（电气工程专业论文）基于波形对称原理的变压器差动保护研究.pdf

华北电力大学工程硕士学位论文摘要 摘要 由于变压器保护的重要性和励磁涌流的复杂性，促使继电保护工作者对励磁涌 流问题的研究不断进行。本文针对现场常用的二次谐波制动原理和间断角制动原理 的不完善，而导致的变压器保护误动率相对较高的问题，详细分析了单相及三相变 压器励磁涌流的形成和特点，在此基础上，对波形对称原理的差动保护进行深入的 研究，并实现了此原理在变压器差动保护中的应用本论文给出了基于该保护原理 的变压器微机保护实例，详细说明了该套微机保护装置硬件模块设计，软件算法设 计、模块设计以及软件流程图。最后通过动模试验进行了验证。 关键词：变压器，励磁涌流，波形对称原理，动模试验 a b s t r a c t b e c a u s eo ft h ei m p o r t a n c eo f p o w e rt 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 n dt h e c o m p l e x i t yo fi n r u s hc u r r e n t ，t h es t u d yo nm a g n e t i z i n gi n r u s hc u r r e n ti s f u r t h e r e d m o r ea n dm o r eb yr e l a yp r o t e c t i o nw o r k e r s a i m i n ga tt h ef a u l t i n e s so fs e c o n d h a r m o n i cb r a k ep r i n c i p l ea n dd e a da n g l ep r i n c i p l e ，t h ep a p e ra n a l y z e dc a r e f u l l yt h e f o r ma n dc h a r a c t e r i s t i c so fi n r u s hc u r r e n t so fs i n g l e - p h a s et r a n s f o r m e ra n d t h r e e p h a s et r a n s f o r m e r b a s e do nt h i s ，ad e e ps t u d yi sd o n eo nw a v e f o r ms y m m e t r y p r i n c i p l e ，m o r e o v e r ，t h ep a p e ra n a t o m i e ds o m eq u e s t i o n st h a te x i s t si nt h ep r a c t i c e ， f o re x a m p l e ，t h ei n f e c t i o no fd i r e c tc u r r e n t ，t h ed e t e r m i n a t i o no fk ，e t c t h ep a p e ra l s o g i v e sa ni n s t a n c et or e a l i z et h i sp r o t e c t i o na n de x p l a i n si t ss o f t w a r ea n dh a r d w a r ei nd e t a i l s w e iji a ne ( e l e c t r i c i t ye n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f l ih em i n g k e yw o r d s ：t r a n s f o r m e r ，m a g n e t i z i n gi n r u s hc u r r e n t ，w a v e f o r ms y m m e t r y p r i n c i p l e ，d y n a m i cs i m u l a t i o ne x p e r i m e n t a t i o n 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于波形对称原理的变压器差动保护 研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取 得的研究成果。掘本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位 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。 学位论文作者签名 隧日 期：通! 生型 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件：学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不 同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期： 尉芭娥 ，一、 迦6 ：! f 导师签名： 日期： 盗辑 t 泖。