（电力系统及其自动化专业论文）新型变压器差动保护原理的研究.pdf

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： 赶垫：日期：垫丝w 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： 盔垂盈：导师签名：王：塾型兰日期：! ：y 摘要 摘要 电力变压器是电力系统的重要设备，它的安全运行与否直接关系到电力系统能否连续稳定地工 作。差动保护具有实现简单，能够准确区分区内外故障的优势，因而广泛应用于变压器保护中。 将差动保护应用于变压器，一方面需要正确识别励磁涌流和躲避不平衡电流，另一方面又要求 能反应具有流出电流性质的轻微内部故障。但灵敏度和可靠性相互制约，提高一种特性往往以损害 另一种特性为代价。在不牺牲灵敏度的情况下，提高外部故障的可靠性是变压器差动保护所面临的 一大问题。 本文建立了电流互感器的仿真模型，通过理论和仿真实验分析了电流互感器的饱和特性，特别 是不同二次负载情况下的稳态饱和特性和暂态饱和特性，为新算法的提出奠定基础。本文突破传统 差动电流- 制动电流平面，在复平面上详细分析了各种常用制动原理的变压器差动保护动作特性。进 而，从分析传统变压器差动保护抗c t 饱和性能和灵敏度入手，提出了一种幅值相位分别反映的新 型变压器差动保护算法。新算法通过幅值和相角两个比较式共同作用，突破了单一比较式难以兼顾 灵敏性和安全性的局限。其中相角比较式采用类似于标积制动原理的形式，在其高灵敏度的基础上， 本文进一步提高了算法对内部轻微故障的灵敏度。算法引入了分段的思想，可以兼顾严重故障时的 抗c t 饱和能力。 文中分别在差动电流一制动电流平面和复平面上理论分析了新算法的特性；并用仿真工具对比验 证了新算法和三折线比例制动算法在区内外各种故障时的表现。理论分析及仿真结果表明，新算法 具有更好的内部故障灵敏度和外部故障抗c t 饱和能力。 关键词：变压器差动保护标积制动c t 饱和灵敏度复平面分析 a b s t r a c t a b s t r a c t p o w e r 灯粕s f o m e ri so n eo f t l l em o s ti m p o r t a n te i e m e n t s ，m e 鼢f eo p e r a t i o no f w h i c hh 勰g r e a te 行e c t s 0 nm er e l i a b i l i 够锄dr e g u l 盯n | n n i l l go fn l ep o w e rs y s t e m c u l l r td i 行柏l t i a lp r o t e c t i o ni sw i l d l yu s e d 勰 n 锄s f o m e rm a i l lp r o t e c t i ，w i n ln l ea d v 锄位喀e so fs i i i l p l i c 时o f0 p e m t i o n 锄dt h ea b i l i t yt oc l e 棚y d i s c 砸i 1 1 a t ei n e m a la n de x t c 疆m lf - a u l t s t 0b ea p p l i e dt o 咖s f o 肿e r s ，d i 仃e r 饥t i a lp n o t e c t i d o e sn o t0 n l yn e c dd i s t i i l g u i s h i i l gm a 印舐z 崦 i l l r u 曲c u r r e n t sc o r r e c t l ya n da v o i d i l l gu n b a i 孤c c dc l l r r e n t s ，b u ta l s 0n e e d sr e f l e c t i n gs l i g h ti i l t e r r m lf a u l t s h o w e v o w i i l gt 0t i l em u t u a lr e s 嘶c t i o no fs e i l s i t i v 毋柚dr e l i a b i l i 啦i i i l p r 0 v i i l go n eo ft 1 1 锄i s 吣u a l l ya t 廿l ec o s to fs 砌讴c i l l g 吐l eo t l l 既1 1 1 em a i l lp r o b l 锄f a c e db y 