（电气工程专业论文）变压器差动保护在实际运用中几个问题的研究.pdf

四门1 人学_ f = 程硕l 论文 短路故障或外部短路的暂态过程中，各侧差动保护电流互感器饱和程度不同； 或者即使不饱和，而由于励磁特性相差较大而产生较大的不平衡电流。在实际 工程中，工作在不同电压下的变压器各侧电流互感器，其暂态特性( 包括容量 一次电流倍数二次负载二次时间常数和剩磁系数等) 一般都很难做到一致，从 而在外部短路情况下变压器差动回路中流过不平衡电流。5 0 0 k v 变压器差动保 护是在短路的暂态过程中动作，要求电流互感器能够适应各种的暂态工作条件。 铁芯带间隙的电流互感器具有良好的暂态工作特性，如果变压器各侧均采用铁 芯带间隙的电流互感器，对差动保护是最为有利的。但是由于铁芯带间隙的电 流互感器造价高。是否5 0 0 k v 变压器差动保护各侧的保护用电流互感器一定要 用铁芯带间隙的电流互感器问题，针对这一问题文章中提出了一种变压器差动 保护电流互感器选择的原则。 关键词差动保护、制动原理、谐波电流、励磁涌流、微机保护、旁路 母线、保护死区、暂态特性、非周期电流分量 t h es e v e rp r o b l e m so fr e s e a r c ha b o u tt 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 ni np r a c t i c a l a p p l i c a t i o n e l e c t r i c e n g n e e r i n g g r a d u a t es t u d e n t ：l u od a a d v i s e r ：l uf e ip e n gl i h o n g w u a b s t r a c t i o n ：w i t hah u n d r e dd e v e l o p m e n to ft h ep o w er s ys t e m ， i t s v e r y p o p u l a r f or l o n g d is t a n c etr a n s m i ss i o nw i t h s u p e r 。v o l t a g e a n dl a r g ec a p a c i t y ，t h e nt h el a r g et r a n s f o r m e ri s v e r yi m p o r t a n ti nt h ep o w e rs y s t e m t h i sp a p e rd i s c u ss e dt h e f o l l o w i n gt h r e ep r o b l e m sf r o mt h ep r a c t i c e ：w h e nb y p a ssb us b r e a k e ri n s t e a do f2 2 0 k vt r a n s f o r mb r e a k e r ，i tisp r o p os e dt h e m e t h o d so fs o l v et h ep r o b l e mo ft h ed e a da r e a ；t h es e l e c t i o n t h e t y p e o fc tw h i c hisu s e da st r a n s f o r m e rd i f f e r e n t i a l p r o t e c t i o n i nt h e5 0 0 k vt r a n s f o r m 。 ( 1 ) t h i sp a p e rf i rs ta n a l y z e dt h ec h a r a c t e ro ft h ew a v eo f i nr u s hw h i c hw asp r o d u c e db yt h et r a n s f o r m erp u ti nn o l o a da n d v o l t a g er e s u m e db y t h ee x c i s i n gt h e e x t r a c o n t i n g e n c y ，t h e n p o i n t e do u tt h ed e f i c i e n c i e so fs e v e r a lr e s t r a i n tp r i n c i p l esw h i c h w a su s e di nt h et r a ns f o r m e r sd i f f e r e n t i a l p r o t e c t i o n i nt h e p r a c t i c e a c c o r d i n gt o t h er e q u ir e m e n to f “a g a i n s ta c c i d e n t m o t h e d ”m a d eb yt h en a t i o n a lg r i dc o m p a n y ，t h i sp a p e rp r o p o s e d