（电力系统及其自动化专业论文）大型变压器微机保护的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 a b s t r c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ep o w e r s y s t e m ，e s p e c i a l l yw i t ht h ee v o l u t i o n o ft h em o d e m m a t e r i a la n dn e wc r a f t s ，a n dt h ec a p a b i l i t yo fp o w e rt r a n s f o r m e r sb e c o m i n gl a r g e r , t h e r e q u i r e m e n t f o rt r a n s f o l m e r s p r o t e c t i o n b e c o m e sm u c h s t r i c t e r i m p r o v e m e n t o ft h e p e r f o r m a n c eo ft h et r a n s f o r i f l e r sp r o t e c t i o nj sd e p e n d e do ut h ee x t e n dt h a tp e o p l ek n o w t h e t r a n s f o r m e r s i n n e r f a u i t s s t u d y o ft h ef e a t u r eo fi n m s ha n di n t e m a lf a u l t so ft h e c r a n s f o r m e r sh e l pt oa n a l y z et h et r a n s f o r m e r s w o r k i n gs t a t e ，i m p r o v et h eo l dp r o t e c t i o n s p e r f o r m a n c ea n dd e v e l o pt h en e wp r o t e c t i o ns c h e m e t h ep a d e rf i r s t l yi n t r o d u c e st h e p r e s e n t a n df u t u r e d e v e l o p m e n t o ft r a n s f o r m e r p r o t e c t i o n f o rt h em a i np r o b l e m ，t h ed i s c r i m i n a t i o no ft h ei n m s hc u r r e n t ，t h em e t h o d s c u r r e n tu s e di ss u m m a r i z e d r o u n d l y a ne x a c tt r a n s f o r m e rm o d e li st h eb a s eo fn e wt h e o r y sr e s e a r c h 。t h i sd i s s e r t a t i o n e x p l a i n sh o w t os i m u l a t et h et r a n s i e n tp r o c e s so fe x c i t a t i o na n di n t e m a lf a u l to ft r a n s f o r m e r u s e da t eb a s eo nt h em o d e l ，t h ef a c l o t sa f f e c t i n gt h ei n r u s hc u r r e n ia r es t u d i e d ，e s p e c i a l l y t h et i m ew h e nt h eb r e a k e r sc l o s e 1 、】l ，ot y p i c a ls c h e m e so fi n m s hc u r r e n t sd i s c r i m i n a t i o n t h es e c o n dh a r m o n i cr e s t r a i n t p r i n c i p l e a n dt h ec o r r e l a t i o n a l g o r i t h m a r e a n a l y z e d t h o r o u 2 i l l yb a s e do nt h ed y n a m i cs i m u l a t i o nd a t a ，t 1 l c j rp e r f o r m a n c ej sc o m p a r e d ，a n dt h e i n n e rr e l a t i o no ft h et w o p