（电力系统及其自动化专业论文）自适应技术在变压器差动保护中的研究.pdf

a b s t r a c t a p p l i c a t i o no fs e l f a d a p t i v et e c h n o l o g y i nt r a n s f o r m e rd i f f e r e n t l a lp r o t e c t i o n a b s t r a c t p o w e rt r a n s f o r m e ri so n eo ft h em o s ti m p o r t a n te q u i p m e n ti np o w e r s y s t e m i t sm a i np r o t e c t i o ni sd i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o n t h em a g n e t i z i n gi n r u s hc u r r e n t c a u s e db ys w i t c h i no rr e c o v e r yf r o me x t e r n a lf a u l tw i t hv o l t a g es u d d e nr i s e ，i t s m a g n i t u d ei sa ss a m e a sw h i c hi n t e r n a lf a u l th a p p e n s t h ea b i l i t yo f i d e n t i f y i n g i n r u s hc u r r e n te x a c t l yi st h ef o c u so ft r a n s f o r m e rp r o t e c t i o na ta l lt i m e s a t p r e s e n t ，m o s to f i n r u s hi d e n t i f i e dm e t h o d sb a s e do nk i r c h h o f fc u r r e n tl a wh a v e t h et h e o r e t i cd e f e c t ；s o m en e wt h e o r i e sa n dd i s c r i m i n a t i o nm e t h o d ，s t i l lw a i t f o rf u r t h e rc o n s u m m a t i o n w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp o w e rs y s t e m ，o n l o a dt a pc h a n g e rt r a n s f o r m e r s a p p l yw i d e l y ，t h e r e f o r e s o m ec o h e r e n tq u e s t i o n sc o m eu p m i s m a t c ho ft a s e c o n d a r ys i d e sc u r r e n t sa m o n g t h e s ec a u s e sb yt a p sc h a n g i n g ，s e v e r e l ya f f e c t t h ea c c u r a c ya n ds e c u r i t yo fd i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o n s e l f - a d a p t i v ep r o t e c t i o n i sa b l et oi d e n t i f ya n d d i a g n o s e f a u l t t y p e a u t o m a t i c a l l y ，t h e na d j u s tf i x e dv a l u ea n dc h a r a c t e r i s t i co fp r o t e c t i o n a st h e h a r d w a r eb a s eo fa d a p t i v ep r o t e c t i o n ，f a s td e v e l o p m e n to fm i c r o c o m p u t e r s y s t e mr e n d e r s a ne x t e n s i v ep r o s p e c tf o ra d a p t i v et h e o r ya p p l i c a t i o n i nt h i st h e s i s ，an e wc r i t e r i o nb a s e do nv o l t a g es w i t c h i n gv a l u ec o m p o u n d w i t h s e c o n d a r y h a r m o n i cr e s t r a i n ti s