6 1 1 变压 电力 系到整个 烧毁变压 年来，电 用，使得 差动 至今广泛 流定律的 的电流为 明确的检 在继电保护，特别是电力元件保护中获得了广泛应用。差动保护是变压器的电气 主保护，变压器在正常运行或外部故障时，理想情况下流入差动继电器的电流为零， 差动保护装置不动作。但实际上变压器差动保护由于自身的特点，在实现差动保护 时需考虑以下几点： ( 1 ) 变压器差动保护所用的各侧电流互感器的电压等级不同，变比、容量以及 铁芯饱和特性不一致。而且变压器各侧三相接线方式不尽相同，所以各侧电流的相 位也可能不一致。即使进行了相位和幅值的补偿，在外部短路时不平衡电流也较大， 所以变压器差动保护的最大制动系数比发电机的大，灵敏度相对较低。 ( 2 ) 变压器高压绕组常有调压分接头，有的还要求带负荷调节，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，这将使变压器差动 保护的最小动作电流和制动系数都要相应增大。 ( 3 ) 变压器差动保护范围除包括各侧绕组外，还包含变压器的铁芯，即变压器 差动保护区内不仅有电路而且还有磁路，存在励磁涌流问题。因此，在实施变压器 差动保护时，主要需要解决以下两个重要问题： 第一：为了躲区外故障时的最大不平衡电流，而导致内部轻微匝间故障时灵敏 度低的问题； 第二：正确识别励磁涌流和内部故障时的短路电流。 长期以来，继电保护工作者对上述两个问题进行了大量的分析研究和试验。第 一个问题已经得到了很好的解决，主要措施是采用比率制动原理，此外也可以采用 1 华北电力大学工程硕士学位论文 故障分量比率制动原理、标积制动原理和相角比较式差动原理等。对于第二个问题， 主要是采用识别涌流来闭锁差动保护的方法来避免差动保护误动作。+ 尽管研究工作 从来没有停止过，但是差动保护由于原理上的缺陷，历年来的正确动作率都不尽人 意。下表为1 9 9 6 2 0 0 0 年2 2 0 k v 以上变压器保护正确动作率统计： 年份 19 9 6 1 9 9 71 9 9 81 9 9 92 0 0 0 动作总次数 3 0 62 132 1 82 0 62 0 l f 确动作次 2 2 5l3 41 4 5l3 8l5 1 数 不正确动作 8 l7 97 36 85 0 次数 正确动作率 7 3 56 2 96 6 16 6 9 97 5 12 2 0 0 0 年运行中，变压器保护的正确动作率为7 5 1 2 ，其中差动保护动作总次 数为7 8 次，f 确动作5 7 次，误动2 1 次，正确动作率为7 3 0 7 。由此可以看出变 压器差动保护的正确动作率远远低于线路保护，这其中的原因是多方面的，但是保 护原理的不完善带来的拒动或误动是不可忽视的。 1 2 课题的背景和意义 1 2 1 励磁涌流对变压器差动保护的影响 由前面的分析可知，变压器差动保护出现不平衡电流的原因是多方面的，而其 中以变压器空载合闸时或者当外部短路故障被切除后电压恢复时所产生的励磁涌 流的影响最为严重。这是由于一方面励磁涌流的大小将达到变压器额定电流的几倍 甚至近十倍；另一方面励磁涌流只流过变压器的电源侧，而负荷侧因开路并没有电 流。励磁涌流将流入纵差保护的差动回路，若差动保护不能够躲过这一电流，就会 误动作。因此，当前变压器差动保护的核一t h , 问题是如何正确地识别励磁涌流和内部 故障电流。由于变压器保护的重要性和励磁涌流的复杂性，促使了对励磁涌流问 题的不断研究。目前已有多种识别励磁涌流的方法。利用变压器的电流量识别励磁 涌流与内部故障电流的传统方案有二次谐波制动原理和间断角闭锁原理。近年来， 国内外学者提出了很多鉴别励磁涌流的新原理和新方法， 如磁通特性鉴别法、等 值电路参数鉴别法、小波理论的应用、模糊识别理论等等，这些原理需要对变压器 的某些参数作人为的假设，其应用前景取决于理论上的进一步突破。因此，进一步 2 华北电力大学工程硕士学位论文 探索快速、 准确地区分变压器励磁涌流和内部故障电流的新原理，对提高变压器 差动保护的性能是十分必要的。 1 2 2 励磁涌流判据的现状 当前在变压器微机保护中得到广泛应用的励磁涌流判别方法主要有二次谐波制动 原理和间断角原理。随着电力输配电网络的发展，这两种判据都出现了一些应用上的困 难，所以对励磁涌流判据的研究成为近年变压器保护研究的重点。 1 2 2 1 当前得到实际应用的励磁涌流判据 ( 1 ) 二次谐波制动原理1 1 二次谐波闭锁判据利用了励磁电流中二次谐波较高的特点，在二次谐波与基波幅值 比超过整定值时将电流差动保护闭锁，其动作判据为： ，d 2 i d l k ，川，。：差动电流中的基波和二次谐波： k 励磁涌流判据的整定值。 二次谐波比例制动判据具有原理简单、实现容易的特点，因而在当前变压器微机保 护中得到广泛应用。二次谐波制动原理的差动保护存在的问题主要有：由于大容量、超 高压变压器在结构上的特点，以及材料和制造工艺等方面的提高，使得励磁涌流中一相 或两相电流的二次谐波分量q i 曼d , ，可能造成二次谐波制动的误判。