（电力系统及其自动化专业论文）变压器直流偏磁对微机保护的影响研究.pdf

华北电力人学硕士学位论文 摘要 地磁感应电流( g i c ) 或高压直流输电接地极入地电流流过变压器，会引起直流偏 磁饱和，导致励磁电流畸变，产生谐波，无功变化，影响继电保护的正确动作，威 胁电力系统的安全运行。本文基于p s c a d e m t d c 和m a t l a b 软件研究了变压器直 流偏磁的谐波和无功特性，得出了相应的变化规律和特点，并以此为基础分析和评 估了直流偏磁对保护装置的影响情况，同时结合微机保护原理和算法，对直流偏磁 励磁谐波对数字式保护的影响特点进行评述，最后以2 0 1 0 年西北7 5 0 k v 规划电网为 算例，依据g i c 水平评估值，对变压器微机式差动保护可能受到的直流偏磁影响情 况进行仿真分析。 关键词：变压器，直流偏磁，谐波，微机保护 a b s t r a c t g e o m a g n e t i ci n d u c e dc a l n ? e n t s ( g i c ) o rah i g h - v o l t a g ed ct r a n s m i s s i o ng r o u n d i n gi n t o t h ee a r t hc u r r e n tf l o w st h r o u g ht h et r a n s f o r m e rw i l lc a u s ed cb i a sm a g n e t i cs a t u r a t i o n , r e s u l t i n gi ne x c i t a t i o nc u r r e n td i s t o r t i o n , p r o d u c i n gh a r m o n i c s ，r e a c t i v ec h a n g e s ，w h i c hw i l l a f f e c tt h ec o r r e c ta c t i o no ft h er e l a ya n dt h r e a t e nt h es a f eo p e r a t i o no ft h ep o w e rs y s t e m b a s e do np s c a d e m t d ca n dma t l a bs o f t w a r er e s e a r c ht h et r a n s f o r m e l d cb i a so ft h e h a r m o n i ca n dr e a c t i v ep o w e rc h a r a c t e r i s t i c s ，o b t a i n e dt h ec o r r e s p o n d i n gc h a n g e si nt h el a w s a n dc h a r a c t e r i s t i c s ，a n da sab a s i sf o ra n a l 河sa n da s s e s s m e n to ft h ed cb i a so nt h ei m p a c to f p r o t e c t i o nd e v i c e s ，c o m b i n e dw i t hm i c r o p r o c e s s o r - b a s e dp r o t e c t i o np r i n c i p l ea n da l g o r i t h m , t h ed cb i a se x c i t a t i o nh a r m o n i c so nt h ei m p a c to fc h a r a c t e r i s t i c so fd i g i t a lp r o t e c t i o ni s r e v i e w e da n df i n a l l y 诵t l lt h en o r t h w e s t7 5 0 k vp l a n n i n gp o w e r 鲥di n2 010a sa ne x a m p l e , s i m u l a t e da n da n a l y s e dt h ep o s s i b l e i m p a c t so fm i c r o p r o c e s s o r - b a s e d t r a n s f o r m e r s d i f f a e n t i a lp r o t e c t i o ni nd cb i a sm a g n e t i ca c c