（电力系统及其自动化专业论文）阻抗匹配平衡变压器保护研究.pdf

山东大学硕士学位论文 的灵敏度进行了验证。 本文在研究平衡变压器差动保护的基础上，简述了对于配置微枫型平衡变压 器需要考虑的其健一些保护，并给出了保护逻辑关系方案图，使得平衡变压器保 护成为一个整体，为后期的硬件设计提供一些理论依据。 关键谣：阻抗匹配平德变压器憝e 矗d e 鹾t d e电流差动保护故障分量 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t r a i l w a yt r a n s p o r t a t i o ni s t h em a i nw a yo fo u rc o u n t r y s c a r r y i n gt r a d e a s i m p o r t a n te l e c t r i ce q u i p m e n t ，r a i l w a yt r a c t i o nt r a n s f o r m e rc a r r i e sw e i g h to ns t e a d y o p e r a t i o no ft h ee l e c t r i f i e dr a i l w a y t h ei m p e d a n c e m a t c h i n gb a l a n c et r a n s f o r m e r ( i m b t ) ，a d a p t i n gt ot h ed e v e l o p i n gr e q u i r e m e n t so fe l e c t r i cr a i l w a yi no u rc o u n t r y ，i s ak i n do fn e wt r a c t i o nt r a n s f o r m e r ，w h i c hh a v em a n ym e r i t s ，s u c ha sr e s t r a i n i n gt h e a f f e c t i o no fn e g a t i v ec u r r e n tt oe l e c t r i cp o w e rs y s t e m ，h i g hu s i n gr a t eo fc a p a b i l i t y a n ds oo n i m b th a sb e e no n eo ft h em a i nc o n n e c t i o n so fr a i l w a yt r a c t i o nt r a n s f o r m e r s oi ti sv e r yu s e f u lt or e s e a r c ht h es t r u c t u r ea n dp r o t e c t i v er e l a y i n go fi m b t ，i no r d e r t oe n h a n c et h es p e e do ft h ec o n s t r u c t i o na n dd e v e l o p m e n to ft h ee l e c t r i cr a i l w a ya n d m a n u f a c t u r ep r o t e c t i v er e l a y i n gd e v i c e sw i t hb e t t e rq u a l i t ya n df u n c t i o n a c c o r d i n gt ot h ec o n f i g u r a t i o na n de l e c t r o m a g n e t i cr e l a t i o n s h i po fi m b tw e a n a l y z et h eb a s i cn a t u r e ，t h er u n n i n gp r i n c i p l ea n dt h ed a t as e l e c t i o no fe l e c t r i f i e d r a i l w a yi m p e d a n c e m a t c h i n gb a l a n c et r a c t i o nt r a n s f o r m e r ，a n dd e s c r i b et h ee q u i v a l e n t c i r c u i t ，w h i c hc a i lc o n v e r tt h r e e - p h a s ev o l t a g ei n t op e r p e n d i c u l a rt w o - p h a s ev o l t a g e t h i st h e s i sa l