ap r o j e c to fc o n f i g u r e do fd i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o nw h i c hw a su s e d ap r i n c i p l eo fas e c o n d a r yh a r m o n i c sr e s t r a i n ta n daw a v e f o r m s y m m e t r yp r i n c i p l e ，a n dm a d eb o t ho ft h e mc o m p l e m e n t e di nt h e p r a c t i c e ( 2 ) t h i sp a p erp r o p o s e dap r o b l e mo fs o l v i n gt h ed e a da r e a f r o mt h ep r a c t i c ew h e nb y p as sb usb r e a k eri ns t e a do f2 2 0 k v tr a n s f or mb r e a k er i tp o i n t e do u tt h i sp r o t e c t i o nd e a da r e aw as v e r yd a n g e r f o rt h e p r a c t i c ew o r k ，s o i ts h o u l db ea t t a c h i m p o r t a n c et oi t t h r o u g ht h ea n a l y z e dt h ispr o b l e mf r o mt h e t h e o r y a n dt a k ei n t oa c c o u n tt h e p r a c t i c e ，t h i sp a p e rp r o p o s e d a m e t h o do fs o l v i n gt h ep r o t e c t i o nd e a da r e a ( 3 ) a b o u tt h eh es e l e c t i o nt h et y p eo fc tw h i c hi su s e da s t r a n s f or m erd i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o ni nt h e5 0 0 k v ，w h e nc th a v e d i f f e r e n tt y p eo r i a r g ed i f f e r e n c ec a p a c i t yi r o n c o r e d ，t h e y w i l l h a v ed i f f e r e n ts a t u r a t i o nd e g r e esi nt h ec o ur s eo fs h o r tc i r c u i t c o n t i n g e n c y o r t r a n s i t o r y s t a t ew i t he x t r a c o n t i n g e n c y ；e v e n u n s a t u r a t i o nb e c a u s eo f g r e a td i f f e r e n c e e x c i t a t i o nc h a r a c t e r t h e r ew i l lp r o d u c tal a r g eu n b a l a n c ec u r r e n t i nt h ep r a c t i c a lw o r k ， c ti n s t a l l m e n ti nt h et r a n s f o r mw or ku n d e rt h ed i f f e r e n t v o l t a g e s ，t h e r et r a ns i e n tc h a r a c t e ra l w a y sn o ts a m ea se a c ho t h e r ， s oi nt h ec o n d i t i o no ft h e e x t r a c o n t i n g e n c y t h er ew i l lh a y e u n b a l a n c ec u r r e n ti nt h ed i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o nl o o po ft r a n s f o r m 5 0 0 k vt r a n s f o r md i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o ni sa c ti nt h ec o ur s eo f t r a n s i e n to fs h o r tc i r c u i t ，s oi tr e q