处的三相接地故障且s i n ( 8 ) = j 华北电力大学硕十学位论文 ( 0 = 9 0 0 ) ，s i n ( a ) = - 1 ( 口= - 9 0 0 ) 时，偏磁，= 2 ( j 一所) 最大，这时产生的 恢复性涌流最大。 下文用数字仿真验证以上理论分析的结论并分析恢复性涌流对变压器差动保 护的影响。 2 3数字仿真试验 2 3 1p s c a d e m t d c 程序简介 程序e m t d c ( e l e c t r o m a g n e t i ct r a n s i e n ti nd cs y s t e m ) 是目前世界上被广泛使 用的一种电力系统分析软件。它是一个离线仿真的电磁暂态计算程序，它有精确的 直流元件模型、方便的数据输入方式以及强大的数据分析功能，是进行直流系统分 析和工程研究的有力工具。p s c a d 图形界面( g u i ) 的成功开发，使得用户能更方 便地使用e m t d c 进行电力系统仿真计算。e m t d c 是p s c a d e m t d c 仿真的核心 程序，p s c a d 是与e m t d c 完美结合的一个强大的图形用户界面，用户可以在一个 完全集合的图形环境下构造仿真电路，运行、分析结果和处理数据，保证并提高了 研究工作的质量和效率。 p s c a d e m t d c 的元件模型库( l i b r a r y ) 提供了很多常用的电力系统元件模型， 但在实际的直流输电系统中，有很多元件具有特殊的功能和特性，为了准确地在仿 真模型中表达这些元件，需要用户自定义元件模型。要修改仿真系统中某个元件的 参数，可通过其弹起菜单进行。p s c a d e m t d c 具有图形用户界面，所有元件的参 数通过弹起菜单输入。 p s c a d e m t d c 软件的运行环境r u n t i m e 中可以显示曲线( c u r v e ) ，随着程序 的运行可以观察到曲线的变化情况。也可以把滑块( s l i d e r ) 、按钮( p u s h - - b u t t o n ) 、 刻度盘( d i a l ) 和仪表( m e t e r ) 等加在r u n t i m e 中，以便交互地控制程序。输出可 以通过曲线( c a r v e ) 来显示，也可以通过仪表( m e t e r ) 进行模拟或数字显示。 2 3 2 试验模型 用仿真软件p s c a d e m t d c 建立图2 5 、图2 - 6 的仿真模型。其中：变压器为 3 6 0 m v a 、2 2 0 k v 3 5k v ，采用y w d 。接线；s 为无穷大系统；电流互感器c t i 的 变比是1 6 0 0 5 ，c t 2 的变比是6 0 0 0 5 ；d l l 和d l 2 分别是线路l 1 和l 2 上的断路器； l 是负荷，其有功功率为3 1 0 m w ，无功功率为1 5 0 m v a r ；线路参数为 r ，= 0 2 6 3 q 1 k m ，c o l ，= 0 9 4 3 q i o n ，l ( c o c ，) = 2 8 5 9 d l o n ，厶= l ，= l o o k m 。采样频 率取1 0 0 0 h z ，即每周采样2 0 点。 变压器主保护采用1 5 z 次谐波制动的双折线比率制动的差动保护。高压侧额 1 4 华北电力大学硕十学位论文 定电流t = 2 9 5 a ，最小动作电流，训= d 3 m , = 1 0 3 4 ，拐点电流，。d = 1 0 i , = 2 9 5 1 ， 斜率l | = 0 5 。 