r i n c i p l e si ss t u d i e dj nt h et h e o r y b a s e do nt h es t u d yo fd i f f e r e n t i a lp r i n c i p l ei nt r a n s f o r m e r sp r o t e c t i o nt h o r o u g l l l y , t h e p a p e ra n a l y z e dt h ec o m p r e h e n s i v ep r o t e c t i o nu s i n g b o t hv o l t a g ea n dc u r r e n ta n di n t r o d u c e d s e v e r a lt y p i c a lp r o t e c t i o ns c h e m e c o n s i d e r i n gt h ed i 艏c u l t yo ft h er e q u i r e m e n to fb o t h s e n s i t i v i t ya n dr e l i a b i l i t yf o rd i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o n as c h e m cu s i n gt h ei n n e rl o s so ft h e p o w e r i sp r o p o s e d t h es c h e m eo p e r a t e sc o m p a t i b l yw i t ht h ed i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o nt of o r m ac o m p r e h e n s i v ep r o t e c t i o ns c h e m e t h u st h er e q u i r e m e n to fs e n s i t i v i t ya sw e l la sr e l i a b i l i t y i sb o t hs a t i s f i e d k e y w o r d s ：t r a n s f o r m e r p r o t e c t i o nd i s c r i m i n a t i o no fi n r u s hc u r r e n t i n t e r t u mf a u l t i i 独创性声明 本人声明所里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，除文i | 1 已经标明引用的内容外， 木论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对 本文的研究做m 贡献的个人和集体，均已在文t - 以叨确方式标叨。本 人完全意识到木声明的法律结果1 1 ：1 术人承担。 学位论文作者签名：槽匆 日期：- 扣p 甲年f 目占日 学位论文版权使用授权二哆 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定。 即：学校有权保留并向国家有关部i 、l j 或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅希i 借阅木人授权j p | l 科技人学可以将术学位论 文的全部或部分内容编入有关数据席进行榆索，川以采川影e 1 j 、缩e i j 或扫描等复制手段保存和订：编木学位论文。 保峦口，柱 1 解密衍遥川术授权l 。 木论文属于 不保船囱。 ( 请在以上方框内打“寸) 学位论文作者签名。糟勇 日期：咖p 移年f 月苫日 指导教师签名：卅咋 f ：们： 毕年歹月日 华中科技大学硕士学位论文 1 1 引言 1绪论 电力变压器是力系统中最重要的电气设备之一，通过它来实现不同电压等级的电 网连接，进行能量变换。现代大型变压器容量大，电压等级高，在电力系统运行中的 地位非常重要，它的正常安全运行，直接关系到整个电力系统的稳定可靠工作。尽管 变压器发生内部故障的几率较发电机和输电线路少，但是一旦发生故障，其影响范围 很大，严重影响系统的稳定运行，尤其是特大型变压器，由于造价昂贵，结构复杂， 一旦发生内部故障，其检修难度大，恢复时间长。变压器保护一直受到科技工作者的 重视和关注，对于变压器本体及其保护方案的研究也r 益深入和全面。 1 2 课题的背景 随着继电保护及相关技术的发展，尤其是微处理器和数字信号处理技术的飞速发 展，继电保护装置原理、设计、制造、运行和管理水平取得了显著的进步。电力系统 继电保护作为一门工程运用学科特别注重理论与实践并重，与基础理论、新理论、 新技术和新材料的发展紧密地联系在一起，同时也与电力系统的运行和发展息息相关。 电力系统自身的发展是促进继电保护发展的内因，是继电保护发展的源泉和动力；而 相关新理论、新技术和新材料的发展则是促进继屯保护发展的外因，是电力系统继电 保护发展的客观条件和技术基础。 