（电力系统及其自动化专业论文）特高压变压器差动保护研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 特高压变压器作为特高压输电系统中必不可少的重要设备之一，对其主保护的 性能提出了很高的要求，因此需要通过大量的研究工作来解决实际运行过程中出现 的技术问题。本文通过建立仿真模型，对特高压变压器差动保护在不同故障情况下的灵 敏性进行分析比较，同时针对特高压变压器励磁涌流的特殊性，从两个方面提出了相应 的解决办法。一方面，根据单侧涌流含很大成分的非周期分量的特点，在原有二次谐波 制动的基础上，提出了利用非周期分量来识别励磁涌流的辅助判据；另一方面，利用合 闸控制策略来抑制特高压变压器空投时产生的励磁涌流，仿真结果证实了该方法可大 大减小励磁涌流的冲击，使变压器合闸后迅速进入稳态运行。 关键词：特高压变压器，差动保护，灵敏性，励磁涌流 a b s t r a c t a so n eo fa b s o l u t e l yn e c e s s a r i l yk e ye q u i p m e n t sf o ru h vt r a n s m i s s i o ns y s t e m ，i t r e q u i r e sm a i np r o t e c t i o no fu h vt r a n s f o r m e rw i t hh i g hp e r f o r m a n c e ，t h e r e f o r e ，n u m e r o u s r e s e a r c hn e e dt ob ed o n et os o l v et h et e c h n i c a lp r o b l e m si nt h ep r a c t i c a lo p e r a t i o n t h ep a p e r a n a l y z e sa n dc o m p a r e st h es e n s i t i v i t yo fd i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o no fu h vt r a n s f o r m e ro n d i f f e r e n tf a u l tc o n d i t i o n st h r o u g ht h ec r e a t i o no fd y n a m i cs i m u l a t i o nm o d e l a i m i n ga tt h e p a r t i c u l a r i t yo fi n r u s hc u r r e n to fu h vt r a n s f o r m e r , c o r r e s p o n d i n gs o l u t i o n sa r ep r o p o s e d f r o mt w oa s p e c t s o no d eh a n d ，a u x i l i a r yc r i t e r i o ni sp u tf o r w a r do nt h eb a s i so fh a r m o n i c b r a k i n ga c c o r d i n g t ot h ec h a r a c t e r i s t i c st h a tu n i l a t e r a ls u r g eh a sag r e a tq u a n t i t yo f n o n p e r i o d i cc o m p o n e n t ，o nt h eo t h e rh a n d ，b r e a k e rc o n t r o ls t r a t e g yi sp r e s e n t e dt oe l i m i n a t e i n r u s hc u r r e n tw h e ne n e r g i z i n gn o - l o a du h vt r a n s f o r m e r s i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h e m e t h o dc a ne f f e c t i v e l yr e s t r a i nt h ei n r u s hc u r r e n ta n dm a k et h ee n e r g i z i n gt r a n s f o r m e re n t e r i n t os t e a d y - s t a t er a p i d l y liu w e i h e n g ( e l e c t r i cp o w e rs y s t e ma n di t sa u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f z h e n gt a o k e yw o r d s ：u h vt 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 ，s e n s i t i v i t y ，i n r u s hc u r r e n t 华北电力大学硕士学位论文 目录 中文摘要 a b s t r a c t 第一章绪论1 。 