c t l c t 2 1i 芗 ， 一d12l2 1l 图2 - 5 降压变压器低压侧发生区外故障 芗 l _ 卜一 黑厂7 n t ；1 2 d l 2 一2 l 2 l 卜- 图2 - 6 升压变压器高压侧发生区外故障 2 3 3 恢复性涌流的影响因素分析 采用图2 5 的试验模型，将断路器d l 2 断开。o 7 s 时线路l l 的k 点发生故障， 约6 0 m s 后断路器d l i 跳开，故障切除。 图2 7 ( a ) 一( c ) 是在故障发生时刻a 相的电势相角以和故障切除时刻的电势相 角口相同( 口= 9 0 0 ，口。= 一9 0 0 ) ，故障类型为三相接地故障，故障点k 与变压器 距离不同时的a 相恢复性涌流波形( o 、1 0 、2 0 表示故障点k 与变压器的距离 占线路l l 全长的百分数) 。 图2 7 ( a ) 和图2 8 ( a ) ( b ) 是在故障k 点距离变压器o 处，以= 9 0 0 ，口= 一9 0 0 ， 发生不同故障类型时的a 相恢复性涌流波形。 图2 7 ( a ) ( c ) 以及图2 7 ( a ) 和图2 8 ( a ) ( b ) 的对比说明了变压器区外 故障的严重程度降低，参数m 增大，变雎器恢复性涌流的峰值就变小。 努2 塾 1 i “0 i 1 + 0 7 60 国0 8 5 0 90 9 51 巍t ( s ) 1 故摩k 点臣瘦压嚣0 她 一h t ( s ) bj 夤瘴k 点距蹙压嚣1 0 她 0 2 ， o i “ 扣4 o 7 60 8o ，8 5o ，9 t ( g ) a b 帽旃瞎故摩 t ( s ) b 相甓蛙故摩 1 0 1 0 o k 毋 4 0 4 0 o。k毋 华北电力大学硕十学位论文 c 故障i 点臣复压嚣2 f f a 舱 图2 - 7 故障点离变乐器距离不同 时的恢复性电流波形 图2 8 不同够障类型时的 恢复性电流波形 图2 7 ( a ) 和图2 - 9 ( a ) ( c ) 是故障点k 在o 处，口。= 一9 0 0 ，发生三相接 地故障，区外故障发生时刻a 相的电势相角吼不同时的a 相恢复性涌流波形。通 过对比可知，参数口的正弦值s i n ( e ) 越小，恢复性涌流就越小。 图2 7 ( a ) 和图2 1 0 ( a ) ( c ) 是故障点k 在0 处，以= 9 0 0 ，发生三相接 地故障，区外故障切除时刻a 相的电势相角口。不同时的a 相恢复性涌流波形。通 过对比可知，参数口的正弦值s i n ( a ) 越小，恢复性涌流就越大。 1 0 5 i “0 扣5 a0 = 7 2 0 07 6 o8o8 50 90 9 51 t ( s ) b 目= 5 , 4 0 02 0 i “ 国4 二 0 7 60 80 8 509o9 1 t ( o c 8 - - o “ 图2 - 9 目角不同时的恢复性电流波形 0 2 i a a 0 旬4 t ( o a 口= 一7 2 “ 07 6 口8g 8 5090 9 51 t ( o bd = 一1 8 。 t ( o ca ：3 6 0 图2 1 0 口角不同时的恢复性电流波形 2 3 4 变压器恢复性涌流对差动保护的影响 变压器低压侧o 7 s 时发生故障k 点在o 处的三相接地故障，约6 0 m s 后故障 切除。其变压器三相恢复性涌流如图2 一1 1 所示。 1 6 1 o 1 0 川k q。 ， o 1 0 k 1 0 1 0 o “ m 华j e 电力大学硕+ 学位论文 t ( s ) 图2 - i l 变压器三相恢复性涌流 通过分析图2 1 l 可以发现：变压器区外故障切除后的恢复性涌流的二次谐波含 量保持在较高的水平，但是恢复性涌流的数值较小，如图2 1 2 所示。