（电气工程专业论文）ct饱和对变压器差动保护的影响研究.pdf

a bs t r a c t 1 1 1 e r e a l o p e r a t i o n a c c i d e n t so fd i f f e r e n t i a lr e l a y so fm a i nt r a n s f o r m e r s o c c a s i o n a l l yo c c u r r e dd u et ot h es a t u r a t i o n o ft h ec u r r e n tt r a n s f o r m e r so ft h e d i f f e r e n t i a lr e l a y m a n yr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tw o r k sh a v eb e e nd o n eo nt h i s s u b j e c ta n dg r e a tp r o g r e s sh a sb e e na c h i e v e d h o w e v e r , f e wr e s e a r c hw o r ki s f o c u s e do nt h ei n f l u e n c eo ft h es a t u r a t i o no ft h ec u r r e n tt r a n s d u c c r so ft r a n s f o r m e r n u m e r i cd i f f e r e n t i a lr e l a y s ，a n dw h i c hi st h em a i ns u b j e c to ft h i st h e s i s t h es a t u r a t i o no ft h ec u r r e n tt r a n s d u c e r so 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 v e r e l a yi se x a m i n e db yn u m e r i c a lr e a lt i m ed y n a m i cs i m u l a t i o ns y s t e m ( i s ) t h e t e s tr e s u l t sp r o v e dt h a tt h es a t u r a t i o no fc u r r e n tt r a n s d u c e r sd o e sa f f e c tt h eo p e r a t i o n c o r r e c t n e s so fd i f f e r e n t i a lr e l a y s t h ef a c t o r sw h i c ha f f e c tt h ep e r f o r m a n c e so ft h e c u r r e n tt r a n s d u c e r sa r ea n a l y z e d n ei m p r o v i n gm e t h o d sa r et h e np r o p o s e da n dn e w a cb o a r d sa r em a d eu n d e rt h eg u i d a n c eo ft h em e t h o d 1 1 1 en e wd i f f e r e n t i a lr e l a y s p a s s e dm e i n d st e s ta n dh a v er u ns t e a d i l ya n ds a f e l yf o ra b o u t2y e a r su pt on o wi n t h es u b s t a t i o n so ft h ep o w e rs u p p l yc o m p a n yw h i c ht h ea u t h o ri sw o r k i n g 、i t l l w h i c h p r o v e dt h ev a l i d i t yo f t h em e t h o d sp r o p o s e dh e r e i nh a sb