1 1 论文的背景及意义1 1 2 本课题的研究现状2 1 3 本论文所做的主要工作4 第二章特高压变压器结构及差动保护配置6 2 1 引言6 2 2 特高压变压器的结构6 2 2 1 单相自耦变压器6 2 2 2 特高压变压器的调压方式7 2 2 。3 特高压变压器的参数8 2 3 变压器纵联差动保护8 2 3 1 变压器纵差动保护原理8 2 3 。2 两种不同差动保护原理的转角方式1 0 2 3 2 1y 一相位补偿1 0 2 3 22 一y 相位补偿1 1 2 3 2 3 两种相位补偿方式的比较1 2 2 4 特高压变压器的差动保护配置方案1 3 2 4 1 稳态比例差动保护1 3 2 4 2 分相差动保护1 4 2 4 3 故障分量差动保护1 5 2 4 3 1 基本原理1 5 2 4 3 2 故障分量差动保护的动作判据1 7 2 4 4 分侧差动保护1 8 2 4 4 1 基本原理1 8 2 。4 4 。2 分侧差动保护的动作判据1 9 2 4 5 零序差动保护1 9 2 4 5 1 基本原理2 0 2 4 5 2 零序差动保护的动作判据2 0 第三章基于不同故障情况的特高压变压器差动保护仿真研究2 2 3 1 引言2 2 3 2 仿真试验模型2 2 3 3 不同故障情况下各种差动保护的仿真比较2 3 i i 华北电力大学硕十学位论文 3 3 ，1 大差保护 3 3 2 调压绕组的差动保护 3 3 3 补偿绕组的差动保护 3 3 4 故障分量差动保护 3 3 5 分侧差动保护 3 3 6 零序差动保护 3 4 小结 第四章二次谐波制动的辅助判据 4 1 引言 - 4 2 分相差动保护 4 3 基于非周期分量的励磁涌流制动方案 4 3 1 圆特性识别励磁涌流的原理 4 3 2 圆特性识别励磁涌流判据 4 4 仿真验证 4 4 1 正常情况时空投 4 4 2 内部故障时空投 4 5 结论 第五章合闸控制策略在消除特高压变压器励磁涌流上的应用 5 1 引言 5 2 控制合闸策略的理论基础 5 3 合闸控制策略 5 3 1 延迟合闸策略 5 3 2 快速合闸策略 5 4 特高压变压器发生故障后的合闸方案 5 5 小结 第六章结论 参考文献 致谢 在学期间发表的学术论文和参加科研情况 3 4 4 5 6 7 ，7 9 9 9 o o 1 2 2 3 4 5 5 5 7 8 9 9 2 3 4 6 7 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 4 4 4 4 4 华北电力大学硕士学位论文 1 1 论文的背景及意义 第一章绪论 电力工业是关系国民经济全局的重要基础产业，是关乎千家万户安居乐业的基 本保障，电力工业的发展和国民经济的整体发展息息相关。根据规划，到2 0 2 0 年， 我国电源装机容量将达到1 0 亿1 2 亿k w 。世界各国电力工业的发展规律说明， 系统电压等级的提高与系统容量的增长存在密切的相关性。国内外专家普遍认为， 系统容量要实现翻两番，就需要引进一个新的电压等级。而且，我国的电力需求和 资源分布严重不均衡，电力需求主要集中在东部和中部经济较发达地区，约占需求 总量的3 4 左右：而用于发电的煤炭和水力资源，则主要分布在西部和北部地区。 这就决定了能源资源必须以大煤电基地、大水电基地为依托，实现煤电就地转换和 水电大规模开发，并通过建设特高压电网，实现跨地区、跨流域水火电互济，将清 洁的电能从西部和北部大规模输送到中东部地区【l 】。因此，根据我国的电力系统现 状、资源及负荷分布状况，各地的经济发展预期，采用特高压作为全国大电网的主 网架将较5 0 0 k v 直流及7 5 0 k v ( 最高运行电压8 0 0 k v ) 交流在技术经济上更为合理， 有利于全国大电网的建设和发展l z j 。 优化电力资源配置，保障国家能源安全，为国民经济和社会发展提供优质、可 靠的电力供应，是电力工业服务于构建社会主义和谐社会的重要使命。国家电网公 司在认真分析我国电力工业和电网发展的现状及未来发展趋势的基础上，提出了加 快建设以特高压电网为骨干网架，各级电网协调发展的坚强国家电网的战略目标。 特高压输电具备超远距离、超大容量、低损耗送电的特点，建设特高压电网，促进 大煤电、大水电、大核电、大规模可再生能源建设，能够推进资源的集约开发和高 效利甩，缓解环境压力，节约土地资源，实现能源资源在全国乃至更大范围的优化 配置，具有显著的经济效益和社会效益。 