而相应的变压 器差动保护的动作平面如图2 1 3 所示。表2 1 是在各种区外故障下，变压器差动保 护的动作情况。 根据图2 1 2 、图2 1 3 以及表2 1 的试验记录显示：变压器区外故障切除后的恢 复性涌流的幅值还达不到差动保护的启动条件，即使能够满足保护的启动判据，二 次谐波( 1 5 ) 闭锁判据也能够阻止差动保护误动。所以在电流互感器没有出现饱 和的情况下，变压器区外故障切除后的恢复性涌流本身不会引起差动保护误动。 其实变压器区外故障切除后出现恢复性涌流的情况并不是很多。特别足变压器 带有两条以上线路而故障点离变压器较远的轻微故障时，是很难看到恢复性涌流现 象的。因为恢复性涌流的值与空载合闸时的励磁涌流相比要小得多，在区外故障切 除后有负荷电流的情况下，很难显示出涌流的特征。 1 7 华北电力大学硕十学位论文 t 0 ) 图2 - 1 2 恢复性涌流的基波和二次谐波有效值及二次谐波含量 1f i 阚 ii ：竺塑! 墨l i i j 图2 一1 3 变压器差动保护的动作量和制动量及动作平面 表2 1 试验记录 试验项目 低压侧发生区外故障( 图2 5 )高压侧发生区外故障( 图2 6 ) ( o 7 s 发生故障， ( k 点在o 处，以= 9 0 0 ，口= 一9 0 0 ) 约6 0 m s 后故障切 一条线路( d l 2 断 两条线 一条线路( d l 2 断两条线 除) 开) 路 开)路 a b c n 不动作不动作不动作不动作 a b n 、b c n 、c a n不动作不动作不动作不动作 a b 、b c 、c a不动作不动作不动作不动作 a n 、b n 、c n 不动作不动作不动作不动作 2 4 结论 理论分析和数字仿真都表明，变压器区外故障的严重程度聊、故障发生时刻的 电势相角口，故障切除时刻的电势相角a ，这三个参数和变压器铁芯的性质决定了 1 8 华北电力大学硕十学位论文 变压器能否出现恢复性涌流以及恢复性涌流的大小。 变压器在区外故障切除后形成的恢复性涌流的主要特征： ( 1 ) 峰值很小，难以达到差动保护的启动判据。 ( 2 ) 二次谐波含量不低，即使恢复性涌流能够满足差动保护的启动条件，二次 谐波制动判据也能够正确闭锁差动保护。 但近年来相继出现变压器差动保护在区外故障切除时发生误动的现象，问题很 可能是出在电流互感器的暂态饱和上。下两章将研究电流互感器饱和对变压器差动 保护的影响。 1 9 华北电力大学硕士学位论文 第三章电流互感器暂态饱和对变压器差动保护的影响 3 1引言 差动保护作为变压器的主保护，由于其保护原理简单、可靠而得到广泛应用。 由于差动保护在原理上依靠变压器各端的电流的综合来区分区内、区外故障，因此 c t 的变换精度就成为影响保护精度的关键。本文通过建立区外故障电流下的c t 暂 态饱和数学模型，详细分析了影响c t 饱和的因素，得出在区外故障含有非周期分 量的短路电流的作用下，引起c t 饱和造成差动保护误动。 3 2区外故障下的c t 饱和模型 3 2 1 引起c t 饱和的因素 从原理上分析，c t 饱和是由于铁芯的非线性特性引起的。铁磁性材料的磁感 应强度( 磁链) 不能够无限地随着磁场强度( 电流) 的增加而线性增加。引起c t 饱和的 因素主要有以下几种： ( 1 ) 励磁涌流引起的c t 饱和【3 6 】。一般励磁涌流中含有较为丰富的非周期分量， 并且涌流一般衰减得比较慢，可能会引起电流互感器的饱和。c t 饱和还会引起励 磁涌流的间断角消失，导致间断角原理的涌流闭锁方案失效。 ( 2 ) 区外故障电流引起的c t 饱和3 7 1 。在变压器区外故障一次电流中除了稳态 分量外，还含有一定成分的非周期分量，短路电流中的非周期分量的持续积分作用 非常容易引起c t 饱和。 ( 3 ) 太阳黑子爆发引发的地磁诱发电流导致c t 饱和 3 8 3 9 。太阳黑子爆发引发 的地磁诱发电流类似于一个直流分量，在经过一定的时间积分后，持续地作用在c t 的线圈上，会造成c t 饱和，对继电保护装置产生一定的不良影响。 电流互感器铁心达到饱和后，二次电流不再与一次电流成比例变化，而将出现 严重的畸变。畸变的形式与二次负荷的特性有关。这种畸变将严重影响其所接继电 保护的动作性能。 3 2 2 铁芯磁化特性介绍 电流互感器的暂态特性很大程度上取决于铁芯的磁化特性4 0 1 。电流互感器通常 是冷轧硅钢片叠接而成，因此冷轧硅钢片的电磁性能对电流互感器的暂态特性具有 很大的影响。基本磁化曲线和磁滞回线( b h ) 曲线或妒一i 曲线是反映磁性材料( 硅钢 片) e g 磁性能的特性曲线。其中，基本磁化曲线是表征磁性材料在反复磁化下，以磁 华北电力大学硕十学侥论文 中性状态为出发点，磁感应强度b 随着磁场强度h 变化规律的曲线，通常也称为磁 化曲线。在磁化曲线任何一点的b 与h 之比就是磁导率，在一定磁场强度下，卢 值越高，传递等量磁通所需要的磁性材料就相对越小，互感器的电磁性能也越好。 通常磁性材料的另外一个特点是在磁场强度h 由大减d , n0 的时候，磁感应强度b 却并不恢复为零，b h 的变化将不沿着基本磁化曲线，这时候b h 的变化轨迹就 是磁滞回线，同样在局部范围之内还有局部磁滞回线。 励磁电流的大小取决于电流互感器铁芯是否饱和以及饱和的程度，励磁电流与 铁芯磁链之间的关系由铁芯的磁滞回线确定。c t 在正常工作状态时，励磁电流非 常小；c t 在剩磁较大时，由于等效励磁电感变小，传递等量的一次电流时其励磁 电流也将变大；c t 在故障电流下严重饱和时，每个周波内铁芯工作在两个不同的 状态( 线性区与饱和区) ，二次侧电流将出现明显的间断。 3 2 3 电流互感器暂态仿真现状 电流互感器暂态特性的实验研究，如采用物理实验的方法，需要投入大量的设 备，因此通过试验的方法进行研究是不现实的。随着计算机的应用和普及，采用数 字仿真技术对电流互感器进行暂态仿真将是一个很好的选择。仿真与实际问题的差 异取决于仿真模型与实际模型之间的差异，因此对于不同的实际问题，须采用不同 的c t 模型。从国内外的文献报导来看，大部分集中在区外故障导致的c t 暂态饱 和问题的研究上，相对区外故障恢复过程中的c t 局部暂态饱和( 须考虑c t 剩磁、 磁滞回环、局部磁环) 详细的研究报道不多。本章主要分析区外故障情况下的c t 暂 态饱和对变压器差动保护的影响，下一章将详细分析区外故障切除过程中的c t 局 部暂态饱和对保护的影响。 电力系统中使用最广泛的电磁式电流互感器，它的一次和二次回路是通过铁芯 磁场建立联系的，因此电流互感器暂态建模的关键是对铁芯动态磁化过程的描述。 根据磁化特性曲线描述的不同，现有的电流互感器仿真模型大致分为下面三种【4 l 】： ( 1 ) 基于基本励磁曲线的静态模型。该模型只考虑暂态饱和引起的非线性。 ( 2 ) 基于暂态磁化特性曲线的动态模型。该模型建立在对动态磁化曲线的数学 描述之上，最常用的是采用极限回环雎缩法。 ( 3 ) 非线性时域等效电路模型。该模型建立在几个电路元件基础上，分别模拟 电流互感器的非线性的主要因素。 根据被分析问题主要矛盾的不同，应采用不同的c t 模型。