p u t f o r w a r d ak i n do ft ac u r r e n t s c o r r e c t i o nm e t h o db a s e do nt h ea n a l y s i sb e t w e e nt as e c o n d a r ys i d e sc u r r e n t a n dt a p sp o s i t i o ni si n t r o d u c e d ，w h i c hc a na d j u s tt as e c o n d a r ys i d ec u r r e n t s o n l i n ea u t o m a t i c a l l y t h es i m u l a t i o ns o f t w a r ep s c a d e m t d ci su s e df o re v a l u a t i n gt h es c h e m e a b s t r a c t s u g g e s t e du p s i d e k e y w o r d s ：p o w e rt r a n s f o r m e r ；d i f f e r e m i a lp r o t e c t i o n ；m a g n e t i z i n gi n r u s hc u r r e n t t a pc h a n g e r ；s e l fa d a p t i v e 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解广西人学有关保留、使用学位论文的规定，即： 广西大学拥有在著作权法规定范围内学位论文的使用权，其中包 括：( 1 ) 已获学位的研究生必须按学校规定提交学位论文，学校可以 采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的学位论文；( 2 ) 为 教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文作为资料在图书馆、资 料室等场所供校内师生阅读，或在校园网上供校内师生浏览部分内 容。 本人保证遵守上述规定。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期： 趋拉 2 2 2 主! 互 导师签名：熊 日期：丝! 基： 第章绪论 第一章绪论 1 1 引言 随着电力系统的出现，继电保护技术就相伴而生。与当代新兴科学 技术相比，电力系统继电保护是相当古老了，然而电力系统继电保护作 为一门综合性科学又总是充满青春活力，处于蓬勃发展中。之所以如 此，是因为它特别注重理论与实践并重，与基础理论、新理论、新技术 的发展紧密联系在一起，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、新材料的发展是促进继电保护发展的 外因，是电力系统继电保护发展的客观条件和技术基础。 自产生至今，继电保护装置的硬件大体上经历了机电式、整流式、 晶体管式、集成电路式、微型计算机式等发展阶段。继电保护的发展史 实际是一部在原理上不断吸取边缘学科新思想，在实现上不断采用新器 件的历史。 1 1 1 变压器差动保护的发展简述 电流差动保护原理是由c h m e r z 和b p r i c e 在1 9 0 4 年提出的，其理 论基础是基尔霍夫电流定律，它是电力变压器的主保护，也是各种电气 元件使用最广泛的一种保护方式。 自上世纪7 0 年代微处理器的出现，元件保护进入到微机保护时代。 国外在7 0 年代即对变压器个别保护的计算机实现开展研究。8 0 年代 国外开始研制发电机及变压器整套微机保护。i 9 8 9 年波兰k o r b a s i e w c z 发表了发电机变压器组微机保护系统。1 9 9 0 年印度v e r m a 等也发表了变 压器全套微机保护的研究成果。到9 0 年代见到f 式商业产品，如s i e m e n s 及a b b 公司均已有微机发变组全套保护。 我国微机元件保护的研制，足从8 0 年代开始的”1 。1 9 8 7 年存我国 首先研制成微机式发电机失磁保护系统，在此基础上于1 9 8 9 年丌发研 制成发电机全套微机保护，并于1 9 9 4 年研制成我国第一套适用j 。6 0 万 第一章绪论 k w 及以下容量水、火发电机变压器组全套微机保护。随后，幽内又研制 成用于水轮机发电机变压器组的微机保护。1 9 8 8 午后有多家研制成了变 压器微机保护。 电气主设备内部故障的主保护方案之一是差动保护，差动保护在 发电机上的应用比较简单。作为变压器主保护，对其要求有两方面， 即防止外部短路时一i 平衡电流及防止励磁涌流所致的误动作。但是作 为变压器内部故障的主保护，差动保护将有许多特点和困难，变压器 具有两个及更多个电压等级，构成差动保护所用电流互感器的额定参 数各不相同，由此产生的差动保护不平衡电流将比发电机的大得多。 变压器每相原副边电流之差( 正常运行时的励磁电流) 将作为变压器 差动保护不平衡电流的一种来源，特别是当变压器过励磁运行时，励磁 电流可达变压器额定电流的水平，势必引起差动保护误动作。