（电力系统及其自动化专业论文）基于模糊逻辑理论的数字式变压器差动保护的研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r i c a li n d u s t r y , m o r ea n dm o r el a r g ep o w e rt r a n s f o r m e r sw i l lb ew i d e l y u s e di np o w e rs y s t e m l a r g ep o w e rt r a n s f o r m e r sb e l o n gt oac l a s so fv i t a la n dv e r ye x p e n s i v ec o m p o n e n t si n e l e c t r i c a lp o w e rs y s t e m a c c o r d i n g l y , h i g hd e m a n d sa r ei m p o s e do np o w e rt r a n s f o r m e rp r o t e c t i v er e l a y s d i f f e r e n t i a lr e l a yi st h ek e yp r o t e c t i o nf o rp o w e rt r a n s f o r m e r s of a r , t h ek e yp r o b l e mo ft 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 ss t i l lh o wt op r e c i s e l yi d e n t i f yt h ei n r u s ho ft h et r a n s f o r m e r a m o n gt h o s ea i g o d t h m s c u r r e n t l yb e i n gu s e d t h es e c o n dh a r m o n i cc u r r a n tr e s t r a i n tm e t h o da n dd e a da n g l em e t h o da n do t h e r sh a v e b o t ha d v a n t a g e sa n ds h o r t c o m i n g s t om e e tt h ed e m a n do fs p e e d i n e s so ft r a n s f o r m e rr e l a y i n gp r o t e c t i o n ，i ti s i m p o r t a n tt os e a r c han e wm e t h o dw h i c hc a nd i s c r i m i n a t et h ei n r u s hc u r r e n ta n ds h o r tc u r r e n tf a s t e ra n dm o r e r e l i a b l y b a s e do nt h eb r i e fa n a l y s i so ft h ep o w e rt r a n s f o r m e ri n r u s hc u r r e n t sa n dt h o s ek n o w nm e t h o d so f d i s c r i m i n a t i o nb e t w e e ni n r u s hc u r r e n ta n di n t e m a if a u l tc u r r e n to f t r a n s f o r m e r s ，an e wm e t h o db a s e do nf u z z y l o g i ct h e o r yi sp r o p o s e d ，w h i c hn o to n l yc a nd i s c r i m i n a t ei n r u s hc u r r e n tf r o mi n t e r n a lf a u l tc u r m n t ，b u ta l s o c a ni d e n t i f yt h eo t h e ra b n o r m a ls t a t e st h r o u g hi n f o r m a t i o ns e a r c h i n g t h et h e o r ya n a l y s i sa n dt h es i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a tt h em e t h o di sc h a r a c t e r i z e dw i t hq u i c ki d e n t i f i c a t i o n ，r e l i a b l eo p e r a t i o na n dl e s sa f f e c t e db y n o i s ei n t