s og i v e st r a n s f o r m a t i o n r e l a t i o n s h i p sb e t w e e nc u r r e n ta n dv o l t a g e r e s p e c t i v e l y ，a n dav a r i a b l er a n g eo fi m p e d a n c e m a t c h e df a c t o r ，a n a l y s e st h ef a u l t s t a t eo fi m b t ，a n dt h e ng i v e st h ef o r m u l at oc a l c u l a t es h o r tc i r c u i tc u r r e n t t h ep r o b l e m st h a ta f f e c tt h ec o n v e n t i o n a lt 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 na r e s u m m a r i z e d ，s o m en o r m a lw a y sa r ea l s oi n t r o d u c e di nt h i sp a p e r b a s e do nt h e d e t a i l e da n a l y s i so ft h et r a d i t i o n a le l e m e n to fb a l a n c et r a n s f o r m e rd i f f e r e n t i a l i i i 山东大学硕士学位论文 p r o t e c t i o np r i n c i p l e sa n dt h ec o m p a r eo ft h es e n s i b i l i t yo ft h ed i f f e r e n t i a lc r i t e r i a u s i n gf a u l tc o m p o n e n tc u r r e n ta n do p e r a t i o n a lc u r r e n t ，an e wd i f f e r e n t i a lp r o t e c t i v e c r i t e r i au s i n gb o t ht h ef a u l tc o m p o n e n t sc u r r e n ta n dp h a s ec u r r e n ti sg i v e n 。t h i s t h e s i sa l s og i v e sam a g n e t i z i n gi n r u s hc u r r e n tc r i t e r i ab a s e dt h ee v e nh a r m o m c c o n t e n t s o m ep r o b l e m so fb a l a n c et 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 na r es o l v e di na c e r t a i ne x t e n t am o d e lr e p r e s e n t i n gp o w e rs u p p l ys y s t e mo fe l e c t r i c a lr a i l w a yt r a c t i o ni s d e s i g n e di np s c a d e m t d c v a r i o u ss i m u l a t i o n sa r ec a r r i e do u to nt h em o d e l u n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n si n c l u d i n gn o m m lo p e r a t i o n ，f a u l t sa n dm a g n e t i z i n gi n r u s h c u r r e n t t h ec h a r a c t e r i s t i co fw a v e f o r i l l sa n dh a r m o m cc o n t e n ta r ea n a l y z e di nd e t a i l u n d e rt h e s ec o n d i t i o n s t h i st h e s i sa l s oc o n f i r m st h ed i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o