更有甚者， 存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，要求差动保护不误动，是一个相当复杂困难 的技术问题。 正常运行中的变压器，根据电力系统的要求，需要调节分接头，这 又将增大变压器差动保护的不平衡电流；变压器差动保护应能反应高、 低压绕组的匝间短路，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应高压侧( 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，可见变压器差动保护要比发电机等其他元件差动保护 复杂得多。 第一章绪论 1 2 国内外变压器差动保护研究发展现状 1 2 1 综述 随着超高压、远距离输电在电力系统中的应用越来越广泛，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。电力变压器在空载合闸投入电网或外部故障切除后电压恢复时会 产生数值很大的励磁涌流，同时波形严重畸变，容易造成差动保护误动 作，直接影响到变压器保护的可靠性。差动保护一直是电力变压器的主 保护，其理论根据是基尔霍夫电流定律，对于纯电路设备，差动保护无懈 可击。但是对于变压器而言，由于内部磁路的联系，本质上不再满足基尔 霍夫电流定律，变压器励磁电流成了差动保护不平衡电流的一种来源”3 。 当前变压器差动保护的主要矛盾仍然集中在励磁涌流和内部故障 电流的鉴别上。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。 1 2 2 励磁涌流判别原理的研究现状 ( 1 ) 电流波形特征识别法 电流波形特征识别法一直是人们研究的热点，目前仍占据主流。该 方法以励磁涌流和内部故障电流波形特征的差异为依据，文献“”介绍 了已运用于实践的几种方法：有二次谐波制动原理和问断角原理”1 ， 新近提出的有采样值差动原理“3 、波形对称原理”1 、波形叠加原理 ”3 、波形相关性分析法”1 和波形拟合法”3 。其中，采样值差动原理是间 断角原理的衍生，波形对称原理是间断角原理的改进，而波形叠加原理、 波形相关性分析法和波形拟合法则是波形对称原理的衍生或改进。另外， 随着科学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，其中有代表性的是神经网络和 小波变换。然而，就目前发表的文献看，这些新兴手段也只是局限于对电 流波形进行一些简单的加工，所以仍属于电流波形特征i 别法的范畴。 ( 2 ) 谐波识别法 文献”“详细介绍了谐波识别法的原理及运用，该方法是通过电流 或电压巾谐波含量的多少来区分内部故障和励磁涌流。主要有利用_ 二次 第章绪论 谐波电流和分析变压器端电压中的谐波分量两种鉴别励磁涌流的方法 即二次谐波制动和电压制动。大多数变压器差动继电器利用差动电流的 喈波分量区分不同于励磁涌流和过励状况的内部故障，谐波分母可以用 于制动或闭锁继电器动作。 ( 3 ) 磁通特性识别法“” 磁通特性识别法是考虑利用磁通量，综合运用变压器的电压和电流 进行励磁涌流判别的方法。目前主要有三种磁制动方案：是基于变压 器在不同工况下的励磁特性曲线建立故障判别区；二是建立差动电流i ， 和变压器的互感磁链妒之间的关系曲线，通过比较与0 的关系是否落 在空载磁化曲线附近来判断是否为励磁涌流；三是分析比较v _ ，曲线 上故障时或涌流时的切线斜率与半周波前对应的切线斜率的值，相等则 为故障。 1 9 8 7 年，在近年来提出的几种磁制动方案的基础上又提出一种称 为“图形识别”的涌流识别法，该方法对原方案中采用的变压器磁路模 型进行了改进，使之既能适用于单相变压器，也能适用于各种铁芯结构 的i 相变压器。 ( 4 ) 等值电路法“” 该方法是基于变压器导纳型等值电路的励磁涌流判别方法，通过检 测对地导纳参数变化来鉴别变压器内外故障。 ( 5 ) 功率法1 1 第一种：对故障状态下系统正负序网络模型进行分析，由变压器两 端电流电压计算出两侧正负序功率根据正负序功率方向的不同，快速、 准确地区分变压器的内部故障、外部故障和励磁涌流。 第二种：先根据电流电压计算出变压器两端功率值，并计算出两者 之筹，用求得的有功功率差额( r ) 来判别励磁涌流和变压器内部故障。 该方法的优点是第一没有让励磁涌流成为动作的因素，故在励磁涌流判 别方面有较大的优势。第二与以往的励磁涌流判据相比，功牢差动保护 的功能更为全面具有区分变压器内、外部故障的功能，可以作为独立保 护使用。 第一章绪论 ( 6 ) 基于模糊逻辑的多判据法“” 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 日j 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 了“集思广益”，体现了智能化特点，提高识别励磁涌流的正确十串和可 靠性。 图1 1 示出了模糊多判据识别励磁涌流逻辑框图。 