咖s f o m e rd i 脑e n t i a l o t e c t i 傩i st o e i l i l 锄c em er e l i a b i l 埘矗e x t e h l a lf i m l t sw i t h o u ts 锄s i t i v 时f i 妇啪a l 矗m i t s 鼢硎f i c e d t h i s l e s i sc o n 咖c t st l l ed i g h ls i i i l u l a t i o nm o d e lo fc t 柚d 锄l y 勰sm es a n l r a t i o nc h a m c t e r i s t i c s b a d n l e o 巧锄ds i l i l u l a t i o i l ，e s p e c i a l l ym ec h 矾i 曲斑s t i c so fs t d y 锄d 咖s i ts 砷j 豫t i o nt 0d i 仃e d t s e c o n d a 秽l o a d s ，w h i c hl a y s af o u n d a t i o nf 0 r 廿l ep r o p o s a lo fn e wa i g o r i t l l m t bo v e r c 伽et 量l e s h o r t c o m i n g so f 仃a d i t i o n a ld i 仃i e r e n t i a lc m t 即t sv s r e s 仃a i r l tc m t _ t sp l 锄e ，t l l em e s i s 锄a l y z e sn l e o p e m t i l l gc h a m c t 丽s t i c so fc o m m o n 臼彻s f 0 册e rd i 疗e l i t i a i ”) t e c t i o nw i mv 撕o u sr e 舳mp 血c i p l e si i l c o m p l e xp l a n e n 吼w i m l e 觚a l y s i so f 觚d i t i o n a l 昀1 1 s f o 珊盯d i 行e 姗t i a lp r o t e c t i o n 锄t i c t 翰：t l l m t i o n p e 渤加锄c e 锄di t sa l g o r i t h i i ls 饥s i t i v i 吼n l et l l e s i sp r o p 0 辩san o v e l 嘶s f 0 】1 t l e rd i 行e r e i l t i a lp r o t e c t i o n a l g o l j n l mr e f l e c t i i l g 锄p l i t u d ea n dp h a 锄g l er e s p e 吼i v e l y t h en e wa l g o r i l ma d o p t st w dc o m p a r i s o n f o l 胁u l a sa c c o r d i n gt o 锄p l i t u d e 锄dp h 勰e 褫g l er 髂p e c t i v e l y ，t oo v e r c o m et h e ec 鲫p 撕s o nf o 衄u l a l i l i l i 协t i n ep h a 锄g l er e s 吼缸t a i l 【e saf o mo fs i i l l i l a rs c a l 盯p r o d u c t 陀s 妇i i l t ，肌db a d t l l e s s i t i v 咄n l et l e s i s 缸i l l e ri m p r o v e s 吐l e 矾甜s 饥s i t i v 毋f o rs l i 出硫锄a if a u l t s 1 1 1 ei d o f 吼l b s e c t i o ni sa l s o 劬丁0 血c e dt o l ea l g o r i n l lt oe i l l l 锄c ei t sa m i c ts a n i m t i p 加a n d 晌gs 硎。