e e np r o v e d b e s i d e st h eg u i d el i n eo ft y p es e l e c t i o no fc u r r e n tt r a n s d u c e r sa r ep r o p o s e di n t h i sp 印e r k e yw o r d s ：r t d s ，d i f f e r e n t i a lr e l a yo fm a i nt r a n s f o r m e r s ，c u r r e n tt r a n s d u c e r s o fn u m e r i c a ld i f f e r e n t i a lr e l a y s ，c ts a t u r a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，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，也不包含为获得丕鲞盘堂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。 揣啊彳蝴期：歹嘶年7 月f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学雠文储躲嬲暂 签字日期：2 神年7 月f 日 导师签名：曼诵 签字目期：歹卵彦年月，日 前言 刖置 变压器差动保护是电力变压器的主保护之一，对其原理和算法的研究已经日 臻完善。变压器差动保护是基于基尔霍夫电流定律，将电力变压器( 即接入差动 保护装置的各侧互感器内部，即差动保护范围) 作为一个电流节点，把流入该节 点的所有电流以差接法分别接入差动保护装置，各侧电流的矢量和( 简称差流) 作为差动保护的启动量。当电力变压器正常运行或变压器外部故障时，差动保护 不启动；当变压器本体( 差动保护范围) 出现短路等电气故障时，变压器差流迅 速增加至差动保护定值，差动保护启动动作并跳开相关断路器将故障变压器从电 网中切除。上述可见，由于采用变压器差流作为变压器差动保护的主要启动条件， 因此形成差流的各路电流互感器的传变以及差动保护装置内部各路电流传变和 采样对差动保护的正确动作至关重要。 2 0 0 7 年，华北电网有限公司组织对全国主要厂家变压器差动保护性能检测 试验。该试验在华北电力科学研究院数字动态模拟仿真( 以下简称数模) 试验室 进行，参加测试的单位包括北京四方公司、南京南瑞继保公司、许继公司、南京 金智科技公司等国内主要微机保护厂家。测试时电流回路采取串联的接线方式， 从试验室r t d s 电流输出端子依次接入各微机差动保护的电流输入端子，最后接 入故障录波器的电流输入端子进行模拟量录波。同时，各保护装置的保护动作接 点和信号接点分别接入同一套故障录波装置的信号开入端子进行开关量录波。 测试方案按照电力系统继电保护产品动模试验进行，当试验进行到变压 器内部故障模拟试验时，两家变压器差动保护装置在个别内部故障下出现拒动， 部分厂家差动保护启动到动作接点开出的延时较长，最长延时5 0 0 m s 左右，远远 超出差动保护启动到出口的正常延时( 一般厂家计算采用全波傅氏算法，数据窗 需要2 0 m s ) 。华北电网有限公司组织专家对出现问题的保护装置试验情况( 录波 波形) 进行了详细分析，对出现拒动和长延时动作出口问题的装置进行针对性的 多次仿真和分析，并与正确动作的装置波形进行比对分析。通过大量试验分析得 出，问题为差动保护装置内部微型电流互感器特性差出现饱和引起的。 本文为上述试验分析研究工作的总结报告，通过对目前在全国电网中运行的 各主要变压器差动保护装置进行研究，分析差动保护装置内部微型互感器存在的 问题及原因，微型互感器对变压器差动保护正确动作的影响以及改进的措施。在 此基础上重新制作了差动保护的微型c t 以及采样电路，经数模试验检测合格的 新装置投运后表现稳定，没有发生误动和拒动，提高差动保护可靠性以及设备和 日舌 电网安全稳定运行水平。为达到这一目的，主要做了如下工作： 首先，介绍了该课题研究的现状；差动保护基本原理、基尔霍夫电流定律、 传统变压器差动保护原理及实现方式、微机型变压器差动保护原理及实现方式 等，为后面的分析做好理论铺垫。 第二，对通用电流互感器和保护装置内部微型电流互感器的传变原理、暂态 特性和饱和特性进行分析，建立通用电流互感器和微型电流互感器的数学模型。 