nc r i m r i a u s i n gb o t ht h ef a u l tc o m p o n e n tc u r r e n ta n do p e r a t i o n a lc u r r e n ti ne m t d c s o m eo t h e rp r o t e c t i o n sa r es u m m a r i z e da n dp r o t e c t i o nl o g i c a ld i a g r a m sa r ea l s o p r e s e n t e db a s e do nt h eb a l a n c et 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 t h e s em a k ea l lo f t h ep r o t e c t i o n sa saw h o l ea n da f f o r ds o m et h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h el a t t e rp a r to ft h e h a r d w a r ed e s i g n 。 k e y w o r d s ： i m p e d a n c e m a t c h i n gb a l a n c et r a n s f o r m e r p s c a d 愿m t d c i v c u r r e n td i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o n f a u l tc o m p o n e n t s 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：幽e l期：巫互：12 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件 和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：弛一导师签名：谴廛磊 日期：迎量：尘! ! 圣 山东大学硕士学位论文 1 1 课题的背景和意义 第一章绪论 2 0 0 7 年4 月1 8 日，中国铁路第六次大提速，1 4 0 对时速2 0 0 公里以上的“和谐 号”动车组将运行在中国铁路上，这是中国铁路发展史上具有影响力的时刻，社 会各界对此也投入了很多关注的目光。高速铁路的飞速发展在提高国民生活水平 的同时对电气化铁道牵引供电系统的电气设备，尤其是牵引变压器的安全性、可 靠性和稳定性提出了更高的要求。 目前，牵引变压器的接线有纯单相接线、y 一1 1 接线、v ，v 接线、s c o t t 平 衡接线、阻抗匹配平衡接线等多种型式，其中阻抗匹配平衡变压器自2 0 世纪9 0 年代开始，相继在我国十多条电气化铁道的建设中得到运用，为制造厂商和铁道 使用部门创造了重大经济和社会效益，阻抗匹配平衡变压器的安全可靠运行，是 保证列车安全、可靠、正点运行的关键所在。 阻抗匹配平衡变压器低压侧接电气化铁道的上行线与下行线两相负荷，高压 侧接三相电力系统。在结构性能上与y 一11 接线的电力变压器有很大的不同， 正常运行时，变压器低压侧的两相电流相位差为9 0 。，高压侧电流与低压侧电流 的相位差随列车运行方式的变化而在0 。一9 0 。之间变化，其最大的优点是：在低 压侧两相不对称负荷的各种运行工况下，变压器高压侧三相电流具有良好的对称 性，减少了负序电流对电力系统的影响，提高了系统的电能质量。 牵引供电系统【l 叫的负荷是整流型的电力机车，运行时负荷电流中存在着较 大的谐波分量，同时由于牵引负荷是移动的，经常出入变压器的供电区域，每次 通断电都造成一定的励磁涌流的冲击。 阻抗匹配平衡变压器运行时承受单相不平衡牵引负荷，并且因为牵引机车的 频繁启动和加速、以及接触线故障的频繁性，使其比同容量、同电压等级电力变 压器的工作条件要恶劣得多，正常运行时就有较大的不对称分量。 上述特点给设计阻抗匹配平衡变压器的保护带来困难，该种变压器保护装置 必须适应其特点，满足其快速、准确、可靠切除故障的要求；本文在对阻抗匹配 山东大学硕士学位论文 平衡变压器的结构和高、低压侧电流变化规律进行分析的基础上，为其提出一套 切实可行的配置方案。 1 2 现有课题的研究现状 电流差动保护【5 】的理论基础是电路理论中的基尔霍夫电流定律。电流差动保 护作为电气设备的主保护，勿容置疑，它以其灵敏度高、选择性好、实现简单等 特点而广泛应用于发电机、电抗器、电动机、变压器和母线等电气设备上。鉴于 电流差动保护在以上电气设备中成功应用，对电气化铁道中经常采用的阻抗匹配 平衡变压器也采用电流差动保护作为主保护。