近十年来，我国的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 变压嚣不断投产，系统规模不断扩大。1 9 8 0 1 9 9 9 年2 2 0 k v 及以上变压器保护运行 情况如表1 1 和表1 2 i l l ： 由这些统计数据可以看出，8 0 年代变压器其平均f 确动作率为6 3 1 4 ，9 0 年代 次正确动作率为6 9 2 1 。9 0 年代比年代平均正确动作率提高了6 0 7 个百分点。 从上面的统计数据可以看到变压器保护运行情况，虽然有一定的提高，但是提高的速 度太慢。变压器保护牵涉的因素比较多，技术复杂，是- - 1 7 跨专业的技术，仅仅具有 华中科技大学硕士学位论文 表1 18 0 年代2 2 0 k v 及以上变压器保护正确动作率统计 年 总动作次数正确动作次数不止确动作次数正确动作率( ) 误动拒动 1 9 8 l1 0 26 63 6o 6 4 7 1 1 9 8 2】3 68 45 2 06 1 7 6 1 9 8 31 2 l7 73 95 6 4 7 1 1 9 8 41 4 58 35 575 7 2 4 1 9 8 51 6 61 2 34 037 4 1 0 1 9 8 61 8 8 1 2 75 566 7 5 5 1 9 8 71 9 5 1 2 16 776 2 0 5 1 9 8 81 7 39 87 325 6 6 4 1 9 8 92 1 21 2 9 7 7 66 0 8 5 总计 1 4 3 89 0 84 9 43 66 3 1 4 表1 - 29 0 年代2 2 0 k v 及以上变压器保护正确动作率统计 年总动作次数正确动作次数不正确动怍次数正确动作率( ) 误动拒动 1 9 9 02 2 71 5 96 357 0 0 0 1 9 9 l2 3 l1 7 06 lo7 3 6 0 1 9 9 22 5 51 7 08 506 6 7 0 1 9 9 32 7 31 8 8 引4 6 8 9 0 1 9 9 42 8 12 0 0 8 107 1 2 0 1 9 9 53 2 02 2 29 536 9 4 0 1 9 9 63 0 62 2 57 927 3 5 2 1 9 9 72 1 31 3 47 8l6 2 9 0 1 9 9 82 1 81 4 56 586 6 5 1 1 9 9 92 1 61 3 86 7l6 6 9 9 总计2 5 3 0 1 7 5 l7 5 52 46 9 2 l 2 华中科技大学硕士学位论文 一定继电保护知识的技术人员，很难在变压器保护领域有所创新和突破。 变压器保护误动作的原因是多方面的，有运行和维护管理方面的责任，有制造部 门的责任，有设计部门、基建部门的责任等等。其中运行维护管理方面的责任造成变 压器保护不正确动作的比例达到4 8 6 5 ，其次是制造部门责任和原因不明的责任， 分别达到2 0 6 7 和1 2 0 7 。由此可见，一方面变压器由于工作原理复杂，给运行维 护带来了困难，另一方面，保护本身还存在着缺陷，新型的保护方案有待进一步研究。 随着科学技术的发展，广泛的信息交流，为变压器保护新原理装置的开发与研究开 辟了更加广阔的天地。计算机技术的发展和应用给保护提供了功能更强大的平台，使 许多以前受硬件限制的保护原理也得到了广泛的应用，大大的提高了变压器保护的整 体性能。同时各种新型的数学理论也被用于变压器保护，例如小波分析，模糊数学， 神经网络，专家系统等等。 同时微机技术在原有的基础上，通过长期的实践和技术培训整体技术水平、运行水 平会不断地得到提高。这些都将促进着变压器保护性能的不断完善和提高。 1 3 变压器保护的研究现状和发展趋势 1 3 1 变压器保护的历史及现状 差动保护一直是电力变压器的主保护方案之一，差动保护以其原理简单，实现方 便而长期以来受到保护工作者的关注。1 9 3 1 年，r e c o r d r a y 提出变压器的比率差动 保护，标志着差动保护作为变压器主保护时代的到来，随后的时间里，许多学者对差 动保护在变压器保护中的应用做了深入的研究。为了解决技术上的难题即如何将变压 器的励磁涌流与内部故障区分出来，起初，差动保护靠通过延时来躲开变压器的励磁 涌流，因而保护的速动性无法得到满足，为此励磁涌流的研究成为了变压器保护的又 一个重点。1 9 5 8 年，r l s h a r p 、w e g l a s s b u r n 提出了利用二次谐波鉴别变压器励 磁涌流的方案，并在模拟式保护中得到实现，同时作者还提出了差动速动的方案。至 此，变压器主保护中的谐波制动式差动保护基本定型，即以差动速动、比率差动，二 次谐波制动来构成整个谐波制动式保护的主体，并一直延续至今。但是由于变压器本 身的特殊性，差动保护在变压器保护上面的运用存在着很多特点及困难，需要辅助判 据来帮助判别。 华中科技大学硕士学位论文 当变压器过励磁运行时，励磁电流可能大于变压器额定电流的水平，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， 目前为使差动保护不误动采用的励磁涌流制动判据还不够完善。 