o r d i n gt ot h el e v e lo ft h ea s s e s s e dv a l u eo f g i c h u a n gg a 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 l i uz o n g q i k e yw o r d s ：t r a n s f o r m e r , d cb i a s ，h a r m o n i c s ，m i c r o p r o c e s s o r - b a s e dp r o t e c t i o n 华北电力大学硕七学位论文 目录 中文摘要 英文摘要 第一章引言l 1 1 课题提出1 1 2 国内外研究现状1 1 2 1 国外研究现状。l 1 2 2 国内研究现状。2 1 3 本论文主要工作3 第二章变压器直流偏磁及其对保护的影响4 2 1 变压器直流偏磁及现象分析一4 2 1 1 变压器直流偏磁机理。4 2 1 2 变压器直流偏磁时的电流谐波5 2 1 3 变压器直流偏磁时的无功和电压9 2 2 变压器直流偏磁对保护的可能影响1 0 2 2 1 对传统模拟式继电保护的影响1 0 2 2 2 对数字式微机保护的影响1 l 2 3 保护误动导致的典型大停电事故。l l 2 4 本章小结l3 第三章变压器直流偏磁对不同原理保护的影响1 4 3 1 对负序保护的影响1 4 3 1 1 模拟式负序滤过器的影响1 4 3 1 2 数字式负序滤过器的影响1 6 3 1 3 对负序量启动保护装置的影响1 7 3 2 对零序保护的影响1 7 3 2 1 零序分量滤过器。1 8 3 2 2 零序滤过器的影响1 9 3 2 3 对零序量启动保护装置的影响2 1 3 3 对差动保护的影响2 l 3 4 对瓦斯保护的影响2 2 3 5 本章小结。2 2 第四章变压器直流偏磁对电网主设备保护的影响2 4 4 1 对发电机负序保护的影响2 4 4 1 1 负序过流保护判据2 4 h 华北电力大学硕士学位论文 4 1 2 负序保护整定方法一2 5 4 1 3 对发电机负序保护影响仿真分析2 7 4 2 对变压器保护装置的影响3 0 4 2 1 对变压器差动保护的影响3 0 4 2 2 对变压器瓦斯保护的影响3 6 4 3 对无功补偿装置的影响3 7 4 4 本章小结3 9 第五章变压器直流偏磁对微机保护算法的影响4 0 5 1 对滤波算法的影响一4 0 5 1 1 对简单数字滤波器的影响4 0 5 1 2 对基于零、极点配置的数字滤波器的影响4 4 5 1 3 对基于傅里叶算法的数字滤波器的影响4 6 5 1 4 算例分析4 8 5 2 对保护算法的影响5 0 5 2 1 对电气量算法的影响一5 0 5 2 2 对保护功能算法的影响5 3 5 3 对微机保护影响算例仿真5 4 5 3 12 0 1 0 年陕甘青宁7 5 0 k v 电网g i c 水平评估5 4 5 3 2 变压器差动保护仿真实验5 5 5 4 本章小结5 9 第六章结论和展望6 l 6 1 结论6 1 6 2 展望6 1 参考文献6 3 致谢6 6 i 跗录6 7 附录1 西北7 5 0 k v 及以上输电系统地理位置接线图6 8 附录2 西北输电网系统m a t l a b 等效模型6 9 附录3 西北电网主变及线路参数7 0 在学期间发表的学术论文和参加科研情况7 2 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题提出 第一章引言 磁暴在电网引发的地磁感应电流( g e o m a g n e t i c a l l yi n d u c e d c u r r e n t ，简称g i c ) 频率在0 0 0 1 o 1 h z 之间，与电网5 0 h z 的交流电相比，g i c 可看作为准直流电流。 这种特征的g i c 流过变压器会引起变压器的偏磁饱和，导致励磁电流畸变，产生谐 波，无功变化，因此可能引起电力系统继电保护装置误动，对电力系统的安全运行 造成影响【卜7 1 。在1 9 8 9 年3 月1 3 日，磁暴导致了加拿大魁北克( h y d r o q u 6 b e c ) 电网 大停电事故，造成了巨大经济损失和社会影响【 1 0 】。随着我国远距离输电线路的建 设，近年在江苏阳淮输电线路系统的上河变电站发现了g i c 扰动现象【7 , 1 1 , 1 2 】，广东岭 澳核电站主变中性点监测到了5 5 8 安培的g i c 7 l 。因此，研究变压器直流偏磁对电力 系统保护影响有重要意义。 