但是，阻抗匹配平衡变压器具有和 其它电气设备不同的特性，即变压器两侧是通过磁路耦合，而不是一个纯粹的电 路结构。由于磁路的存在，基尔霍夫电流定律就不能在所有情况下都成立，尤其 是在故障暂态和空载合闸的情况下。 变压器保护【6 】的关键是如何区分励磁涌流和内部故障电流，目前采用的方法 有电流波形特征识别法、感应电压差动法、磁通特性识别法、等值电路参数鉴别 法、基于变压器回路方法的算法、差有功法等，各种判别方法都有其优点，但由 于其缺点同样不容忽视，因此在实际应用时会出现各种各样的问题。 目前牵引变压器以二次谐波制动的差动保护为主保护，该保护能正确区分区 内与区外故障【7 培】。但是，某些情况下二次谐波分量的内容并不能用于正确判定 动作状态。比如当变压器发生内部故障时也可能存在着较大的二次谐波，特别是 空载合闸于变压器内部故障。这些缺点使得传统的差动保护不能满足主保护速动 性的要求，可能会引起故障进一步扩大化，带来严重的后果。 结合牵引供电系统的特点，可知当前阻抗匹配平衡变压器电流差动保护需要 解决的问题主要有： ( 1 ) 牵引供电系统短路现象发生频繁，在列车通过时，由于列车导电弓架、 支撑绝缘子闪络，经常造成瞬间短路。这就需要灵敏性、可靠性更高的阻抗匹配 平衡变压器保护。 ( 2 ) 牵引供电系统负荷波动剧烈，使得阻抗匹配平衡变压器经常会发生高 阻抗接地和轻微的匝间短路，此时高、低压侧基于全电流工频量的差流变化小， 容易发生拒动。 2 山东大学硕士学位论文 ( 3 ) 在阻抗匹配平衡变压器发生故障时，因为故障电流通常含有较大的直 流分量，容易引起c t 饱和，c t 饱和时高、低压侧的电流无法线性转变，从而引起 不平衡电流增大，无法准确判定区内、外故障，引起误判。 ( 4 ) 励磁涌流的判别，一直是困扰阻抗匹配平衡变压器电流差动保护的主 要问题，也是各国学者研究的经久不衰的课题。 由以上分析可以看出，传统的电流差动保护不能够解决阻抗匹配平衡变压器 保护中的很多问题，其可靠程度也无法满足电气化铁道发展的需要，因此需要运 用现有的先进分析方法和理论，提出更全面的差动保护原理，使差动保护的灵敏 性和可靠性得到进一步提高。 1 3 本文的主要工作 本论文主要研究阻抗匹配平衡变压器的差动保护。本文在充分利用已有成果 韵基础上，结合牵引变电所自动化系统的要求，针对牵引供电系统的特殊性，提 出了基于全电流和故障电流相结合的新型差动保护判据，并在此基础上提出了一 套切实可行的保护方案。 本文具体工作包括： ( 1 ) 详细分析了阻抗匹配平衡变压器的结构特点、基本原理、电流变化关 系，并进行相应的故障分析、短路电流的计算等。 ( 2 ) 通过分析现行平衡变压器差动保护的不足之处，提出了基于全电流和 故障分量电流相结合的新型差动保护判据。 ( 3 ) 分析了平衡变压器的励磁涌流特点，并结合已有成果分析，综合各个 方法的优缺点，对励磁涌流判据进行适当总结和评价。 ( 4 ) 用e m t d c p s c a d 仿真软件构建一个比较能符合实际的电气化铁道 的模型，特别构造一个符合实际的阻抗匹配平衡变压器的仿真模型，用于仿真 牵引供电系统电量特点及验证新型差动保护判据的正确性。 山东大学硕士学位论文 第二章平衡变压器的基本理论 阻抗匹配平衡变压器( 以下简称平衡变压器) 是湖南大学研究成功的电气化 铁道牵引供电变压器，在我国电气化铁道中已开始集中采用。该变压器高压侧接 三相电力系统，低压侧接电气化铁道上行线和下行线两相负载，是一种将高压侧 三相对称电压变换为低压侧两相垂直电压的降压变压器。阻抗匹配平衡变压器具 有较好的抑制负序电流对电力系统影响、高压侧中性点可以接地、容量利用率较 高等优点，己经成为我国电气化铁路牵引变压器的主要接线型式，随着电气化铁 道的迅速发展阻抗匹配平衡变压器具有广阔的应用前景。 2 1 平衡变压器的结构特点 研究平衡变压器保护，首先必须对其结构要有透彻的了解和认识。阻抗匹配 平衡变压器绕组接线图如图2 1 所示。变压器高压侧接成星形联结( 设中性点接 地) ，低压侧接成三角形联结，并且6 相铁心柱绕组再外延两个支臂口和，称为 平衡绕组。因此彳、c 相铁心分别绕有两个绕组，b 相铁心绕有四个绕组【9 j 0 1 。 图2 - 1 阻抗匹配平衡变压器接线示意图 设彬为变压器原边相绕组匝数，为副边相绕组匝数，a w 为平衡绕组的 匝数，设a w = 门，可得变压器高压侧三相电压吼，吼，吼与低压侧两平衡绕 组空载电压o o ，吼的关系为： 4 j r 山东大学硕士学位论文 笺 = 去 三：三 妻 c 2 一t ， 式中： k = 为原边、副边的匝数比。 经分析，当，2 = 4 5 2 - _ _ _ a 1 时，吼超前吼的相角秒= 9 。，满足牵引供电的要求， 此时反映式( 2 1 ) 低压侧电压的向量图如图2 - 2 所示。 图2 2 低压侧电压的向量图 2 2 平衡变压器的“阻抗匹配”及实用计算变比 所谓的“阻抗匹配 是指变压器接线中相关绕组等值阻抗的对比关系。