e r f e r e i nt h i st h e s i s ，t h ei n f l u e n c eo fd e c a y i n gd ec o m p o n e n to nt h en e wc d t e r i o na n df o u r i e ra l g o r i t h mi s a n a l y z e d t h e na n o v e l a l g o r i t h mf o rd e c a y i n g d cc o m p o n e n tf i l t r a t i o ni s p r o p o s e d ac o m p l e t e m i c r o p r o c e s s o r - b a s e dt 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 n s c h e m eb a s e d0 1 1t h en e wm e t h o df o rf a u l t i d e n t i f i c a t i o ni sp r e s e n t e d t 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 np r o g r a mi sd e s i g n e db yu s i n gcl a n g u a g e t h e n e wm e t h o df o rf a u l ti d e n t i f i c a t i o ni sv a l i d a t e db yt h es i m u l a t i o no fs w i t c h i n go nt h eu n l o a d e dt r a n s f o r m e r a n dt h ef a u l tt r a n s f o r m e r t h ep a p e ra l s op o i n t so u tt h ed i r e c t i o no f d i f f e r e n t i a lr e l a yd e v e l o p m e n t k e y w o r d s ：l a r g ep 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 n ；i n r u s hc u r r e n t ；i n t e r n a lf a u l t ；f u z z yl o g i ct h e o r y 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它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。 研究生签名：凄盔蝮 日期：逊p 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复 印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和 纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办 理。 研究生签名：鎏璺堡 导师签名： 弋 e t 期：汹f i t 3 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着西电东送步伐的加快，全国电网互联已是必然趋势，联网后对电网安全稳定运行的要求也将 提高到一个新的层面。作为电网安全稳定运行的哨兵，继电保护装置所承担的任务和责任将更为重要。 如何保证超高压继电保护在保护区内故障时快速、可靠地动作，在区外故障时又能可靠不误动，这给 继电保护工作者提出了新的任务和要求。变压器作为电网中的重要设备，保证它的安全可靠运行对整 个电力系统的安全稳定都将具有非常大的实际意义。据统计，目前变压器保护动作正确率普遍不高， 且有时会出现一些原因不明的误动，传统的保护原理、保护方法面临着严峻的挑战，因此研究性能可 靠、技术先进的数字变压器保护方案将具有重大的工程和理论价值。 1 2 课题研究背景 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 2 0 k v 变压器由1 9 9 0 年的1 4 0 2 台发展到2 0 0 2 年的3 2 6 9 台，增加了近两 倍；3 3 0 k v 变压器由1 9 9 0 年的3 4 台增加到2 0 0 2 年的1 2 2 台，增加了近三倍；5 0 0 k v 变压器由1 9 9 0 年的6 6 台发展到2 0 0 2 年的2 9 5 台，增加了三倍多，并且该数字仍以很快的速度在增长【l 。l 。单就2 0 0 3 年而言，全国电网共有2 2 0 k v 变压器3 4 9 1 台，比2 0 0 2 年增加2 2 2 台；3 3 0 k v 变压器1 3 2 台， 比2 0 0 2 年增加1 0 台；5 0 0 k v 变压器3 2 6 台，比2 0 0 2 年增加3 l 台【4j 。