大型变压器由于其电 压等级高，且常在端部接有较长的输电线，分布电容效果十分明显，这样有可能引起二 次谐波制动的差动保护延时动作：对于50 0kv 系统，常采用无功就地自动补偿，在 低压侧出口保护范围内故障时，电容的反馈电流将流向故障点，也可能使二次谐波闭锁 的比例制动差动保护延时动作。 ( 2 ) 间断角原理1 2 间断角原理是由我国继电保护工作者提出并制成样机。它是基于励磁涌流波形中有 较大的间断这个特征实现鉴别的理论。一般采用的判据：当差流的间断角大于6 5 。时， 判别为励磁涌流；当间断角小于6 5 。且波宽大于1 4 0 。时，则判别为可能不是励磁涌流， 并短时开放出口比率差动继电器。 华北电力大学工程硕士学位论文 间断角原理的优点是能够快速的切除合闸于内部故障。其缺点是当电流互感器保护 时，间断角消失，必须采取某些措施来恢复间断角，这样做增加了保护硬件的复杂性； 同时为了提高相角比较的正确性，必须提高采样率，并抑制a d 转换芯片在零点附近的 转换误差，提高了保护的硬件成本；另外，在某些小电流情况下，电流中的谐波含量以 及频率的变化对间断角的测量影响较大，因此在系统振荡时可能误动。 1 2 2 2 尚处于实验阶段的涌流判据 ( 1 ) 基于波形特征识别的励磁涌流判据 ( i ) 波形叠加原理 文献31 推导出的半波叠加制动方法是把文献41 中的励磁涌流表达式求导后， 将所得的波形的前后半波叠加。若令彳= j 1 i ；+ f ：+ 。印及d = j f ，p ， k ：要作为识别特 d 征量。经计算后可知，故障时k = o ，而在励磁涌流间断角大于1 8 0 。时k 的最大值为1 。 若能选择适当的整定值k 就可以简单方便地区分涌流和故障电流。 ( ii ) 波形拟合法5 1 文献提出了一种利用较短的数据窗，预测出相应的标准正弦波，分析故障电流、励 磁涌流与预测的标准正弦波的相似程度来识别励磁涌流和内部故障电流，这种方法数据 窗较短，特征明显、识别正确，不受电流互感器饱和的影响。 ( iii ) 波形相关性法1 6 波形相关性法提出利用数字信号处理中的相关函数的基本概念，对采样数据进行分 析，计算采样数据在不同时段上的自相关系数，利用自相关系数的大小来区分变压器励 磁涌流和内部故障差流。由于波形自相关性的定义中不仅包含波形幅值大小、形状的信 息，而且还包含波形的相位信息，因此波形自相关性法不是单纯地利用涌流或故障电流 的单一方面的特征，而是对波形进行有机、综合地分析。理论分析和e mt p 仿真结果均 表明：该算法原理清晰，识别正确，特征明显：而且不受非周期分量和电流互感器饱和 等的影响。 ( 2 ) 电压闭锁原理7 1 电压闭锁原理的基本思想是：当变压器因励磁涌流出现时，端电压会发生严重畸变， 4 华北电力大学工程硕士学位论文 其中包含较大的谐波含量，可以用来鉴别励磁涌流。电压闭锁原理相对二次谐波比例制 动原理能可靠鉴别涌流，闭锁保护；而且对大多数内部故障来说，它的保护动作速度要 快。但是电压制动原理的应用与电源阻抗的大小密切相关，如果系统阻抗非常小则保护 可能拒动，同时还要防止t v 断线。 ( 3 ) 基于高频分量原理的判据引 励磁涌流中有较大的跃变，从而会产生较大的高频电流，而在系统内外故障时都不 会有太大的高频电流。因此，测量出电流中的高频分量，并进行一系列的判断就能区别 出励磁涌流。这种方法存在如下问题：获得高频分量势必提高采样频率，从而增加技术 难度和成本；而且高频分量可能会受到系统谐波影响，能否经受环境高频噪声的考验还 有待证实。 ( 4 ) 等值电路判据9 1 等值电路原理是一种基于变压器导纳型等值电路的励磁涌流判别方法。该方法是通 过检测对地等值导纳的参数变化，鉴别变压器的内部故障。铁芯线圈的漏抗和空心线圈 的漏抗相近，故此时变压器的等值导纳参数的互导纳几乎与变压器的铁芯饱和程度无 关。铁一i i , 未饱和时，变压器各侧对地导纳几乎为零，当铁心饱和时，变压器各侧对地导 纳明显增大。因此，可以计算出变压器的各侧对地导纳，通过其值的变化判别变压器是 否发生内部故障。这种算法计算速度快，即使在内部故障叠加励磁涌流的情况下，也能 快速地完成涌流判别。 ( 5 ) 基于瞬时励磁电感频率特征的判据1 该判掘基于变压器瞬时励磁电感基频分量的判别原理。涌流时变压器铁芯经历饱和 与非饱和过程，瞬时励磁电感是时变、交替变化的，具有较大的基频分量；而内部故障 时，变压器铁芯工作于线性区，瞬时励磁电感恒为常数，无基频分量，据此可实现励磁 涌流与内部故障的有效判别。但瞬时励磁电感很难精确求取，为方便计算，文献提出了 等效瞬时电感的概念，论证了其基频特性的等效性并通过动模试验证明了有效性。 ( 6 ) 基于磁阻变化的判据1 1 1 磁阻变化判据是根据变压器不同工作状况下磁阻的变化规律来进行判断的。其根据 是变压器正常工作及故障时工作与磁化曲线的线性段，磁阻保持不变，且因为励磁电流 很小而表现为一个很小的数值；而在励磁涌流时，由于励磁电流急剧变化，磁阻为一个 华北电力大学工程硕士学位论文 变化值，且由于励磁涌流通常较大而在数值上表现为一个较小值。基于磁阻变化的判据 不需要知道变压器和系统参数，而且具有动作速度快的特点。 ( 7 ) 磁通特性判据1 2 1 磁特性方案的基本原理是基于变压器在不同工况下的励磁特性曲线特征的不同建 立故障判别区。磁通量可以基于变压器数学模型利用电流和电压计算得到。该方案由于 判断和计算过程比较简捷，故检测速度较快，同时由于在判定区中已考虑了受压器的磁 饱和特性，可以期望得到较高的灵敏度。磁通原理适宜于用微机保护实现，其缺点在 于该原理需要引进电压量且必须知道变压器各侧绕组的漏感( 漏抗) 。 ( 8 ) 基于小波理论的判据 小波具有良好的时域和频域特性，同时具有时频局部化特性，可以精确地提取信号 的变化特征。文献1 运用二次中心b 样条小波作为分析小波，对采样信号进行二次小 波分解后，将一个周期内第二尺度上的小波系数波形的后半波前移1 8 0 。，就可以看出， 在内部故障时波形比较平滑，对大多数采样数据总有当前时刻与半周前对应时刻的小波 系数符号相反，大小大致相等，而励磁涌流的小波系数绝大部分时刻不满足这一点。通 过对e m t p 仿真数据和重点实验室实测数据的分析，利用该分析结果构成的励磁涌流判 据在理论上可以得到论证。文献 1 4 1 构造了正交小波变换基础上的小波包波形识别算法。 作者进行动模实验后发现正交小波分析的涌流和故障电流得不到明显的区分特征，涌流 的奇异度稍大，但不足以与故障分开，然而在经过小波包变换之后，励磁涌流表现出明 显的奇异性。该方法不仅能准确区分励磁涌流和各种典型内部故障电流，而且还能正确 识别空载合闸于内部故障情况。小波判据具有理论上优越性，但其采样率较高，这对硬 件要求较高，若进行高尺度分解又将引起数据窗和计算量的增大。 ( 9 )基于形态滤波技术的判据1 5 1 形态滤波技术应用新颖的形态学信号分解原理，将一个复杂的时域信号分解为多个 简单信号进行分析。用形态滤波技术处理变压器输入电流信号，可以清楚的得到励磁涌 流的间断角特征，从而区别励磁涌流和故障电流。 ( 10j基于模糊多判据原理的鉴别方案m 1 模糊数学借助于隶属度的概念，综合运用多种判据的判断结果，从而具有处理模糊 现象的能力。文献取五种常用判据定义其隶属度，根据测得电压电流分别计算出各自隶 6 华北电力大学： 程硕士学位论文 属度，然后根据每种判据权重将隶属度求和，在总隶属度高于某一定值时动作出口。模 糊理论使多判据保护能做到优势互补，即使某- n 据不尽完善，也只会使使模糊量的隶 属度发生偏移，而不会导致最终结果的错误，大大提高保护的性能。 ( 11 ) 基于人工神经网络的判据 人工神经网络是对人脑神经网络的模拟，用一个节点模拟单个神经元，并相互连接 形成网状，其所有信息都体现在网络的结构和神经元连接的权值上，是人工智能较为突 出的一种，尤其适用于非线性系统。基于人工神经网络的判据用由短路电流仿真模型和 励磁涌流仿真模型得到的频域及时域数据样本训练按照系统判别实际要求而设计的频 域和时域神经网络模块。作者将训练好的神经模块接到励磁涌流和短路电流的仿真模型 中进行仿真，得到结论：如果学习样本选取适当，一般在2 0m s 左右即可做出正确的判 断。 上面的多种理论判据大部分仍然处于理论研究阶段，要达到实用化的效果，还 有待理论上的进一步突破。 1 2 3 波形对称原理涌流判据的提出 目前，对励磁涌流判据的研究主要有两个方向，第一个是根据励磁涌流和故障 电流波形的电气特征不同，构成区别二者的判据，这是最传统的，也是应用最广泛 的。比如二次谐波制动原理、间断角原理、波形拟和法以及基于高频分量原理的判 据等等，即使是模糊原理、小波理论、人工智能等也只是应用的分析手段不同，而 本质上还是利用波形的电气特征。第二个方向另辟蹊径，抛开波形的电气特征，而 是利用变压器的磁特性的不同，来区分励磁涌流和故障电流。但是在研究阶段，变 压器的磁特性都是假设，在实际上对每台变压器却无法精确测量，这点给基于此原 理的判掘带来了应用上的难题。因此，我们还是有必要针对励磁涌流的波形特征， 探索更合理的、更完善的励磁涌流判据来应用于变压器差动保护。 波形对称原理是利用励磁涌流波形的典型特征一一不对称性，来形成判据，它 不只是利用二次谐波，而是综合利用波形的偶次谐波，比二次谐波的特征更为明显。 而且它同时利用了励磁涌流波形的间断，或者从本质上说，它是间断角原理的改进， 它解决了间断角原理对硬件要求过高的问题，同时又对合闸于内部故障有着令人满 意的动作速度，因此此原理有着很大的实用化价值。 华北电力大学： 程硕士学位论文 1 3 本文的主要研究工作 本文针对现场常用的二次谐波制动原理和间断角制动原理存在的缺陷和原理 上的不完善，详细讨论了单相和三相变压器励磁涌流的形成，并对几种基于波形特 征的励磁涌流判据进行了分析和评价。提出波形对称原理，并以此为基础原理设计 出新型变压器差动保护装置，最终通过动模验证。 本文主要包括下面几个部分： 1 分析了变压器差动保护的现状，励磁涌流判据的使用现状及研究现状，阐 明波形对称原理的研究目的和意义。 2 详细分析了单相变压器和三相变压器励磁涌流的形成和波形特征，对几种 常用判据进行了分析和评价。重点分析了波形对称原理。 3 设计了基于波形对称原理的变压器差动保护样机，并详细介绍了软件算法 和流程框图以及硬件设计。 4 对所丌发的装置进行动模试验验证。 