2 0 0 9 年1 月6 日我国第一条从晋东南到湖北荆门1 0 0 0 k v 特高压交流试验示范 工程正式投入运行，标志着全面建设特高压电网的序幕已经拉开。到2 0 1 2 年，我 国将建设“两纵两横 ( “两纵 即陕北长沙、锡盟上海；“两横 即雅安一南京、 蒙西潍坊) 的特高压电网。2 0 0 9 年还将歼工建设淮南上海、锡盟上海、陕北长 沙特高压交流工程和锦屏一苏南特高压直流工程。今后几年还将有一批特高压工程 相继开工建设。到2 0 2 0 年，要建成“三华”( 即华北一华东一华中) 同步电网，特 高压电网的传输容量达到3 亿千瓦左右。作为保障特高压电网安全稳定运行的关键 技术之一，特高压电网的快速发展给继电保护技术带来了前所未有的机遇和挑战。 同时，国内外运行经验表明，每一个新的电压等级出现初期，也是电网运行的高风 1 华北电力大学硕士学位论文 险期，这时候的网架非常薄弱，存在较大的安全隐患，一旦保护装置发生误动或拒 动，将给特高压电网带来巨大的危害。 电力变压器是电力系统的重要组成元件之一，具有造价昂贵，运输难度大，结 构复杂等特点。电力变压器一旦损坏，维修难度大，检修时间长，将给系统的正常 运行和供电可靠性带来严重的影响。此外，随着超高压远距离输电线路在系统中越 来越多地投入使用，大容量变压器相应地日益增多。特高压交流试验示范工程中己 投入运行的特高压变压器容量达到了3 0 0 0 m v a ，突然从系统中切除如此大容量的变 压器，会给系统造成很大的扰动。因此在考虑大型变压器继电保护的总体配置时， 除了保证其安全运行外，还要防止保护装置误动或拒动，所以对特高压变压器保护 提出了更高的要求。 特高压交流试验示范工程用的特高压变压器分别由沈阳变压器厂和保定变压 器厂设计制造。这两家设计的变压器结构基本相似，总体上，特高压交流试验示范 工程用的特高压变压器采用分体结构，变压器分为本体变压器和调压补偿变压器两 部分。本体变压器可以单独使用，也可以和调压补偿变压器可以作为一个整体使用。 变压器采用中性点变磁通调压，在调压补偿变压器中设置补偿绕组，这是与超高压 变压器最大的区别。特高压变压器特殊的结构可能会导致传统的变压器差动保护不 能满足特高压变压器运行要求。 本文通过建立特高压变压器动态仿真模型，对其差动保护配置进行分析说明， 并对特高压变压器在运行过程中可能出现的问题提出一些改进方案和建议，为后续 的特高压工程建设和特高压运行提供理论依据并积累经验。 1 2 本课题的研究现状 变压器保护种类繁多，在众多种类的变压器保护中，纵联差动保护能较好地满 足选择性，速动性，灵敏性和可靠性这四项要求，它是变压器的主保护之一。在我 国，对容量超过1 0 m v a 的变压器要求装设纵差保护；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，往往要求装设两套不同原理的纵差保护。随着计算机软硬 件技术的发展，继电保护装置软硬件水平也得到很大程度的提高，这一方面改进了 已有的保护硬件平台，可以更好地抑制干扰，提高保护装置的可靠性；另一方面为 引入新的保护原理提供了物质基础，一些更复杂的算法能在保护装置中得以实现； 此外，还能增加更友好的人机界面。 纵联差动保护因其原理简单，保护范围明确，动作速度快，目前得到了广泛应 用。在线路、发电机和母线的应用比较成功，但是当应用于变压器时，却遇到了许 多问题【3 1 。 ( 1 ) 变压器各侧电流的大小和相位不同。 2 华北电力大学硕士学位论文 变压器与线路、发电机、母线等设备存在明显的不同，各侧除了有电的联系外 还有磁的联系。变压器各侧的电压不同，电流也不相同。超高压、大容量变压器均 采用y n ，d 接线，因此流入和流出变压器的电流相位是不可能相同的。 ( 2 ) 高压侧高阻接地时保护灵敏度低。 ( 3 ) 绕组小匝间短路时保护灵敏度低。 ( 4 ) 稳态不平衡电流大。 由于变压器励磁电流只流过电源侧，在构成差动保护后将产生不平衡电流。同 时为满足系统对电压的要求，在运行过程中要不断的调节变压器分接头，这相当于 变压器的变比发生了变化，将使各侧间电流的差值也随之发生变化，从而增大差动 保护的不平衡电流。另外，差动保护各侧c t 型号及变比不一致，变比存在误差， 也将使差动保护的不平衡电流增大。 ( 5 ) 暂态不平衡电流大 构成变压器差动保护的各侧c t 变比和型号不同，其暂态特性就不一致。在系 统发生故障的暂态过程中，各侧c t 二次电流中的自由分量相差很大，因此会在差 动保护中产生很大的不平衡电流。变压器过励磁时，其励磁电流大大增加，使差动 保护不平衡电流增大。大电流系统侧接地故障时，流入变压器的零序电流因低压侧 为小电流系统而没有零序电流流出，因此，也会产生不平衡电流。 ( 6 ) 励磁涌流 实际上，励磁涌流也是变压器差动保护暂态不平衡电流之一，但由于励磁涌流 在变压器差动保护中的特殊地位，因此，将其单独列出。前面五点关于变压器差动 保护面临的问题，都已通过改善保护的性能得到有效地解决。