u i r e sc tc a nw o r ki na l l k i n do ft r a n s i e n tw o r kc o n d i t i o n c tw i t hi r o n c o r e dh a v eg o o d t r a n s i e n tw o r kc h a r a c t e r ，i ft r a n s f o r mu s ei r o n c o r e dc t ，i ti s v er yb e n e f i tt od i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o n ，b u ti r o n c o r e dc ti sv e r y e x p e n s i v e t h i sp a p e r p r o p o s e d a s e l e c t i o n p r i n c i p l e o f i r o n c o r e dc ta sat r a n s f o r md i f f er e n t i a lp r o t e c t i o nu s e di n 5 0 0 k vt r a n s f o r m k e yw o r d s ：t h e t r a n s f o r m e r s d i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o n ：i n r us h u n b a l a n c ec u r r e n t ；b y - p a s sb u s ：d e a da r e a ；e x t r a c o n t i n g e n c y 四川人学工程硕f 论史 第一章引言 1 1 变压器继电保护的概述 电力系统的不断发展和安全稳定运行给国民经济和社会发展带来了巨大 的动力和效益。但是，国内外经验表明。大型电力系统一旦发生自然或人为故 障，不能及时有效控制而失去稳定运行、电网瓦解，将酿成大面积停电，给社 会带来灾难性的后果。因此，自从出现电力系统以来，如何保证其安全稳定运 行，就成为一个永恒的主题。所有电力工作者都在千方百计采取各种措施，力 求避免电网的稳定遭到破坏和瓦解，防止大面积停电的事故。其中，电力系统 继电保护就是保障电力设备安全、防止及限制电力系统长时间停电的最基本， 最重要，最有效的技术手段。 现在由过去的继电器单元件保护已经逐渐发展到微机保护，这是电力科 技发展的一个不可回避的历史必然。6 0 年代以来静态继电保护逐步替代了机电 型、电磁型保护，特别是近几年来，微机型高压线路保护在我国取得了成功的 运行经验，微机型变压器保护虽然比高压线路保护起步较晚，但也得到了迅猛 地发展，其可靠性、安全性得到进一步考验。随着超高压远距离输电系统在我 国越来越多地建成和一大批5 0 0 k v 以上的变电站投入运行，大容量变压器的应 用日益增多，更为凸显变压器保护中主保护( 差动保护) 的重要性。变压器在 电力系统中使用得非常普遍，占有很重要的地位。电力变压器的故障可分为内 部故障和外部故障两种。内部故障主要是：相间短路、绕组的匝间短路和单相 接地短路。发生内部故障十分危险，因为短路电流产生的电弧不仅会破坏绕组 的绝缘，烧毁铁芯，而且由于绝缘材料和变压器油受热分解而产生大量气体， 还可能引起变压器油箱的爆炸。电力变压器最常见的外部故障，是引出线上绝 缘套管的故障，这种故障可能导致引出线的区内相间短路和接地短路。 变压器的不正常工作情况主要是：由于外部短路和过负荷引起的电流， 油面的极度降低和电压升高等。 根据上述故障情况，变压器一般应装设下列继电保护： 1 防御变压器油箱内部故障和油面降低的瓦斯保护； 2 防御变压器绕组引出线的多相短路故障、中性点直接接地电网侧绕组 和引出线的接地短路故障以及绕组匝间短路故障的差动保护或电流 速断保护； 网”l 学t 程硕 ：论文 3 防御外部相间短路并作瓦斯保护和差动保护后备的复合电压起动的 过流保护或负序电流保护； 4 防御中性点直接接地电网中外部接地短路的零序电流保护； 5 防御对称过负荷的过负荷保护等。 1 2 变压器差动保护的现状介绍 据相关统计显示，在“九五”期间，2 2 0 k v 及以上继电保护正确动作率 平均达9 7 2 1 ，2 0 0 0 年已超过9 8 5 ，但是2 2 0 k v 及以上变压器差动保护正确 动作率平均只有6 9 7 2 “”，这严重威胁到了系统安全。因此，提高变压器保护 工作的可靠性，对保证电力系统的安全运行具有十分重要的意义。用于2 2 0 k v 一5 0 0 k v 变电站的电力变压器，属于大型变压器，是电力系统的重要电气设备。 电力变压器故障对电力系统的安全运行和用户的影响都很大。因此，必须对大 型电力变压器配备功能完善的差动保护装置，在出现危及电力变压器安全的不 正常运行状态时，能够及早的发出信号并迅速切除变压器，防止故障的发生和 扩大；当发生故障时，能够尽快的切除变压器，使故障造成的损失减小到最小， 从而使故障后的变压器更容易得以修复。 