除了磁暴之外，高压直流输电接地极入地电流同样会导致变压器的直流偏磁饱 和【d 7 】但是，变压器直流偏磁对不同类型保护的影响机制不同，电磁继电器是通 过检测电气量有效值实现保护，而数字继电器则以检测电气量的幅值为依据，。因此， 数字继电器对波形畸变( 或谐波) 很敏感。研究表明【l 引，在变压器偏磁饱和谐波的情况 下，数字继电器动作的正确性比电磁继电器低2 0 3 0 。保护误动将造成输电线路、 变压器或补偿电容器等退出运行，可能导致系统负荷转移或无功缺额增大，进而引发 更严重的事故。 由于比传统继电保护更具优点【1 9 挪】，微机保护装置在电网的建设中得到越来越 广泛的应用，而在远距离、大容量输电网中直流偏磁的影响也会更加突出1 ，1 2 1 ， 但我国的相关研究还不深入，因此本文提出结合我国的变压器直流偏磁对微机保护 的影响研究。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 近年来，特别是在加拿大魁北克大停电事故发生后，美国、加拿大等国开始了 直流偏磁对继电保护影响的研究。美国的p s r c ( 电网继电器委员会) 研究认为【1 引， 由于g i c 造成变压器直流偏磁引起的谐波，会对电容器的运行产生较大影响，会造 成中性点零序电压保护，电容器过流保护，电容器过压保护误动：在对变压器的影 响中分析了包括三相三柱，三相五柱，单相变压器组等五类变压器受g i c 的影响程 华北电力大学硕士学位论文 度，认为g i c 会使变压器铁芯发热引起瓦斯保护动作，而且由于励磁激增会造成变 压器差动保护误动；在对g i c 对发电机的影响中，认为发电机负序过流保护可能会 受其影响而误动，而且谐波会引起发电子转子过热，造成跳闸。提出了用串联电容 器等方法阻止g i c 电流，减少对继电保护的影响。虽然p s r c 已经对变压器直流偏磁 引起的谐波可能带来的保护误动进行了分析，但分析过于简单，对不同直流偏磁下 的波形特征，零序、负序等保护受直流偏磁的影响特点及程度都没有涉及。 美国的j g k a p p e n m a n 等人对g i c 引起的c t 偏磁饱和对继电保护的影响进行了 研究【2 。提出g i c 会引起c t 偏磁饱和，会对c t 的测量精度产生影响，进而影响到继 电保护的正确动作。但是由于变比的不同，g i c 对c t 的计量精度的影响不同，提出 c t 变比越大，g i c 的影响越小。在c t 的剩磁影响的分析中认为g i c 会对c t 的饱和时 间有影响。分析认为，由于保护c t 变比较大，电磁暂态性能较好，g i c 引起的c t 偏 磁饱和对继电保护的影响很小。因此，j g k a p p e n m a n 等人的研究结论可供本论文 借鉴。 美国的l e o n t i n am v g p i n t o 等人在对g i c 对电力系统的影响的研究中 2 2 】，认 为一些数字继电器由于保护算法可能会对谐波比较敏感，易引起继电器误动。v d a l b e r t s o n 等人认为数字继电器的动作量是通过幅值采样得到的，而传统的电磁式动 作量则是电压、电流的有效值，所以直流偏磁对数字继电器的影响更大【2 3 2 4 1 。但是 他们对直流偏磁对数字继电器的影响只是做了简单的阐述，其对微机保护算法的影 响特点还不清楚，直流偏磁针对具体电网的微机保护的影响也有待进一步分析，本 课题就是在这种情况下提出来的。 1 2 2 国内研究现状 随着我国西电东送、全国联网战略的逐步实施，必将形成一些东西走向的大容 量、远距离输电线路，而我国也有大量、分布广泛的火成岩地质地区，可能受到g i c 的严重影响【7 , 1 1 】。因此，国内的华北电力大学和天津大学等科研机构也于近年开展 了g i c 影响的相关研究，其中，华北电力大学的研究包括地磁感应电流对我国电 网影响问题的研究国家自然基金项目、黑龙江省电力公司磁暴对黑河电网设备 影响的研究等项目，但只涉及到电网g i c 的基本理论、模型、算法等方面，还没 有进行过直流偏磁对保护方面的研究。相关项目的研究成果f 1 2 2 5 ，2 6 】可以为本课题提 供理论依据。 国内由于直流输电工程的大量建设，在高压直流输电接地极入地电流对交流系 统的影响方面做了大量的研究，其中也涉及到了对保护影响方面的内容。南京理工 大学的蒯狄正等人在5 0 0 k v 三峡龙泉一江苏政平直流系统出现的变压器偏磁问题的 研究中【2 7 】，以直流换流站切换滤波器时的谐波为考查量，对a b b 公司、g e 公司、 2 华北电力大学硕士学位论文 南瑞公司的零序方向保护和距离保护，通过o m i c r o n 试验装置在有无叠加电网故 障的两种情况下进行测试，得到了影响不大的结论。