变压器差动保护应能反映高、低压绕组的匝问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映高压侧( 中 性点直接接地系统) 经高阻接地的单相短路，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，从功能上说，变 压器差动保护主要包含两个部分：一是鉴别励磁涌流和内部故障电流；二是区分外部 故障和内部故障部分。 现场长期的运行的统计资料表明差动保护是能够准确地区分区内和区外故障的， 因此当前变压器差动保护的主要矛盾仍集中在鉴别励磁涌流和内部故障电流。近十多 年来，国内外许多学者致力于变压器继电保护的研究，提出了不少判别励磁涌流的新 原理和新方法。总结前人的工作，按照判别励磁涌流所用信号特征，将其分为以下四 类： ( 1 ) 电流波形判别法 这类鉴别方法根据变压器在励磁涌流和内部故障时，羞动电流波形所具有的不同 特征来区分是内部故障还是励磁涌流的方法，是目前得到广泛应用的一类方法。具体的 方法有如下几种： 谐波制动原理【2 踟。利用变压器发生励磁涌流时，产生的差流波形中含有较大 的偶次谐波分量，通过检测差动电流中的二次谐波含量或者偶次谐波含量是否 大于某一个阈值来鉴别励磁涌流。为了弥补单一的谐波制动的不足，文献f 3 l 提出了一种低电压加速判据，动模实验表明该方法可以有效的克服内部故障的 误闭锁问题。 波形间断角原理【4 j 。利用变压器发生励磁涌流时，励磁电流将有较宽的区间接 近于零这一特征通过检测电流波形过零的角度范围来进行检测。 华中科技大学硕士学位论文 波形对称原理嘲。对差流波形的采样点与其延后半波对应的采样点进行分析， 由于变压器的饱和特性，使得变压器励磁涌流波形的前半周和后半周很不对 称，而变压器内部故障时波形为正弦波，在消除了衰减非周期分量的影响后( 实 际中将差流微分) ，前后半波基本对称。利用这一点可将励磁涌流和故障波形区 分出来。 波形相关法原理嘲【7 】。理论根据和波形对称原理相同，也是利用变压器励磁涌 流波形的前半周和后半周很不对称，通过比较变压器异常时电流波形一个周期 内前后半波的相似程度，利用计算前后半波的修正相关系数进行鉴别。 小波变换方法 8 11 9 1 ：此类方法及其实质是谐波制动原理的另一种表现。小波变 换的优势在有自适应的时间窗和频率窗的特性，可得到信号在不同时刻不同频 带上的表现。由于涌流时伴随着严重的磁饱和过程，使得其波形中含有大量的 谐波分量，而故障时由于电压降低，磁饱和程度相对较低，因而两者在高频部 分的表现会不同。但这种区别运用常规的滤波算法无法区分，用小波分析则可 以将这种差异放大，达到鉴别的目的。 ( 2 ) 磁通特性识别法 变压器铁芯中的磁通是表征变压器饱和的一个重要物理量，因此如何利用磁通量 进行鉴别励磁涌流是一个比较活跃的研究方向，以下介绍其中一个典型的方法【1 0 j 。 该方法是利用变压器的磁通对电流的变化关系d 西讲构成保护判据的。在变压器 正常运行时，磁通对电流的导数a , d a i 一直较大，变压器在励磁涌流状态时，由于变 压器交替工作在磁化曲线的饱和段和非饱和段上，所以a 中d i 的大小是变化的，而变 压器内部故障时，a 唾, a l 要比正常时数值小，因此，可以利用这些特点判定变压器的 工作状态。这种方案的特点是实时计算负担比较小，可以取消二次谐波判据，检测内 部故障的速度也比较快，可以在2 3 到3 2 个周波内做完涌流判别并保证保护出口，但 也存在以下不足：需要用到具体变压器的磁化曲线及漏抗参数，这些参数可能测量 不准或发生变化对励磁涌流的鉴别产生不利的影响；在d 中班d i 平面上确定故障区 和涌流区的位置可能遇到困难。特别是内部轻微故障时，由于差流较小，端口电压维 持较高，d 中d i 较大，这样必然要求故障区相当大，甚至可能与涌流区重合；门槛 华中科技大学硕士学位论文 值需要通过实验确定，从而增加了保护整定的复杂性。 ( 3 1 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【”l 。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故障，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z 。 1 0 0 。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5 1 0 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 的间断角区间，z 。则变的相当大，因此在励磁涌流时期，z 。的最大值与最小值可能 相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。 