可见随着电力系统总装机 容量的增大，超高压大型电力变压器台数增加尤其明显。预计我国2 0 2 0 年电网的总装机容量将达9 亿k w ，其中西电东送达1 亿k w ，全国电网互联已是必然趋势，将有更多的超高压大型电力变压器投 入运行，这对电网安全稳定运行的要求也将更高。同时电力市场化改革对发电的影响深远，电源的建 设和布局将更加考虑市场的经济行为，这也会给电网结构带来一些因非技术因素产生的变化。而大型 电力变压器保护的动作正确率却一直偏低，滞后于线路保护和发电机保护，这与当前的电网实际安全 要求和发展水平是不相符的。现将1 9 9 0 年以来每年2 2 0 k v 及以上变压器保护运行情况作一比较，如 表1 1 所述。 由表】1 统计结果可以看出，在过去的十多年里，电力系统的规模不断扩大，大容量、超高压大型 电力变压器不断投运，但变压器保护的发展却相对滞后，其正确动作率一直不高。2 0 0 3 年2 2 0 k v 及 以上变压器保护的正确动作率为7 6 2 1 ，比2 0 0 2 年的正确动作率7 4 7 7 仅提高1 “个百分点。 全年共发生4 9 次不正确动作，据文献【4 】分析，造成保护不正确动作原因有以下几方面；由于运行维 护管理方面的责任( 如运行维护不良、误碰、误操作、误整定、误接线等) 造成保护不正确动作数占 变压器保护不正确动作总数的5 3 0 6 ；制造部门的责任( 如制造质量不良、原理缺陷等) 占3 4 6 9 ， 基建部门的责任( 调试质量不良、误接线等) 占4 0 8 ；其他部门的责任占8 1 6 。可见原理方面的 缺陷仍是一个很值得大家重视的问题。 东南大学硕士学位论文 表1 11 9 9 0 - - 2 0 0 3 年2 2 0 k v 及以上变压器保护动作情况统计 不正确动作次数 年份总动作次数正确动作次数正确动作率( ) 误动拒动 1 9 9 0 2 2 71 5 96 35 7 0 0 0 1 9 9 l2 3 l1 7 06 l07 3 6 0 1 9 9 2 2 5 51 7 08 206 6 7 0 1 9 9 3 2 7 31 8 88 146 8 9 0 1 9 9 42 8 l瑚8 107 1 2 0 1 9 9 53 2 02 2 29 536 9 4 0 1 9 9 63 0 62 2 5 7 92 7 3 s 3 1 9 9 7 2 1 31 3 47 8 16 枷 l 螂2 1 81 4 5 6 58“s l 1 螂2 0 61 3 8 6 716 6 9 9 2 0 0 02 0 l 1 5 14 9l7 5 1 2 2 帅l 2 5 2枷4 3l啦舅 舢 2 1 41 种s17 4 7 7 舢 2 0 61 5 7 4 8 l7 6 2 l 总计 3 4 2 4 2 7 9 4 5 2 87 1 3 7 变压器保护作为电力系统继电保护的一个重要分支，与线路保护相比，其正确动作率远远低于线 路保护，最关键的原因就在于电力变压器( 包括电流互感器) 是一种通过铁芯电磁场将一次侧与二次 侧联系在一起的饱和非线性元部件，其差动保护所面l 临的不平衡电流来源较多，而这些引起不平衡电 流的因素在发电机和线路差动保护中一般不会出现。具体表现在以下几个方面”7 1 ： ( 1 ) t a 不同型问题。变压器差动保护所用的各侧电流互感器的电压等级不同，变比、容量以及 铁芯饱和特性不一致，加之变压器各侧三相接线方式不尽相同，其各侧电流的相位也可能不一致，因 此电流互感器的接线组别应与其相适应。但电流互感器变比的选择，由于受到标准变比的限制，仍可 能不匹配从而产生不平衡电流。这些都将使正常运行或外部短路时差动回路电流增大，导致变压器差 动保护的最大制动系数比发电机的大，灵敏度相对较低。 ( 2 ) 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。由此会使变压 器差动保护已经调整平衡的二次电流又被破坏，导致不平衡电流增大，这将使变压器差动保护的最小 动作电流和制动系数都会相应增大。 ( 3 ) 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( 如正常的空载合闸，外部故障恢复等) ，变压器铁芯 容易在暂态过程中饱和，从而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。 ( 4 ) 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。 ( 5 ) t a 饱和问题。在区外故障过程中，一次侧电流的非周期分景较大，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，从而可能会引起差 动保护误动。在外部故障切除过程中，由于1 a 的局部暂态饱和也可能会引起差动保护的误动。 ( 6 ) 内部轻微匝间故障时保护灵敏度问题。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，因而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，是一个相当复杂和困难的技术问题。