吣 f a u l t s t h ec r i t e r i c h 觚衙刚s t i ci s 觚a l y z e db o t hi i ld i 疏r e n t i a lc u 爪m t sv s 他舳c u r 删1 t sp l 锄e 明d c o m p l e xp l a n e ，锄dt i l en o v e l 翻t e r i o np e r f - 0 m 柚c ed m j n gd i n e r e m 访t e m a l 锄de x t 锄a lf a u l t si s c o m p a r e dw 弛吐l a to ft r i p l e b i 勰d i 艉r e n t i a lp r o t e c t i i i lu l es i m u i a t i 1 1 1 e o r e t i l 狮a l y s i s 锄d s i i i l u l a t i r e s u l t si i l d i 钯廿l a t 廿l en o v e lc r i t 硎o nl l a st l i g h e rs e n s i t i v i t ) ，d u 血gi i i t e m a lf a u l t s 觚db e t t 盱 觚t i c ts a t u 髓t i o np e r f o 肌a n c ed u 血ge ) c t e m a if a u l t s k e y w o r d ：咖l s f 研m e rd i f 晌t i a lp r o t e c t i o n ；s c a l 盯p r o d u c t 蜘i l l t ；c t 鼢t u r a t i o n ；s s i t i v i t y ； c o m p l e xp l 锄e 锄a l y s i s 目录 目录 摘要i a b 姗c t i i 目录i i i 第一章绪论l 1 1 弓l 言l 1 2 课题研究背景和意义1 1 3 影响变压器差动保护动作特性的主要因素2 1 3 1 变压器本身的因素2 1 3 2 电流互感器的因素3 1 3 3 数字滤波算法的因素3 1 4 变压器差动保护研究现状3 1 4 1 变压器比率制动算法研究现状3 1 4 2 变压器励磁涌流鉴别方法研究现状4 1 4 3 电流互感器饱和判别方法研究现状5 1 5 本文主要内容。5 第二章传统变压器差动保护原理7 2 1 差动保护基本原理7 2 2 变压器差动保护的基本原理7 2 3 变压器差动保护的接线方式8 2 4 变压器差动保护的转角方式l o 2 5 不同制动原理的变压器差动保护判据1 2 2 5 1 变压器差动保护的制动特性。：1 2 2 5 2 比率制动式和标积制动式变压器差动保护原理及其对应关系1 3 2 5 2 1 比率制动原理。l3 2 5 2 2 标积制动原理。1 4 2 5 2 3 比率制动原理同标积制动原理的对应关系1 4 2 5 2 4 新型标积制动原理1 6 2 6 本章小结1 7 第三章电流互感器特性及仿真一l8 3 1 引言l8 3 2 电流互感器的等值电路1 8 3 3 电流互感器的误差定义及准确特性1 9 3 3 1 电流互感器误差定义1 9 3 3 2p 和p r 类电流互感器的准确特性2 0 3 4 电流互感器饱和特性2 0 3 4 1 电流互感器磁化特性曲线2 0 3 4 2 影响电流互感器饱和的因素：2 l 3 4 3 电流互感器稳态饱和特性2 2 3 4 4 电流互感器暂态饱和特性2 3 3 4 4 1 饱和磁通小于稳态周期分量磁通2 3 3 4 4 2 饱和磁通大于稳态周期分量磁通2 4 m 目录 3 5 电流互感器饱和特性仿真2 4 3 5 1 电流互感器仿真模型2 4 3 5 2 仿真结果2 5 3 5 2 1 电流互感器稳态饱和仿真2 5 3 5 2 1 电流互感器暂态饱和仿真2 6 3 6 本章小结2 8 第四章幅值相位双判据变压器差动保护算法2 9 4 1 引言2 9 4 2 电流差动保护复平面分析法2 9 4 2 1 复平面的定义2 9 4 2 2 不同制动原理差动保护判据在复平面上的动作特性3 0 4 3 传统差动保护抗c t 饱和性能及灵敏度问题3 2 4 4 幅值相位双判据变压器差动保护算法3 3 4 4 1 基于标积制动原理的相角制动判据3 3 4 - 4 2 幅值制动判据3 4 4 4 3 幅值相位双判据变压器差动保护算法3 5 4 5 幅值相位双判据变压器差动保护算法的整定3 6 4 5 1 相角约束、幅值约束制动系数的独立整定3 6 4 5 2 幅值相位双判据变压器保护算法的分段制动3 6 4 5 2 1 稳态制动区3 6 4 5 2 2 扩大制动区3 7 4 6 幅值相位双判据变压器差动保护算法特性分析3 8 4 6 1 新算法在差动电流制动电流平面的动作特性3 8 4 6 2 新判据同传统三折线比率制动判据在复平面动作特性的比较3 9 4 6 3 幅值相位双判据变压器差动保护算法灵敏度及可靠性分析4 0 4 6 3 1 稳态制动区动作特性分析4 0 4 6 3 2 扩大制动区动作特性分析4 l 4 7 幅值相位双判据变压器差动保护方案4 l 4 7 1 启动元件4 l 4 7 2 励磁涌流识别判据4 2 4 7 3c t 断线闭锁4 2 4 7 4 差动保护4 2 4 7 5 幅值相位双判据变压器差动保护逻辑框图4 2 4 8 本章小结4 2 第五章幅值相位双判据变压器差动保护算法仿真与验证。