第三，按照电力系统继电保护产品动模试验标准，搭建了一个数字仿真 变电站模型，在电力数字仿真试验室进行了电力变压器各种故障的数模试验。对 试验数据进行分析，指出目前在电网中运行的部分变压器差动保护装置存在的问 题。 第四，根据前面的分析，从消除装置微型互感器对差动保护影响的角度提出 微型互感器的选型原则。按照该原则选择合适的微型互感器并对装置的交流板进 行改进后，再次在原数字变电站模型下进行数模试验，发现保护性能大为改善， 符合相关规程规定要求。 第五，将试验的结论反馈到变压器保护厂家对装置进行改进，改进后将保护 装置再次投运到电网中。保护装置运行状态良好，动作指标达到期望要求，证明 该课题进行的研究是成功的。 最后，对全文进行总结。 2 第章本课题研究的现状 第一章本课题研究的现状 电流差动保护原理简单，性能可靠，是电力系统中变压器等电气主设备主保 护之一。其基本要求是区内可靠动作，同时要求区外故障时可靠不动作。近年来， 由于c t 饱和等原因造成差动保护多次误动，据统计全国变压器差动保护正确动 作率大约只有7 0 左右。因此，近年来许多继电保护专家围绕如何避免差动保护 误动做了大量研究。 1 1 防止c t 饱和引起差动保护误动的研究 研究c t 饱和的电流特征，根据特征研究差动保护装置判c t 饱和的新判据， 从而在c t 饱和时闭锁保护防止误动，是研究防止c t 饱和造成差动保护误动的基 本思路。目前主要应用的是基于故障后电流互感器须经过一定时间才开始饱和的 特点，提出时差法和附加制动法【l 】。时差法是根据当变压器发生区外短路故障时 c t 不会立即饱和，外部短路后的暂态不平衡电流不会立即出现；而当变压器发 生区内故障时，差动电流能迅速增长很大且c t 饱和能立即出现的特征而构成的 因此，利用差动电流出现时刻和故障发生时刻的不同，来区分是区内故障还是区 外故障。附加制动法是利用区内和区外故障差流与制动电流组成的坐标点的轨迹 不同，当轨迹进入附加制动区后闭锁差动保护。这两种方法都存在变压器区外故 障且电流互感器饱和后，差动保护被闭锁；当发生区外转区内故障时，必须经过 一定的延时才重新开放差动保护，即差动保护将延时动作。 为了解决区外转区内保护延时的问题，学者又提出自适应虚拟制动电流方法 和波形间断角提取方法【1 1 。虚拟制动电流方法是通过对差动电流波形分析，构造 自适应虚拟制动电流，利用采样点差动识别c t 饱和，与时差法区分区外与区内 故障配合使用，在区外故障且c t 发生饱和的情况下能够可靠闭锁保护，当发生 区外转区内故障时能够快速开放保护。波形间断角提取方法是基于一次电流过零 点附近的区域c t 仍能够线形传变，此时段差流为零即造成差流在一个周波内一 定存在间断角这一理论，通过二阶微分的方法将波形间断角提取出来，作为c t 饱和闭锁的辅助判据而实时开放区外转区内的转换性故障的保护【2 】。 还有学者提出面积比较闭锁和相位比较开放的方法【3 】。该方法通过面积比较 法和相位比较法两个判据，不仅能有效地区分区内外故障，从而在区外短路且电 流互感器严重饱和情况下对纵差保护实现实时闭锁，而且在闭锁时间段内能利用 3 第一章本课题研究的现状 相位比较法有效地对系统进行监测，当发生区外转区内故障时适时解除闭锁信号 开放差动保护。如图1 - 1 所示，短路发生后，暂态电流并不能使c t 立刻饱和。 c t 存在一个线性传变区，短路发生后3 一 5 r n s 内c t 不会饱和。当一次电流的瞬 时值由正半波趋向副半波时，c t 还会出现一段过零的线性区使差动电流很小。 利用这一特征，如图1 - 2 所示c t 进入饱和后与进入饱和前差动电流对时间的积 分变化很大，取合适的数据窗从面积变化可以判断c t 是否饱和。 1 6 0 1 2 0 8 0 4 0 8 0 0 1 00 1 2o 1 40 1 60 1 80 2 0 ， ( a ) a b 两相接地短路 1 6 0 l2 0 8 0 4 0 o 4 0 8 0 o 1 00 1 20 1 40 。1 60 1 8o 2 0 ，t s ( b ) a b 两相短路 1 2 为低压倜二次电漉- 垃为高压侧二次电漉i 抽为差动电赢 图1 1 故障电流波形 善匦么 彳 哦 t a b c 曼相短爵 专罨巨仓 0 1 0 工o1 20 1 4o 1 6o - 1 80 2 0 4 ， i b ) a 帽接地短路 喜2 0 已z 了ts l c la c 两相短薯 图1 - 2 差动电流波形 也有学者提出利用小波变换能检测信号奇异性的原理【4 】，提出了一种实时检 测c t 饱和区和线性区的一种新方法。