泌 别 图1 1模糊多判据励磁涌流识别逻辑框图 f i g u r e1 1l o g i cf r a m eo fm a g n e t i z i n g i n r u s hc u r r e n tb yf u z z ) m u l t i - c r i t e r i o n 其中，h 、：以是各涌流识别方法的隶属函数，y 。、扎一是各 识别函数的权，通过模糊变换可得到一个总的隶属度来综合各判掘，总 的隶属度为 = 托h + 以2 + + 以以 ( 1 一i ) 其中， y i + y 2 + + 靠= l ( 1 2 ) 文献“提出了二次谐波制动原理、波形对称原理、功率差动原理、 低电压原理的模糊多判据励磁涌流识别算法。 这种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，如模糊逻辑中隶属函数与权重应当如何选择。这个问题的 睁i 答建立在原有认识的基础上，而且需要技术人员对问题有较深入的认 识。所以，该方法仍需要科研工作者进行深入而细致的研究。 ( 7 ) 其它 文献”介绍了基于参数辨识的变压器差动保护：该方法无需鉴别励 竺墨 画 竺赢一 饕f ? | l | 一 1，vi 潆 第一章绪论 磁涌流，通过建立变压器的线性模型，而模型无需涉及变握器铁心的非 线性关系和磁滞效应。当变压器绕组漏感和电阻在f 常运行、外部故障 及励磁涌流时不发生变化，而在变压器内部故障时要发牛变化。根据这 一特性，可把变压器绕组的漏感和电阻值是否发生变化作为区分变，k 器 内部故障和难常、外部故障、励磁涌流情况的判据。 文献”l 介绍了基于励磁阻抗变化的变压器励磁涌流判别方法：在励 磁涌流出现时，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因而不需 要变压器参数和系统参数。 1 2 3 变压器保护发展趋势 电力系统飞速发展对继电保护不断提出新要求，电子技术、计算机 技术与通信技术的迅猛发展又为继电保护技术的发展不断地注入了新 活力。随着数字技术的发展、微型计算机和微处理器的出现，为继电保 护数字化开辟了广阔前景。2 0 世纪9 0 年代中后期人工智能以及 i ) 9 络技术 的飞速发展，出现了以微机和光传输技术为特征的全数字控制智能保护 系统，以此为标志，微机继电保护技术呈现出网络化，智能化，以及保 护、控制、测量和数据通信一体化的发展趋势“。 从上世纪8 0 年代至今，国内外学者相继把模糊理论、人工神经网 络、自适应理论、专家系统等智能理论应用到电力系统中，并取得了辉 煌的成就。 12 3 1 模糊理论在继电保护中的应用脚”“” 模糊理论的核心思想是利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。在电力系统 继电保护中，应用模糊数学不是要是使得输出的跳闸命令变得含含糊 糊，而是利用模糊数学的理论和方法，对输入的各个电气量、，l ：关量等 信息更加有效的进行综合决策，从而得出更加精确和符合实际情况的输 出。文献”。“将模糊理论引入变压器主保护，其基本思想是将多个输 入量及相关保护判据给以不同置信度，然后通过模糊推理决策得到最终 跳闸命令。文献”“应用模糊理论对变压器励磁涌流进行了识别。 6 第一章绪论 1 2 3 ，2 专家系统在继电保护中的应用 专家系统是人工智能领域中的一个重要分支，它在各个学科中部得 到广泛的应用，文献“”讲述其在电力系统保护中的应用。由于继电保护 对实时性要求高，这限制了专家系统的应用范围。目前的专家系统主要 应用j ：对实时性要求不高的场合，如继电保护整定、协调，高阻接地故 障检测，故障定位，故障诊断。 12 33 人工神经网络在继电保护中的应用 人工神经网络( a n n ) 的应用是目前继电保护领域文献发表最多的 方向之一。人工神经网络是由很多神经元广泛互连丽成的网络，信息存 储体现在神经元之间的连接权上，存储区与操作区合二为一，a n n 具有 高度并行计算能力以及相当强的自适应性、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做到的最优算法；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：利用a n n 的高度容错能力可以使得继电保护具有更 高的可靠性。文献”“是国内较早运用人工神经网络对继电保护作综合探 讨的文献，在对变压器保护特征提取采用了变压器两侧电流负序分量相 对方向，二、三、五次谐波含量以及一次侧电流问断角的大小来综合识 别励磁涌流状态的存在，出于考虑了五次谐波的含量因此变压器是否处 于过激磁状态也可以加以判别。 】2 3 4 自适应技术在继电保护中的应用 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、参数和网络结构会经常随着运行方式的变化而变化。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“。另外实际上也有限地使用了一些自适应原理，例如反时 限原理的过流、过热、过激磁保护措施。 文献”介绍了利用自适应原理鉴别过激励及涌流状态的数字差动 继电器。文献”介绍了准确高速距离微机保护中自适应数据窗算法的 应用。 