4 4 5 1 仿真系统模型4 4 5 2 内部故障灵敏度特性仿真4 4 5 2 1 变压器内部故障的仿真模型4 4 5 2 2 匝间故障情况4 5 5 2 3 内部单相接地故障情况4 5 5 2 4 其他内部故障情况4 6 5 3 外部故障可靠性仿真4 7 5 1 3 1 外部轻微故障情况4 7 5 3 2 外部故障c t 稳态饱和情况4 8 目录 5 3 3 外部故障c t 暂态饱和情况4 9 5 4 本章小结5 0 第六章结论与展望5 l 垂i 【谢5 3 参考文献5 4 作者在读期间发表的论文清单5 8 v 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 近年来，随着国民经济的发展，电力工业也取得了长足发展。随着西电东送步伐的加 快，全国电网互联已经是必然所趋，联网后对电网安全稳定运行的要求也提到了一个更高 的层面。继电保护装置作为电网安全稳定运行的哨兵，所承担的重要性和责任将更为重要， 对继电保护工作者也提出了新的任务和要求，即保证保护在区内故障时快速、可靠地动作， 在区外故障时可靠不误动。 电力变压器是发电厂和变电站中的主要电气设备，它的安全运行与否直接关系到电力 系统能否连续稳定地工作。随着变压器容量及电压等级的增加，变压器造价也越加昂贵， 一旦因故障而损坏，由于其检修难度大，检修时间长，将带来惨重的经济损失。而据统计， 目前变压器保护动作准确率普遍不高，且时有出现原因不明的误动，传统的保护原理、保 护方法面临严峻的挑战，寻求一个安全、可靠、灵敏的变压器保护方案，一直是国内外电 力系统学者们研究的热点问题。 1 2 课题研究背景和意义 随着电力工业的飞速发展，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。全国电网互联的大趋势将使更多的超高压大型电力变压器投入系统运行，对电网 安全稳定运行的要求也更高。然而有关电力变压器保护运行情况统计数据i l - 9 j 表明，大型电 力变压器保护的正确率一直处于一个较低的水平，滞后于发电机保护和线路保护，不符合 当前电网实际安全要求和发展水平。表1 1 给出了1 9 8 1 2 0 0 7 年2 2 0 k v 及以上变压器保护 运行的统计情况。 表1 11 9 8 1 2 0 0 7 年2 2 0 l 及以上变压器保护动作情况统计 不正确动作次数 年度动作总次数正确动作次数正确动作率( ) 误动 拒动 1 9 8 1 1 9 8 9 总计1 4 3 89 0 84 9 43 6 6 3 1 1 9 9 0 1 9 9 9 总计 2 5 3 01 7 5 l7 5 52 46 9 2 2 0 0 02 0 l1 5 l4 9l7 5 1 2 0 0 l2 5 22 0 84 3l8 2 5 2 0 0 2 2 1 41 6 05 3l 7 4 8 2 0 0 32 0 61 5 74 907 6 2 2 0 0 42 5 32 0 05 217 9 1 2 0 0 52 2 81 9 73 0l8 6 4 2 0 0 61 7 21 6 2 l o o9 4 2 2 0 0 71 7 l1 6 5 5 19 6 5 2 0 0 0 2 0 0 7 总计1 6 9 71 4 0 02 9 168 2 5 变压器纵联差动保护( 简称差动保护) 是变压器的主保护【1 啦! 3 1 ，差动保护能否正确动 作直接决定着变压器保护的正确动作率。从上表可以看出，过去二十多年来，特别是2 0 0 5 年及以后，变压器正确动作率有很大提高，但变压器误动作仍然是不正确动作的主要方面。 变压器保护的发展远远落后于电力变压器的发展，同线路、发电机保护相比，提高速度相 l 东南大学硕士学位论文 对太慢。将差动保护应用于变压器，一方面需要正确识别励磁涌流和躲避不平衡电流，另 一方面又要求能反应具有流出电流性质的轻微内部故障1 1 4 以习，前者为保护的可靠性问题， 后者为保护的灵敏度问题。 