文献1 12 】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： 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；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：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。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，也与内部匝间短路数无关。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。 华中科技大学硕士学位论文 1 3 2 变压器保护的发展趋势 随着计算机技术的飞速发展以及新的信号处理技术在电力系统保护中的广泛应 用，新的保护原理和方案不断的应用到计算机继电保护中，从8 0 年代至今，不少学者 把模糊理论、人工神经网络、自适应理论、专家系统等技术引入到电力系统中，为电 力系统继电保护的发展开辟了新的方向。 ( 1 ) 模糊数学和模糊集理论在变压器保护中的应用 经典数学的突出特点是其精确性，在此基础上建立的逻辑推理就是我们在继电保 护中判别故障常用的推理形式，然而，在继电保护领域和其它学科中，还客观存在着 另一类不便于用精确值来表征的现象即模糊现象，这一类现象必须用模糊数学的理论 来进行计算和分析。模糊数学并不是要将数学变成模模糊糊的东西，而是要将数学引 入模糊现象这个领域，用严格的数学方法研究和处理模糊现象。模糊数学的核心思想 就是要用数学手段，仿效人脑思维，对复杂事物进行模糊度量，模糊识别，模糊推理， 模糊控制和模糊决策。以继电保护为例，应用了模糊数学后，并不是要使输出的跳闸 命令变得含含糊糊，而是要利用模糊数学的理论和方法，对输入的各电气量、开关量 等信息更有效地进行综合决策，从而得出更加精确和符合实际情况的输出。 将模糊数学引入变压器差动保护的研究中f 1 3 l 【，其基本思想都是将多个输入量及 相关保护判据给予不同置信度，然后通过模糊推理得到最终的跳闸决策。例如对变压 器励磁涌流的识别，文献【13 】可以将差动电流的二次谐波含量，变压器端电压水平， 差流波形对称性等几种常用判据根据实际情况分别置于不同的置信度，然后综合判别， 从而提高涌流识别的可靠性。 f 2 1 自适应技术在保护中的应用 自适应继电保护是一种根据电力系统运行方式和故障状态的变化而实时改变保护 性能、特性或整定值的保护。电力系统在运行过程中，其状态、参数及网络结构会随 着运行方式的改变而变化。传统的继电保护为了达到这个要求，往往采用抬高整定值、 增加闭锁判据等措施。 在变压器的主保护中。自适应原理也得到了很好的应用【1 5 l 【1 6 】。例如常用的比率制 动式差动保护，就是在普通的纵差保护的原理上，增加自适应功能，自动调节保护的 动作电流，因此可以保证外部故障不误动，同时对于内部故障又有较高的灵敏度。文 献 1 5 1 使用这种原理实现了实时检测变压器两侧的电压，自动跟踪调整电流变换系数， 华中科技大学硕士学位论文 减小穿越电流引起的不平衡量，提高差动保护的灵敏度，在加电检测试验中自动检测 差流大小，相应地通过软件调整ct 极性，既避免了装嚣误动，又免去了现场校对和 改线的烦琐工作，最后作者提出了两种校对零序差动保护ct 接线的方案。文献 1 6 】 提出了一种自适应变压器差动保护方案，首先检测变压器的工作状态：正常运行或者 空载合闸，对于正常运行状态，利用一个二阶或者三阶的卡尔曼滤波模型来估计变压 器的运行情况，如果变压器处在空载合闸过程，则算法将针对差流中的励磁涌流，采 用一个5 阶的卡尔曼滤波模型来估计差流中的直流、基波和二次谐波成分，然后再判 断是否合闸于故障。同时，c t 变比和调压分接头的具体信息也被确定并加以考虑，使 算法更具灵活性，适应能力更强。 ( 3 ) 小波分析在变压器保护中的应用 小波分析是八十年代后期才真正兴起的一种新型时频变换理论，它与传统的傅立 叶变换最大的不同在于给待处理信号加上了一个自适应时频窗口，根据信号频率高低 自动调整窗1 3 的大小，以确保捕捉到信号中希望获得的有用信息。同时小波变换非常 适合分析信号的突变过程，又较传统的微分算子具有更为优越的抗干扰能力，因此， 是一种检测突发性故障的良好工具1 8 1 嘲。 由于变压器铁芯的高度非线性特征，导致励磁涌流波形出现明显的突变特征，利 用二进小波变换可以有效地检测这个突变，可以获得优良的差动保护动作性能。文献 【8 】提出了一种识别变压器励磁涌流的方法，通过小波变换以后的多尺度比较和计算可 以得到代表变压器涌流的显著判据特征，这个方法可以在小于5m s 的时间内判定出 励磁涌流。【9 】利f f j , j , 波理论进行涌流特征提取，通过小波变换的模局部极大值的特性提 取励磁涌流的间断角特征，在此基础上定性地区分励磁涌流和短路电流。先对输入的 c t 二次波形进行小波变换，如果存在相邻模极大值同号的现象，则此时为对称性涌流， 将该相闭锁；如果没有相邻模极大值同号的现象，则把输入电流差分再次进行小波变换， 如果存在相邻模极大值同号的现象，则此时输入的是非对称性涌流，将该相闭锁。 ( 4 ) 人工神经网络在保护中的应用 人工神经网络( a n n ) 在继电保护领域中的应用是目前很活跃的方向之一。