该结论是基于较小的直流偏磁， 在线路保护上实验得出的，那么直流偏磁增大，励磁畸变增大后，变压器、发电机、 电容器等保护会不会受到影响，在7 5 0 k v 的输电线路上保护的动作情况如何，四方 公司的微机保护动作情况怎么样，这些问题都有待于解决。 华南理工大学的李海锋等人认为研究直流单极一大地运行方式下【1 4 1 ，直流偏磁 对保护用电流互感器传变特性的影响很小，其对交流保护的影响主要在于变压器直 流偏磁谐波。相对于线路保护而言，变压器直流偏磁谐波对变压器保护的影响更严 重一些。他们的研究方法在本论文中同样可以借鉴。 综上，不论是单极大地运行方式下的直流输电工程还是g i c 对变压器的偏磁影 响都将更加严重，由此可能对电网保护带来的影响也将更加突出。在7 5 0 k v 电网和 特高压电网中，直流偏磁对保护的影响程度是否会增大，对四方微机保护拒动和误 动情况也还需要做进一步研究这也是本论文研究工作的意义所在 1 3 本论文主要工作 本文主要研究变压器直流偏磁对继电保护的影响情况，针对直流偏磁的谐波特 性对传统保护和数字保护的影响情况做了具体分析，并深入研究了微机保护算法受 直流偏磁的影响情况。 主要工作和研究内容包括如下几个方面： 1 介绍了变压器直流偏磁及其现象，并针对不同原理的保护受其影响的特点作 了具体分析。 基于p s c a d e m t d c 软件，对不同结构变压器直流偏磁谐波进行分析，研究了 不同直流情况下，谐波、无功、电压的变化规律，提出了其对保护可能产生的影响 2 研究了负序、零序滤过器受直流偏磁谐波的影响特征及直流偏磁对发电机、 变压器、无功补偿装置保护的影响评估 基于p s c a d e m t d c 和m a t l a b 软件，对负序滤过器、零序滤过器在直流偏磁时 的不平衡输出作出分析，对发电机负序保护，变压器差动保护、瓦斯保护、无功补 偿装置在直流偏磁时所受的影响进行仿真研究。 3 研究了变压器直流偏磁对微机保护算法的影响情况及算例仿真。 基于m a t l a b 软件对微机保护算法受直流偏磁谐波影响特点进行分析，以2 0 1 0 年 陕甘青宁7 5 0 k v 电网为算例，对其最大g i c 可能引起微机差动保护影响情况进行分 析，差动保护原副边电流通过p s c a d e m t d c 建模获取，利用m a t l a b 编程完成微机 保护相关电气量的计算，通过计算数据对四方保护动作情况进行评估。 4 文章的最后对研究工作进行了总结和展望。 华北电力大学硕士学位论文 第二章变压器直流偏磁及其对保护的影响 g i c 或高压直流输电接地极入地电流流入交流系统中，会在两个中性点接地的 变压器、输电线路和大地之间形成的回路中流动，从而在变压器绕组中产生直流分 量，导致变压器发生直流偏磁，出现励磁电流畸变，引起谐波增大、无功损耗增加、 电压跌落，而对电力系统保护产生一定的影响。 2 1 变压器直流偏磁及现象分析 2 1 1 变压器直流偏磁机理 直流偏磁是变压器的一种非正常工作状态，是指在变压器励磁电流中出现了直 流分量。因此g i c 作为一种准直流，流入变压器也会导致变压器直流偏磁。 变压器的铁心用厚0 3 0 0 3 5 r a m 的硅钢片叠成，因硅钢片磁化特性的非线性，使 铁心里磁通矽与励磁电流f 的关系，即矽= ( f ) 呈非线性关系，如图2 - 1 所示。 9 震 例 ： l ： 相 | ； ；i ： i ) ： k ； ； 露黔_ j 晒 l 争i r 图2 1 直流偏磁机理 图2 一l 中实线为无g i c 时，i ( o i 作在磁化曲线的直线段附近，此时f 俐为正弦波。 在设计变压器时，为了充分的利用铁磁材料，额定运行时主磁通应运行于图2 1 ( b ) 线性区的端点a 点。当变压器中存在直流性质的电流时即g i c 流入系统后，直流和交 流励磁磁通相叠加，形成偏磁时的总磁通密度b 与直流偏磁方向一致的半个周波的 4 华北电力大学硕士学位论文 磁通密度大大增加，另外半个周波的磁通密度反而减小。与之对应的励磁电流的波 形也会发生对应的变化，呈现正负半波不对称。如图2 1 ( c ) 所示f 例工作在磁化曲 线的饱和区，f 似的负半轴为正弦波而正半轴出现尖顶 2 5 ，2 6 】。 图2 2 为直流偏磁对变压器励磁电流影响仿真图。正常情况下，变压器铁芯工作 在非饱和状态( 励磁电流如图2 2 ( a ) 所示) ，励磁电流i ( 0 波形对称，数值很小， 而当直流分量使变压器磁化强度偏移并增加到磁化曲线的拐点以上时，变压器处于 半周饱和状态( 励磁电流如图2 2 ( b ) 所示) ，此时励磁电流i ( t ) 显著增大，波形发 生严重畸变，正半周出现尖峰，谐波含量大大增加。 ( a ) i 蕾f f i o a 2 时问( s ) ( b ) i d c - 1 0 a 图2 2 直流偏磁对变压器励磁电流的影响 2 1 2 变压器直流偏磁时的电流谐波 2 2 1 2 1 变压器模型 变压器直流偏磁谐波的分析较为复杂，它涉及到变压器的铁芯饱和特性、铁芯 的结构、三相变压器各侧绕组的接线方式以及直流偏磁大小等，其求解则涉及到复 杂的电路与磁路的耦合关系。 p s c a d e m t d c 软件中变压器模型较好得解决了上述问题，有经典模型和变压 器的统一等效磁路模型( u m e c ) 两类【1 2 , 1 4 】。经典模型采用补偿电流源法模拟铁芯 的饱和特性，该方法仿真速度较快又不失精度。u m e c 模型基于铁芯几何结构，采 用分段线性等效支路电导的方法模拟铁芯的饱和特性，仿真时只需给定反映变压器 s 华北电力人学硕七学位论文 铁芯非线性的分段线性化v i 曲线，可以用来分析不同铁芯结构变压器的励磁特性。 仿真采用图2 3 仿真接线图，本文中的变压器模型采用西北网7 5 0 k v 变压器典型 参数，具体如下：变压器额定容量5 0 0 m v a ，电压7 5 0 3 3 0 k v ，y y 接线，频率5 0 h z ， 漏阻抗0 1 0 p u ，空载损耗1 2 0 k w ，负载损耗8 2 0 k w ，空载电流0 0 7 ，铁心长度1 m 。 仿真分析时采用了变压器额定电流作为基准，这样有利于电网中不同容量的变 压器直流偏磁谐波进行比较和评估。 7 5 0 k v 系统 等值发电机 图2 3变压器直流偏磁仿真接线图 v 系统负荷 2 1 2 2 不同铁心结构的变压器谐波分析 铁心结构不同，变压器直流磁阻的大小也会不同，会对变压器的饱和程度产生 影响。这里考虑了三种变压器铁心结构：三相变压器组、三相三柱变压器以及三相 五柱变压器，应用p s c a d e m t d c 软件中的变压器的统一等效磁路模型( u m e c ) 进行仿真分析。 j a 蚓 馨 姆 硼 篡厂一蓊司 汕扎一j 一 12 34567891 01 11 21 31 4 1 5 谐波次数 图2 4 不同铁心结构变压器励磁电流谐波对比图 图2 4 是不同铁心结构三相变压器在中性点直流l d c = o 2 5 p u 时，励磁电流的频谱 图，从图中可以看出，在相同的直流偏磁的情况下，三相变压器组的饱和最严重， 所产生的各次谐波最大，三相五柱变压器次之，而三相三柱变压器则几乎不受影响。 这是因为三相组式变压器每相铁心结构独立，这为直流磁通提供了良好的回路；三 相五柱变压器虽然铁心结构并不独立，但其两个边柱为直流磁通提供了回路，也能 流过较大的直流磁通；而直流磁通在三相三柱变压器的铁心中无通道，直流磁阻较 大，所以直流磁通较小。图中含有数量较大的偶次谐波这正是直流偏磁后变压器励 6 华北电力大学硕士学位论文 磁谐波的重要特点。 2 1 2 3 不同直流电流下三相变压器组谐波分析 从上面分析可以看出三相变压器组在相同直流偏磁下，饱和程度最深，下面将 进一步分析它在不同直流电流下时的谐波情况。 o j 五 v 趔 罂 斌 弹 图2 5 不同直流电流下三相变压器组励磁谐波图 图2 5 反映了三相变压器组a 相励磁电流谐波在直流电流如为o 至0 5 p u 时的变 化曲线。由图可见，直流偏磁使三相变压器组的励磁电流产生各次谐波，其中励磁 电流基波分量最大，2 、3 、4 次谐波次之，8 次以上谐波的含量则很少；基波和2 、3 次谐波随着直流电流的增大近乎线性增大；4 、5 、6 、7 次谐波在一定范围随着直流 电流增大而增大，但变压器深度饱和之后谐波变化呈非线性趋势，不再是单调增大 2 1 2 4 三相自耦变压器组和三相传统变压器组谐波分析 与传统变压器相比，自耦变压器绕组不仅有磁的联系而且还有电的联系，其谐 波特性是否会因此而不同，下面做进一步分析 p s c a d e m t d c 软件中提供了自耦变压器的模型，但其是基于经典理论的。为 了有所对比，这里选用两种变压器的经典理论模型进行仿真分析 图2 6 是变压器中性点直流电流= 0 1 p u 时励磁电流的频谱图，从图中可以看 出，自耦变压器和传统变压器的励磁电流频谱基本一样，这是因为励磁电流只在原 边侧流过，其谐波分量并没有流向副边侧。 7 华北电力大学硕士学位论文 皿一i i _ _ 昱i 图2 - 6 传统变压器和自耦变压器励磁谐波对比图 2 1 2 5 不同负载下三相自耦变压器组谐波分析 三相自耦变压器组在不同负载下的电流会产生变化，其原边侧电流谐波随电流 的变化情况也值得关注。以下对变压器在不同大小的直流偏磁下，分别运行在空载、 1 2 负载和满载三种情况进行分析。仿真时假设三相负荷平衡、稳定。 