励磁涌流和c t 饱和是带来可靠性问题的主要原因，长期以来，继电保护工作者对这 两个问题进行了大量的分析研究。目前现场普遍采用的励磁涌流识别方法有：二次谐波制 动原理、间断角闭锁原理和波形对称原理。为防止外部故障c t 饱和引起差动保护误动， 常用的c t 饱和识别方法有：谐波制动法，时差法，小波奇异性检测法，附加稳定区法等 特性检测法等，取得了一定的效果。但正如上表中所反映的那样，在不牺牲灵敏度的情况 下，提高外部故障的可靠性使差动保护不误动仍然是变压器差动保护所面临的一大问题。 1 3 影响变压器差动保护动作特性的主要因素 变压器有两个或更多电压等级，构成差动保护所用的电流互感器的额定参数各不相同， 且变压器经常需要调节分抽头，故由于变压器自身的特点，变压器差动保护面临许多困难。 要保证变压器差动保护的可靠性和灵敏性，须正确识别空载合闸励磁涌流和内部故障时的 短路电流，同时躲过变压器外部故障时的最大不平衡电流，如果把变压器励磁涌流也看作 是暂态不平衡电流，则实现变压器差动保护的关键问题就是减小不平衡电流及其影响。 引起变压器差动保护不平衡电流的原因很多，以下从变压器本身、电流互感器及数字 滤波算法等方面【】7 j 来说明。 1 3 1 变压器本身的因素 理想情况下，变压器差动保护在正常运行和外部短路时，流入差动回路的电流应为零。 而实际上，从变压器等效电路模型来看，变压器各侧的差动回路有励磁电流流出，由于励 磁电流的存在，使得正常运行和在外部故障时，差动回路存在不平衡电流。只是变压器工 作在线性区域时，励磁电流很小，不平衡电流也很小，差动保护不易误动。但现在大型变 压器铁芯普遍采用冷轧硅钢片，正常运行时工作在磁化曲线饱和点附近，磁通变化将引起 励磁电流的剧烈变化。因而系统电压过高可能引起变压器稳态过励磁问题，会导致励磁电 流激增，可能引起差动保护误动，所以变压器差动保护必须解决过励磁问题。目前一般采 用五次谐波制动来解决。 电力系统中经常采用有载调压变压器，利用改变变压器分接头的位置来保持系统的运 行电压。分接头调整将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。因此变压器差动保护的最小动作电流和制动系数都要相应增大，影响保护的整 定。 变压器在正常运行和外部故障时不会饱和，励磁电流一般不会超过额定电流的 2 5 ，对差动保护的影响通常可以忽略不计。但当变压器空载投入或者外部故障切除后 电压回复的过程中，变压器电压从零或很小值突然上升到运行电压，可能造成变压器严重 饱和，产生几倍甚至十几倍额定电流的暂态励磁电流，即励磁涌流，引起保护误动。此外， 变压器空载合闸时励磁涌流会引起相邻的并联或串联运行的变压器出现和应涌流l l 引，变压 器在区外故障切除后电压恢复时会出现恢复性涌流。因此要求变压器差动保护具有识别励 磁涌流的能力。文献【1 9 】指出系统电阻的存在是和应涌流产生的根本原因，并对涌流产生 过程作了描述。文献【2 0 】对和应涌流的谐波进行了分析，讨论了其对电力系统过电压的影 响。 2 第一章绪论 1 3 2 电流互感器的因素 电流互感器( c t ) 饱和问题是变压器差动保护等主设备保护所面临的共同问题。分析 表明，一次电流的非周期分量是引起c t 暂态饱和的主要因素，变压器在区外故障过程中， 若一次电流的非周期分量很大，衰减时间常数很长，则意味着衰减的直流分量作用时间很 长，将使得电流互感器出现暂态饱和现象，不能正确传变一次电流信息，继而影响差动保 护正确动作。且由于变压器有2 个或更多电压等级，各侧c t 不同型，暂态特性不一样， 将使得不平衡电流更大，产生很大暂态不平衡电流，引起保护误动；在外部故障切除过程 中，电流互感器需要逐步退出饱和，也可能由于存在较大的暂态不平衡电流而引起保护误 动。变压器空载合闸产生励磁涌流时，较大的周期分量同样会引起c t 饱和，给差动保护 识别励磁涌流增加了难度。 此外，变压器各侧三相接线方式的不同，也使得在外部故障期间，流过电流互感器的 衰减直流分量不同，暂态特性不一致；构成变压器差动保护时各侧电流需进行星三角变换， 不仅会引起变压器差动保护接线复杂，也增加了差动回路的不平衡电流。综上，同发电机、 线路差动保护相比，变压器差动保护需要设置更大的制动系数来躲避最大不平衡电流的影 响，因而造成灵敏度较低。 1 3 3 数字滤波算法的因素 变压器差动保护中通常采用电流相量，需要计算电流的幅值和相位，数字滤波算法【2 1 】 的特性对差动保护有很大影响。