但励磁涌流却始终是 困扰继电保护工作者的一大难题，并且直到现在也没能得到理想的解决办法。 差动保护的理论依据是基尔霍夫电流定律，用于纯电路设备时，其性能优良， 如在发电机和线路中的差动保护充分体现了差动保护选择性好、灵敏度高和动作速 度快的优点。但电力变压器和电力线路不同，由于电力变压器采用闭合铁芯，其实 质上是一个非线性元件，这种非线性特点对保护是非常不利的。在变压器运行条件 复杂的情况下，过励磁时励磁电流可达额定电流的水平：空载合闸或变压器外部故 障被切除后电压突然恢复时，励磁电流的大小有时可与短路电流相比拟，如此大的 励磁涌流可能足以使差动保护误动作。 继电保护工作者进行过的大量的研究和探索【4 。5 】。目前，已应用于工程实践的识 别励磁涌流的方法主要都是利用励磁涌流的波形特征，包括二次谐波原理，间断角 原理，波形对称原理，波形比较原理等等。除以上这几种已投入工程应用的识别方 法外，还有一些利用数学领域的最新成果识别励磁涌流的方案，如小波分析、模糊 理论、人工智能和分形理论等等。就目前发表的文献看，这些手段只是局限于对电 流波形进行一些简单的加工，其应用的潜力还有待于进一步的研究探索。在以上诸 3 华北电力大学硕士学位论文 多方案中，得到广泛认同的是利用二次谐波制动和波形对称原理构成的判据。目前 在国内外实际投入运行的微机变压器保护大多采用这两个判据。 典型5 0 0 k v 自耦变压器的差动保护一般都配置纵差保护、故障分量差动保护、 分侧差动保护或零序差动保护。由于变压器接线组别的原因，纵差保护的差流计算 都存在y 变换的环节，无论是通过y 一变换还是一y 变换，经过折算后，差 流均削去了零序电流，差动保护的灵敏度都有所降低。这种问题对于传统的5 0 0 k v 变压器来说尚可接受，但特高压变压器的短路阻抗比5 0 0 k v 变压器大得多，其差动 保护灵敏度低的问题可能更加突出。同时，经过变换后，差动保护不能直接的反映 本相励磁涌流的特征，对于励磁涌流判别产生一定的影响，可能会出现空充于故障 时非故障相的涌流特征闭锁差动保护，导致差动保护动作慢。分侧差动保护或零序 差动保护各侧是完全的电联系，完全符合基尔霍夫电流定律，不受励磁涌流的影响， 灵敏度高，但是不能保护变压器绕组的匝间短路。特高压交流试验示范工程用的特 高压变压器分为本体变压器和调压补偿变压器两部分。保护对象发生了变化，对应 的保护配置需要特殊考虑。除了配置本体变压器差动保护，还要特殊考虑调压变压 器和补偿变压器差动保护。特高压变压器的调压变压器和补偿变压器相对整个变压 器而言，其匝数很少，调压变和补偿变匝对匝间的电压相对于主体变压器来说也很 小。当调压变压器或者补偿变压器发生轻微匝间故障时，折算到本体变压器来看会 更加轻微，保护范围为整个变压器的变压器差动保护很难在这种情况下动作。因此 如果采用传统的变压器差动保护，需要在性能和配置方式作相应改进才能满足特高 压变压器运行要求。 实际特高压交流试验示范工程的特高压变压器保护采用国电南自 s g t 7 5 6 + s g t - 7 5 6 调压补偿变保护和南瑞公司的r c s 9 7 8 h b + r c s 9 7 8 c 3 调压补偿 变保护。考虑到工程实际应用，两家公司均考虑优先采用技术上较为成熟，在电网 广泛应用的励磁涌流判别原理1 6 。7 j 。 国电南自公司采用同时投入二次谐波制动与波形分析两种原理进行涌流判别。 南瑞公司采用投入固定二次谐波闭锁，还考虑三次谐波闭锁，设有独立的定值项。 二次谐波制动与波形分析两种原理都是目前比较成熟的励磁涌流判别方法。但是这 两种原理都有其局限性和不足。在现场实际调试过程中发生两次空载合闸特高压变 压器时，调压补偿变差动保护因励磁涌流未闭锁而出现了误动的情况。 1 3 本论文所做的主要工作 特高压变压器电压等级高，容量大，首次采用了主体变压器和调压补偿变压器 的分体结构，因此，其对应的保护配置方案与传统变压器保护方案有所不同。此外， 特高压变压器的特殊结构和铁心材料的改进，使得变压器在正常情况下空投的二次 4 华北电力大学硕士学何论文 谐波含量远低于传统工程经验值，导致现有的二次谐波制动方法失效，致使保护误 动。本课题将围绕特高压变压器差动保护的上述问题做如下几方面的工作： ( 1 ) 介绍特高压变压器的分体结构及参数，并说明其调压原理；在m a t l a b s i m u l i k 的环境下建立特高压变压器模型，针对特高压变压器保护的配置方案，对不同 故障情况下各种类型差动保护的灵敏性进行分析比较，指出了调压变压器和补 偿变压器需要独立配置差动保护作为主保护。 ( 2 ) 特高压变压器由于饱和点低，剩磁较大，空投时铁心容易达到深度饱和，二次 谐波含量因此会下降到很低的水平，如采用二次谐波或门制动原理存在空充于 匝间故障不能快速切除故障的问题。本文以相角未经变换的分相差动保护为研 究对象，针对单侧涌流含很大成分的非周期分量的特点，在原有二次谐波制动 的基础上，提出了利用非周期分量来识别励磁涌流的辅助判据，并对新的判据 进行了动模试验验证其可行性。 ( 3 ) 介绍了合闸控制策略的基本思想及应用方法。通过仿真试验，针对不同故障情 况下的变压器，采取相应的合闸方案，使变压器空载投入之后迅速进入稳态运 行，抑制励磁涌流的产生。 华北电力大学硕十学位论文 2 1 引言 第二章特高压变压器结构及差动保护配置 研究差动保护就是研究它的选择性、速动性、可靠性、灵敏性的辩证统一关系。 不管变压器内部发生何种类型故障，差动保护的动作逻辑和闭锁逻辑都是一样的， 这就导致了差动保护在变压器内部发生轻微故障时灵敏度不够，发生严重故障时动 作速度不快，配置不同原理的差动保护就是要解决差动保护的速动性和灵敏性的问 题。 鉴别励磁涌流一直是变压器纵联差动保护难于解决的问题，在尚无一种理想的 鉴别励磁涌流方法的情况下，改进变压器主保护配置方案，也不失为一种解决励磁 涌流问题的好方法。 2 2 特高压变压器的结构 2 2 1 单相自耦变压器 特高压试验示范工程主变压器是目前世界上容量最大、电压等级最高的变压器 产品，包括发电机升压变、降压变和联络变1 8 j 。系统电压等级的提高，要求变压器 有更高的绝缘水平。特高压变压器的基准绝缘水平( 雷电冲击绝缘水平) 为1 9 5 0 - - 2 2 5 0 k v 。特高压输电的主要目的在于节约投资和节省运行费用，一回1 0 0 0 k v 线路 的输送容量理论上可为5 0 0 k v 线路输送容量的4 - - 6 倍，故特高压变压器的容量也 相应的成倍增加，单相容量已大于1 0 0 0 m v a 。容量大和绝缘水平高的特点，致使特 高压变压器重量与体积必然很大，这就要在设计和制造时应考虑运输问题。从运输 条件考虑，特高压变压器应为单相结构。采用单相结构的另一优点是，当用3 台单 相变压器时，可在变电站配置一台单相备用变，一旦某一相变压器发生故障时，可 在短时问内换上备用变恢复供电。而三相共体变压器除运输问题外，如在运行中发 生故障，很难在短时间内修复，会造成难以估量的经济损失。此外，特高压变压器 为自耦变压器，因为自耦变压器和同容量、同电压等级的普通三绕组变压器相比， 具有省材料、损耗少、重量轻、尺寸小、成本低、便于安装运输，同时还能改善系 统稳定性【9 1 。 特高压变压器分为主体和调压两部分，主变由三个单相自耦变压器组成，每相 有两个分支，三个单相自耦变压器为y n ，y n ，d ll 连接【i 们。调压部分包括无励磁分 接开关，调压绕组和补偿绕组。调压绕组的调压侧与主变的公共绕组串联，另一侧 与主变的低压侧并联。补偿绕组的原边与调压绕组的调压侧并联，其副边与主变的 6 华北电力大学硕十学位论文 低压侧串联。这样的结构不仅便于特高压变压器的运输，同时使得主铁心磁路相对 简单，并且在运行过程中，补偿绕组发生故障，更容易检修和替换。其结构示意图 如图2 1 所示： 1 f ”鼍q 蝗 图2 - 1 特高压变压器的单相结构 2 2 2 特高压变压器的调压方式 特高压变压器的绝缘水平太高，首先应该考虑的是绝缘问题，如采用5 0 0 k v 线 端调压，则对调压装置的绝缘水平要求很高，可靠性是难以保证的，并且分接开关 很难选取，引线也极为复杂【l 。因此，特高压变压器采用中性点变磁通调压方式， 同时变压器分为主体和调压变部分，使开关的绝缘水平降低，从而使变压器的结构 得以简化。一旦在调压过程中调压变出现问题，不会影响到主体变压器，变压器主 体仍能安全运行。经计算，采用变磁通调压后，调压绕组的每级间电压将比线端调 压的调压绕组级间电压增大接近l 倍【1 2 】。这就导致开关级电压随之增大，同时调压 绕组的级间绝缘也必须相应增加。采用无载调压时，可采用2 2 5 与“2 5 的 调压方式；采用有载调压时，由于级电压和切换容量的限制，必须采用8 0 6 2 5 或 1 0 0 5 的调压方式。综合考虑调压绕组绝缘和散热等方面，无载调压时按 4 1 2 5 进行设计，采用有载调压时按1 0 0 5 进行设计。 中性点调压方式的优点在于调压绕组和调压装置的电压低，对绝缘要求低，制 造工艺容易实现，可以降低特高压变压器的整体造价，但也会带来变磁通调压等相 关问题。当调压装置的分接头位置改变时，会引起特高压变压器高中低压侧的电压 变化。一般情况下，中压侧的电压波动不大，但随着高压侧电压的变化，低压侧电 压也会相应的变化，有可能导致低压侧无法使用。从系统运行的安全性和可靠性的 华北屯力大学硕士学位论文 角度来讲，这种现象是不能允许的。因而在特高压变压器中，专门设置补偿变，利 用电压负反馈原理，补偿绕组与调压绕组同柱布置，对低压侧的变压进行补偿以减 少该侧的电压波动。 2 2 3 特高压变压器的参数 目前在建的特高压交流试验示范工程中，特高压变压器的参数为： ( 1 ) 额定容量 在绕组平均温升6 5 k 时的连续额定容量：高压绕组为1 0 0 0 m v a ；中压绕组为 1 0 0 0 m v a ；低压绕组为3 3 4 m v a 。 ( 2 ) 额定电压 高压绕组为1 0 5 0 3k v ：中压绕组为5 2 5 3 4 x 1 2 5 k v ；低压绕组为1 1 0 k v ( 因调压引起电压变化允许范围偏差为1 ) 。 ( 3 ) 标称短路阻抗 标称短路阻抗( 以高压绕组额定容量1 0 0 0 m v a 为基准) ：高压中压为1 8 ； 高压低压为6 2 ；中压低压为4 0 。 2 3 变压器纵联差动保护 2 3 1 变压器纵差动保护原理 图2 - 2 双绕组变压器纵差动保护的原理接线 上图为双绕组单相变压器纵差动保护的原理接线图，五和厶为变压器一次侧和 二次侧的一次电流：石和e 为相应的电流互感器二次电流，参考方向为母线指向变 压器，电流互感器的正极性置于靠近母线的一侧；差动继电器并联在电流互感器的 二次端子上。流入差动继电器k d 的电流为： 8 华北电力大学硕+ 学位论文 ir = i i + i ： q u 纵差动保护的动作判据为： ir is e | ( 2 - 2 、) 上式中l 为差电流，k 为纵差动保护的动作电流。设变压器的变比为惭= u ，u ：，式 ( 2 - 1 ) 可进一步表示为： ，：土+ 立 n - r az 2 变形为t ：丝世+ ( 1 一业) 土( 2 - 3 ) hta2n r a 2n r a i 玎喇。、行喇2 分别为两侧电流互感器的变比。若选择电流互感器的变比，使之满足 h t a 2 ：n r( 2 4 ) 这样式( 2 3 ) 就变为丘：盟垫( 2 - 5 ) h t a 2 根据式( 2 5 ) ，正常运行和变压器外部故障时，差电流为零，保护不会动作：变 压器内部( 包括变压器与电流互感器之间的引线) 任何一点故障时，相对于变压器内 部多了一个故障支路，流入差动继电器的差电流等于故障点电流( 折算到电流互感器 二次侧) ，只要故障电流大于差动继电器的动作电流，差动保护就能迅速动作【l 引。由 此可见，纵差动保护不但能够正确区分区内外故障，而且不需要与其它元件的保护 配合，可以无延时地切除各种故障，因而被广泛地用作变压器的主保护。式( 2 4 ) 是 纵差动保护中电流互感器变比选择的依据。 图2 - 3 三绕组变压器纵差动保护接线单相示意图 9 华北电力大学硕十学位论文 电力系统中常常采用三绕组变压器。三绕组变压器的纵差动保护原理与双绕组 变压器是一样的。图2 3 所示的是y n ，y n ，d 1 1 三绕组单相变压器纵差动保护的接 线图，接入纵差动继电器的差电流为 t = 五+ 厶一厶7( 2 6 ) 设变压器的1 3 侧和2 3 侧的变比为n 川，和n ，考虑到正常运行和区外故障时变压 器各侧电流满足惭。3 五+ 仰：，厶+ 厶= 0 ，电流互感器变比的选择应该满足： f 7 1 3 一即7 1 3 i 一万 ( 2 - 7 ) f i t a 3 t 2 3 一= ：= - n t a 24 3 2 3 2 两种不同差动保护原理的转角方式 由于变压器各侧的额定电流、相位在正常运行时不一致，因此在形成差动电流 之前，一般要进行幅值相位校正。应用范围最广的y n ，d l1 电力变压器在构成纵联 差动保护接线时，由于变压器高压侧与低压侧相位相差3 0 0 ，为了消除相位不同产 生的不平衡电流，要对其进行相位补偿【i4 1 。并且在区外故障时，区外故障的零序电 流通过三角形( ) 绕组和地构成通路，而一般来说，侧的电流互感器( t a ) 都是接 在环外，感受不到区外故障的零序电流，而y 0 侧的t a 能够感受到故障零序电流， 因此如果不消除y 0 侧的零序电流，很有可能会引起差动保护误动。因此，相位补 偿的方法不同，变压器区内外故障差动保护的灵敏性也不同。 2 3 2 1y 一相位补偿 传统的变压器差动保护通常是将变压器的星形侧电流互感器接成三角形，而将 三角形侧电流互感器接成星形，以此来满足相位补偿关系。其主要原因是若变压器 高压侧中性点直接接地，当外部发生单相接地短路时，变压器高压侧将有零序分量 电流，而变压器低压侧电流互感器不反应零序分量电流，这样在y 侧采用相间电流 进行移相后，差动回路中不会引起不平衡电流，从而保证差动保护不误动作，所以 传统的电磁型构成的变压器差动保护无一例外地采用了这种相位补偿方式。 目前的微机型变压器保护装置，多数对差动保护用的电流互感器接线的要求 是：可以采用全星形接线，也可以采用常规接线：差动用的电流互感器采用全星形 接线时，由软件补偿相位和幅值。若电流互感器采用三角形接线，无法判断三角形 接线内的断线，只能判断引出线断线。显然，差动保护用的电流互感器采用全星形 接线较采用常规接线有其优越性，已被广泛采用。 微机保护装置中电流互感器采用全星形接线时，如星形侧电流互感器三相电流 采样值为j _ 、，b 、t ，一般软件按下式可求得用作差动计算的三相电流元、以和足。 1 0 华北电力人学硕士学位论文 其相量图如图2 - 4 所示。 