表2 1 不同负载下自耦变压器组原边侧电流谐波分析 谐波电流p u 直流p u 负载 基波2 次3 次4 次5 次6 次7 次8 次9 次l o 次 s s 1 0 0 60 1 9 l0 1 4 60 0 9 90 0 5 80 0 2 60 0 0 50 0 0 6o 0 1 00 0 0 9 0 5 0 5 s n 0 5 4 5o 1 9 l0 1 4 60 0 9 90 0 5 80 0 2 60 0 0 50 0 0 60 0 1 00 0 0 9 00 2 3 10 1 9 10 1 4 60 0 9 90 0 5 80 0 2 6 0 0 0 5 0 0 0 60 0 1 00 0 0 9 s s 0 9 7 40 0 9 40 0 7 70 0 5 7o 0 4 00 0 2 6o 0 1 60 0 0 80 0 0 30 o o l 0 2 5 0 5 s n 0 4 8 70 0 9 50 0 7 60 0 5 70 0 4 10 0 2 6o 0 1 60 0 0 80 0 0 30 o o l 0o 1 1 50 0 9 50 0 7 50 0 5 70 0 4 l0 0 2 70 0 1 50 0 0 80 0 0 2o o o l s n 0 9 6 20 0 3 60 0 2 9o 0 2 lo 0 1 60 o l l0 0 0 80 0 0 50 0 0 30 0 0 2 0 1 0 5 s n 0 4 8 l0 0 3 60 0 2 90 0 2 l0 0 1 6o 0 1 10 0 0 80 0 0 50 0 0 30 0 0 2 o0 0 4 90 0 3 60 0 2 90 0 2 1o 0 1 60 0 l l0 0 0 80 0 0 50 0 0 30 0 0 2 s n 0 9 5 80 0 0 80 0 0 80 0 0 40 0 0 30 0 0 20 0 0 lo 0 0 l0 0 0 00 0 0 0 0 0 2 5 0 5 s n 0 4 7 90 0 0 80 0 0 80 0 0 40 0 0 30 0 0 20 0 0 1o 0 0 l0 0 0 00 0 0 0 0o 0 1 90 0 0 80 0 0 80 0 0 40 0 0 30 0 0 20 o o l0 o o l0 0 0 00 0 0 0 由于l o 次以上谐波数值较小，表中只列出了基波和1 0 次以下的谐波，从表中可知 负载对谐波的影响不大，相同直流偏磁下，谐波的数值基本相同，负载的增加只影响到 基波的变化。 在仿真中发现，原副边侧的电压及副边侧电流畸变率都很小，其谐波特性用来评估 对保护装置的影响意义不大，这里不再做具体分析。 2 1 2 6 结论 ，。，-l 6 4 2 0 舛 屹 。 仉 n n 一ndv趔罂嫣i审 华北电力大学硕士学位论文 ( 1 ) 直流偏磁下，变压器的谐波随着中性点直流的增大而增加，2 、3 、4 次谐波较 大且增长较快，8 次以上的高次谐波含量很少。相同的直流偏磁情况下，三相变压器组 的饱和最严重，三相五柱变压器次之，而三相三柱变压器则几乎不受影响。 ( 2 ) 自耦变压器组和三相变压器组的偏磁特性基本一致，励磁电流谐波只在原边 侧流过。在不同负荷下，同一直流偏磁产生的谐波基本一致，负荷只对线路侧基波的大 小起作用，不影响谐波的大小。 2 1 3 变压器直流偏磁时的无功和电压 从上面分析中可以看出，三相自耦变压器组受直流偏磁的影响最大，以下我们 针对该类型的变压器偏磁情况进行分析。 e 静 雷 督 限 图2 7 不同直流偏磁下变压器的无功功率 。 图2 7 为不同直流偏磁下变压器的无功功率变化情况，从图中可以看出，随着 直流偏磁的不断增大，变压器无功功率接近线性增大 由于功率波动引起的电网的电压波动的计算公式为 a u ；p r + q x u ( 2 - 1 ) 式中t z - - - 有功功率；卜无功功率；r 电网电阻；r 电网电抗； 卜电网电压 由于架空线x ，所以电压波动主要取决于无功功率的变化。 图2 - 8 中反应了电网电抗为0 3 p u ( 约5 0 0 k i n 的7 5 0 k v 线路感抗及变压器感抗) 时不同直流偏磁下的电压走势，可以看出，随着直流偏磁的不断增大，电压逐渐跌落， 但跌落的幅度不是很大，当x d c = o 5 p u 时，电压接近0 9 3 p u ，而这还没有考虑变压器的 分压调节和无功补偿。总之，只要系统无功容量充足，直流偏磁造成的电压跌落不会很 大，对保护的影响也不会很大。 9 华北电力大学硕士学位论文 1 o 9 8 o 9 6 0 9 4 ；o 9 2 a 、， o 9 墨0 8 8 o 0 8 4 o 眩 o 8 1 、 _ 一。 、： 。一。 、= 二= 太。 一j 一一一 一一。 。一一 _ - - _ _ 。