最常用的滤波算法有：全波傅氏算法，半波傅氏算法等。 全波傅氏算法精度较高，但滤波器的数据窗较长，暂态响应较慢；而半波傅氏算法精度较 低，滤波器的数据窗较短，暂态响应较快；但在c t 饱和导致二次电流波形畸变情况下， 全波傅氏算法使用的无效数据较多，半波傅氏算法使用的无效数据可能较少，使得全波傅 氏算法的性能反而不如半波傅氏算法，因此合理的选择数字滤波器对差动保护的动作特性 很重要。 1 4 变压器差动保护研究现状 综合分析近年来国内外变压器差动保护的研究现状，变压器保护技术主要集中在变压 器差动保护算法、励磁涌流判别方法、电流互感器的暂态特性、以及变压器保护装置硬软 件技术等方面。其中，励磁涌流、过励磁、c t 饱和等是造成差动保护误动的典型的现象。 变压器差动保护算法主要有三种：比率差动，差动，统一方法。比率制动算法利用 差动电流和制动电流的比例关系，来躲避区外故障，同时提高差动保护的灵敏度；差动 算法增强了对高阻接地故障的灵敏度，同时保持了外部故障的选择性；统一方法基于变压 器一次电压和电流的相关性，需要记忆一个周期的数据。这三种算法中，对比率制动差动 保护算法研究较多，国内外众多专家学者在制动量的选取，滤波算法及数据窗的采用等方 面做了大量深入的探讨。 1 4 1 变压器比率制动算法研究现状 常用的一些变压器比率制动差动保护算法有： 1 基于采样值的比率差动保护算法 基于采样值的比率差动算法瞄1 利用采样值或极短数据窗的计算方法，大大提高保护动 作速度，有效解决了大型变压器保护速动性问题，改进了传统算法的计算速度。内部故障 3 东南大学硕士学位论文 越严重该算法动作速度越快，但受电流暂态分量或非周期分量的影响较大。 2 基于故障分量的比率差动保护算法 该算法采用基于故障等值网络模型的故障分量制动，减轻了负荷电流及c t 稳态误差 的影响，改进了差动保护区外故障的误动情况。低动作门槛有利于提高变压器内部轻微故 障时的灵敏度【2 m 扪。但对于弱故障类型，此算法容易失效。 3 基于短数据窗小矢量算法的比率差动保护算法 采用短数据窗小矢量算法1 2 睨列，提高了差动保护动作的动作速度，解决了采样值算法 和傅立叶算法在快速性和可靠性之间的矛盾。在此基础上，采用变数据窗，根据电流大小， 调整数据窗的大小，故障电流大时动作快，故障电流小时动作慢，兼顾了速动性和可靠性 之间的矛盾。 4 其它原理的比率差动保护算法 除以上三种比率差动保护算法之外，还有相量法的短数据窗滤波算法【3 0 】，短数据窗的 自适应电流差动算法等，均在一定程度上提高了比率差动保护动作的快速性。但上述各算 法对应的动作门槛，制动门槛、以及斜率等参数不一致，会给运行人员带来一定不便。 1 4 2 变压器励磁涌流鉴别方法研究现状 常用的一些励磁涌流鉴别方法有： 1 二次谐波制动原理 二次谐波制动方法1 3 l 3 2 j 根据变压器励磁涌流中含有大量二次谐波分量的特点，检测差 电流中二次谐波的含量，如果含量超过整定值，即判断是励磁涌流，将差动继电器闭锁。 同时，使用五次谐波防止过励磁。该原理简单明了，容易实现。但当采用三相或门制动方 案时，空载合闸故障变压器会闭锁差动保护，使保护动作时间变长。 2 间断角原理 间断角原理【3 3 j 根据励磁涌波形的间断角特征来鉴别励磁涌流和故障电流。检测差电流 波形是否存在间断角，当间断角大于整定值时闭锁差动保护。其优点是利用了励磁涌流本 身明显的波形特点，能够清楚的区分变压器励磁涌流和内部故障电流，且采用按相闭锁的 方法，在变压器合闸于内部故障时，能够快速动作。缺点是：( 1 ) 励磁涌流中含有大量的非 周期分量，容易造成电流互感器饱和，使间断角的消失，利用起来将增加保护算法的复杂 性。( 2 ) 间断角的测量需要很高的采样率，这对计算机硬件又提出了更高的要求。 3 波形对称原理 变压器内部故障时，电流波形一个周波波形的前半周与后半周是几乎对称的，而励磁 涌流波形在一个周期内前后半波是不对称的。波形对称原理i 弭”】就是根据电流波形的对称 性来识别励磁涌流和内部短路电流。由此又提出了波形比较法、波形拟合法等。但该理论 方法对波形的依赖程度较大，当受到高次谐波及电流互感器传变的影响时，波形可能会失 真，很难通过严格的理论分析或推导来整定波形不对称度，容易导致保护误判。 4 磁通制动原理 磁通制动原理直接利用变压器铁芯磁化特性曲线的非线性特征来实现涌流的鉴别，比 基于电流波形特征的原理更有优势。变压器励磁电感在正常运行和故障时是基本不变的， 而在励磁涌流时急剧变化，从而可以用来区分励磁涌流与故障电流。 