在故障开始后对c t 二次电流实时进行多尺 度小波变换，由于c t 二次电流波形在故障发生时刻、进入饱和时刻和出饱和时 4 第一章本课题研究的现状 刻都有奇异性，分别对应小波模极大值。因此可以根据小波模极大值的不同特征 判断对应时刻是进饱和点还是出饱和点，从而实现c t 饱和区闭锁差动保护和线 性区开发差动保护。 1 2 目前研究的热点 对于变压器差动保护由于c t 饱和等原因采取了上述一系列的反措措施，但 并没有完全解决问题【5 】。如果c t 的暂态传变特性与一致性都很好，就不存在c t 饱和造成差动保护误动的问题。随着计算机、传感技术的发展，人们越来越多的 使用r o g o w s k i 线圈测量电流，r o g o w s k i 线圈无铁心不存在磁饱和现象，作为传 感头能很好的解决c t 饱和的问题。图卜3 为r o g o w s k i 线圈的试验电路。近年来， 基于r o g o w s k i 线圈的电子式电流互感器是集电子技术和光学技术为一体的新型 光学电流互感器，其高精度、高可靠性和宽屏带等特点将逐步取代传统电磁式 c 1 i 。图卜4 为r o g o w s k i 线圈的输出特性。此外，在2 2 0 k v 及以上电压等级电网 中，光学c t 和p t 也已经在国内部分变电站中出现了。近年来，此领域是许多学 者尤其是各大电气制造公司研究和开发的热点，如天津电力公司2 0 0 8 年已批准 在天津市武清区开工建设一座全部采用光c t 和”的2 2 0 k v 变电站。 固 j = 压 电 逆 爱，匕纤控 变 流 压 发 伟制 童 援扳 嚣 器 图1 3 线性度测试实验电路 j 图1 - 4r o g o w s k i 线圈线性度曲线 第一章本课题研究的现状 1 3 本文研究的重点 通过上述分析可以看出，目前研究主要是为了防止电流互感器饱和后造成差 动保护误动而采取的各种措施。但对于变压器差动保护装置内部用于交流采样的 微型电流互感器的饱和对差动保护的影响，区内区外转换性故障下装置微型互感 器的响应等还没有专门的论述，本文就是针对这一问题进行研究和探讨。为了方 便研究，下面首先对变压器差动保护原理及实现方式进行简要介绍。 6 第二章变压器差动保护原理及实现方式 第二章变压器差动保护原理及实现方式 1 i 差动保护基本原理 差动保护原理于1 9 0 4 年由c h m e r z 和b p r i c e 在英国提出【5 】，尽管其实现 方式特别是制动量的构成存在一些差别，但基本原理沿用至今。差动保护的基本 依据是基尔霍夫电流定律，即对于一个元件每时每刻流进导体的电流恒等于流出 导体的电流，对于电流向量来说就是电流向量的矢量和恒为零。对于电力变压器 元件作为保护设备构成的差动保护就是变压器差动保护，对于母线元件作为保护 设备的就是母线差动保护，对于线路作为保护设备的就是线路横差保护等等。 变压器电流差动保护就是把变压器各侧的电流互感器按差接法接线，使流过 变压器高压侧和中( 低) 压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，这样流入继电器的电流为两端的电流之差。理想情况下，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矢量和为零，保护装置不动作。当 变压器内部发生短路故障时，短路电流为各侧电流矢量和不为零，即流进差动继 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。 理想状态下，不考虑任何误差，在区外故障时，流入电流等于流出电流，根 据基尔霍夫定律： y = 0 ( 2 1 ) z 一 而在区内故障时，只有流入变压器电流，没有流出变压器电流，这时有： y = ( 2 2 ) j 二j 事实上，在变压器正常带负荷运行和发生区外故障时，由于种种原因，会产 生一定的不平衡电流，必须在变压器差动保护整定中加以考虑。这些不平衡电流 的产生原因如下： 1 ) 稳态情况下的不平衡电流 通常包括： a 由于变压器各侧电流互感器型号不同，即各侧电流互感器的饱和特性和 励磁电流不同而引起的不平衡电流。