华北电力大学工程硕士学位论文 第二章变压器励磁涌流识别方法的分析和评价 本章主要分析了变压器空载合闸时候励磁涌流的产生及其特征，讨论了变压器 励磁涌流最小自j 断角。介绍了几种典型的识别励磁涌流的方法，并加以分析和评价。 着重介绍了波形对称原理。 2 1 单相变压器励磁涌流波形特征分析8 1 首先以单相变压器为例分析变压器励磁涌流的物理过程。变压器的磁化曲线如图 2 一l 所示。c ds 为饱和磁通，直线a b 为过a 点向实际磁化曲线饱和区域所作的切线。 为分析方便，不考虑非周期分量衰减，并将铁心磁化曲线简化为图2 - i 所示的两段折 线o a b 。变压器空载合闸于工频无穷大电源，并设电源电压为： u ( t ) = u ms i n ( t + a ) 式中a 为空载合闸时电源电压的初相角。 当空载单相变压器突然合闸到此电源时，忽略变压器漏抗，则有 dc d d t = u ms i n ( 0t + a ) c d ( t ) = - - u m c o s ( ( ) t + a ) + c 设变压器空载合闸时候的剩磁为c d r ，则有 c d ( o ) ：一塑c o s ( q ) + c ：c dr 缈 c ：一塑c o s ( q ) + c dr ：c d mc o s ( q ) + c dr 6 0 定义c d p = c d mc o s ( a ) + c d r ，并称之为磁通偏移量。 ( t ) ：一塑c o s ( t + q ) + 塑c o s ( q ) + c d r 6 0国 c d ( t ) = 一mc o s ( t + q ) + 中mc o s ( c 1 ) + c d r 当变压器铁心不饱和，即ic d ( t ) i c ds 时 i ( t ) 一巾。c o s ( t + 0 c ) + 巾。c o s ( 仪) + 巾，一巾。 l 2 ) 当( t ) 一c ds 时 9 由 譬 避 诵 o 通 其结论 华北电力大学工程硕士学位论文 从图可见，励磁涌流波形的间断部分与磁通曲线位于饱和磁通以下的部分是相等 的。 设磁通变化曲线为c d ( t ) = 一q b mc o s ( t + q ) + mc o s ( q ) + c dr ，为讨论方便， 令c d ( t ) = ms i n ( 0 ) + p ，其中c dp = mc o s ( q ) + r 。所以( t ) s 的 部分，就是励磁涌流间断角的0j 大小：( t ) s 的部分，就是励磁涌流波宽0w 的 大小。 ms i n ( 0 ) + p s q b ms i n ( 0 ) s 一p s i n ( 0 ) 竺! 二坠 ( p 波宽的区间为0 a r c s i n ( 里丑) ，n a r c s i n ( 里丑) q o m( p 0w ：一2 a r c s i n ( ! ! 二坠) q o 0j ：丌+ 2 a r c s i n ( 堕玉) q o “ 可见，p 越小，间断角越大。 将mc o s ( q ) + c d r 代入间断角计算公式( 2 - 1 ) ： 2 a r c s i n ( 塾二! 业坠! 二坠) q o “ ( 2 - 2 ) 当q = 0 ，r 取得最大剩磁r m a x 时，得到最小间断角。 对于现代大型变压器，饱和磁通一般为额定磁通的1 1 5 1 2 0 倍，最大剩磁为额 定磁通的o 7 倍。取s = 1 2 m ，r m a x = 0 7 m 则单相变压器的最小间断角为： 0j = 2 3n ； 若( t ) m i n 中s 时，0j ：+ 2 a r c s i n ( 盟) ( p 华北电力大学工程硕士学位论文 2 ) 当( t ) m i n k 1 1 其中1 2 为二次谐波的幅值，i l 为基波的幅值，k 为二次谐波与基波幅值比值的整 定值，其值通常取0 1 5 0 2 0 左右。 长期运行经验表明，我国电力系统中变压器励 磁涌流波形中二次谐波含量最小为1 7 2 0 ，故变压器保护中二次谐波制动比一般选 择为1 5 2 0 。同时理论研究及实践均发现变压器三相励磁涌流中二次谐波并非同时 达到此定值，故一般采用或门制动的方式，即三相中有一相二次谐波含量超过此定值就 闭锁差动保护。二次谐波制动原理的差动保护以其原理简单、实现方便而得到广泛应用， 并一直延续到微机保护中。与模拟式保护相比，微机变压器保护在原理上并无多少差别， 都是以差动保护作为主保护，用二次谐波或者其他原理来鉴别励磁涌流。不同的是， 1 6 华北电力大学工程硕士学位论文 微机保护由于其本身有强大的数值处理功能，故在制动原理实现方面较模拟式保护更加 灵活。 二次谐波制动原理的差动保护存在的主要问题有 aj ： 1 、由于大容量、超高压变压器结构上的特点以及材料和制造工艺等方面的原因， 特别是现代变压器铁芯广泛采用高导磁冷轧晶粒硅钢材料，饱和点低且剩磁较大，使得 励磁涌流中某一相或者某两相电流的二次谐波含量很小，可能造成二次谐波制动的差动 保护整定困难，在某些情况下可能造成误动；而且，二次谐波与基波幅值比值整定值k 取0 1 5 - - 0 2 0 是在变压器饱和磁通为1 4 倍额定磁通的情况下整定的，但现代变压 器的饱和磁通倍数经常在1 2 到1 3 甚至低至1 1 5 ，在此情况下涌流的最 f - - 次谐 波含量可能低至1 0 以下。