第一章绪论 随着微机继电保护的应用和发展，计算机运算速度的提高，逻辑判 断能力增强，数据存储量不断增大，这些条件为自适应原理在继电保护 中的应用创造了条件，发展迅猛。自适应继电保护能够克服同类型传统 保护长期以来存存的困难和问题，改善保护的动作性能。目f i i j - ，白适应保 护还处在研究开发的初期，但其研究成果已说明了它的优越性。对白适 应继电保护的基本要求是：系统运行方式及故障类型的自动诊断和谚 别 以及保护动作定值和特性的白适应调整。随着电力系统的发展，系统运 行方式及故障类型越来越复杂，自适应保护必须利用各种人工智能技术 和信号处理方法，有效地提取故障特征，实现系统运行方式及敞障类型 的自动识别。在此基础上，充分利用人工智能技术的自学习和自适应能 力，根据系统不同的运行工况，自适应地调整各种保护定值和保护的动 作特性。要实现上述目标，关键是选择和使用适当的故障信息实现自适 应保护，以及选择和使用适当的人工智能技术和信号处理方法以实现保 护性能的优化。要更有效地使用人工智能技术和信号处理方法，就需更 深入地对其理论和方法进行研究，将其有机地结合起来，加以综合利用， 以便获得更好的应用效果。 1 3 论文研究的背景、目的及意义 1 3 1 论文的背景 近年来，我国的超高压、大容量电力变压器不断投产，远距离输电系 统越来越多地建成、运行。电力变压器是电力系统中极其重要的电气设 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l ：作。特 别是由于变压器本身造价昂贵，一旦因故障而遭到破坏，其检修难度大， 检修时间较欧，经济上的损失也很大。 相对于变压器保护的重要性而言，国内变压器保护的发展却远远落 后，其保护正确动作率长期偏低。造成这一结果的原因有管理上的不足， 仃当前工作人员的素质问题( 设计、制造、整定调试、运行维护诸方面 的失误) ，但最主要的是由于电力变压器继电保护技术上的缺陷。 据统计，1 9 9 0 年全国2 2 0 k v 变压器是1 3 0 2 台，1 9 9 9 年2 2 0 k v 变压 器由13 0 2 台发展到2 5 2 6 台，增加了12 2 4 台，增加近1 倍。3 3 0 k v 变压 第一章绪论 器h t3 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2 倍。 5 0 0 k v 变压器也由1 9 9 0 年的6 6 台发展到1 9 9 9 年的2 2 3 台，增加了1 5 7 台，增加了2 倍多。然而多年来电力系统变压器保护的正确动作率却大 大低于发电机和线路保护的正确动作率。2 0 0 0 年全国继电保护的运行情 况是：2 0 0 k v 及以上线路继电保护装置征确动作率达9 8 9 9 ；l o o m w 及以上发电机保护装置正确动作率为9 7 0 7 ；2 2 0 k v 及以上变压器保护 装置正确动作率仅为7 5 1 2 。变压器继电保护正确动作率特别低的现状 引起继电保护专家的极大关注。 文献”93 3 】 等细介绍了十多年来我国变压器保护装置的运行情况与分 析结果。表1 1 ，表1 2 统计2 0 多年来2 2 0 k v 变压器保护装置运行的正 确动作率情况。 表1 11 9 8 1 - 1 9 8 9 年2 2 0 k v 及以上变压器保护装置正确动作率统计 t a b l e1 1t h ep e r f o r m a n c eo ft h et r a n s f o r m e rp r o t e c t i o nr e l a y t y p e d2 2 0 k v f r o m1 9 8 1t o1 9 8 9 第章绪论 表1 2 199 020 0 1 年220 k v 及以上变压器保护正确动作率统计 t a b l ei2t h ep e r f o r m a n c eo ft h et r a n s f o r m e rp r o t e c t i o nr e l a yt y p e d 2 2 0 k vf r o mf 9 9 0t o2 0 0 j 以卜表格提供的数据表明：长期以来变压器主保护动作正确率相 对偏低，变压器差动保护及其相应的辅助判据需要改善。在考虑了差 动保护在变压器应用中存在的问题后，提出了本论文课题。 132 存在的问题 众所周知，影响变压器差动保护动作正确与否的关键是保护装置 能否正确区分励磁涌流和内部故障。有关励磁涌流的分析一直以来都 足焦点，意义重大。主要应解决的主要问题有： 第章绪论 1 正确识别励磁涌流和内部故障时的短路电流。变压器窄载合闸或外 部短路故障切除电压突然恢复时，变压器有很人的励磁电流即励磁 涌流通过，因该励磁涌流仅在变压器的侧流通，敞流入差动回路。 变压器内部短路故障时，差动回路流入的是很大的短路电流。显然， 作为纵差动保护，励磁涌流作用下不应动作，短路电流 乍用f 保护 应可靠动作。 2 外部短路故障切除电压突然恢复的暂态过程巾，应保证纵差动保护 不发生误动作。应当注意在这个暂念过程中，一方丽变压器存在励 磁涌流，励磁涌流的非周期分量将使一侧电流互感器( 励磁涌流仅 在变压器一侧流通) 的误差特别是角误差增大；另一方面变压器负 荷电流的存在。