它 包含多方面内容，反映了内部变换的电磁机理与外部电路参变量的总体协调关 系。 在副边三角形内，设阻抗z 钟= 乙。= z ：，z 口6 = 砭z 2 ，则丘，厶在各绕组上的 电流分配为： 乞= 一嚣l + 而1 厶 岛2 南丘+ 面1 易 乞2 南厶一嚣厶 根据平衡变压器三相原、副边的磁势平衡方程，有： ( 2 - - 2 ) 山东大学硕士学位论文 i a 七i 豇 k = 0 i b + 心，+ id | k f + 嘲k = o i c + i 翟 k = 0 式中：k = ，k = l a w 。 ( 2 - - 3 ) 将式( 2 3 ) 代人式( 2 2 ) ，可以得到变压器低压侧电流厶，厶与高压侧电流 l ，厶，之的映射关系为1 1 1 ： k z + 1 k z + 2 1 k z + 2 1 k z + 2 屹+ 1 砭+ 2 嘲 ， 正常运行时令三相高压侧中性点电流l = l + 厶+ 丘= o ，可得砭= ；+ 1 。 此时高、低压侧电流变换关系为： 阱崽一渤纠 ， 虽然两供电臂的电流经常变化，由于负荷的性质相同，可近似认为其功率 因数相等，因此厶，厶得相位差保持9 0 。不变。 6 当低压侧两供电臂的负荷相等时( 即l = 厶= m r ) ，由( 2 5 ) 可得： 黔雠z - 1 5 0 。 此时高、低压侧电流向量图如图2 3 所示 ( 2 - 6 ) 字 南 字 南 1 一墨 t厶乇 。l l 瓜 一2 山东大学硕士学位论文 ， 。 3 - i - - 1 ； 七 j 砥i p 压+ 1 ； 习瑟k 一j 赢i ，t i a 巴、 1 一万 压一1 ； 一j i 丽l 口 图2 3 一、二次侧电流向量图 由以上分析可以得到，当低压侧两供电臂负荷相等时，副边两个单相负荷转 化为原边对称的三相负荷，平衡变压器的高压侧三相功率完全转换为低压侧两相 功率，容量利用率为1 0 0 ，而一台y 三相变压器容量用率只有7 5 6 ，同时 2 7 5 k v 倾, u 母线电压波动小，供电质量较y d 联接变压器优越【1 2 1 。 以下介绍平衡变压器实用计算变比关系 由式( 2 6 ) 可得高压侧电流的有效值为：l = 厶= 七2 妨轰 现有的牵引变电所的高压侧三相系统线电压多为玑= 1l o k v ，低压侧两相系 统输出= = 2 7 5 k v ，则三角形绕组相电压为：= 1 5 = 2 2 4 5 4 k v 。 由以上可得阻抗匹配平衡变压器的实用计算变比可分别如下关系式考虑： 蹴= 篆= 喾= 端= 拍慰8 4 蚓匕： = 喾= 击= 蔫以3 叫 电流比： 蟛2 笔= 1 4 f 3 x = 1 4 i - 3 4 虿_ 3 4 6 4 l ( 2 - 7 ) 在普通变压器中，高压侧变换到低压侧，如电压降低k 倍，电流便增大k 倍， 使每相功率保持不变。平衡变压器的高压侧转换到低压侧系统，不仅改变了电压， 而且变换了相数( 三相变为两相) ，故蜂与不等且均不同于k 值。一次侧三角 7 山东大学硕士学位论文 形接线的等效三相系统变换成阻抗匹配平衡接线的两相系统，两相输出电压每相 要增加两倍，两相输出电流每相也要增加i j 倍，以保持总功率为2 x 析j = 3 倍单相功率不变。式( 2 7 ) 中x u n x n d 、瓜倍，鹭较k 放大两倍，显然这 均是由于变相的相应关系所致。 2 3 平衡变压器的等效电路n 3 3 设z 2 和z 3 为平衡变压器的平衡绕组的等值漏阻抗，x p 为两平衡绕组间的 等值互感电抗。现取z 2 = z 2 = z 3 = 乙。= 盯z ，和乓= 彳乙，式中仃，f 为比值系 数。按低压侧绕组电流的通过路径，可得低压侧阻抗的连接和两相系统的输出 电路图2 4 所示。 如图2 - 4 二次侧绕组的等效输出电路 图中：如：b 相绕组在口臂上的感应电势； 瓦：b 相绕组在臂上的感应电势； 将图2 - 4 中三角形的接线阻抗变换为星形接线的等值阻抗，再分别与平衡 绕组电路及其公共回路的阻抗相串联，再将二次的电势按两相系统接线加以变 换，并且一次绕组的等效阻抗归算至二次侧，与二次侧相应支路等效阻抗相叠 加，再按网络的适当变换和简化得到三相变两相的等效电路如图2 5 所示。 8 山东大学硕士学位论文 图2 5 三相系统变换为两相系统的等值电路 图中：r l = r 4 = 0 4 2 2 6 z 刍+ ( 盯+ f ) z 0 ，r 2 = r 3 = 0 5 7 7 4 ( z ；+ z 0 ) r 5 = 0 2 1 1 3 ( z + 乙) ，r 6 = - ( o 2 1 1 3 + 丁乙) 按阻抗匹配要求，z a i = = z 0 = z ，且应同时满足c r + r = 0 4 2 2 6 ， a t = 0 2 11 3 可得： 般麟二捌私2 厕k l l 5 。