在变压器的主保护中差动保护占有及其重要的地位，变压器每相原副边 电流差( 正常运行时的励磁电流) 作为变压器差动保护不平衡电流的一种来源 当不平衡电流太大时将势必引起差动保护误动作；特别在空载合闸投入运行时， 或变压器外部短路故障被切除而变压器端电压突然恢复时，暂态励磁涌流的大 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 一个相当复杂的技术问题。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的轻微内部短路 ( 即较高的灵敏性) ，可见变压器差动保护的运用状况是较其它各类型的保护复 杂的多。 1 3 本文所作的工作 本人从事变电站调试工作这些年中，发现在近几年中2 2 0 k v 及以上变电 站系统中微机保护设备中，变化最快的是主变压器微机保护装置，各个厂家不 断推出各种原理不同的主变压器微机保护装置。但是在生产运行中，由于实际 的情况各有不同，现场的环境较为恶劣和实际运行情况较为复杂，微机变压器 保护现在一般考虑到了大多数情况，然而作为微机型变压器保护，在目前各类 6 网川人学工程硕l 论文 保护中动作正确率是最低的。所以在某些特殊的情况下，仍需我们设计人员和 调试人员在设计和现场调试过程中，根据实际变电站运行的方式，从各个方面 加以完善或做一些特殊的技术处理。以下几个情况是我在实际的变电站调试工 作中遇到的问题，这几个问题虽然有一定的特殊性，也是具有相当的普遍性。 因为这些问题来源于实际的调试工作中，所以解决这些问题具有非常具有重要 的实际意义，同时也是很有必要的。根据我在实际变电站调试工作过程中的经 验及对以上这些问题的思考，本文从理论上展开分析和讨论，并针对性的提出 具体的方案加以解决( 这些方案均在实际的工作中得以较好的应用，且运行情 况良好) 。 这几个问题主要如下所述： 1 几种差动保护制动原理的分析及制动方式的最佳配置方案 2 在旁路断路器代2 2 0 k v 主变断路器时，存在保护死区的解决方法 3 5 0 0 k v 主变压器差动保护用电流互感器的选型 网川人学丁程颂j 论文 第二章几种差动制动原理及制动方式的最佳配置方案 在电力变压器空载投入电源或外部故障切除后电压恢复的过程中，会出 现励磁涌流( 事实上，当变压器发生近区区外短路后，在该故障被切除后系 统电压恢复的过程中，电压由一个很低的值恢复到正常水平，也就相当于进行 了一次有载合闸。相对于变压器空载合闸，变压器有载合闸的暂态过程更为复 杂) 。特别是在电压为零时，变压器铁芯中的磁通急剧增大。使铁芯瞬间饱和， 这时出现数值很大的冲击励磁电流( 一般可达5 一一1 0 倍的额定电流值) 通常 我们称之为励磁涌流。仅在电源的一侧存在励磁电流，励磁电流中含有大量的 非周期分量与高次谐波成分，并且在这些高次谐波之中二次谐波分量所占的比 例最大，励磁涌流在初期瞬间可能完全偏于时间轴的一侧。在初期的几个周期 内，励磁涌流的波形是间断的。对于三相电力变压器，无论任何瞬间合闸，至 少有一相会出现不同程度的励磁涌流。而且变压器容量越大衰减越慢完全衰 减要经过几十秒钟的时间。当前变压器差动保护的关键问题和困难所在仍然是 如何准确地对变压器励磁涌流的进行判别，将其与故障电流相区分，防止差动 保护误动作。 下面是一台变压器在投运时，故障录波记录下的励磁涌流情况： ：f - lt 3 ，o 图2 l变压器投运时的励磁涌流录波波形 网川大学丁程硕j 论文 其中影响励磁涌流的持续时间和幅值的因素有： a 、 变压器组的容量； b 、 电力系统的大小； c 、 从电源到变压器这一段的系统电阻； d 、 变压器所用铁芯型式及其饱和密度： e 、 变压器过去的运行记录或剩磁水平： f 、 变压器的充电方式； 励磁涌流有以下特点： ( 1 ) 含有很大的直流分量； ( 2 ) 含有很大的二次谐波和高次谐波； ( 3 ) 偏向时间轴的一侧，波形严重畸变，出现间断角。 励磁涌流主要有三种形式： ( 1 )起始涌流； ( 2 ) 再生涌流； ( 3 ) 和应涌流( 谐振涌流) 。 在变压器差的动保护中，目前被国内外所广泛采用的几种差动保护的制 动原理主要有：1 、提取励磁涌流中的全部谐波电流原理制动；2 、提取励磁涌 流中二次谐波原理制动；3 、运用励磁涌流中的间断角原理制动；4 、波形对称 原理制动等。 1 取励磁涌流中的谐波电流原理制动 对励磁涌流进行谐波分析的结果表明，在励磁涌流中，除了含有基波和 非周期分量电流外，还含有多种频率的谐波分量。将全部谐波分量电流滤出， 经过整流后作为变压器差动保护的比率制动部分。下如图2 2 为l c d 一4 型 差动继电器采用的谐波电流检测回路。图中l 2 、c 3 、c 4 、c 5 ，构成m 型高通 滤波器。它可将励磁涌流中的2 次以上的所有谐波全部滤出，作为制动量输入 到变压器差动继电器的制动回路，作为差动保护的制动量。以防止在电力变压 器空载投入电源或外部故障切除后电压恢复过程中出现励磁涌流，造成差动保 护发生误动作。 9 四川大学1 ：程顾 二论文 z 差 压 输 入 m z 一 l 、 6 5l 至制动回路 图2 2l c d 一4 型差动继电器的谐波电流检测回路 谐波电流制动的缺点是：这种方式无选择地提取电流中的全部谐波电流 作为制动量，当变压器发生内部短路故障，且故障电流中含有较大的谐波分量 时，非常容易使变压器的差动保护制动，导致差动保护延迟动作，使得故障范 围扩大。 