对于由于1 a 不同 型及分接头调整引起的不平衡电流的影响，现已有了有效的方法，即通过比率制动特性的差动保护原 理来克服。而对于另一种引起不平衡电流的重要因素励磁涌流问题依然没有得到很好的解决。并 2 第一章绪论 且目前关于t a 局部暂态饱和的问题也还没有引起足够的重视。 1 3 课题研究现状 由于变压器保护的重要性和励磁涌流的复杂性，促使了对励磁涌流问题的不断研究。目前已有多 种识别励磁涌流的方法。利用变压器的电流量识别励磁涌流与内部故障电流的传统方案有二次谐波制 动原理和间断角闭锁原理。二次谐波制动原理的变压器差动保护，往往采用或门制动方式，即某一相 电流的二次谐波含量超过门槛值，就闭锁三相。这种方式带来的问题是合闸于内部故障时，差动保护 会因健全相的涌流制动而拒动或长延时动作。另一方面，在超高压电力系统中，由于长输电线( 或电 缆) 分布电容以及串补电容谐振的影响，某些故障电流中的二次谐波含量也很大，使得采用二次谐波 制动的保护长延时出口。间断角原理的优点是能够快速切除合闸于内部故障。但是，在t a 传变间断 角可能消失的情况下，必须采取某些措施来恢复间断角，增加了保护的复杂性。同时由于t a 特性的 非线性，要精确恢复间断角存在困难。近年来，国内外学者提出了很多同时利用变压器的电流量和电 压量鉴别励磁涌流的新原理和新方法，如磁通特性鉴别法、等值电路参数鉴别法等，这些原理需要对 变压器的某些参数作人为的假设，其应用前景取决于理论上的进一步突破。因此，进一步探索快速、 准确地区分变压器励磁涌流和内部故障电流的新原理，对提高变压器差动保护的性能是十分必要的。 1 4 本论文研究的主要内容 本论文针对变压器差动保护的核心问题( 励磁涌流识别问题) 进行了详细的分析和研究，在分析 了现有励磁涌流识别方法的基础上，提出了一种基于模糊逻辑理论的变压器故障综合识别新判据。利 用该判据构成了一套完整的微机变压器差动保护方案，并针对衰减直流分量会给傅氏算法带来误差的 问题提出了一种的快速补偿方法。论文具体由以下七章构成： 第一章，绪论。 第二章，变压器励磁涌流的产生基本原理及其特点。分析了变压器励磁涌流的形成机理及其特点， 并在此基础上讨论了励磁涌流对变压器差动保护的影响。 第三章，变压器励磁涌流识别方法的分析与评价。对当前已有的励磁涌流识别方法的优缺点进行 了客观分析，并介绍了国内外变压器微机保护装置的现状。 第四章，基于模糊逻辑理论的变压器故障综合识别新判据。在考虑励磁涌流识别方法的基础上引 入模糊信息检索的概念，提出了一种基于模糊逻辑理论的变压器故障综合识别新判据。利用m a t l a b 仿真软件对新判据进行了数字仿真，验证了新判据的正确性。 第五章，衰减直流分量对保护判据的影响。分析了衰减直流分量对所提出的故障识别判据的影响， 并提出了一种新的快速补偿衰减直流分量的方法。利用仿真对其正确性进行了验算。 第六章，基于模糊综合识别新判据的变压器差动保护方案及其软件设计。提出了一套基于模糊综 合识别新判据的变压器差动保护方案，并分析了保护方案的软件实现。 第七章，结论和展望。对所做的工作了进行总结，并就变压器差动保护的发展方向提出了看法。 第二章变压罂励磁涌流产生的基本原理及其特点 第二章变压器励磁涌流产生的基本原理及其特点 2 1 励磁涌流产生的机理及其特点 变压器空载合闸或外部故障切除后电压恢复时，在暂态过程中可能会出现数值很大的励磁涌流， 其主要原因是由于变压器铁芯饱和所致，在分析时须考虑其非线性特性，因此比较复杂。为了清晰地 说明励磁涌流产生的机理，下面先以一台单相变压器空载合闸为例分析励磁涌流形成的物理过程及其 特点，以便进一步分析三相变压器励磁涌流的特性。 2 1 1 单相变压器励磁涌流分析 为了便于分析，同时考虑合闸时的最严重情况。作以下几点假设： ( 1 )合闸电源为无穷大，合闸时母线电压不变化： ( 2 ) 合闸回路电阻不考虑； ( 3 )忽略漏抗压降； ( 4 ) 铁芯的磁特性处理为两段折线，不考虑磁滞回线的影响。 因为励磁涌流是由铁芯饱和引起的，所以必须首先了解空载合闸时铁芯中磁通中的变化。变压器空载 合闸到系统时，铁芯内即产生磁通。一般情况下，在变压器投入前，铁芯中存在剩余磁通，再加上电 压瞬间磁通不能突变，因此必然耍产生暂态磁通，使得投入瞬问的总磁通等于剩磁。这就使得在暂态 过程中的总磁通的最大值比稳态磁通大很多。 设单相变压器合闸电源电压为： “= u ms i ( 础+ d ) ( 2 1 ) 式中口为电压合闸初相角。 空载合闸暂态过程方程如下( 令变压器一次绕组匝数n = i ) ： _ d e ：u ms i n ( c a + ( 2 2 ) 讲 由上式可得铁芯磁通为： o = 椰c ( 甜+ 口) + m mc o s g + 币r ( 2 3 ) 其中： 中，为空载合闸前的铁芯剩磁； 中。为与电压u ，对应的稳态磁通幅值，m 。= u 。o j 。 式( 2 3 ) 中揶。c o s ( o x + a ) 为稳态磁通；中。c o s 口+ 西，为暂态磁通。 假设变压器的磁化曲线用两段折线表示，如图2 一l ( a ) 所示图中s 点的磁通为饱和磁通m 。一 定的磁通必有相应的励磁电流，变压器空载合闸铁芯饱和时，与合闸磁通相对应的励磁涌流的波形可 以通过作图法求得如图2 1 ( b ) 所示。 