人 工神经网络是由众多神经元广泛互联而成的网络，信息存储体现在神经元之间的连接 权上。存储区与操作区台二为一，a n n 具有高度并行计算能力以及极强的自适应性、 鲁棒性和容错性。利用a n n 的并行计算能力，可以实时实现常规保护难以作到的最 华中科技大学硕士学位论文 优算法；利用a n n 的并行处理和近似推理，可以实现对电力系统运行方式和故障类 型的准确诊断和识别：而a n n 的高度容错能力可以使继电保护具有更高的可靠性。 文献 1 7 提出用人工神经网络在变压器保护中的实现方案，该文采用b p 型前 馈神经网络作为一个涌流鉴别模块，通过对电流波形的识别来区分励磁涌流和故障电 流。文中通过比较和传统差动算法的区别，发现在c t 饱和的情况下，基于该神经网 络的方法更加有效。 1 4 本论文主要工作 本文在分析了现有的变压器故障仿真和变压器保护的基础上，建立了变压器的电 磁暂态模型，对变压器励磁涌流和匝间短路故障的暂态过程进行了仿真，分析了目前 变压器保护中常用的二次谐波制动和间断角原理之间的不足，重点研究了涌流识别的 新原理。然后发展了一种基于损耗功率的变压器主保护方案，最后在具体的保护装置 上实现了变压器保护的主要算法，详细介绍了保护装置的软硬件方案。 论文的具体章节安排如下： 第一章绪论介绍变压器保护的发展与现状，并对目前的变压器励磁涌流识别方 法做出了总结。 第二章变压器模型的建立主要分析了变压器的仿真现状和介绍基于a t p 的变压 器仿真模型的建立。 第三章变压器励磁涌流的研究阐述了励磁涌流产生的机理和三相断路器合闸时 间对励磁涌流的影响。详细讨论了两种典型的励磁涌流方案，比较了这两种励磁涌流 算法性能和内在联系。 第四章分析了差动保护在变压嚣上的困难，介绍了几种同时利用电压电流量的保 护方案，针对了差动保护在同时满足区外故障可靠性和区内匝间故障的灵敏度的矛盾， 提出了一种利用变压器内部有功功率损耗和无功功率损耗比值的新方法。 第五章微机变压器保护装置的硬件构成和保护配置。 华中科技大学硕士学位论文 2 1 引言 2 变压器保护的仿真研究 随着大容量变压器的应用日益增多，对变压器保护的可靠性，快速性提出了更高 的要求。无论是常规的模拟式保护，还是现在的微机保护，实际运行的正确动作率还 比较低，变压器保护的改进还需要广大电力工作者的进一步努力。而变压器保护新原 理的研究需要对变压器在励磁涌流及各种故障条件下的各个电气量做深入分析。在目 前的变压器保护中，励磁涌流的判别仍是一个关键问题n 聊。 对于励磁涌流，需要掌握与了解各种波形特征及其与初始条件之间的关系，以便 得到新原理的可靠性指标；对于变压器内部故障，则主要分析其在轻微故障( 如变压器 小匝数匝间短路或经高阻单相接地) 时各电气量的大小，以便考察新原理的灵敏性。同 时，由于变压器差动保护速动性的要求，使得用于差动保护的各电气量一般处于故障 或涌流的暂态过程中，暂态响应对新原理的影响也是个需要分析的问题。为此，对 变压器励磁涌流和内部故障做系统的仿真计算对于变压器保护新原理的研究而言是十 分必要的。本章从这个角度出发，对变压器保护的仿真研究做一些探讨。 2 2 电力变压器仿真研究的现状 在电磁暂态计算中，变压器是较难模拟的器件之一。其复杂性在于，它不仅是一 个多相的耦合性元件，而且是一个具有磁滞效应的饱和性电感元件。如果计算快速暂 态过程及变压器的杂散电容时，它还是一个与频率有关的元件。早期出现的t 型等值 电路模型、理想变压器模型、“饱和变压器元件”、以及“准非线性磁滞电抗”等模型 只能较准确地描述变压器的某一特性，很难满足各种暂态计算的需要。 2 2 1 电力变压器励磁涌流仿真研究的基本理论及现状 变压器模型可分为磁路模型和电路模型两部分，变压器暂态仿真可以从磁路的角 度和电路的角度来综合考虑，在变压器励磁涌流的仿真中，所用到的变压器模型是建 立在磁滞回环基础上的电路模型，变压器两线圈之间磁的联系是通过磁滞回环来体现 华中科技大学硕士学位论文 的，因此，变压器暂态过程仿真的核心问题是如何处理变压器铁心的磁滞回环问题。 电磁式电力变压器是基于电磁感应原理的，通过磁场把一次和二次线圈联系在一起， 二次线圈电流在铁芯中产生的磁场无时无刻不在抵消一次线圈电流在铁心中产生的磁 场。铁磁材料在磁化过程中存在饱和效应，磁滞效应和涡流效应，这样使得二次系统 不可能完全真实的反映一次系统，必然存在一定的误差和失真。理论上，磁滞过程是 一个静态磁化的过程，与励磁的频率无关( 即与励磁波形无关) ，而只与励磁最大值有 关。 铁芯在对称的周期性励磁电流作用下，磁化轨迹为对称的主磁滞回环。主磁滞回 环模型的建立是铁心动态磁化计算模型的基础和关键。文献【19 】用反正切函数来拟合 铁磁材料主磁滞回环的上、下分支，待定格式为b = a h + b t g 。1 【( h + c ) ，d 1 。h 是磁场长度， 为自变量：8 是磁感应强度，为因变量；a 、b 、c 、d 是待定系数。主磁滞回环的上升、 下降分支是强非线性的，仅依靠这四个参数来描述，精度不够。 铁芯在不对称的交变励磁电流的作用下，磁化轨迹为不对称的磁滞回环，即次磁 滞回环。