, e p = 成 则等效电路中墨+ 恐= 玛+ 心= ( 0 4 2 2 6 + 0 5 7 7 4 ) ( z ；+ 乙) = z + 乙= z ；而 公共直路尼+ 民= 0 ，带上标的均为一次侧归算到二次侧的值( 互= k 2 彳) 。 2 4 平衡变压器故障情况分析f 1 4 1 5 】 2 4 1 平衡变压器外部故障情况分析 平衡变压器外部故障时可分以下三种情况讨论： ( 1 ) 当平衡变压器低压侧发生外部故障时，高低压侧各电流之间关系仍满 足公式( 2 5 ) ，如同正常运行情况分析一样，流入低压侧差动继电器的电流仅 为低压侧外部故障时的不平衡电流。 ( 2 ) 当平衡变压器高压侧中性点不接地运行，且高压侧外部发生相间短路 故障时，若低压侧无电源，此时由对称分量法和故障时的复合序网可知，变压 器高压侧无电流；若低压侧有电源，则变压器高低压侧电流仍遵循公式( 2 5 ) 变化，因此流入差动继电器的电流为高压侧外部故障的不平衡电流。 9 山东大学硕士学位论文 ( 3 ) 当平衡变压器高压侧中性点接地运行而发生外部单相相接地或两相接 地故障时，若低压侧无电源，则由于单侧供电，正序、负序电流不会经过故障 点而流经变压器；只有零序电流流过变压器，由于零序三相电压相等，三相绕 组阻抗也相等，所以变压器高压侧三相电流为： l = 厶= 丘= 寺( 式中厶为外部单相或两相接地时的故障电流) 。 此时变压器低压侧仅在三角形回路中有环流，而引出线无短路电流，因此 流入差动继电器的电流仅为外部故障时的不平衡电流。 2 4 2 平衡变压器内部故障情况分析 ( 1 ) 高压侧内部故障分析 单台变压器运行，低压侧无电源是牵引变压器的主要运行方式。此时，当 变压器发生内部故障时，流入差动继电器的电流为变压器高压侧差动臂电流。 高压侧三相短路 由故障分析可知，三相短路电流l ，厶，丘大小相等，相位相差1 2 0 。 高压侧两相短路 假设b 、c n 相短路，此时可得故障边界条件为： l = o ，厶= 一厶= 厶，吼= ，气为短路电流，此时低压侧乞= 厶= o 。 高压侧单相接地 假设发生a 相接地故障，短路电流如图2 - 6 所示 1 0 j 等效系 图2 6a 相接地故障时电流分布 此时髟= 矗= 层= j 1i 删, ，低压侧厶= 厶= o 。 式中：毛为阻抗匹配平衡变压器中性点流过的短路电流：髟与c 近似反相， 山东大学硕士学位论文 其大小由故障点两侧系统各序阻抗决定。 高压侧两相接地 两相接地短路时，各相短路电流分布如图2 - 7 所示： j 等效系 i 口i i i l 图2 7a 相接地故障时电流分布 此时丘= 丘= 忍= j 1 ，低压侧t = 易= o 。 式中为阻抗匹配平衡变压器中性点流过的短路电流：c 与露大小相等， 相位不同，丘与髟3 v , j 、相位均不同，流入电流互感器的电流为一c ，一髟和足。 ( 2 ) 低压侧内部故障分析 一相引出线口相或相对c 相( 钢轨) 短路 假设口点对c 短路，边界条件为吼= o ，厶= o 。 设电源到变压器高压侧的系统等效阻抗为磊，按等效电路图2 - 5 ，可得 乞= 乏争乏= i 丽d t s o , ，易= 。，带入公式( 2 5 ) 可得一次侧短路电流： 阡忐朦h 巍 ， 两相牵引线间口一短路 此类故障相当于接触网的分相绝缘器发生短接，边界条件为乞= 厶。 按等效电路图可得：厶= 厶= 夏=豉一d t o ,万恧+ z ) 一皿( 磊+ 历 山东大学硕士学位论文 上述l = 厶不是通过公共点c 返回的，因而其高压侧三相电流不能再依式 进行换算，但可按回路的电流分布相对关系求得一次侧短路电流： 一( 万+ 1 ) 一 ( 3 + 3 ) 丽2 + c 压川j _ 赢 一( 压+ 1 ) 一 ( 3 + 3 ) _ ( 西1 琢+ q f 3 ) 【t j + _ 车+ ( 压一1 ) ( 3 + 括) q v x xz , , 。( 式中l 。，l ：分别为差动电流中的基 波和二次谐波电流的模值) 目前国内外投运的微机变压器保护基本上都是采用该原理来实现的。但是随 着电网电压等级的提高和规模的扩大以及变压器单机容量的增大，大型变压器内 部严重故障时，由于谐振使短路电流中的二次谐波含量明显增加，有可能引起二 次谐波制动的差动保护延时动作。而且由于变压器新的制造工艺的采用，在空投 变压器时产生的涌流二次谐波的含量相对减少，有时仅占5 8 。根据二次谐波 含量已不能很好的区分涌流和变压器的内部故障。 磁通特性识别、法 2 8 之9 】 该方法依据内部故障和励磁涌流时变压器磁链一差流y 一屯曲线的差别而 提出的，变压器发生励磁涌流时，一屯曲线为变压器的空载磁化曲线，发生内 部故障时一屯曲线将偏离磁化曲线，且故障越严重则偏离越严重。所以，通过 计算铁心磁链杪和差流可正确判别励磁涌流。具体判据为：如果一位于磁 化曲线上，则该不平衡电流为励磁涌流，否则为内部故障电流。 此判据尽管理论上可行，但实际上由于变压器剩磁的不确定，在励磁涌流情 况下得到的y 一如曲线也将偏离磁化曲线，进而导致误判。 