由文献【5 ，6 】可知单相变压器的励磁涌流可近似表达为：中。 当巾 垂，时， 当中 中，) 时( 对应图2 - - 1 ( b ) 中的o x = 日l 一0 2 段) ，励磁电流的瞬时值很大，这就是励磁涌流；而退出饱和 区( 中 中。) 时( 对应图2 1 ( b ) 中的耐= 0 0 l 和o x = 口2 一撕段) ，只有正常的励磁电流，其瞬时 值很小( i = 0 ) ，所以涌流在一个周期内存在问断，以岛表示间断角的大小，则有： 0 = 0 l + ( 2 f 一日2 ) ( 2 5 ) 式中巩= 0 1 1 ，如= o i 2 由于t = t 时i - - 0 ，由式( 2 4 ) 可得： 日一日 c o s ( o x l + 口) = c o s a 一二一。a d 故 巩= c o t l = - - a + e i c c o s a 5 第二章变压器励磁涌流产生的基本原理及其特点 在f = f 2 时也有i - - 0 ，所以 c o s ( r u t 2 + a ) = c o s ( 删l + 口) 即吐0 2 + a = 2 x 一( “l + 口) 故 哦= ( 0 t 2 = 加一( 甜i + 2 a ) 由此得单相变压器励磁涌流的间断角为： 口j = 哦+ ( 新一如) = 2 ( t o t l + = 2 a r c c o s a = 2 a r c c o s ( c o s 口一毕 ( 2 6 ) 廿 分析和研究表明，单相变压器励磁涌流的波形特征与以下因素有关拉】： ( 1 )系统电压和系统阻抗大小； ( 2 ) 合闸初相角口； ( 3 ) 剩磁中，的大小和方向，饱和磁通m 。大小； ( 4 ) 铁芯材质和组装工艺水平； ( 5 )合闸绕组与铁芯间距( 高压绕组距铁芯远) ； ( 6 )磁滞回线和局部磁滞环； ( 7 ) t a 暂态传变特性等。 2 1 2 三相变压器励磁涌流分析 电力系统中的变压器大多是三相变压器，因此研究三相变压器的励磁涌流更具实际意义。三相变 压器的磁路结构和绕组的连接方式很多，它们对励磁涌流的太小和波形有较大的影响。对于大型变压 器，一般都是由3 个单相变压器组成，三相磁路完全独立，故可沿用单相变压器的分析结果。 常见三相变压器的接线方式为y a ，当y 侧空载合闸时，变压器的一次侧产生励磁涌流i o “， i ，。变压器差动保护的= 次电流相位调整通常采用星形向三角形变换来调整差流平衡，这样从电流互 感器二次侧流入差动保护的电流实际上是变压器次侧的两相电流之差： i j a = i d i 8i m = i b i e is c = i 。一i 。 因此，通常所说的励磁涌流实际上是指一次侧两相涌流的差值，研究变压器纵差保护应对两相电 流之差的特征进行分析。由于电流差关系的存在，三相变压器励磁涌流幅值的最大值出现在 口= 妇0 6 6 1 0 当一次侧三相电流中两相涌流的方向相同且直流分量相差不大时，二次侧涌流中就有一 相涌流的直流分量很小，甚至为零，波形特征表现为该相涌流对称于时间轴，称为对称涌流。相应的 直流分量较大的涌流称为非对称涌流( 或称为单向涌流) 。非对称涌流是由剩磁方向相反的两相涌流相 减生成的电流；而对称涌流是由剩磁方向相同的两相涌流相减生成韵电流。 图2 3 为由实际动模试验录波得到的三相变压器励磁涌流的波形。其中，a 和c 为非对称涌流 的波形，b 为对称涌流的波形。 从图中可以看出，由于此时差动继电器接受的是两相涌流之差，所以使得进入差动保护的涌流瞬 时值为零的时间缩短( 两相均为零的部分才会为零) ，涌流波形的间断角减小了。对称涌流的间断角一 般要比非对称涌流小，最小可能达到3 0 。i 。 三相变压器励磁涌流的波形特征，除与影响单相变压器励磁涌流波形的上述因素有关外，还和以 下因素有关： ( 1 ) 三相绕组的接线方式： ( 2 )中性点接地方式； ( 3 ) 三相铁芯型式( 三相三柱、三相五柱、三单相式) ； ( 4 ) 三相t a 二次接线方式。 6 东南大学硕士学位论文 图2 3 动模试验得到的三相变压器励磁涌流的波形 分析研究表明，励磁涌流的波形特征有很大的离散性，具有以下特点9 9 “： ( 1 ) 有很大的峰值。小容量变压器涌流的峰值很大，可达到1 0 倍额定电流以上，大容量变压器 的涌流峰值则较小，不超过4 5 倍的额定电流幅值，但衰减很慢。涌流的衰减时间常数大致从小型变 压器的1 0 周波到大型变压器的1 分钟。 ( 2 ) 含有大量的偶次谐波分量，其中以二次谐波分量最为显著。 ( 3 ) 单相变压器励磁涌流中认为必有直流分量，对三相变压器而言，三相中可能有一相涌流没有 直流分量即该相涌流虽然波形畸变，但对时间轴保持对称。 ( 4 ) 无论是单向涌流还是对称涌流都具有间断角。一般趋势是变压器容量越大，间断角越大。 2 2 励磁涌流对变压器差动保护的影响咖 纵差动保护的理论基础是基尔霍夫电流定律( k c l 定律) ，因此纵差动保护在原理上只反应被保 护对象的内部短路电流。