珊 ( a ) y ，d ll 变压器高、低压侧 引出线电流相量 ( 2 - 8 ) ( b ) y ，d l1 变乐器软件变换后高压侧 引出线电流相量 鼬睢删 弘9 ， ib ： ( a ) 高压侧电流相量( b ) 低压侧电流相量 幽2 - 5y ，d 1 1 变压器一y 转换相量图 由图2 - 9 可知，经软件计算后，变压器在不计零序电流分量的情况下( 即变压 0 0 一i 压 一一 1，j “露尼 华北电力大学硕士学位论文 行如下变换，即把y 侧的相电流? 月、，曰、j c 各减去零序电流i o = ( l + 厶+ 厶) 3 ， 即雕潮 p 。， 乃2 辛一，8j - ，_ = 1 15 ，胃 ( 2 - 11 ) 1 2 华北电力大学硕十学位论文 现了对特高压变压器的双重保护功能，使这种保护配置的性能得到了进一步的完 善。 2 4 特高压变压器的差动保护配置方案 特高压变压器由三个单相自耦变压器组成，其差动保护的配置与超高压变压器 的配置类似，包括稳态比例差动保护，分相差动保护，故障分量差动保护，分侧差 动保护和零序差动保护。由于特高压变压器设置了单独的调压变以降低设备的绝缘 要求，因此这种差动保护配置方案不仅要能保证主变的安全可靠运行，同时还要快 速准确地切除发生在调压绕组和补偿绕组上的故障。特高压变压器的保护配置和电 流互感器的配置在图2 - 6 中给出。 i i 图2 - 6 特高压变压器的差动保护配置 2 4 1 稳态比例差动保护 特高压变压器高、中、低压三侧母线上综合的差动保护( 又称大差保护) ，调压 华北电力大学硕十学位论文 变压器和补偿变压器上的差动保护都属于稳态比例差动。大差保护按照相间差动电 流方式，将中低压侧的电流折算成高压侧的标幺值来求取差动电流，是遵循基尔霍 夫电流定律配置的最基础的变压器保护类型。从理论上讲，大差保护可以对特高压 变压器所有的内部故障作出反应。调压变差动保护和补偿变差动保护则是针对调压 绕组和补偿绕组分别设置的双绕组纵差动保护，并与大差保护采用相同的动作判 据。 假设特高压变压器中压侧为电源侧，并且高中低侧的电流参考方向为流入变压 器，乃、岛、丘分别表示经过相间电流差动方式变换，并已换算成以高压侧为基准 的高中低压侧电流标幺值，因此动作量厶= l 霸+ 兑+ 丘l ，制动量取为 k = 1 2j ；v + 丘一兑i 。特高压变压器的稳态比例差动动作判据为： i a i o当k i i id k 、0 i 。s il 、) 芝i o 当i 、si 。1 2 厶一k ( 厶一厶) 一k ：( k 一厶) i o当k 1 2 在该判据中，厶= 0 2 0 3 ，k l = 0 15 0 3 ，k ：= 0 5 0 7 图2 - 7 三折线比例制动特性 i 。髓 1 。 七口口皿i 瞳 这是三折线的比例制动判据，其优点是兼顾了变压器外部严重短路的可靠性和 内部轻微匝间短路存在流出电流的灵敏度，因为特高压变压器高中压侧均为一台半 断路器接线方式，高中压侧外部短路电流很大，互感器在很大外部短路电流作用下 可能深度饱和，有必要提高折线b c 的斜率k ，而在内部匝间短路时，需要降低 a b 段的斜率疋，允许较大的流出电流。 2 4 2 分相差动保护 分相差动保护是指将变压器的各相绕组分别作为被保护对象，由每相绕组的各 1 4 华北电力大学硕七学位论文 侧c t 构成的差动保护，该保护能反映变压器某一相各侧全部故障。分相差动保护 可以看作是纵差保护的一种，也受励磁涌流的影响。由于低压侧( 形侧) 只能取 套管c t ，该侧套管与母线之间的引出线就没有了快速保护。因此，就要另外增加 保护低压侧引出线的快速主保护。 由特高压变压器各侧电流构成，能反映变压器内部各种故障的差动保护有大差 保护和分相差动保护。大差保护是由变压器各侧外附c t 构成的差动保护，该保护 能够反映变压器区内的各种故障。按照国网公司2 0 0 8 年2 月颁布的q g d w l 7 5 2 0 0 8 变压器、高压并联电抗器和母线保护及辅助装置标准化设计规范 1 1 6 】。相关变压器保护配置要求中提出：主保护配置纵差保护或分相差动保护。若仅 配置分相差动保护，在低压侧有外附c t 时，需配置不需整定的低压侧小区差动保 护。特高压变压器的分相差动保护是由变压器高中压外附c t 和低压侧三角内部套 管( 绕组) c t 构成的差动保护。从保护范围来说，大差保护配置能对主体变，调 压变和补偿变的内部故障情况作出反应，起到全面保护的作用。而分相差动保护仅 能反映主体自耦变压器的各种故障，对于低压母线上的故障则不能动作。大差保护 由于变压器接线组别的原因，计算差流都存在y a 变换的环节，经过折算后，差流 均削去了零序电流，差动保护灵敏度有所降低。同时，经过变换后不能够直接的反 映本相励磁涌流的特征，对励磁涌流判别产生一定的影响。但是分相差动保护实现 了完全的分相，避免了因为相位校正对差动保护的影响，有利于提高空充于故障时 的动作速度。此外分相差动保护可以提取真正的励磁涌流，能提高判别的准确度， 同时由于不需要消除零序电流，分相差动保护能提高对变压器内部接地故障的灵敏 度。