与磁通特性法阐述理论相一致的还有利用测量阻抗变化以及通过检测瞬时 励磁电感基频分量的有无来区分励磁涌流的方法。 等值电路参数鉴别法 该方法基于变压器导纳型等值电路，其理论基础是：三绕组变压器的绕组间 的互导纳与变压器运行状况无关，是一个常数。而自导纳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。 此方法的优点是快速，即使内部故障叠加涌流，一般可以在半个周波内给出 1 6 山东大学硕士学位论文 正确的判别成果；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。不足之处在于需要获取变压器漏电感参数，进而根据实时采样得到 的各种电压、电流值计算瞬时导纳，因此整定自导纳的门槛值有一定的难度。 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、电 阻、电压及电流间的关系。在正常运行、励磁涌流、过励磁和外部故障时，绕组 漏感和电阻为恒定不变的常数，变压器结构未变，该线性模型关系式始终满足； 在内部故障时，由于变压器结构的改变，该模型将不再满足。 该方法摆脱了励磁涌流和过励磁电流的困扰，但在实践中存在如下困难：变 压器原、副边绕组的漏电感难准确获得，导致整定困难。 差有功法 正常运行时变压器消耗有功非常小；励磁涌流时，由于绕组存储磁能，第一 个周期流入变压器的有功较大，但第二个周期之后变压器消耗的有功却非常小， 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。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。 该方法不再纠缠于励磁涌流波形特征，从物理机理出发综合考虑电压、电流 信息，是一种全新的主保护方案，但该方法仍无法回避励磁涌流时变压器的充电 过程，结果导致判别延时，同时由于涌流时的铜损耗很难精确计算，铁损耗增加， 整定不容易。 基于模糊逻辑的多判据法【3 0 - 3 1 】 该方法基于现有励磁涌流识别算法各自特点，借助模糊逻辑隶属度和权重的 概念，综合各种判据的优点，使各判据之间取长补短，弥补严格依照精确定量判 别涌流的不足。 该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如何选择等，该方法仍有许多研究工作需要 深入。 1 7 山东大学硕士学位论文 3 1 2 大短路电流对电流互感器的影响 3 3 3 电流互感器是各种继电保护装置和监控系统了解电力系统真实状态的重要 器件，在电力系统暂态过程中能否真实地传变一次电流，对继电保护的正确动作 和监控系统的正确决策起着决定性作用，因此要求c t 具有优良的暂态特性最好 是线性，但事实并非如此。 当外部短路电流很大，特别是暂态过程含有非周期分量电流时，使互感器的 励磁电流急剧增大而呈饱和状态，严重饱和时c t 的二次电流将达到零，从而导 致二次电流数值和波形的失真，差动回路中会产生很大的不平衡电流，其等效电 路和铁心磁化曲线如图3 - 2 和图3 - 3 所示。 1 厶r 22 虬 申。q 厶 r l 0 根据电路电压、电流关系可得相应的微分方程： ( 厶+ l ) d 珊i m 州乙= 磅州( 3 - - 3 ) 其中上= 丘+ 厶。当发生短路时，设此时短路电流为f l = i ks i nc o t ( a = 钝) ，根 据式( 3 - 3 ) 可算出励磁电流约为： 乙= 球一洌 c 3 叫 舯：正2 并。 。 由上面的分析我们知道，影响电流互感器饱和的因素主要有以下几点： ( 1 ) 一次侧暂态短路电流中非周期分量的大小； ( 2 ) 一次侧系统的时间常数； ( 3 ) 二次侧负荷的大小及性质； 1 8 山东大学硕士学位论文 可见，当发生变压器区外故障时，若短路电流很大，尤其是包含较大的非周 期分量时，因c t 严重饱和，饱和极有可能误动。这是传统的差动饱和无法解决 的问题，所以对于差动保护，其比率制动系数的整定就得将c t 严重饱和时的幅 值误差考虑在内，这就降低了允许流出电流，使得变压器发生轻微匝间短路时， 保护可能拒动。 3 2 平衡变压器差动保护 平衡变压器具有较好的抑制负序电流对电力系统影响、高压侧中性点可以接 地、容量利用率较高等优点，已经成为我国电气化铁路牵引变压器的主要型式。 本文在第二章中已经详细的介绍和分析了平衡变压器的结构原理和相关理论，但 由于其特殊内部绕组结构和电流变换关系，使得其差动保护在传统理论基础上有 着其特殊性，本节将详细论述。 