对于仅包含电路的纵差动保护对象( 如发电机、电动机、母线、电抗器等) 本身没有发生故障时，不管外部发生多么严重的故障，恒有所有端子电流的相量和为零，即： j f = o ( 2 7 ) 式中j ，为被保护对象的第i 个端子的电流相量( 均以流入被保护对象为正) ，如图2 4 所示。 当被保护对象发生内部故障时将有： j f = “ ( 2 8 ) - - 1 式中i k 为流向短路点的全部短路电流。 7 第二章变压器励磁涌流产生的基本原理及其特点 图2 4 纵差动保护基本原理( 节点电流定律) 纵差动保护正是反应这个内部短路电流，从而保证保护的明确选择性、快速性和高灵敏度的。 但如果被保护的对象是变压器，则就大不相同了。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的基础上的( 而不是根据k c l 定律) ， 是差动保护原理的一种拓展。在暂态过程中这种平衡关系被破坏，只有等到暂态过程衰减后，这种原 先的平衡关系才能重新建立起来。正因为如此，即使在变压器内部没有故障时，式( 2 - 8 ) 也将不成 立，即有： ，= j o i = l 式中j 。为变压器的励磁电流。 ( 2 9 ) 当变压器及其所在系统正常运行时，对于大型变压器，。 1 1 ( i n 为变压器的额定电流) 不会影响变压器纵差保护的工作性能；当外部系统短路时，电压严重下降，j 。就更微不足道了。 但是，由分析可知，当变压器空载投入或外部故障切除后电压恢复时，则可能出现数值很大的励 磁涌流，其数值可以与短路电流相比拟，而且持续时间很长，这样大的暂态电流流入纵差保护的差动 回路，如果不采取一定的措施，必将造成差动保护的误动作。因此，必须在励磁涌流时闭锁差动出口 来保证差动保护的可靠性。 2 3 本章小结 本章首先简单介绍了变压器励磁涌流的形成机理及其特点，在此基础上分析了励磁涌流对变压器 纵差保护的影响。分析研究表明，三相变压器励磁涌流通常具有以下特点：( 1 ) 含有很大成分的非周 期分量，往往使涌流偏于时间轴的一例，但也有可能在其中一相中不含有直流分量，即该相涌流波形 对时间轴保持对称；( 2 ) 包含有大量的偶次谐波分量，其中以二次谐波为主：( 3 ) 无论是对称涌流， 还是非对称涌流，波形都存在间断角。变压器励磁涌流的识别正是基于以上特点来进行的，在下一章 中，将进一步对目前已有的励磁涌流识别方法进行简单的介绍和评价。 8 第三章变压器励磁涌流识别方法的分析与评价 第三章变压器励磁涌流识别方法的分析与评价 3 1 变压器励磁涌流识别方法及其特点 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，提出了很多识 别励磁涌流或者避开励磁涌流的差动方法。根据所采用信息量的不同可大致分为以下几大类： 1 _ 基于电流波形的识别方法； 2 基于变压器自身参数的识别方法； 3 功率差动识别法： 4 与现代智能技术相结合的识别方法。 下面将逐一介绍每种方法的基本原理，分析这些原理的各自特点、性能及其局限性，并讨论用微机实 现的可能性及存在的困难。 3 1 _ 1 基于电流波形的识别法 基于电流波形的识别法是根据对励磁涌流及故障电流波形之分析，找出其波形之间的区别，再构 造合适的函数来判别其前提是波形不畸变。基于电流波形的识别法有如下几种： 3 1 1 1 二次谐波制动原理 研究表明：励磁涌流中含有大量的偶次谐波分量，尤其是二次谐波；而在变压器内部短路时，短路电 流中的二次谐波含量则较小。因此可以利用差流中的二次谐波含量来构成如下涌流制动判据： 石： 。1 ， 式中：“，分别为差流中的基波和二次谐波幅值； b 为二次谐波制动系数，常取值为1 5 一1 7 。 二次谐波制动原理简单明了，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微机变压器保护大多采用这个原理。但是，采用二次谐波制动的变 压器保护也有很大的局限性阻1 0 】：( a ) 由于采用或门制动方式，当合闸于故障变压器时，保护会因健 全相的制动而延时动作。( b ) 变压器端部接长线或接静补电容时，内部故障的暂态电流也可能产生较 大的二次谐波，使得二次谐波制动，从而导致差动保护延时动作。 为了克服以上缺点，有必要在二次谐波制动原理的基础上探寻有效的加速判据。目前提出的加速 判据有低电压加速和大电流加速判据“。动模试验表明，以上两种加速判据可以较为有效地克服内部 故障时的误闭锁问题。 值得指出的是，由于现代变压器为充分利用铁芯材料传输电能，铁芯饱和点提前，在剩磁系数较 大时，涌流中二次谐波含量会变得很低( 完全饱和时是正弦波与非周期分量的叠加) ，导致二次谐波制 动原理的差动保护误动，目前1 5 1 7 的二次谐波制动比是按照一般饱和磁通为1 4 倍额定磁通幅值 时空载合闸涌流的大小来考虑的，但现代变压器的饱和磁通倍数通常为1 2 1 3 ，甚至低至1 1 5 。在 此情况下涌流的最小二次谐波含量可能低至1 0 以下，从而很难选择合适的制动比k 2 。美国西屋公司 的制动比为7 o 7 5 ，a b b 公司取k 2 - - m ，我国和大部分国家则取1 5 2 0 。大容量变压器、 远距离输电的发展，会使变压器内部故障暂态电流产生较大二次谐波，引起差动保护拒动或延时动作。 因此有必要继续对二次谐波制动判据进行更深入的研究。 