2 二次谐波电流作为制动量 2 1 二次谐波作为制动量的原理 三相变压器在空载投入运行时或外部故障切除电压恢复时，会出现较大 的励磁涌流。通过对励磁涌流进行谐波分析的结果表明，在励磁涌流中所含的 各次谐波中，以二次谐波电流为最大，在励磁涌流中至少有一相的励磁涌流的 二次谐波会超过2 0 嗍。所以取二次谐波电流作为制动量，能够获得较为理想 的制动效果。 在主变压器微机保护中利用三相差动电流中的二次谐波作为励磁涌流闭 锁的条件，其制动动作方程如下【2 3 】： i d 2 k b i d ( 2 - 一1 ) 式中i d 2 为a 、b 、c 三相差动电流中的二次谐波k b 为二次谐波制动 系数( 为防止变压器空投时差动保护发生误动，在整定时希望二次谐波制动系数 尽可能小而为保证变压器差动保护内部故障时可靠动作，又希望二次谐波制 动系数尽可能大，故而k d 的取值是否合理，对变压器差动保护起着重要作用， 这里不作讨论) ，i d 为相对应的三相差动电流。 这种二次谐波制动方式，只要有任何一相二次谐波电流满足所述条件， 则闭锁三相差动保护，即三相差动继电器的二次谐波检测回路的输出接成“或” 1 0 如 一 一 一 1 i一 一 _ 泣 l 四川人学工程硕l 论文 门形式，只要有- - f f 二次谐波电流大于整定值，就能够同时使各相差动继电器 制动，以免造成保护误动作。 下面是二次谐波制动原理的差动保护动作流程图： + e 图2 3 二次谐波制动原理的差动保护动作流程图 其中；s d a 、s d b 、s d c 分别为a 、b 、c 相差动速断动作元件 b i c d a 、b l c d b 、b l c d c 分别为三相比率差动动作元件 x b z d a 、x b z d b 、x b z d c 分别为三相二次谐波制动动作元件 l - q d x 为c t 断线报警 s w l s w 4 控制1 t 了跳闸出口继电器 2 2 二次谐波作为制动量的不足之处 目前国内外投运的微机变压器保护，以二次谐波电流作为制动量基本上 都采用( 1 一1 ) 作为其制动方程式来实现的，二次谐波制动比例常取1 5 一一 网川大学丁程硕【论文 1 7 ，但随着电网电压等级的提高和容量规模的扩大、变压器单机容量的增大 和制造技术的不断提高，利用励磁涌流中的二次谐波电流作为制动原理将面临 以下几个问题： ( 1 ) 对大型电力变压器，特别是5 0 0 k v 的大型变压器，由于其电压等级高 而且常在端部接较长的输电线路，输电线路的分部电容效应十分明显。 分析表明在大型变压器内部严重故障时，由于电感与电容的谐振使短路 电流中的谐波含量明显增加很大，有可能引起二次谐波制动的差动保护 延迟动作。 ( 2 ) 当三相电力变压器中在空载投入时，三相电力变压器由于剩磁的离散 性，三相合闸的时间不同以及y a 变换的原因使得变压器产生励磁涌流， 这时有可能会出现某相的励磁涌流中二次谐波电流小于1 5 ，甚至于 接近于零，而另两项或一相超过2 0 的情况。这就有可能导致在三相电 力在变压器空载投入时，二次谐波电流小的一相差动保护发生误动作。 为了防止这种误动作。各变压器微机保护设备中一般都采用所谓“三相 制动”接线，即三相差动的二次谐波检测回路的输出接成“或”门形式， 只要有一相二次谐波电流大于定值，就使各相差动制动【l 酣。然而，这样 一来虽解决了涌流时误动问题，但这又出现了另一方面的问题，即当变 压器投入有涌流时，发生单相或两项内部故障，差动保护会因健全相的 涌流制动而不动作。大型变压器时间常数都很长，一般涌流振荡过程超 过5 秒，在发生上述故障时，主保护可能等到振荡消失才能出口，因此 差动保护可能拒动。 ( 3 ) 二次谐波电流作为制动量的差动保护，当主变压器合闸或切除外部故障 电压恢复时，发生变压器内部单相故障或两相匝间故障会拒动。这种现 象不但在理论上分析上有存在的这种可能性，而且在动模实验中也证明 了此种现象的确存在。 ( 4 ) 对5 0 0 k v 系统，为提高电力系统的稳定性常采用无功就地自然补偿的 措旌，往往在变压器低压侧装有几组总容量为( 1 件一1 ，3 ) 倍额定容量的 电力电容器组。在变压器低压侧出口差动范围内故障时，电容的反馈电 流将流向故障点，电容的反馈电流中含有幅值较大的谐波成分，该反馈 电流作为差流的一部分对差动保护有影响，可能引起谐波制动的差动保 阳川大学 ：程硕l 论文 护延迟动作。 ( 5 ) 在大电力型变压器差动保护中1 5 一一1 7 的制动比例，是按一般饱和 磁通为1 4 0 的额定磁通饱和幅值时，合闸励磁涌流的大小来考虑的，但 由于变压器制造技术的提高和制造材料的改进，现代变压器的饱和磁通 经常在1 2 0 一一1 3 0 ，有的甚至更低至1 1 5 2 引，在这种情况下励磁 涌流的最小二次谐波含量有时甚至可能低至1 0 以下，此时变压器差动 保护会误动。 ( 6 ) 在变压器的差动保护中采用二次谐波电流作为涌流制动量，这对于在发 生和应涌流时，存在着很大的不足。