- _ 。 一一一j 一一一1 一 一- 一 - 一 o 3 5 o 0 4 50 5 图2 8 不同直流偏磁下的电压走势图 2 2 变压器直流偏磁对保护的可能影响 由上面的分析可知，变压器直流偏磁会产生大量的谐波分量，而电力系统的保 护元件往往基于基频分量，保护的动作特性势必会受到影响；另外，直流偏磁会造 成变压器无功需求激增，引起电压跌落，使相关保护的动作特性受到影响，但是由 于输电网中往往加装了s v c 来进行电压调整，使得这方面影响被削弱。那么，变压 器直流偏磁对保护的影响就集中在畸变的谐波分量上，下面论文从模拟式保护和数 字式保护两方面，来分析电力系统保护可能受到的影响情况【2 8 - 3 2 】。 2 2 1 对传统模拟式继电保护的影响 电磁式继电器常常用在电流、电压为启动量的保护上，在谐波含量小于4 0 时 其整定值误差将不会大于1 0 【3 2 1 。但是由于继电器是按基波电压或电流整定的，因 此，在动态情况下会有很大影响。对电流继电器而言，谐波存在时，将引起保护拒动； 对电压继电器而言，当含有谐波的畸变电压作用于继电器时，动作值总是比基波时 的整定值要大，因而对过电压继电器可能会拒动，对欠电压继电器却又可能会误动。 整流型继电保护元件一般用于负序滤过器的电抗互感器和反应增量的保护装 置中。一般，对于三相不对称引起的负序分量，电流互感器尚能如实反应电流，但 当电流中含有谐波时，电抗互感器则对高次谐波按w l 放大，所以负序滤过器输出 的谐波相当严重。加之裂相回路也是按基波设计的，当加上谐波后，不再能裂出对 称三相电压，所以当不对称的三相电压进行三相全波整流后，波纹大大增加，可能 导致继电器误动作。整流型距离保护的振荡闭锁经常动作，晶体管相差高频保护的 发讯机频繁起动，原因就在于此。反应增量的继电器，是在整流后经电容微分和滤 过二次谐波后去执行元件。实际上它是按有效值有一定阶跃变化才起动的原理构成 1 0 华北电力大学硕士学位论文 的，故称这种继电器为增量继电器显然，为保证增量继电器精确动作应使整流滤 波后的电压辐值没有波动，但如上所述，负序滤过器内于受系统谐波的影响，整流 并经滤过谐波后的幅值波动将增大，因而按增量原理构成的距离保护振荡闭锁装置 在系统谐波的影响下也可能误功作。 集成电路式保护元件往往用在方向保护中，主要由无机械运动的电子器件构 成。在抗干扰和消除谐波影响方面具有较好的有效性。但其按相位比较原理构成的 继电器，被比较的两个交流电量可用积分比相器或微分比相器来实现由于谐波分 量的存在，两种比相器的工作均受影响。对于积分式比相器，各半波积分比相器比 较的分别是正半周或负半周极性相同的时间，当被比较的两个电量中任意一个含有 谐波分量时，其方波被切成碎块，导致积分电压达不到使其后面的触发器翻转所需 要的电压值，从而造成保护拒动；对于微分式比相器，它把两个交流电量都变成方波， 再将其中一个方波通过微分电路产生脉冲去与另一个交流量的方波进行比较，则因 谐波的存在而出现多个不应有的微分脉冲，引起交流量过零点的机会增多，可能造 成保护装置误动作。 另外由谐波还可能引起变压器铁芯过热，会对瓦斯保护产生影响，谐波对无功 装置的渗透，又可能造成谐波放大，对过流保护产生影响，励磁电流的畸变又可能 对差动保护产生影响。 2 2 2 对数字式微机保护的影响 微机保护是通过保护算法来实现保护装置的启动，电压、电流分量的计算、序 分量的提取等保护算法又常常基于基波分量，再加上数字继电器以检测电气量的幅 值为依据，对波形畸变( 或谐波) 很敏感，但微机保护通过数字滤波器减小了谐波对 保护的影响。由于保护具有实时性，通常要求滤波算法的数据窗较短，滤波算法不 同滤波精度也不同，这些都影响了滤波精度，而保护算法对谐波敏感，还是可能会 造成保护的误动作，尤其在零序、负序、差动保护等启动量小的保护中影响更甚 同样，谐波引起的变压器铁芯过热，对无功装置的谐波渗透都将会引起相关微机保 护的动作。 2 3 保护误动导致的典型大停电事故 1 9 8 9 年3 月1 3 日，磁暴导致了加拿大魁北克大停电 8 ，1 8 ，3 3 。磁暴引起的e s p 在电力系统中产生了g i c ( 地磁感应电流) ，变压器半波饱和后，在变压器和输电网 中产生了大量的谐波分量。谐波流入附近的提供电压快速调节的s v c 补偿装置后， 其电容分支受到了较为严重的影响。 如此数量的谐波很快使电容器超载，以至于过负荷保护跳闸，s v c 补偿装置退 华北电力大学硕士学位论文 出运行。在磁暴发生一分钟内，l ag r a n d e7 3 5 k v 输电网络中的7 台s v c 补偿装置 相继跳闸。这样，只剩下l ag r a n d e 电网中的三座水电站机组提供全部9 5 0 0 m w 的 负荷，由于缺少s v c 提供电压调整，系统的稳定性变差。 