3 1 1 2 间断角闭锁原理 问断角闭锁原理的变压器差动保护由我国于上世纪6 0 年代率先提出并制成样机，其模拟式保护装置已 9 东南大学硕士学位论文 经得到广泛应用。该原理是利用励磁涌流波形有较大的间断这一特征来进行励磁涌流鉴别的。 间断角闭锁原理的变压器差动保护采用如下判据1 1 “；当差流的间断角太于6 5 。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6 5 。且波宽大于1 4 0 。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。 该判据的引入基于以下几点考虑： 1 ) 在非对称涌流情况下，如果电流互感器发生严重饱和，则间断角中的反向电流可能会使差动保 护中的间断角减小，但此时差动电流仍会有一个波宽较小的半波。 2 ) 在对称涌流的情况下，差动电流中的间断角也较小，但此时差动电流也有一个小波宽的半波。 以上两种情况都不会引起比率差动元件的误开放。 3 ) 在变压器内部故障时，差动电流中的波宽角肯定大于1 4 0 。 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：( a ) 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 障时能够迅速动作跳闸；( b ) 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 2 6 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闭锁判据。而二次谐波制动的比率差动 保护必须附设其它过激磁闭锁判据( 如五次谐波制动判据) 。 但是，用微机实现间断角闭锁原理时存在两个难点”u j ：一是准确测量间断角的问题；二是t a 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 率至少应为7 2 点，周，如此高的采用率对微机的硬件要求是相当高的。另外，涌流经t a 饱和传变后， 由于反向电流的作用会使间断角消失。虽可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。此外，小电流情况下电流中的谐波含量和频率的变化对间断角的测量 影响也较大，因此在系统振荡的情况下保护有可能误动”。 3 1 1 3 波形对称原理 波形对称原理本质上是利用短路电流波形基本对称而励磁涌流一般不对称的特点来比较其前后半 波的对称度。对于对称波形来说，其前后半波对应点的采样值之和为零或其周波内积分为零；而对 于不对称波形则不存在这样的特点。下面介绍几种基于波形对称原理的判别方法。 1 根据前后半波对应点的采样值之和的大小来判断“町 该方法的基本思路为：首先将流入继电器的差流进行微分( 滤除直流) ，将微分后的差流的前半波 与后半波作对称比较，用特征值k ( 不对称度) 来区分故障电流和励磁涌流。 设流入差动继电器的差动电流为f ( f ) ，其导数为f l f ) ，将i ，( f ) 的前半波与后半波之对应值作对称比 较，构成如下波形对称原理判据： 扣瑚 ( 3 2 ) k 为门槛值。若故障电流为理想正弦波，则f ( r ) 与f o + r ，2 ) 总是大小相等符号相反，故 f 0 ) + m + r 1 2 ) 总为零值，式( 3 - 2 ) 总成立，即电流| f ，( r ) 波形对称。实际上，故障电流并非是理想 的正弦波形，文献【1 4 认为，在总共半个周波( 1 8 0 。) 的判断中，励磁涌流符合对称条件的角度最多 为6 0 。，而故障电流在1 5 0 。范围内都是对称的。显然，根据判据式( 3 2 ) 成立的工频角度范围的大 小，即可识别励磁涌流和故障电流。 为便于理解，从频域的角度分析该判据可知，该判据实际上由两个滤波器构成： i 加法滤波器 d h = i ；+ f “8 0 ( 3 3 ) 其幅频特性为p i ( ，l l = 4 | 时n ( 号万f ) c 。s 晤荆，如图3 一l 所示，其作用是滤出偶次谐波分量a 1 0 第三章变压器励磁涌流识别方法的分析与评价 减法滤波器 ( 3 4 ) 如图3 2 所示，其作用是滤出基波和奇次谐波 图3 - - 1 加法滤波器幅频特性图3 2 减法滤波器幅频特性 显然，波形对称判据的构成实质上是用偶次谐波的瞬时值与奇次谐波( 包括基波分量) 的瞬时值 相比。按判据的动作条件，将输入电流中的偶次谐波作为制动量，相应基波及奇次谐波作为动作量。 与二次谐波制动原理相比，波形对称判据充分利用了二次谐波以上的偶次谐波分量，从而能提高躲励 磁涌流的能力。 从时域角度看，该原理其实是基于对励磁涌流导数波宽及间断角的分析，是间断角原理的推广，且 比间断角原理容易实现。文献1 1 4 的作者应用单片机实现了该原理的微机保护装置，己在1 1 0 k v 变压 器上投入运行。但是，鉴于涌流波形与许多因素有关，具有不确定性和多样性。因此如果k 值取得太 大，保护可能误动；而故障电流也并非总是正弦波，实际系统中必须考虑故障情况的多样性和故障波 形的复杂性。