2 、对于大型变压器，特别是5 0 0 k v 及其以上的大型变压 器，由于电压等级高，且常在端部有较长的输电线，输电长线的分布电容效应十分明显， 因此，当大容量变压器出现内部严重故障时，由于电感和电容的效应使短路电流中的谐 波含量明显增加，有可能引起二次谐波或某些其他原理制动的差动保护延时动作； 2 、对于5 0 0 k v 及其以上电压等级系统，为了提高系统稳定性常采用无功就地补 偿措施，往往在变压器低压侧装有1 4 至i 3 倍额定容量的电力电容器组，在低压侧 出口差动保护范围内故障时，电容的反馈电流将流向故障点，该反馈电流作为差流的一 部分对差动保护有影响，可能使二次谐波制动的差动保护延时动作。 2 3 2 间断角原理2 1 1 9 1 l a 断角原理是我国继电保护工作者率先提出的，在集成电路中已经得到了应用。间 断角原理是基于励磁涌流波形有较大的间断角这一特征来区分励磁涌流和故障的。一般 采用的判据是：间断角6 5 。，波宽为1 4 0 。即当差流的间断角大于6 5 。时判为励磁 涌流；l a 断角小于6 5 。且波宽大于1 4 0 。时则判别为非励磁涌流，并短时开放比率差 动继电器。该判据的引入基于以下几点考虑： 1 、对称涌流情况下，如果电流互感器发生严重饱和，则间断角中的反向电流可能 使得差动保护中的间断角减少很多，但此时差动电流有一个波宽较小的半波。 2 、对称涌流的情况下，差动电流中的间断角也较小，但此时差动电流也有一个小 波宽的半波。 以上两种情况都不会引起比率差动元件的误开放。 1 7 华北电力大学工程硕士学位论文 3 、变压器内部故障时，差动电流中的波宽角肯定大于1 4 0 。 与二次谐波制动原理相比，间断角原理有如下优点： 1 、用了励磁涌流明显的波形特征，空载合闸时能清楚的区分励磁涌流和内部故障； 2 、一般采用分相涌流判别方法，在变压器内部故障时能迅速跳闸： 3 、具备一定的抗过磁能力； 但是，用微机实现间断角原理有两个难点：一个是测量间断角的问题，另一个就 是电流互感器传变引起间断角波形畸变的问题。若间断角与波宽采取上述的门槛值，且 取7 5 度为可能的最小涌流间断角，就要求采样率为每周波7 2 ( 即 ! 鱼q = 7 2 ) ( 7 5 6 5 ) 2 点以上。如此高的采样率，对微机保护的硬件要求是相当高的。涌流间断处的电流绝对 值较小且比较接近0 ，而a d 转换芯片正好在零点附近转化误差较大，因此需要高分 辨率的a d 转换芯片，否则就可能引起判据的失效。 由此可见，间断角原理的硬件实 现成本较高，需要在实用化过程中作进一步经济技术分析并经受现场考验。也正是因为 如此，目前使用间断角原理的变压器微机保护并不多见。此外，当电流互感器严重饱和 时，间断角中将产生反向电流，饱和越严重，反向电流越大，使得间断角消失。小电流 情况下，电流中的谐波含量和频率的变化对间断角的测量影响较大，因此在系统振荡 的情况下有可能误动。 2 3 3 基于采样值差动的励磁涌流鉴别方法2 0 1 采样值差动保护的依据是k c l 定律，即对于微机差动保护，在被保护设备无内部 故障时，不仅有差流矢量和为零，同时也有差流瞬时值为零。对于变压器采样值差动 保护，可按以下公式构成动作判据：( 设绕组数n = 2 ) id i 洲 i 。k i ， ( 2 - 6 ) 式中：i d 为差流瞬时值的绝对值， i dii l i 2 ；i ，为制动电流瞬时值，i t = i 1 + i 2 。要求i d 、i t 同时满足式( 2 6 ) 。 采样值差动鉴别励磁涌流的基本思路为：由励磁涌流和内部故障电流波形比较可 知，对于励磁涌流而言，在一个周期内，三相差流( 即流入继电器的电流) 波形中有 两相由于变压器饱和特性的影响使得波形总是有几个点靠近x 轴，即电流在数值上趋 l r 华北电力大学工程硕士学位论文 向于零，这几个采样点，其电流数值不满足采样值差动的条件，这个规律，实质上是 和产生涌流时波形会出现间断角的规律相一致。剩下的一相由于变压器绕组接线方式 的影响往往呈现出周期性电流的特征，考虑最严重的情况即为产生对称性涌流，此时 该相差流的直流分量为零，完全为周期性电流。但一个周期内仍然存在一定的间断角， 受这个因素的影n 向，在一个周期内，该相电流满足采样值差动条件的点数与标准正弦基 波相比较要少，而变压器发生内部故障时，差流波形基本上为正弦基波，故一般只在过 零点前后爿不满足采样值差动动作条件。利用这个规律，可以用微机保护差流启动后r 个采样点作为所需要的判别数据窗( r 值对应的角度一般要求小于2 ) ，寻找一个定 值s ，分相判别，当三相差流中有一相或多相的r 大于等于s 时，就可以认为发生了 内部故障，从而输出动作信号，否则认为是励磁涌流而不动作。采样值差动不同于矢 量差动，它不但考虑波形幅值的大小，更重要的是它需要考察波形的集散度，即使波形 的幅值很大，若不具备较好的分布均匀性，同样无法满足采样值差动动作判据。正因为 如此，采样值差动可有效地鉴别励磁涌流和制动外部故障t a 饱和的差流，同时还具备 抗过激磁的功能。 