这两方面的因素导致差动回路不平锸电流的增大， 变压器微机差动保护这种情况下不应误动。 3 应解决好区外短路故障时差动回路中的不平衡电流和保护灵敏度之 间的矛盾。区外短路故障时，由于纵差动保护各侧电流互感器变比 不匹配、有载调压变压器抽头的改变、电流互感器误差特别是暂态 误差的影响，差动回路中流过数值不小的不平衡电流，为保证纵差 动保护不误动，动作电流应高于区外短路故障时的最大不平衡电流， 这势必要影响到内部故障时保护的灵敏度。作为纵差动保护，既要 保证区外短路故障差动回路流过最大不平衡电流时不发生误动作， 又要在内部短路故障时保证一定的灵敏度。 1 3 3 论文研究的目的及意义 根据以上的数据分析及对目前应解决问题的研究，得到本课题所作 研究的目的：运用自适应原理，探求新的励磁涌流与内部故障判别方法。 其意义在于通过研究新判据，尝试以自适应方案完善目前的励磁涌 流判据，提高差动保护的可靠性。 1 3 4 论文的主要工作 本文在认真总结、学习前人研究成果的基础上，对把自适应理论运 用于变压器纵差动微机保护，提出一些新的看法。主要工作表现在以下 两点： 第一章绪论 l 有载调压技术正广泛应用于我国的电力系统中，由于分接抽头位置的 经常性调整，使得两侧t a ：次侧电流不再匹配，给变压器差动保护 带米了很大的影响，奉文就有载调压变压器抽头改变时，对变压器差 动保护的影响进行研究，提出了一种白适应识别变压器变比的电流校 正方法，并给出校正系数。 2由_ 丁变压器发生励磁涌流时磁路的饱和，变压器是一个非线性时变系 统，其电压、电流并非线性相关，而是系统中独立的2 个变量。所以，只 有同时应用电压、电流两个状态变量表述变压器的运行状态，信息才 具有完备性。本文在对励磁涌流特性进行分析的基础上，针对目前的 判据仅仅反映单一电气量的缺陷，根据励磁涌流和内部故障的基本特 征，提出用电压开关量原理和二次谐波共同制动的新判据。该原理能 更好地区别变压器空载合闸及外部短路故障切除后电压恢复过程中 励磁涌流和故障电流。将这个励磁涌流判据与电流差动保护相结合作 为变压器主保护就可以提高变压器保护的正确动作率。 1 4 本章小节 1 对国内外变压器差动保护研究发展的现状、发展趋势进行了总结性 综述； 2 分析了变压器差动保护发展中的技术应用问题，对励磁涌流判别原 理技术的缺陷也进行了分析； 3 提出了本课题的研究内容、目的及意义，并介绍了分析方法。 第二章变压器差动保护基i 奉原理 第二章变压器差动保护基本原理 2 1 差动保护基本原理 2 ，1 1 纵差保护的基本原理 纵( 联) 差( 动) 保护是比较被保护设备各引出量大小和相位的一种保 护，其基本原理是：采用差动继电器作保护的测量元件，用来比较被保护 元件各端电流的大小和相位之差，从而判断保护区内是否发生短路o “。 以图2 1 为例，设被保护设备有n 个引出端，各个端子的电流相量如 图所示，定义流入为正向，则当被保护设备没有短路时，恒有 = 0 ( 2 1 ) i 1 当被保护设备本身发生相问短路时， 设短路电流为，一，则有 = ， ( 2 - 2 ) 由此可见，以被保护设备诸端子电流 图2 1纵差保护原理示意图 j ，的相量和y j ，为动作参数的电流继电器， f i g u r e2 - 1 s c h e m a t i c 在正常运行或被保护设备外部发生各种短 他p ”n t a t ”“o f v e r t i c a l 路时，该继电器中理论上没有电流，保护 d i f i e 。“i 8 lp 。i ”t h 。r y 可靠不误动；当被保护设备本身发生相间短路时，巨大的短路电流全部输 入该继电器，保护灵敏动作，这就是纵差保护的原理，它只反映被保护设 备本身的相间短路，理论上与外部短路无关，当然也就可以用最快速度、 高灵敏地切除被保护设备本身的相间短路。 纵差保护的动作方程如下： j 。= k h i m ( 2 3 1 其中 k 。，为可靠系数，。一为不平衡电流 第二章变压器差动保护基本原理 由于纵差保护只在保护区内短路时才动作，1 i 存在与系统中斗目邻元件 保护的选择性配合问题，冈而可以快速切除整个保护区内任何点的短路， 这是它的优点。但为了构成纵差保护装置，必须在被保护元件各端装漫电 流互感器，并将他们的二次线圈片j 辅助导线联接起来，接差动继电器。出 ：受辅助导线条件的限制，纵差保护j 。泛的用于短线路上，如各种兀件保 护中。 212 比率制动式纵差保护的基本原理 纵差保护的动作电流乙是在最大外部短路电流厶。下保护不误动为 条件来整定计算的，当钋部短路电流小于厶。时，纵差保护动作电流可以 小于式( 2 - 3 ) 的计算值，仍可保证不误动a 能否让k 随外部短路电流的增 大而增大呢? 比率制动式纵差保护就是这样提出来的。“。原理如图2 2 所 示。 。吸n 图2 2比率制动纵差保护原理图 f i g u r e 2 2f i g u r eo fp e r c e n t a g ed i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o nt h e o r y 被保护元件每相首末两端电流各为，和，纵差保护继电器的差动线 圈匝数为，制动线圈匝数为，和：，若有 = 2 = o 5 ( 2 4 ) 互感器一、二次绕组极性和一、? 