因此在特高压变压器主保护中设置分相差动保护能对大差保护起到补充和完善 的作用。 2 4 3 故障分量差动保护 基于故障分量( 也称增量) 来实现保护的原理最早可以追溯到突变量原理的保 护，但真正受到人们普遍关注和广泛研究则是出现微机保护技术之后。微机具有长 记忆功能和强大的数据处理能力，可以获取稳定的故障分量，从而促进了故障分量 保护原理的发展fj 7 l 。近2 0 年来，陆续提出了基于故障分量的差动保护、方向保护、 距离保护、故障选相等许多新原理，并在元件保护、线路保护各个领域得到了成功 的应用。 2 4 3 1 基本原理 故障分量电流是由故障后电流减去负荷分量而得到的，可以由它来构成比率差 动保护。习惯上常用“ 表示故障分量，故也有人称之为“差动继电器”l l 引。 以两侧纵联差动保护为例，如图2 8 所示，若两侧电流假定正向均耿为流入被保护 华北电力大学硕士学位论文 设备，故障分量比率差动保护的动作方程可表示为： i 她+ 鸸i k l 缸一鸸i ( 2 - 1 2 ) 式中心i = 厶一矗l ，鸽= 厶一厶。，下标l 表示正常负荷分量，下标i ，i i 表示 被保护设备两侧的电量。 在故障分量比率差动保护中，令心，止，分别表示动作量( 差动量) 和制动量， 眠j 簟2 簟+ 簟( 2 - 1 3 ) 【a r = 刖i 一刖“ 因正常运行时有厶= 一五l = 一丘，故传统比率差动保护的动作量厶和制动量t 可表示 为：j ? 2 + l2 簟( 2 - 1 4 ) lr = 1 i i 强= 缝r + 2 il 比较式( 2 13 ) 与式( 2 1 4 ) 可见，忽略变压器两侧负荷电流的误差之后，两 种差动保护原理的动作量相同，主要不同之处表现在制动量上。发生内部轻微故障 ( 如单相高阻接地或小匝数匝间短路) 时，可能出现k l 1 2 丘i ，制动量主要 决定于缸，因此两种原理差动保护的制动量相当，不会引起误动。 设一单相变压器发生对地高阻抗接地故障，现用一简化的具有两端电源的t 形 网络来表征，如图2 8 所示。 图2 - 8 单相变压器内部故障简化等值电路 短路阻抗为z ，。按照叠加原理，可将图2 - 8 所示电路分解为正常网络和故障附 加网络。由故障附加网络可推导出： 歇谢= 矧 p 柳 i “ii 乙一乙i 、 。 由式( 2 1 5 ) 可见，故障分量原理的灵敏度与z ，无关。对于一个感性电力系统，乙 与z s 的相位差介于【- 9 0 ，+ 9 0 】之间，所以i 磊+ z s l i z r 一磊i 的最小值为1 。也就是说， 故障分量差动原理在内部故障时，总会有i 心i l 业l 1 存在1 9 】，即在双侧电源条件 下，若取k - - - 1 ，按上述分析能保障对最轻微故障的灵敏度。 1 6 华北电力大学硕十学位论文 2 4 3 2 故障分量差动保护的动作判据 ( a ) 两侧电流相量构成的比率制动判据 实现保护首先应计算被保护设备两侧故障分量的基波分量，然后再构成比率制 动特性动作判据。采用故障分量原理仍然需要设置一个差流故障分量门坎值鸲m i 。， 并与比率制动特性相结合，形成折线制动特性。根据前面的分析，故障分量差动保 护可选用较大的k 值而不会降低灵敏度，故只需要一段斜线特性就够了，如图2 - 9 所示。在正常运行条件下，差动电流龇中已消去了t a 等因素引起的稳态误差的影 响，故弛m i 。可以整定得更小一些，这对于提高保护对内部轻微故障的灵敏度非常 有益。 综合判据的表达式为： 峨 龇。i 。n 弛 k m 0 k f b ir - 0 5 j n 、+ l 嘴t ，= m a x 1 1 1 i ，i k i ( 2 - 2 1 ) l = p ：+ j 叫 其中厶、，：、l 分别为i 侧、i i 侧和公共绕组侧电流，l 为分侧差动起动定 值，l 为分侧差动动作电流，为分侧差动制动电流，如为分侧差动比率制动系 数整定值，l 为t a 二次额定电流。 图2 - 1 1 分侧比率差动保护的动作特性 装置中依次按相判别，当满足以上条件时，分侧差动动作。分侧差动各侧t a 二次电流由软件调整平衡。 2 4 5 零序差动保护 由于变压器单相短路时相间差动保护灵敏度不高，才提出零序差动保护方案。 单相式大型变压器绕组的短路类型主要是绕组对铁芯( 即地) 的绝缘损坏，即单相接 地短路，相间短路( 指箱内故障) 可能性很小，因此认真对待变压器绕组的单相短路 故障保护，十分必要。在特高压电力系统中，自耦变压器因体积小、效率高、用材 省等优点而得到了广泛应用。在为自耦变压器配置保护时，其相间差动保护、匝间 保护、瓦斯保护及相间后备保护与普通变压器基本相同，一般不需作特殊考虑，但 其零序保护却有着不同于普通变压器保护的特点。 三绕组自耦变压器，高中压之间除了有磁的联系还有电的联系，采用中性点直 1 9 华北电力大学硕士学位论文 接接地的星形接线方式。第三绕组与其他变压器一样只有磁的联系，采用三角形接