次磁滞回环按生成次序及大小成为一阶次磁滞回环、二阶次磁滞回环。 次磁滞回环的形状、大小、位置直接关系到励磁电流的波形，故次磁滞回环的精确描 述也是暂态建模的核心之一。对不同的导磁次材料，人们通过实验的除了动态磁化过 程的一个统计规律，即对于同一材料，此磁滞回环与主磁滞回环是同一类型的轨迹。 正是基于主磁滞回环合与次磁滞回环之间的相似性，人们采用压缩主磁滞回环生成次 磁滞回环的方法。 在假定主磁滞回环和次磁滞回环之问的位移为线性的前提下，由主磁滞回环生成 相应的次磁滞回环，这种建模思想目前已为大多数学者所采用。文献【2 0 j 的模型较好 的模拟了局部磁滞回环，这一算法已被b p a 加入到电力系统电磁暂态计算程序 e m t p a t p 中，得到了广泛的应用。 2 2 2 电力变压器匝问短路故障仿真研究的现状 电力变压器是通过磁场把一次线圈和二次线圈联系在一起的一个强非线性物理模 型。对变压器进行计算分析，可以从“场”和“路”的观点来进行分析。前者主要是 利用限元分析方法对变压器整体建立整个空间的联立方程组，利用边界条件求解，算 法十分复杂。 华中科技大学硕士学位论文 基于“路”的方法更适合于继电保护的应用。根据变压器的一些特征建立了变 压器的简化模型，虽然不能精确模拟变压器，但易于与电力系统的其他元件联合起来 进行仿真计算。其主要有e m t p 使用的饱和变压器模型、耦合支路表示模型和几何模 型，前两个模型需要给定变压器的漏抗、铜损电阻、铁损电阻和磁化电抗；几何模型 需要给定变压器的漏抗、铁芯的几何尺寸和磁材料特性。这三个模型用于单相变压器 区别不大，用于三相变压器时，后两个模型还需要给定一个表示各相间电感耦合的系 数，文献【2 1 1 对上面模型的暂态仿真结果作了对比。由于这三个模型中都不包含杂散 电容，因而都是低频的暂态仿真模型，其使用的频段为几千赫兹。为了适合于电力系 统或变电站的电磁暂态分析的需要，同时保持变压器模型较高的精度，r c d e g e n e f f 和p j m c k e n n y 采用了另一种思路，即对变压器暂态仿真等值电路进行网络化简，然 后将其等效网络与系统中其他元件联合起来，利用e m t p 进行暂态分析1 2 2 1 。 总之，只有建立更加精确的变压器暂态模型，透彻的了解变压器在短路故障时的 暂态过程，才能发展更适合变压器保护的新原理，提高变压器保护动作的速度和灵敏 性。 2 3 基于a t p 变压器仿真模型的研究 2 3 1 a t p 仿真软件的介绍 a t p 程序( t h ea l t e m a t i v et r a n s i e n t sp r o g r a m ) 是目前世界上电磁暂态分析程序 ( e m t p ) 最广泛使用的一个版本，其基本功能是进行电力系统仿真计算，典型的应用是 预测电力系统在某个扰动( 如开关投切或故障) 之后感兴趣的变量随时间变化的规律。 这对于继电保护新原理的研究而吉是十分必要的。 目前p c 机上流行的a t p 版本有两种，一种是s a l f o r d a t p e m t p ，另一种是w a t c o m a t p e m t p 。s a l f o r da t p e m t p 可以在m s d o s 、w i n d o w3 x 、w i l l 9 5 9 8 下运行， 但需要一个叫做d b o s 的d o s 扩展器被包含在程序盘中。s a l f o r da t p - e m t p 只能在 单任务系统中运行，占有了计算机的所有资源。 w a t c o m 册，e m t p 是一个真正的3 2 位w i n d o w s 应用程序，可以在w i n 9 5 ，n t 下 运行，其完全基于w i n d o w s 的窗口操作十分方便，提供了基于w i n d o w s 的图形输入程 序a t p d r a w ，作为a t p 的前处理程序。用户只需在其图形化的元件库中选取相应的元 华中科技大学硕士学位论文 件，并在其提供的表格中填写对应的模型参数，就可快速生成a t p 的数据输入文件， 而不需像以前那样需按固定的格式填写数据卡。基于此，本文采用的版本是w a t c o m a t p e m t p 的w i n d o w sv e r s i o n3 7 p 2 。 应用a t p 程序对系统进行仿真计算，其基本步骤是先从a t p 元件库中正确选 取所需的数学模型，并按希望计算的系统构造出对应的系统模型，填写好相应的参数， 在完成以上步骤之后，便可以根据所需加入扰动，以便由a t p 计算出扰动后的暂态过 程。 本文使用的a t p 包含如下元件： 简单集中参数的电阻r ，电感l 和电容c 非线性元件( 非线性电阻，非线性电感等) 架空线路( k c l e e ，j m a r t i ，s e m l y e n ) 饱和变压器模型 可控开关 电压和电流源，除了标准的数学函数波形外，用户还可以用f o r t r a n 或1 a c s 来定义波形。 动态旋转电机，除了模拟最常用的三相同步电机外，还可以模拟单相，两相和三 相感应电机和直流电机，它与t a c s 控制系统模型相连接，可模拟电压调节器和 调速器等动态过程。 