次电流正向定义如图2 2 ，此时筹动 继电器的差动安匝为( f ，一f ：) 、制动安匝为( f 。一i2 既。) = o 5 ( f ，+ f ：) ： 直接以电流表示，则为： 第一二章变压器羞动保护基奉原理 差动电流i d = i l i 2 = ( j l 一1 2 ) ，( 25 ) 制动电流= o 5 ( i i + i 2 ) = ( ，l + 1 2 ) 2 。( 2 6 ) 当考虑区外短路时外部短路电流为，“。，= ：= ，“。，f ，= 0 考虑t a 误差南i d = i m t 。 。= k 。u fn d 。 随着外部短路电流，“u 的增大，虽然不平衡电流k 和差动电流0 均有 所增加，但制动电流f 。随，一线性增大，继电器动作电流也就相应增大， 达到不误动的要求。可见比率制动式纵差保护的动作电流不是固定不变的， 它随外部短路电流的增大而增大，既保证了外部短路不误动，同时对于内 部短路又有较高的灵敏度。 2 1 3 变压器纵差保护原理 变压器电流差动保护就是把变压器两端的电流互感器按差接法接线， 使流过变压器一次侧和二次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，原理如图2 3 ，这样流入继电器的电流为两端的电流之差。在 变压器正常运行或只发生外部故障时流过差动继电器的电流平衡，保护装 置不动作。当变压器内部发生短路故障时，短路电流只流过电源侧的电流 互感器，此时，流过差动继电器的电流不平衡，当不平衡电流值达到保护 装置的动作值时，保护装置动作将故障变压器从系统中切除。 差动保护在原理上只反应被保护设备的内部短路电流，而不管外部发 生多严重的故障，因为它是基于节点电流定律的。长期的运行经验表明差 动保护是能灵敏地区分区内和区外故障的。 由于变压器空载合闸会产生幅值可达额定电流数倍至十数倍的励磁电 流，这样就很难与变压器内部短路电流相区别，从而导致差动保护误动。 因此变压器差动保护的主要矛盾集中在鉴别励磁涌流和内部故障上。 第章变压器筹动保护基本原理 。_ ： f 甜。t = f 工。， ：l =j i 。，4| - 、1 i 、l 】i 一f1 l 上a y工b yi 。y i d ， ( ( y i a - 1 1 一o 1 1 - 一 i d br 、，、 i ，) 、 i d c i j + 一u i 厂 j (一 j ( i斗 l l o 8 d；1 工b 。# i 。 ! 一u i l 图2 3变压器差动保护t a 接线 f i g u r e2 3 t ac o n n e c t i o nd i a g r a mo ft 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 以下将对目前几种常见励磁涌流判别方法的特点进行对比分析。 2 2 几种励磁涌流判别原理的比较 2 2 1 二次谐波制动原理 二次谐波制动法是计算差流中的二次谐波分量，若其值较大则判定为 涌流，常用的判别式为： ， 垒 k( 2 - 7 ) i d i 式中：和l ，分别为差流中的二次谐波和基波幅值；k 为_ 次谐波制 动比。 次谐波制动原理简单明了，有多年的运行经验，目前国内外实际投入 运行的微机变压器保护大都采用该原理。但是，采用二次谐波制动原理的变 压器保护，面临着以下几个问题： 6 第一二章变r 器差动保护基本原理 a b c 励磁涌流是暂态电流，小适合， 傅墨叶级数的谐波分析方法。因为对丁 暂态信号而言，傅驻叶级数法的周期延拓将导致错误的结果。 对某些大型变压器，变压器的工作磁通砖。与铁芯饱和磁通豉。，之比有时 很难取得较低，这导致励磁涌流中的：次谐波含量很低，影响对励磁 涌流的判别，保护可能会误动，很难适当选择制动比k 。 现代变压器磁特性的变化，使得涌流时二次谐波含量低，导致误动；而 大容量变压器、远距离输电的发展，使得内部故障时暂态电流产生较大 的二次谐波，导致拒动。 2 ，2 2 间断角原理 间断角原理利用了涌流波形有较大间断角的特征，通过检测差流问断 角的大小实现鉴别涌流的目的。”。该原理的模拟式保护装置已得到应用，但 面临着因电流互感器传变引起的间断角变形问题。当电流互感器饱和时，在 涌流的阳j 断角区域将产生反向电流，电流互感器饱和越严重则反向电流越 大，最终使得涌流问断角消失：对于内部故障电流而言，电流互感器饱和将 导致差流的间断角增大，而且电流互感器饱和越严重，其差流间断角越大。 前者将使得变压器发生涌流时差动保护误动，后者将使得变压器内部故障 时差动保护拒动。此外，用微机实现间断角原理时硬件成本高，主要表现在 以下2 个方面“”： a 需要较高的采样率以准确测量问断角，结果对c p u 的计算速度提出 了更高的要求。 b 涌流间断角处的电流非常小，几乎接近于0 ，而a d 转换芯片正好在零 点附近的转换误差最大。因此，需要高分辨率的a i d 转换：卷片。 2 2 3 小波变换方法 2 0 世纪8 0 年代后期发展起束的小波变换在时、频睡域都具有表征信号 局部特征的能力，被誉为分析信号的数学显微镜，非常适合于非平稳信号的 分析，克服了傅罩叶变换只能适应稳态或准稳态信号分析、时域完令无局部 性的缺点，可以准确地提取信号的特征。