实验表明，和应涌流中的二次谐波 成分并不是在和应涌流最大时最大，而是随着和应涌流的衰减而增大， 所以采用二次谐波制动的差动保护，是不能防止和应涌流造成的差动保 护误动。 3 检测励磁涌流的间断角原理制动 3 1 检测励磁涌流的间断角制动的原理 励磁涌流的另一种重要特征就是励磁涌流的波形有明显的间断特征性。通 过检测差电流间断角的大小，可以区分是励磁涌流还是故障电流，当差动电流 间断角大于某一定值时( 一般闭锁角为副6 5 。【叫) ，说明差电流是励磁涌流，而 非变压器内部故障，故而闭锁差动保护。当差电流的间断角小于该闭锁角时， 说明是故障电流，差动保护动作出口。 间断角制动原理其判据如下： h k 1 4 0 。，且h j 1 4 0 ，且r t j 1 4 0 为比率差动元件的开放条件是基于以下考虑： ( 1 ) 在非对称励磁涌流情况下，如果电流互感器发生严重饱和，则间断角的 反向电流可能使差动电流中的间断角减小很多，但此时差动电流中有一 个较小的半波； g q ) jj 人学 。程颈 j 论史 ( 2 ) 在对称励磁涌流情况下，差动电流中的间断角也很小，但此时差动电流 中也有一个较小的半波； ( 3 ) 在变压器内部故障时，差动电流的波宽肯定大于1 4 0 。 另外，在间断角闭锁原理中，采用按相闭锁，当某相符合间断角涌流闭 锁条件则闭锁该相比率差动元件，而其它相同时发生短路故障，差动保护则依 然出口跳闸。 在电流波形的间断角为：h j 1 4 0 。，才允许开放比率差动元件。为了在各种不同的工作 情况下都能自适应地测量差动电流中的波宽和间断角，一般都引入一个浮动测 量门槛。 下面是波形间断角制动原理的差动保护流程图 图2 4 波形间断角制动原理的差动保护流程图 其中：b i c d a 、b l c d b 、b l c d e 分别为三相比率差动动作元件 j d j k f a 、j d j k f b 、j d j k f c 分别为三相间断角开放比率差动动作元件 t j 跳闸出口继电器 4 四川大学r 程硕j 二论义 3 3 检测励磁涌流的间断角制动的原理的不足之处 利用励磁涌流间断角闭锁原理作为比率差动的制动条件，如按以上所给 出的两个条件作为判据就能够较好地解决利用励磁涌流二次谐波电流作为制动 量的不足之处，不失为一个好方案，虽然( 2 2 ) 判据简单，但这是建立在精 确测量h k ( 波宽) 、h j ( 间断角) 的基础上。间断角闭锁原理作为比率差动的 制动条件也有不足之处： ( 1 ) 该方法是以精确测量间断角为基础，考虑到电流互感器在饱和状态下会 使传换后的二次涌流间断角发生畸变甚至可能消失，从而增加了保护硬 件的复杂性； ( 2 ) 励磁涌流间断角处电流的特点是绝对值非常小且接近于零，而a d 转换 芯片刚好在接近于零点附近的转换误差最大。因此为正确判断电流是否 已进入“间断”区范围，提高灵敏度，需采用分辨率高的1 4 位a d ，甚 至1 6 位a d 转换器，而一般微机保护中的a d 转换器分辨率为1 0 1 2 位，测量h k 、h i 要求采样频率高( 大于3 6 0 0 h z 【l9 】) ，故而对微机保护 的硬件要求较高： ( 3 ) 在精确测量h k ( 波宽) 、h j ( 间断角) 时，要求设置合理的门槛( 实际 是浮动门槛) 。 目前利用励磁浦流间断角闭锁原理，作为比率差动的制动条件已经在 2 2 0 k v _ 一5 0 0 k v 微机主变压器的差动保护上得以比较广泛的运用，而且运行 情况较好。 4 波形对称原理制动 4 1 波形对称制动的原理 利用波形对称原理来判别励磁涌流和故障电流，这是近年来一种新起用的 较为科学的涌流识别方案，其原理为无论是对励磁涌流还是非对称励磁涌流， 其导数相对于工频量来说涌流前半波和后半波在9 0 度内是完全不对称的，在另 9 0 度内，方向对称，数值不对称。而故障电流导数前半波和后半波基本对称。 利用这一特点，设定恰当采样频率和计算门坎，用差动电流导数的前半波和后 半波作对称比较，就可以区分励磁涌流和故障电流，这种原理我们称之为波形 对称原理。 口q 川人学工程坝 。论文 波形对称原理其具体方法如下： 首先将流入继电器的差流进行微分，将微分后差流的前半波和后半波作对 称比较。设差流导数前半波某一点的数值为i l ，后半波的数值为1 2 ，如果数值 满足式( 2 3 ) 1 2 0 1 ： l ( 1 1 + 1 2 ) ( i l 一1 2 ) | k( 2 3 ) 则称为对称，否则不对称。连续比较一个周波，对于故障电流上式恒成立， 对于励磁涌流有1 1 4 周波以上的点不满足上式，这样一来就可以区分励磁涌流 和故障电流。 4 2 三相变压器空载合闸的励磁涌流分析 对三相变压器差动保护对应两相电流之差的特征进行研究，假定 中。= + o 9 ，m 自= 中m = - 0 9 ，嚷= 1 4 中。，叱= o o ，= 一1 2 0 0 ，哎= 1 2 0 0 。经分析得 各相励磁电流及其波形，它们的间断角为：o j o = 9 0 0 ，= 6 0 0 ，= 9 0 0 ，对于流 入差动继电器的励磁涌流可分为两种：一种是偏于时间轴一侧的单向励磁涌流 ，口；另一种是分布于时间轴两侧的对称励磁涌流，m 。现在我们先对这两种 类型励磁涌流分析其特征。 