2 3 4 虚拟三次谐波式涌流制动原理2 1 1 2 2 1 文献 2 1 2 2 在研究正弦基波与奇次谐波叠加时的特征以及基波与偶次谐波叠加 时的特征的基础上，提出了一种虚拟三次谐波式涌流制动原理。虚拟三次谐波制动方 案是利用涌流中信息量最为丰富的以尖脉冲为中心的半周波形作为前半周信息，利用 “平移”和“变号”原则虚拟构成后半周信息， 前后合起来构成一个完整的周波信息， 这一合成信号符合奇对称原则，其原理示意图如图2 7 所示。 o 图2 7 虚拟三次谐波原理波形示意图 华北电力大学工程硕士学位论文 图2 7 中的时间轴下面部分是对涌流波形进行“虚拟”所得的波形。可以看 出，由于波形前后半波沿轴线对称且为尖顶波，故其三次谐波含量较大；而变压器 内部短路电流基本上是正弦波，“虚拟”后的波形中三次谐波含量较小，故可由此 将两者区分丌来。研究表明，不仅在单侧尖脉冲性涌流时含有丰富的三次谐波分 量，而且在对称性涌流时，也含有比较多的三次谐波分量。这种方案的原理仅用 工频半周期信息，可使算法要求的信号窗口缩短，从而加快了保护的动作速度， 保护可在故障后半个周波加一个采样点的时间，约1 0 - - l2 m s 即可发出跳闸脉冲， 加上出口继电器动作时间，约2 0 m s 即可跳闸。该方案微机实现时，算法简单， 实际上相当于用半周傅氏算法计算基波及三次谐波即可。该原理在实用化过程中， 尚需要注意如下几点： l 、流分量的影响。虚拟三次谐波制动原理是基于无直流分量的模型提出的，而实 际故障电流和涌流中往往含有衰减直流分量，为了克服这一不利影响，在实用中 宜先采取一定的措施滤除直流分量。 2 、数据窗的影响。对涌流信号，用半工频周期的数据窗截取后进行拟合时，所得 的基波及三次谐波的比值将与这个数据窗在信号上的前后位置有关，需要慎重考 虑。 3 、该原理只适用于故障开始后的半周以内，至多顺延1 2 个采样点，其后，需 要将保护功能转交其他方案的差动保护( 如采样值差动保护) 。 该方法用半工频周期的数据窗截取后进行拟合时，所得的基波及三次谐波的 比值将与这个数据窗在信号上的前后位置有关，选择方法不同，得到的虚拟三次谐 波含量就不同，这给定值整定带来困难。 2 3 5 波形对称原理 波形对称原理是利用励磁涌流的波形特征来实现制动的一种方法，它的基本思路 为：首先将流入继电器的差流进行微分，将微分后的差流的前半波与后半波作对称比 较，用特征值k ( 对称系数) 来区分故障电流和励磁涌流。设流入差动继电器的差动 电流为i ( t ) ，其导数为i7 ( t ) ，将i7 ( t ) 的前半波与后半波的对应值作对称比较，构 成如下波形对称原理判据： k 型些! ! 丝 i ( t ) 一i7 ( t + t 2 ) 2 0 ( 2 - 7 ) 华北电力大学工程硕士学位论文 若故障电流为理想正弦波，则i7 ( t ) 与i ( t + t 2 ) 总是大小相等符号相反，故 i7 ( t ) + i7 ( t + t 2 ) 总为零值，式( 2 - 7 ) 总成立，即差分电流波形i ( t ) 对称。 实际上，故障电流并非是理想的正弦波形，文献 11 认为，在总共半个周波的判断中， 励磁涌流符合对称条件的角度最多为6 0 。，而故障电流在1 5 0 。范围内都是对称的。 显然，按使判据式( 2 7 ) 成立的工频角度范围的大小，即可识别励磁涌流和故障电流。 为便于理解，从频域的角度分析该判据可知，该判据实际上由两个滤波器构成： ( 1 ) 加法滤波器d i = i7 ( t ) + i7 ( t + t 2 ) 其幅频特性为， h 2 ( 吉) = 4s i n ( 吾吉) c 。s ( 三吉) i ，其中n 为每 工频周期采样点数。 图2 8 是当n = 2 0 时的幅频特性曲线，可见加法滤波器滤除了基波和奇次谐波分 量。 ( 2 ) 减法滤波器d 2 = i7 ( t ) 一i7 ( t + t 2 ) 其幅频特性h 2 ( 吉) = 4s i n ( 吾吉) s i n ( 三吉) i ，图2 9 是当n = 2 0 时 的幅频特性曲线，可见减法滤波器的作用是滤除偶次谐波分量。 图2 8 加法滤波器幅频特性 图2 9 减法滤波器幅频特性 显然，波形对称判据的构成实质上是用偶次谐波的瞬时值与奇次谐波( 包括基波 分量) 的瞬时值相比。按判据的动作条件，输入电流中的偶次谐波为制动量， 相应基 波及奇次谐波为动作量。与二次谐波制动原理相比，波形对称判据充分利用了二次谐波 以上的偶次谐波分量，从而提高了躲励磁涌流的能力。 文献“3 1 的研究表明，无论是对称涌流还是单向涌流，其导数相对于工频量来说其 2 l 华北电力大学工程硕士学位论文 前半波和后半波在9 0 。内是完全不对称的，在另9 0 。内方向对称，数值也不对称。而 故障电流的导数前半波和后半波基本对称。利用这个特点，设定恰当的采样频率和计算 门槛，用差电流导数的前半波和后半波做对称比较，就可以区分励磁涌流和故障电流。 对于三相电力变压器，用波形对称原理计算，任何条件下的任何一相的励磁涌流， 都有明显的特征，所以利用分相制动方式，当变压器合闸时发生故障，保护不受健全相 的影响，能够快速出口。 