3 2 1 传统的平衡变压器差动保护及其缺点 ( 1 ) 基于相电流的平衡变压器差动保护【，一州 在第二章中提到平衡变压器的高、低压侧电流变换关系如下式： k z 十1 k z + 2 一c 南+ 字， 1 k z + 2 当疋= 压+ 1 时： 阱志 以+ 1 2 一( 据一1 ) 砭+ 2 一丽1 + 字) k z + 1 k z + 2 一( 订一1 ) _ 2 压+ 1 ( 2 - - 4 ) ( 2 5 ) 目前，基于相电流的平衡变压器差动保护原理都利用式( 2 5 ) 的高、低压侧 电流变换关系而提出的。假设两侧电流互感器变比为l ，星形、三角形绕组的匝 数比嘭呒= k ，则基于相电流的差动电流为： 1 9 1 一墨 | i r-j l厶乇 。l 山东大学硕士学位论文 制动电流为： = 卜去 ( 压+ ，) 丘一( 括一) 厶 | = 卜瓣1 越也 l ( 3 咖 k = l t 一志 一( 压一t ) 乞+ ( 括+ ，) 易 i = 非+ 去 ( 压+ ，) j o 一( 万一t ) 厶 f = 扣上2 x f 3 k 越也 | ( 3 _ 6 ) k = 非+ 去 一( 压一，) t + ( 压+ ，) 厶 i 基于相电流的差动保护原理采用三段式比率制动式判据： i c d i 蜕 in i 、 k + k l ( ，z d 一) l d ，d z + k l ( ，2 一厶) + 砭( k 一1 2 ) 1 1 如掣 ( 3 _ 1 2 ) 基于故障分量的电流差动保护判据为： k 名l 掣 ( 3 _ 1 3 ) 为方便比较两种判据的灵敏度，令两种判据的制动系数均为1 。由图3 4 的叠 加原理可得，全电流、故障分量电流及负荷的关系为： _ 2k + k 2 l + k ( 3 1 4 ) 气 j i h = i 僦+ i n g = i l + i r g 、 式中：丘为负荷电流；g ，乇为故障分量电流。 对于差动电流有： 厶g t = t = l 一毛= ( 3 1 5 ) 可见，全电流差动电流和故障分量差动电流相等。 根据图3 4 ，设乙，z 分别为m ，n 侧系统和部分线路的等值阻抗，并另 z = 口乙，并且或= 或，则负荷电流可以表示为： 五= 丽e - e = 粼( 3 - - 1 6 ) 故障支路电流表示为： 2 4 ，： 坠 ： c 兰 m k ! t 二- - 堡- 2 ( 3 1 7 ) - 2 顽石锄。面丽 ( 3 1 7 ) r ，( 瓦+ 乙) + 乙z 乙( 1 + 口) 、。 对于m ，n 处的故障分量有： ( 3 1 8 ) 判据的灵敏度( 差动电流与制动电流的比值) 可表示为： k s 。= if | i 。 q 一1 9 ) l 而带尚 ， 一，磊珥益+兰”锄玉驰孙 山东大学硕士学位论文 对于全电流差动保护判据，制动电流为： t = 华：五+ 华( 3 - - 2 0 ) 从式( 3 - - 2 0 ) 可知，使用全电流构成的制动电流中，除了故障分量电流外， 还含有负荷电流，该负荷电流的存在势必将影响差动保护的安全性和灵敏度。 将式( 3 - 1 6 ) 一( 3 1 8 ) 代n ( 3 - - 1 9 ) - - j 得，灵敏度可表示为： k = ； 2 ( a31 - , 8 i 一警 ( 3 - - 2 1 ) 当系统的运行方式及短路点位置确定后，式( 3 - - 2 1 ) q b 的各量均为常数，可 见，当接地电阻r ，增加时，灵敏度将降低。 对于故障分量差动保护判据，制动电流为： l ：每粤( 3 - - 2 2 ) 从式( 3 - - 2 2 ) 可知，使用故障分量构成的制动电流中，差动保护的安全性和 灵敏度不会受到负荷电流的影响。 同理将式( 3 - 1 7 ) 一( 3 1 8 ) 代, 2 、( 3 - - 1 9 ) 可得，灵敏度可表示为： = 搿 ( 3 呦) 由式( 3 - - 2 3 ) 可知基于故障分量的差动保护的灵敏度不受到电阻和两侧系 统电势的影响。且当乙= z 时，此判据的灵敏度最大。对应的，全电流差动 保护的灵敏度为： k 珊l t , - 2 9 - 矧( 3 - - 2 4 ) 式( 3 - - 2 4 ) 决定的灵敏度为一个受过渡电阻影响的有限值。 从式( 3 2 1 ) 还可以看出，当毫或时，在某些系统异常运行，如系统振 荡的条件下，即使r ，= 0 ，灵敏度也可能降低。 ( 3 ) 基于全电流和故障电流相结合( 以下简称综合电流) 差动保护判据 在上一部分中，通过比较全电流和故障分量电流构成的差动保护判据的灵 山东大学硕士学位论文 敏度，可以了解到通过在差动判据中引入故障分量可以大大的提高保护的灵敏 度。但是牵引供电系统是个负荷波动大、故障发生频繁、不平衡电流冲击严重 的、特殊的电力系统，在这样的系统中只片面的追求保护的灵敏性而忽略了其 可靠性是不明智的，因此在本文中尝试提出了将可靠性和灵敏性相结合的判 据，亦即全电流和故障电流相结合的差动保护判据。 差动电流、制动电流的选择 正如式( 3 - 7 ) 所反映的那样，平衡变压器的阻抗匹配系数会影响到基于相 电流差动保护的正确动作，为了防止该系数的影响，判据中的综合电流将以相