所以，小波变换的出现立刻引起了 科技界时、频分析方法的新革命，当然也为励磁涌流和内部故障电流的判别 带来了益处。大批从事励磁涌流判别的科研人员，都试图通过小波变换彻 第二章变压器著动保护基本原理 底解决l o o 年前留给我们的技术难题一一变压器励磁涌流弓内部故障的判 别。 目前，小波变换在此方面的应用研究如火如茶，但一直以米主要集中于 高次谐波检测”7 和奇异点检测”，此外并未发现大的突破。实际上，两者 都是间断角原理的一种推广，高频检测反映的是差流状态突变产生的高次 谐波，高频细节出现的位置刈应于变压器饱和、退饱和时刻或故障发生时 刻。若差流的高频细节突变周期出现，则为励磁涌流：若出现一次后便很快 衰减为零，则为内部故障。奇异点检测利用了小波变换模极大值原理，榆测 的是差流状态突变而产生的第二类间断点，奇异点与涌流i 日j 断角相对应。但 是，对微机保护来讲，获得高频分量势必需要提高采样频率，从而增加了技 术难度和成本，而且可能会受到系统谐波的影响，能否经受住环境高频噪声 的考验，有待进一步研究。另外，如何正确检测模值亦是一个难题。 224 等值电路参数鉴别法 文献”介绍了一种基于变压器导纳型等值电路的参数鉴别方法，而且 无论是励磁涌流还是内部故障，三绕组变压器的统一等值电路如图2 4 n 7 再。 对于该电路，有如下特点： a 导纳r ，和与变压器运行状况无关，是一个常数。 b 导纳，和与变压器的运行状况相关，对于内部故障和励磁涌流， 它们表现出极大的不同。 r 一、r i 一1 1 ， y 。l ，、 i l f 刁一” i ： ”t i v 。 一y z ， l 、 、， ；l llh o ：二：y2 o 0 y 。i v2 j j|! 上l 一一 l ： i 2 图2 4三绕组变压器等值电路 f i g u r e 2 4 e q u i v a l e n tc i r c u i td i a g r a mo f t h r e e c o i lt r a n s f o r i n e r 具体地，如果主绕组l 在最外层，第3 绕组在最里层，则励磁涌流时， 第一二章变压器茬动保护基本原理 和为大于零的常值；内弃f ：f 故障时，故障绕组的导纳( ，或) 随故 障匝比的增加而增加，但非故障绕组的导纳仍旧几乎为零或稍微变负。 所以，根据导纳剩匕的瞬时值可以建立判据，如果 _ 。手i 或匕o 袅 ( 2 - 8 ) 则变压器为内部故障。其中，点和乞为非负实常数，对丁某具体变压器 应经过分析或实验确定，文献给出的参考值分别为专：0 和己：2 。但是， 该方法需要获取变压器漏电感参数，以求取巧，e ，和z 。，进而根据实时采样 得到的各相绕组电压、电流值计算瞬时导纳和，而且毒和卣的整定较 难。 2 2 5 基于变压器回路方程的算法 该方法基于变压器原、副边的互感磁链平衡方程与原、副边电压关于 电流和互感磁链的方程，消去互感磁链，得到只包含原、副边电压和电流的 线性模型。该模型不直接反映变压器铁心磁通的非线性，只表达变压器原、 副绕组漏感( ，f 2 ) 、电阻( ，吒) 、电压( 嘶，虬) 及电流( i l ，i o 间的关系，以单相变 压器为例，有如下表达式( 为简明起见，设变比为1 ) ： “l i ”唠峨“z 鲁 ( 2 - 9 ) 据此，引出2 条思路： a 当变压器无故障时( 正常运行、空载合闸、外部故障及其切除) ，式( 2 9 ) 恒等；而内部故障时，式( 2 - 9 ) 不再成立。定义 f = 旷心一， 一拿一吒卜厶拿 ( 2 一l o ) 则当m o r 时，变压器为内部故障：口为阈值”“。 b 变压器在萨常运行、励磁涌流、过励磁或外部短路时，绕组漏感和电阻 为恒定不变的常值，而在内部故障时却要发生变化。基于此特性，可将 绕组漏感和电阻是否发生变化作为区分变压器内部故障的判据，为此 产生了变压器保护的参数辨识法“。该方法完全摆脱了励磁涌流和过 励磁电流的困扰，实现了与差动保护迥然不同的变压器主保护，构思新 颖，原理简明。但实践中存在如下困难：变压器原、副边绕组漏电感极 难准确获得，目前尚无可行的测取方法，导致整定困难。 第章变压器差动保护基本原理 2 2 6 差有功法“” 差有功法的基本原理是：正常运行时变压器消耗有功非常小( 铜损耗和 铁损耗之和小于变压器容量的1 ) ，励磁涌流时由丁绕组存储磁能，第1 个周 期流入变压器的有功较大，但是第2 个周期之后变压器消耗的有功却非常小 ( 尽管涌流时铁损耗和铜损耗都有所增加) ；然而当变压器绝缘损坏时，电 弧放电发热将消耗大量的有功。所以，通过检测变压器消耗有功的大小，即 差有功，可判别变压器是否发生内部故障。具体实现时，在差有功中去除铜 损耗以提高保护的灵敏度，对于单：f f _ i 两绕组变压器有： 1_ w ( t ) = l ，( “+ 一_ 彳一t ) 击 ( 2 一ii ) 1 1 式中：、“，、“f 2 、 、分别是变压器原、副绕组的瞬时电压、电 流和电阻。 差有功法的判据为：如果( f ) 掌，则变压器为内部故障。设定阈值f 的 目的是为了避免涌流时误动。此外，电压互感器和电流互感器的测量误差将 影响善的大小，例如电压互感器和电流互感器的时延导致电压、电流相位误 差，从而引起差有功误