波形对称原理跟二次谐波制动原理和间断角原理比较，其实它们本质上是一样的， 都是利用励磁涌流的波形特征来区分涌流和故障电流。但是由于选的特征不同，实现的 手段不同，继电器的动作行为也有所不同。基于波形对称原理的差动保护有以下特点： 1 由于利用分相制动方式，所以，变压器空载合闸至内部故障或外部故障切除转 化为内部故障，保护都能不受健全相的影响，瞬时动作。 2 文献3 1 表明，本原理对变压器剩磁的适应能力强，当变压器有o 9 倍的最大磁 通剩磁时，不需要附) j n 半- j j 据，装置完全可以正确动作。 3 既利用了励磁涌流间断角的波形特点，又解决了间断角原理对硬件要求高、成 本高的缺点。 4 计算的冗余度大，波形对称原理计算，特征非常明显，无论是数据还是角度， 其冗余量都很大，允许有一定的数据偏差。 华北电力火学工程硕士学位论文 第三章新型微机变压器保护硬件设计 根据变压器差动保护的原理和性能可知其具有如下特点： 1 采样通道多：最少6 个电流通道。 2 ，计算量大：不仅每次采样均需要对各个通道的采样值进行预处理，同时需要计算 各个通道的基波值，差动电流值，制动电流值，谐波值以及一周波前的各个通道的基波 值。 3 实时很强：在1 2 倍的整定值下含继电器出e l 时间要求小于2 0 2 5 m s 。 4 可靠性高：要能正确区分各类故障一区内外相问、接地、匝间，振荡，振荡中的 区内外故障，空投以及空投区内外故障。 5 测量范围宽：0 5 1 0 0 a 。 6 测量精度高：在测量范围内动作误差不大于2 。 鉴于以上的特点要求，同时也考虑到硬件的通用性，因此本样机采用如下设计方案： 1 双c p u 结构，人机、通信、录波、启动和保护计算、逻辑由两块c p u 分工协作完 成，并通过双口r a m 实现内部数据的高速交换，使两个c p u 可以同步运算，大大提高保 护功能可靠性。高性能的3 2 位c p u ，高精度、高稳定性、高速a d 转换芯片，2 4 点采样 及频率跟踪技术，有源低通滤波，提高保护计算速度和精度。 2 模块化插拔式结构，电路设计通用性强，互换性好。可维护性好，技术升级方便。 3 采用多级隔离和良好的屏蔽措施，从而整机具有优异的电磁兼容性能。提高了现 场运行的可靠性，不需任何外部抗干扰措施，从而简化了设计和运行维护。 装置硬件原理示意图如下 、 华北电力大学工程硕士学位论文 3 1 交流变换模块 交流变换的主要作用有两个： 1 将取自电压互感器和电流互感器的电气量转换为与模数转换模块相适应的幅值。 送入保护的电气量通常是标准的l00 ( 5 7 7 4 ) v 和5 ( 1 ) a 信号，而a d 转换模块的 转换幅值介于5y ( 或1 2 v ) 之间，因此须设置一个前置变换环节。 2 通过变换器将微机保护电路与系统二次电气回路进行隔离，防止系统干扰涌入保 护装置。 该保护输入变压器两侧的电流量六相电流。 华北电力大学工程硕士学位论文 3 2 模数转换模块 模数转换模块完成将电气模拟量转换为保护cpu 能够识别的数字信号量的工作。 通常模数转换模块都有以下几个环节组成： ( 一) 低通滤波环节 根据奈奎斯特采样定律：采样频率必须大于测量信号最高频率的两倍才能将测量信 号无失真的还原，因此就必须在a d 转换期将输入信号中的高次谐波进行滤除。 低通滤波器分为两类：无源滤波器和有源滤波器。无源滤波器适用于仅利用基波量 的保护，如距离保护。而变压器保护工作状况复杂，需要利用输入信号中的高次谐波来 完成保护的逻辑判断，只能使用有源滤波器作为其低通滤波环节。高阶有源滤波器有较 好的带通特性，但结构复杂。变压器微机保护通常使用如下所示的一阶低通滤波器： r1 该滤波器传递函数为： 耶) 2 i再jrir2c王1c2ss 啄 二，式中+ 砉。+ ( + + l + 、r i c lr 2 c lr 2 c 2 7 r l r 2 c i c 2 所以该滤波器幅值放大倍数h 。= k ，f o = ( 二) 模数转换环节 模数转换环节包含三个部分：采样保持、多路转换和a d 转换。 采样保持保证模拟量在采样过程中保持稳定，避免转换误差的产生。对同侧电压量 电流量同时进行采样保持，保证了保护功率计算的准确性；而对不同侧电气量同时采样 避免了采样误差对差动保护的影响。由于a d 转换器件价格昂贵，所以微机保护通常都 是多路采集通道共用一个a d 转换器件，在进行模数转换之前使用多路转换开关将采样 通道与a d 转换器件接通。a d 转换采用逐次逼近型a d 转换器件，采样位数为1 4 位。 随着数据采集系统对采样率要求的提高和芯片制造技术的提高，一些芯片制造厂家 ，f输入i 华北电力大学工程硕士学位论文 将整个模数转换缓解集成在一个一个芯片中，由芯片自动依次完成对多路模拟信号的采 样、多路转换和a d 转换，而无需c p u 干预。典型的数据采集系统芯片有m a x i m 公司的 m a x l 2 5 1 2 6 和a d 公司的a d 7 8 7 4 。本样机选用了两片m a x i m 公司的m a x l 2 5 作为数据采 集芯片，由于m a x 2 4 5 自带4 路的采样保持电路，因此可以保证采样精度同时又能使所