t a c s ( 1 r a n s l e n ta n a l y s i s o fc o n t r o ls y s t e m ) ，控制系统，用来实现不同种类的 非线形和逻辑运算，控制系统的输入和输出可以和e m t p 的电网络接口，以模拟 各种闭环控制，如线路保护的重合闸过程。 提供的支持程序： x f o p 3 h e r ( 单相变压器参数矩阵的计算) b c t r a n ( 多相变压器参数矩阵的计算) s a t u r a t l 0 n ( 用于磁饱和计算) h y s t e r e s i s ( 用于剩磁和计算) z n of i t t e r ( 避雷器模型的建立) n e t e q v ( 耦合r l 元件的参数计算) l i n ec o n s t a n t s ( 架空线模型矩阵的输出) 华中科技大学硕士学位论文 c a b l ec o n s t a n t s ( 电缆架空线模型矩阵的输出) j m a r t is e t u p ，s e m l y e ns e t u p ( 架空线路多种模型的计算) 在a t p d r a w 的3 7 p 2 版本中，这些支持程序被包装成可以直接使用的模型，可以 直接加入，自动生成中间转换文件和最后的数据卡。 2 3 2 基于 t p 变压器励磁涌流仿真模型的建立 a t p 元件库提供了一下几种变压器模型：理想单相三相变压器，考虑饱和特性的 单相三相变压器，考虑饱和特性的三相y y 单级电抗特性变压器和基于b c t r a n 的变压 器模型。在这几种模型中b c t e 4 n 考虑的最为详细，对于三相变压器模型，无论是芯式 还是壳式变压器以及各种连接方式此模型都能模拟。同时，该模型考虑了变压器的激磁 损耗，但仍然忽略杂散电容的影响。其有效频率为o h z ( 直流) 2 k h z 。其确定是采用 简化的磁滞回线，对于变压器铁芯饱和效应的模拟，仍然需要在端部添加非线性电感元 件来模拟出完整的磁滞回线。 由于b c t r a n 模型在处理时需要使用导纳符号，励磁电流靠近零就有可能使迭代过 程出现奇异现象，这样使用 r 卜 礼 矩阵则变压器的激磁电流不能取为靠近零的数值， 因此b c t r a n 也提供了使用 a 卜 r 矩阵来表示耦合的线性变压器，则不受励磁电流大 小的限制i 矧， a t p 中变压器模型的饱和效应的体现必须通过添加非线性电抗元件来实现。理想 情况下，非线性电抗元件应接在线性变压器等值电路的端部节点上，同时该节点电压 的积分要等于变压器铁芯中的磁通。实际运用中， 2 3 推荐可认为最靠近变压器铁芯 的绕组中的磁通为铁芯磁通，因为该绕组的漏磁取较小值，这与实际情况是相符合的。 因此。考虑到实际情况，低压侧线圈一般更靠近铁心，本文将非线性电抗元件加到低 压侧线圈端来模拟饱和效应。 本文采用a t p 建立的变压器励磁涌流仿真系统模型如下，b c t r a n 作为一个模型， a t p d r a w 在其转换的数据卡中直接生成a r 矩阵或者r l 矩阵。 14 华中科技大学硕士学位论文 图2 1变压器励磁涌流仿真模犁图 _ i i i z 。弭 ，、l ， 八i 。 1 么夕 ( a ) 磁滞同线特性曲线( h ) 等值电路 图2 2 变压器铁芯磁滞特性曲线及等值电路 模型中采用的非线性电抗元件是l 9 6 型带饱和磁滞效应的电抗，用户可以方便的 将其励磁回线数据直接或者通过文件输入进去。在a t p 中l 9 6 型是采用组合电路来实 现，具体的做法如下： 通过实验得到变压器的基本磁化曲线，本文中的基本磁化曲线由文献 2 4 得到，然 后用一非线性电感的磁通特性来代表这条基本磁化曲线。为模拟磁滞效应，采用在非 线性电感旁并联电阻的方法，此电阻的大小可由磁滞回环的宽度计算得到。在仿真 中就可以根据非线性电抗元件的剩磁来模拟变压器合闸时的铁心剩磁。 基于a t p 的变压器仿真计算的另一重点在于正确填写各变压器参数。本文选取的 变压器为三相两绕组芯式变压器，其高压绕组为星型接法且中性点接地，低压绕组为 三角型接法，偏移角为1 5 0 。，额定容量、短路试验数据和空载试验数据如下1 2 4 】： s r = 7 5 0 m v a ( 额定功率) u ，1 = 4 2 0 k vu ，2 = 2 7 k v ( 额定电压) u s h = o 1 6 3 ( 短路电压)p s h = 1 4 2 5 k w ( 短路损耗) l 。x c - - o 1 3 2 ( 空载电流) p 。= 3 1 1 k w ( 空载损耗) 上图是主要是针对变压器的励磁涌流、内部端口故障和外部故障的模型。对于目 前变压器常见的匝间短路和匝地短路故障，a t p 没有提供可以直接使用的模型，但是 可以通过直接修改b c t r a n 生成的矩阵来进行仿真1 2 5 l 2 6 1 。 华中科技大学硕士学位论文 2 3 3 变压器内部匝问及匝地短路的仿真研究 目前超高压系统中的变压器大都采用三个单相变压器来构成一个三相变压器，这