5 小波变换识别原理 2 0 世纪8 0 年代后期发展起来的小波变换【珏”】，具有可调节的时频分辨能力，能分辨 出信号中在不同位置处不同特征的局部行为，准确地捕捉突变信号的特征，并能在不同频 带尺度上考察信号频率的演化，具有多尺度分析和良好的时频局部化特性，特别适用于边 缘和峰值突变信号的处理和特征提取。但小波技术算法复杂，应用在变压器差动保护中还 第一章绪论 需要进一步的探索。 6 数学形态学原理 数学形态学7 】基于腐蚀和膨胀两种基本运算，并进一步拓展为开运算和闭运算。开 运算和闭运算具有滤波的功能：开运算可抑制采样信号中的峰值噪声，而闭运算可抑制采 样信号中的低谷噪声。将两种形态算子利用不同的组合方式进行组合，进而构造出不同形 式的形态滤波器，提取出明显的波形特征。但是数学形态学算法复杂，实际应用起来还很 困难。 1 4 3 电流互感器饱和判别方法研究现状 研究c t 饱和的电流特征，根据特征研究c t 饱和的鉴别方法，从而在区外故障c t 饱 和时闭锁保护，防止c t 饱和造成差动保护误动。常用的一些电流互感器饱和判别方法有： 1 时差法判别c t 饱和 当变压器发生区外短路故障时，c t 不会立即饱和，有一个短暂的线性传变区，差动 电流很小；而当变压器发生区内故障时，差动电流迅速增长很大。故时差法利用差动电流 出现时刻和故障发生时刻的不同，来区分是区内故障还是区外故障。文献【4 明利用c t 饱 和区与非饱和区反应的一次电流线性特性不一致，来实现c t 饱和的判别，解决了区外故 障c t 饱和引起差动保护误动的问题。但此法数据窗太短，c t 深度饱和时会降低保护可靠 性，故不常用于变压器保护中。 2 异步法判别c t 饱和 区外故障时，差流和制动电流在故障后变化不一致( 异步) ；区内故障时，差流和制动 电流的变化一致( 同步) 。异步法【贴”l 利用差流和制动电流变化的这种异步关系来实现c t 饱和判别。解决了区外故障c t 饱和时差动保护误动的问题，改进了时差法c t 饱和判别 的可靠性问题。但该方法在c t 深度饱和的情况下，也容易失效。 3 谐波制动比判别c t 饱和 谐波制动比法【5 5 3 】利用c t 饱和时的三次谐波含量较大的特点来实现识别c t 饱和。 但数据窗较长( 至少一个周波) ，故判别时间较长。 4 附加制动法抗c t 饱和 附加制动法利用区内和区外故障差流与制动电流所确定的坐标点的轨迹不同来提高保 护的抗c t 饱和性能，当轨迹进入附加制动区后闭锁差动保护。 1 5 本文主要内容 变压器差动保护既要满足内部故障时快速可靠动作，又要满足外部故障有很大的穿越 电流时可靠不动作。传统变压器差动保护多为带折线的比率差动保护，各保护原理通过制 动电流的选取，差动门槛和斜率的设定来满足灵敏度和可靠性的要求。为使区外故障不误 动，希望提高门槛值和制动斜率，但区内故障时，为提高内部轻微故障的灵敏度，希望斜 率和门槛值越小越好。因此，比率差动保护的灵敏度和可靠性是一对相互制约的因素。且 变压器各侧电压等级不同，对应c t 参数各不相同，由此产生的不平衡电流将比发电机等 差动保护大很多。尤其当外部故障某侧c t 饱和时，将产生较大不平衡电流，表现出内部 故障特征，差动保护很容易误动。 目前，为防止外部故障c t 饱和引起差动保护误动，在比率制动之外常附加其他c t 饱和识别方法或从原理本身出发，提出改进型或者新型抗c t 饱和差动保护算法，取得了 一定的效果。如果保护算法本身就具有较好的抗c t 饱和的能力，再辅以一定的饱和检测， 5 东南大学硕士学位论文 则差动保护的性能将进一步得到提高。 本文分析了传统变压器差动保护抗c t 饱和性能和灵敏度，提出了一种幅值相位分别 反映的新型变压器差动保护算法。通过幅值和相角两个比较式共同作用，及引入分段思想， 突破了单一比较式难以兼顾灵敏性和安全性的局限，且仿真对比验证了新算法和三折线比 例制动算法在区内外各种故障时的表现。本文各章节的主要内容如下： 1 第一章绪论：介绍了变压器差动保护的运行现状，本课题研究背景，影响变压器 差动保护正确动作的各种因素，以及变压器差动保护原理、励磁涌流鉴别方法、c t 饱和 判别方法的研究现状。 2 第二章传统变压器差动保护原理：阐述了传统变压器差动保护的基本原理及接线 方式，常用的转角方式，制动特性，比率制动原理和标积制动原理的思想及二者的对应关 系，以及新型标积制动原理的思想及动作特性。 3 第三章电流互感器特性及仿真：介绍了电流互感器的等效数学模型，误差定义及 准确特性，深入分析了电流互感器的稳态及暂态饱和特性，并建立数字仿真模型，对电流 互感器的各种饱和特性进行了仿真分析。 