反之，当系统存在分布电容较大的电缆线路时，故障波形中也会含有大量的谐波，此时 如果k 值选得太小，保护又有可能拒动；而且电流互感器饱和必将引起差流变形。因此，该原理的应 用必将遇到如下问题“； a ) 比较阈值k 之大小如何确定? b ) 故障时式( 3 2 ) 不一定总是成立，那么应当有多少采样点满足式( 3 2 ) 时才能判为故障? 换言之， 对称范围( 或对称角度) 应取多大? 这两个问题很难通过严格的理论分析或推导予以解决，应用中只能根据实际情况，通过试验的方 式设定或修正”“。然而因此也就埋下了误判的隐患( 已有误动的事实) 。 虽然该原理在实用中存在不对称度k 的整定依据不清晰的问题，但波形对称原理的应用却方兴未 艾，后面提到的几种波形对称原理的识别方法都是基于对文献【1 4 】的改进。 2 半波叠加制动“” 该法同文献 1 4 】的原理相似，只是判据稍有差别，其判据为： 麻li矗 令a = lk + j ，研、d = li l d t _ k = a ，d ol + l 2 l 4 式中，k = a d 定义为识别特征量。若认为短路电流波形基本对称，则故障时k = 0 ，而在励磁涌流 间断角大于1 8 0 u 时k 的最大值为1 。若能正确选择适当k 值就可简单地区分涌流和故障电流。然而， 当故障电流畸变严重时，该方法可能存在延时出口的问题。 3 积分型波形对称原理“” 积分型波形对称原理的基本思路可用图3 3 说明。 nnnn 将一个周期的采样信号a b c 分为两段时间等长的“半周波”a b 与b c ，将后半波b c 对称于t 轴 ，一，n 厅一 m) m 上 旦 j h m =i郇l 写 l | d l ，u 2 h 性特频幅其 。 量分 东南大学硕士学位论文 翻转得到b 爸，然后将其向前平移半个周波得到占，6 与前半周波j 一起构成一曲边四边形 a 岛。令该曲边四边形的面积为s 。以线段i 西、百云为上下底的直边梯形面积为s 。，弧a “b 与线段 一a b 围成的面积为s + ，弧品与线段百己围成的面积为s 一，定义波形对称系数置。 x ，= 击兰 ( 3 5 ) 必。一 黜，o 、。，j 图3 3 积分型波形对称原理说明图 对于仅含直流分量的理想正弦周期信号而言，在计算s 时，信号a b 与d e 中的周期分量相互抵消， 使得s = s t i ，特别地，对纯正弦而言，s ，s d 均为零，在以上两种情况下，l ( s y n l 均为零；而对于励磁涌 流而言，则k 一将围绕一正值上下波动，最大可达1 4 以上，最小值也大于零。利用这个特点就可以 来识别故障和涌流。引入模糊识别的方法，设置一个出口计数器l ( d ，计数器根据不同的k m 值来取 不同的计数方式。当大于某阈值时，判为涌流，并闭锁该相。 当故障电流谐波分量较小时，采用该原理的保护出口速度还是比较快的。然而，当故障电流畸变 严重时，该方法可能存在延时出1 2 的问题。为使该方案适应超高压系统的各种复杂情况，还需要作迸 一步的研究。 4 用概率论中的协方差矩阵及相关系数来鉴别波形对称” 该原理又称波形相关法，其基本思想是：采用最大面积法，将测量到的一周波变压器差流分成两 段等时间长度的波形并由这两段波形的相关系数和方差构成鉴别励磁涌流的判据。其基本思路如图 3 4 所示。将一个周波采样信号等周期延拓一周，形成一个两周波的观察窗，在【o ，叨内逐点向后截取 半个周波的信号，并计算该波形在时间轴上投影的面积。设采样周期为每周n 点，则总共可得到n 个 面积值，取其中撮大面积对应的起点( 如图中的a 点) 作为波形比较的起点，从该点起向后截取一个 周波的采样信号，如图中的大虚线框所示。将其后半周波( 右边小虚线框内的信号，设为- “t ) ) 取反， 与前半周波( 左边小虚线框内的信号，设为x ( t ) ) 做相关分析。 o 图3 4 等周期延拓的故障电流波形 第三章变压器励磁涌流识别方法的分析与评价 相关系数p 。为； 驴舞卷 ( 3 6 ) 式中：d ( j ) ，口( y ) 分别为x ( t ) 和y ( t ) 的均方差，c o v ( x ，y ) 为x ( t ) 和y ( t ) 的协方差。 均方差反映了波形偏离平均值的程度，波形的变化率越大，幅值越大，其均方差也越大。因此， 对于故障电流有：p 。= 1 ，呱曲= 口( y ) ；对于励磁涌流则有：p 。 口( y ) 。将两者结合，可 以定义如下波形系数： j ；c o y ( x , 。y ) ( 3 - - 7 ) 仃( x ) 2 显然，对仅含直流分量的故障电流，其前半周与负后半周( 即x ( t ) 与y ( t ) ) 的波形形状是一致的， 亦即完全相关( j = 1 ) ；而对于励磁涌流，其前后半周波形的相关性较差( j 较小) ，据此可实现对励磁 涌流的判别。 由此可得鉴别故障电流和励磁涌流的判据为： ，= 髓 判为励磁涌流 判为故障电流 ( 3 8 ) 式中，。为波形比较判据的门槛值，通常取0 5 。 该原理在本质上是对涌流波形的形状、大小及其变化率等多种特征量的综合鉴别。该判据突出的 优点是短路电流在衰减非周期分量的影响下，口( z ) j ( y ) ，有利于提高保护的灵敏度。采用分相制动 的方式，