4 2 单向涌流的特征： 单励磁相涌流是由剩磁方向相反的两相励磁涌流相减生成的电流。如a 相 正剩磁，a 相电压正半波产生涌流，b 相负剩磁，b 相电压负半波产生涌流。a 、 b 两相涌流相反，电流之差形成单向涌流。a 相电压正半波和b 相电压负半波 相差6 0 度，由它们产生的涌流便是两个波峰相差6 0 度，但方向相反的单相涌 流之差。不管两个涌流的大小如何，它们的峰值总差6 0 度，经计算得出单向涌 流的最小间断角大于9 0 度，即它们的波宽小于2 7 0 度，其导数分布在时间轴的 两侧，若用导数前半波和后半波比较。如下图所示，9 0 度间断角期间数值为零， 是完全不称的，另一9 0 度内其方向对称但在数值上也不对称，多数点不满足 ( 2 3 ) 式。 1 6 四川大学工程硕上论文 i m ，c 图2 - _ 5变压器磁通、各相励磁电流及其导数 4 3 对称涌流的特征。 对称励磁涌流是由剩磁方向相同的两相涌流相减生成的电流。如b 相负剩 磁，b 相电压负半波产生励磁涌流，c 相负剩磁，c 相电压负半波产生励磁涌流。 b 相和c 相的励磁涌流方向相同。b 相电压负半波和c 相电压负半波相差1 2 0 度，由它们产生的励磁涌流便是两个峰值相差1 2 0 度但方向相同的单向励磁涌 流之差。b 相和c 相励磁涌流大小可能不同，峰值差为1 2 0 度，对称性励磁涌 流的间断角一般比单向涌流要小，最小可能到3 0 度。对称涌流的导数( 图2 一一 5 ) 很有特点，可分为3 段，中间一段是个较大的波形，其宽度为准确的1 2 0 度， 两头2 个小波形与中间的方向相反，大小可能不一样，在一个周波内有间断角。 从单相涌流的分析中已知其最大波宽为2 4 0 度，两头的小波形最大可能宽度为 1 2 0 度。 经过大量的仿真实验证明，对于励磁涌流来说，符合对称条件的角度范围 最多6 0 度，另外1 2 0 度内不对称；而故障电流最多3 0 度不对称，1 5 0 度范围是 “ 删 吖 h 虫” 以 ， 四川i 大学t 程硕i 论文 对称的。区别故障电流和励磁涌流的角度范围在3 0 度1 2 0 度之间，冗余量 很大。 对于三相变压器，用波形对称原理计算，任何条件下任意相的发生励磁涌 流，都有其明显的特征，即能做到保护可靠地制动。利用分相制动方式，当变 压器冲击合闸时发生故障，差动保护不受健全相的影响，在主变压器合闸时发 生变压器内部单相故障或两相匝间故障时，主变压器差动保护能够快速出口动 作，切除故障。 4 4 采用波形对称原理制动的差动保护有以下特点： ( 1 ) 变压器空载合闸至内部故障或外部故障转化为内部故障，差动保护均能 瞬时动作。 ( 2 ) 对变压器剩磁适应能力强，当变压器有0 9 倍最大磁通剩磁时 6 ，不需 附加判据，差动保护能完全正确动作。 ( 3 ) 差动保护的起动电流的门坎值很容易得以解决。对于电流互感器因励磁 涌流的作用饱和产生的反向电流( 反向电流随涌流的大小而变化) 来说， 波形对称原理，则很容易得到解决，可以做到提高差动保护的灵敏度，抗 干扰能力也相应增强。 ( 4 ) 计算余度大，通过波形对称原理计算，励磁涌流的特征非常明显，无论 是数据还是角度其余度都很大。允许数据有一定的偏差，即使有3 0 0 数据 干扰，仍能可靠正确动作。 图( 2 一一6 ) 是某变电站的变压器空载投入运行时c 相发生励磁涌流， 与此同时a 、b 两相又发生匝间短路故障时，故障录波记录下的录波图当空 投于故障变压器的录波图如图( 2 - - - - 6 ) 所示，由于该变压器的c 相励磁涌流 衰减得比较慢。而当时主变压器的差动保护采用的是二次谐波电流原理制动， 采用所谓“三相制动”接线，即三相差动的二次谐波检测回路的输出接成“或” 门形式，一相发生励磁涌，即流闭锁三相差动保护得方式，此时只有当c 相励 磁涌流衰减完毕后，才允许开放差动保护的出口，其差动保护的动作时间可能 长达4 0 0 m s ，甚至有可能更长，这样一来就导致电力变压器故障进一步发展， 从而故障造成故障范围的扩大。 四川大学工程倒士论文 ，i 1 t 1 s 图2 _ _ 6空投于故障变压器录波图 1 9 四川人学t 程硕j ：论文 从上述分析可见无论是单相励磁涌流，还是对称励磁涌流，其导数相对于 工频量来说，其前半波和后半波在9 0 0 内是完全不对称的，在另9 0 ”内方向对称， 数据也不对称。而故障电流的导数前半波和后半波基本对称。利用这一特性 只要我们设定恰当采样频率和计算门槛，用差流导数的前半波和后半波作对比， 就可区别励磁涌流和故障电流。 5 差动保护采用制动方式的最佳配置方案 综上所述，取励磁涌流中的谐波电流制动、二次谐波制动、波形间断角制 动、波形对称制动，其本质都是一样的，都是利用涌流的某一方面特征来区别 涌流和故障电流。取励磁涌流中的谐波电流制动、二次谐波制动这两种方式是 经典的差动制动方式，并在运行实践中得以验证。虽然有一定的缺陷，即“一 相出现涌流特征，三相差动保护全部闭锁”，该方式为提高可靠性而采用三相 “或”f - - 次谐波制动方式，这种“或”门闭锁方式在带有匝间短路的变压器 空载合闸时，差动保护因非故障相的励磁涌流而闭锁，造成变压器匝间短路的 切除延缓，特别是大型变压器，涌流衰减的很慢，将会引起变压器的严重烧毁。 