4 第四章幅值相位双判据变压器差动保护算法：在复平面上分析了不同制动原理的 变压器差动保护的动作特性，并从分析传统变压器差动保护抗c t 饱和性能和灵敏度入手， 提出了一种幅值相位分别反映的新型变压器差动保护算法。给出了新算法的整定方法，并 分别在差动电流制动电流平面和复平面上理论分析了新算法的特性，并与传统三折线比率 制动算法进行了对比。 5 第五章幅值相位双判据变压器差动保护算法仿真与验证：在m a t l a b s i i i l u l i l l l ( 中建 立仿真模型，对新判据及传统三折线比率制动算法在各种区内外故障时的动作情况进行仿 真分析，进一步验证了本文算法的合理性和优越性。 6 第六章结论与展望：对论文展开的工作进行总结，并对变压器差动保护的发展予 以展望。 6 第二章传统变压器差动保护原理 第二章传统变压器差动保护原理 2 1 差动保护基本原理 自1 9 0 4 年c h m e r z 和b p r i c e 在英国提出差动保护原理p 2 j 以来，差动保护的基本原 理便一直沿用至今。原理的基本依据是基尔霍夫电流定律，即同一时刻流入一个元件的电 流恒等于流出元件的电流，对于电流向量来说就是电流向量的矢量和恒为零。以变压器元 件作为保护对象构成的差动保护是变压器差动保护，以母线元件为保护对象的是母线差动 保护，以线路作为保护对象的是线路纵差保护。电流纵差保护不但能够正确区分区内外故 障，而且不需要与其他元件的保护配合，可以无延时的切除区内各种故障，具有独特的优 势，因而各类主设备保护无一例外地选择差动原理作为主保护原理。 理想状态下，不考虑任何误差，以电流流入变压器为正方向，在区外故障时，流入电 流同流出电流大小相等，相位相差1 8 0 。，根据基尔霍夫定律： y ，：o( 2 1 ) j r 一 区内故障时，各侧电流流入变压器，这时有： j = 厶 ( 2 - 2 ) 由上述两式，差动电流在区内外故障时的差别是零值和一个很大值的差别，故能准确 识别区内外故障。事实上，变压器正常运行和区外故障时，由于变压器自身，互感器传变 误差等种种原因，会产生一定的不平衡电流，必须在保护的整定中予以考虑。 2 2 变压器差动保护的基本原理 变压器电流差动保护把变压器各侧的电流互感器按差接法接线，使流过变压器高压侧 和中( 低) 压侧的电流经电流互感器适当的变比后反向流入差动继电器，这样流入继电器的 电流为两端的电流之差。保护的原理接线如图2 1 所示，其中规定电流流入变压器的方向 为正。 图2 1 差动保护的原理接线图 五、厶分别为变压器两侧的一次电流， 五、厶为相应的电流互感器二次电流。流入差动 7 东南大学硕士学位论文 继电器的差动电流为 t = 五+ 丘 计及不平衡电流的影响，差动保护的动作判据应为 l r 芝i 螂 式中，乙为差动保护的动作电流的整定值；，为差动电流有效值。 设变压器变比为疗= u ，则式( 2 3 ) 可化为 丘：土+ 土 ，l 口、r k t 2 式中，b ，、，b ：分别为两侧电流互感器的变比。 式( 2 5 ) 可化为 t ：竺盥+ ( 1 一塑) 土 7 凹2 ，l 凹2 ，配n 若变压器变比同两侧电流互感器的变比满足下式 刀：塑 ，配n 则式( 2 - 6 ) 第二项为零，即 t ：堕旦 理想情况下，变压器正常运行和外部故障时，以+ 厶= o ，流过差动继电器的电流矢 量和为零，保护装置不动作：当变压器发生内部故障时，差动电流为各侧电流矢量和，不 为零，当此差动电流值超过保护装置的动作整定值时，保护装置将判定为内部故障，动作 切除故障变压器。差动保护在原理上只反应被保护设备的内部短路电流，能灵敏地区分区 内和区外故障的【5 卯。 2 3 变压器差动保护的接线方式 实际电力系统三相变压器，通常采用y ，d l1 的接线方式，如图2 2 ( a ) 所示。这种接线 方式使变压器一、二次侧电流不对应。以a 相为例，正常运行时，由于l = 乞一厶，乙 超前乙3 0 。，如图2 2 ( b ) 所示蚓。 8 )、，、，、，、，、， 3 4 5 6 7 8 - - - - - 2 2 2 2 2 2(，l，l，、 第二章传统变压器差动保护原理 ( a ) 原理接线图( b ) 电流矢量关系 图2 2 三相双绕组变压器差动保护的原理接线图及电流矢量关系 如不考虑三相接线方式的特点，而将一、二次电流直接引入差动保护，则会在继电器 中产生很大差流。若将y 侧的电流互感器采用接线，引入两相电流差，则可克服这个差 电流，如式( 2 9 ) 所示。 f 屯= ( 屯一) + 屯 l = ( 一露) + 厶 ( 2 9 ) lk = (