在电网失去s v c 补偿装置的8 秒钟后，5 条7 3 5 k vl ag r a n d e 主干输电线中的 一条跳闸，自动减少了l ag r a n d e 联网发电机组的出力。随后的一秒钟系统又发生 了暂态扰动，此时，北美电网剩余的四条7 3 5 k v 输电线跳闸，9 5 0 0 m w 的发电容量 被完全切除，此容量占到了整个魁北克地区发电容量的4 4 。 魁北克地区剩余电网的频率和电压普遍跌落。一系列的自动减负荷措施相继失 败，系统的负荷需求与可用发电容量之间的平衡得不到恢复。由于发电容量损失太 多，负荷也不能被快速的切除而使系统重新稳定。 l ag r a n d e 电网切除大约6 秒钟后，系统发生摆动，导致发电量为2 0 0 0 m w 的 北部主干网c h u r c h i l l 跳闸切除，魁北克地区剩余电网在1 8 秒内发生系统瘫痪、解 列，随后全网失电。 图2 - 9 加拿大魁北克输电系统 当时，北美其他地区的电网也受到了磁暴的影响，虽然没有魁北克这么严重， 但是也发生了多起保护动作事件。安大略湖水电集团的一台6 8 m v a ，1 3 8 k v 水电 机组的负序保护动作，机组跳闸切除，一台2 4 k v 的核电机组负序过流报警，持续 1 2 华北电力大学硕士学位论文 了2 分钟，两台4 4 k v ，3 2 m v a r 的并联电容器( s c ) 中性点过流跳闸。美国电力天然 气服务公司一台发电机组的负序过流保护报警，持续了4 0 6 s ，负序过流报警的定值 为0 0 5 p u ，一台升压变压器过热，瓦斯继电器报警。 2 4 本章小结 l 、变压器直流偏磁后，励磁谐波含量与中性点直流呈正比关系。自耦变压器 组和三相变压器组受直流偏磁影响最大，负荷只对线路侧基波的大小起作用，不影 响谐波的大小。变压器直流偏磁增大会引起系统无功需求增加，电压下降。 2 、变压器直流偏磁后，对保护的影响主要是增大的励磁谐波造成的影响。谐 波会影响负序、零序、差动、瓦斯、无功装置过流保护的正确动作，数字式微机保 护算法受到影响可能会更大。 华北电力人学硕士学位论文 第三章变压器直流偏磁对不同原理保护的影响 变压器直流偏磁后励磁产生大量的谐波分量，使电流波形发生较大的畸变，会 对负序、零序、差动、瓦斯等不同原理的保护产生影响。本章基于直流偏磁电流的 谐波特点，从保护的原理入手，就不同原理的保护所受影响进行研究。 3 1 对负序保护的影响 负序量启动装置在继电保护领域得到了广泛的应用，但作为保护入口元件的负 序滤过器则往往会受到谐波渗透的影响，而产生不平衡输出，会对保护造成不利影 响【3 4 , 3 5 】。滤序装置有模拟式和数字式两种，以下我们就变压器偏磁谐波对滤过器的 影响做深入分析，分析中暂不考虑互感器的影响。 3 1 1 模拟式负序滤过器的影响 模拟式负序滤过器一般利用尺也或r c 两种方式，通过其对电压的移相来滤取 基波负序分量。r 也型负序电流滤过器受谐波的渗透影响较大【5 】，下面针对该滤过 器进行分析。 三召 a _ n b c 图3 1r l 型负序电流滤过器电路图 常用的r 也型负序电流滤过器电路如图3 1 所示，l b 为中间变流器，d k b 为 1 4 华北电力大学硕士学位论文 电抗互感器，一、二次绕组的基波互感电抗为枇，输入的正、负序基波及谐波电流 在r 和x m 上形成的压降转换为对应的输出电压u h = c ，肭+ c ，肠。滤过器的参数匹配为： l 、r 。血3 l x u ，k 3 l 。吻嘶，使基波正序电流形成的压降0 l 。一u j i ，输出二i 为零。2 、 嵋一3 w 2 ，使基波零序电流不产生输出。当输入三相不对称的基波和谐波电流时，设 r 不随基波频率而改变，滤过器的输出电压为 h = l ，2 ，3 ， 把各电流用a 相的正、负、零序电流分量表示后，得 ( 3 - 1 ) u j = ( 乙+ i a i t + l z 一，一) h = 1 ，2 ，3 ，( 3 2 ) 其中 z + 霉- - o - i ) 、j 3 x h z j 一= ( j i l + 1 ) 3 爿0 式中z + 、z 滤过器的h 次正、负序谐波转移阻抗 当电流中含有各次谐波时，滤过器的输出电压为 u 薯eu k j = 1 ( 3 3 ) h 。 薯e ( z + ，肌+ z 一j 胁) h = l ，2 ，3 各次零序谐波阻抗z 口均为零，故不论对于基波电流或谐波电流，零序分量均 无电压输出。由式( 3 - 2 ) 可知，由于存在电感元件，谐波转移阻抗随j i i 成倍增大， 故谐波对该种负序滤过器的渗透也成倍增长，对于同一次谐波，负序渗透较