但目前仍被广泛采用。励磁涌流中的间断角原理制动、波形对称原理制动，采 用“分相制动【m 1 ”方式，这是两种较新的实现发生励磁涌流时的制动方式，它 们较好地避免了谐波电流制动、二次谐波制动的缺陷，但其对于软件和硬件两 方面都有较高的要求。 对于变压器的主保护差动保护而言，只有正确掌握故障与合闸而产生的励 磁涌流的各种特征，才能对变压器差动保护原理的优劣作出正确地评估。由于 在电力变压器空载投入电源或外部故障切除后电压恢复的过程中，变压器的铁 芯暂态过程中存在非线性，在实际运行中，变压器保护有时会出现难以解释的 误动作。目前在2 2 0 k v 及以上系统要求变压器保护应配置两套制动原理不同的 差动保护。所以在变压器主保护( 差动保护) 的选用配置方面就应该从多个方 面进行综合加以考虑。我在长期从事变电站继电保护调试工作中总结出变压器 主保护的最佳配置原则是：一套二次谐波制动的差动保护和一套励磁涌流间断 角原理制动差动保护或一套波形对称原理制动羞保护。如此配置，既可发挥二 次谐波制动的差动保护的经典优势，又可避免当变压器投入有涌流时，发生单 相或两相内部故障，变压器差动保护会因非事故相发生励磁涌流制动，变压器 差动保护不动作的缺陷。 四川人学i 程硕f _ _ i 仑文 这种变压器差动保护配置方案在四川省电力公司关于巴中兴文2 2 0 k v 新 建变电站的设备选型和保护配置方案的研讨过程中，我与相关同志提出一套二 次谐波制动的差动保护和一套波形对称原理制动差保护配置后，经过专家的评 议，得以采纳，并在实际的生产运行中取得良好的结果。 网川上学工程硕l 论义 第三章在旁路断路器代主变断路器时，保护死区的解决方法 1 在旁路断路器代2 2 0 k v 主变断路器时，存在保护死区问题 在四川电力系统的2 2 0 k v 变电站中，其高压侧、中压侧的一次主接线一般 均设计为双母线带旁路母线的接线方式，这种一次主接线设计思想的主要出发 点在于由于我国生产的断路器运行不稳定，当主变压器断路器或某一线路 断路器检修时，由旁路断路器经旁路母线带主变压器断路器或线路断路器运行， 这种运行方式可以不影响正常供电。在电网比较薄弱的区域电力系统中，该运 行方式对整个地区电网的稳定和正常受电是有好处的，故而这种运行方式在我 省乃至全国的电网运行方式中，目前仍然被广泛使用【2 ”。但是这种运行方式却 给主变压器的差动保护带来了一个新的问题即保护死区。现在我们就这一保护 死区问题作个具体的分析和讨论： 盖 母 盖动 母差 差动 后备 4 一l 正常运行方式图4 - - 2 旁路代主变断路器运行方 网川人学工程硕l 论文 1 1 正常运行时的情况 在正常的运行情况下，保护的范围如下所述： 一般在正常运行的情况下时( 如图4 一i 所示) ，主变压器差动保护取用主 变压器断路器侧的电流互感器t a ，母差保护也取用该电流互感器t a ，这样以 来保护用电流互感器在装设的位置上有相互交叉点，保护的区域没有空白。如 此配置也就避免了保护死区的问题，即2 2 0 k v 母线、1 1 0 k v 母线及主变压器各 部分都属于变压器差动保护和母线差动保护所组成的快速保护的范围内，能够 保证变电站各个电气元件的安全运行。 1 2 旁路断路器代主变断路器的运行情况 当旁路断路器或旁路兼母联断路器代主变压器任意一侧断路器运行时， 保护的范围就存在一个保护死区的问题，下面对2 2 0 k v 侧在这种情况下进行具 体的分析： 2 2 0 k v 旁路断路器或旁路兼母联断路器代主变压器高压侧断路器运行时 ( 如图4 - - 2 所示) ，所有其他运行电气设各的断路器必须倒在同一组母线上运行 ( 如倒在母上) ，主变压器差动保护用电流互感器须切换至主变压器的套管电 流互感器t a ，主变压器断路器的电流互感器t a 停用，这样一来就使变压器差 动保护的范围缩小。此时，如果在其相对应的旁路母线及直接相连的电气设备 间( 变压器引出线部分) 发生短路故障，故障点在主变压器差动保护范围外， 也不在母线差动保护范围内，变压器差动保护不会动作，母线差动保护也不会 动作，也就是说母线和变压器均不在快速保护的范围以内，这样就在该区域出 现了一段保护的空白区域。旁路断路器1 d l 虽然带有线路保护屏，但其高频 距离保护、高频零序保护一般情况下均在退出运行状态。由图3 2 可知，变压 器套管电流互感器t a 至旁路断路器电流互感器t a 之间( 即变压器高压侧引线 部分) 就存在一段保护死区。在这种情况下，只有靠母线相关联的断路器对侧 线路保护的灵敏二段保护来切除短路故障。这样一来，一是切除故障时间人为 的长了，危害整个电力系统的稳定及运行电气设备的安全；二是会造成变电站 母线失压，全站停电，造成停电面积扩大。因此在上述保护死区范围发生短 路故障的后果是十分严重的应该采取相应措施加以防范，以弥补因为旁路断 路器或旁路兼母联断路器代主变压器任意一侧断路器运行方式下造成的保护 死区。 阴川大学工程钡士论文 与此帽类似的，当主变压器中压侧由旁路断路器或旁路兼母联断路器代主 变压器断路器运行时，也同样存在这种主变压器中压侧引线部分发生短路故障， 存在保护死区的问题。 2 旁路断路器代主变断路器运行保护死区的解决方法 (