对区外短路电流下 的c t 饱和，采用模型( 1 ) 就足够了。而区外故障切除时大剩磁、小工频电流在c t 中的暂态传变特性，就必须充分考虑到c t 的动态磁化特性，如模型( 2 ) 、( 3 ) ，本 论文建立第- 一- 种模型，采用改进极限回环压缩法来分析c t 的暂态饱和与局部暂态 饱和问题。 2 1 华北电力大学硕士学位论文 3 2 4 区外故障电流下的c t 暂态饱和模型 电流互感器的等效电路用图3 - 1 表示m 1 ，一次侧等效成一理想的电流源。为简 化分析，将一次绕组折算到_ _ 二次侧，忽略铁芯损耗，励磁支路为纯电感回路，用厶 表示，一次绕组的漏感和电阻对一次电流来说可以忽略不计，将二次绕组的电阻和 漏感同二次负载等效电阻和电感归并到一起，用：、彤表示。i l 为归算到二次侧的 一次电流，i 2 为二次电流，i m 为归算到二次侧的励磁电流。 图3 - i 电流互感器的等值电路 由电流互感器的等值电路图3 - i 可得它的微分方程为： 匕鲁= 易鲁+ 如屯 ( 3 _ 1 a ) 如= 一 ( 3 一l b ) 其中：匕为动态励磁电感，其值为。：掣，甲为励磁回路主磁链。 u l ” 将( 3 1 b ) 代入( 3 一l a ) 得 帆+ 岛) 等屿= l 2 百d i + r 2 ( 3 - 2 ) 在区外故障情况下，磁链的动态变化范围较大，可以近似用基本磁化曲线来描 述c t 的饱和特性，本文采用反正切曲线来模拟电流互感器的基本磁化曲线，不考 虑c t 铁芯的动态磁滞或局部磁滞效应。 基本磁化曲线： 甲( f 。) = a ( a r c t a n h i 。, + 历。) ( 3 3 ) l m = 硝【南1 叫 4 ， 讲。 i + l f 。j 。j 式( 3 - 3 ) 中的系数：口、h 、可以根据实际测量的数据由非线性参数拟合求 得。把式( 3 - 4 ) 代入式( 3 - 2 ) ，通过四阶r k ( 4 阶龙格一库塔算法) 或隐式梯形法迭 代求解，就可以得到c t 在大故障电流下的暂态响应，计算出励磁电流、二次侧电 流、磁链的数值解。区外故障电流下的c t 传变，由于区外故障电流的工频故障分 量较大，因此c t 工作的动态区域可能经历饱和区与非饱和区，在线性区励磁电感 华北电力大学硕十学位论文 非常大而饱和区励磁电感非常小，二次电流的特征将出现间断崎变，崎变程度与饱 和深度有关。决定暂态饱和深度的因素主要是故障电流中的非周期分量。 3 3电流互感器饱和特性分析 电流互感器的饱和一般可以分为三类【4 2 1 ，一类是由于幅值较大稳态电流引起的 饱和，称为稳态饱和，这时二次侧电流的波形主要取决于电流互感器负载类型；另 一类是短路电流中混合有非周期分量，这时c t 的工作区间非对称，称为暂态饱和； 第三类是c t 在剩磁较大时传变小工频电流，其二次侧电流会出现角度和数值误差， 而波形畸变不明显。该现象可能在区外故障切除过程中发生，造成变压器差动保护 误动( 4 3 1 。本章主要分析前两类c t 饱和特性，第三类饱和将在下一章中分析。 3 3 1 电流互感器稳态饱和 电流互感器的稳态饱和与负荷有着非常大的关系，下面分别分析纯电阻、纯电 感负载下c t 的饱和传变特性。 将电流互感器的微分方程改写成积分形式： 甲( f ) = v ( d ) + l 2 i 2 + 【r 2 i 2 d t 将式( 3 1 b ) 代入上式得： w ) = 7 ：。+ i r 2 i l ) - ( 上2 i m + f r 2 i d t )(3v(0)+ili i d tid t_ 5 ) l i ，( f ) 22l + 】- i 上2 +j ( 一5