它必须满足电流互感器1 0 误差曲线； b 由于实际的电流互感器变比和计算变比不同引起的不平衡电流； 7 第二章变压器差动保护原理及实现方式 b 由于实际的电流互感器变比和计算变比不同引起的不平衡电流； c 由于改变变压器调压分接头引起的不平衡电流。 2 ) 暂态情况下的不平衡电流包括： a 由于短路电流非周期分量使铁心饱和，误差增大而引起不平衡电流； b 变压器空载合闸的励磁涌流，仅在变压器一侧有电流。 从差动保护不平衡电流产生来看，差动保护的正确动作依赖于各侧c 1 i 的正 确传变。当区外发生故障时，如果变压器各侧c t 的特性不一致，将导致很大不 平衡电流的产生。 2 1 1 基尔霍夫电流定律 为了说明基尔霍夫电流定律，需要说明几个基本概念【6 】。一个二端元件视为 一条支路，其电流和电压分别称为支路电流和支路电压。电路元件的连接点称为 结点。由支路组成的闭合路径称为回路。将电路画在平面上内部不含有支路的回 路，称为网孔。如图2 - 1 所示，带箭头的连接线称为支路，a 、b 、c 、d 、e 成为 节点。 图2 1 节点和支路 基尔霍夫电流定律( k i r c h h o f f sc u r r e n tl a w ) ，简写为k c l ，它陈述为：对 于任何集总参数电路的任一结点，在任一时刻，流出该结点全部支路电流的代数 和等于零，其数学表达式为：乏：= 0 。 对电路某结点列写k c l 方程时，一般流出该结点的支路电流取正号，流入该 结点的支路电流取负号。k c l 不仅适用于结点，也适用于任何假想的封闭面，即 流出任一封闭面的全部支路电流的代数和等于零。在任一时刻，流入任一结点( 或 封闭面) 全部支路电流的代数和等于零，意味着由全部支路电流带入结点( 或封闭 面) 内的总电荷量为零，这说明k c l 是电荷守恒定律的体现。 第二章变压器差动保护原理及实现方式 2 1 2 差动保护数学描述 依据基尔霍夫电流定律，将变压器作为一个封闭界面，那么各侧电流经互感 器传变后流入差动继电器的差流矢量和也为零。如图2 - 2 所示，对于双绕组变压 器实现差动保护的单相原理，比率制动式差动保护的典型动作判据为： 差动电流： 制动电流： 动作判据： h = 卜i 3 ， 5 i i 2 j ( 2 4 ) m ! 警，jk o 当i z i z o ( 2 - 5 ) l i d i d z 0 + l 包( i z i z 0 ) 。 式( 2 3 ) 、( 2 - 4 ) 中：1 1 、1 2 为两侧电流相量( 均以流入为正方向) ；式( 2 5 ) i d z 0 为最小动作电流：i z 0 为最小制动电流；l & 为差动保护制动系数。 图2 2 变压器差动保护原理图 2 2 传统变压器差动保护原理及实现方式 传统变压器差动保护一般有两种配置方案。第一种采用b c h 一1 型差动继电器， 由于继电器带有一个制动绕组，当被保护变压器外部故障不平衡电流较大时，能 产生制动作用闭锁继电器。一般对于带负荷调压变压器、多侧电源的多绕组变压 器以及外部故障不平衡电流较大时采用这种方案。第二种采用b c h - 2 型差动继电 器。由于继电器中使用了短路绕组，当变压器空投时差动继电器中流过包含大量 的非周期分量的励磁涌流或不平衡电流，非周期分量电流实际上不传变到短路绕 组和二次绕组中，而是作为励磁电流使铁心迅速饱和，因此该方案躲励磁涌流能 9 第二章变压器差动保护原理及实现方式 力较强。现就第一方案对传统差动保护介绍如下。 1 1 1 传统变压器差动保护原理 如图2 - 3 所示川，整个继电器由执行元件d l 一1 i 0 2 电流继电器和速饱和变流 器两部分构成。 l 2 图2 3b c h 1 型差动继电器原理图 速饱和变流器由三柱型硅钢片交错叠成，中间柱的截面比两边柱的截面大一 倍，中间柱上绕有差动绕组w c ( w d ) 和两个平衡绕组w p l 、w p 2 ( w b l 、w b 2 ) ，制 动绕组w z ( w r e s ) 和二次绕组w 2 绕在两侧边柱上( 每边柱上所绕匝数均为其总 匝数的一半) ，执行元件接在w 2 上，w 2 的两部分绕组同向串联。w z 的两部分绕 组反向串联，当其中通过电流时使所产生的制动磁通只沿两侧边柱构成闭合回 路。由于w z 的这种绕法，就使得整个w 2 和w z 间，以及w z 和w c 、w p l 、w p 2 间 都无互感作用。w c 、w p l 、w p 2 三个绕组的绕向相同，它们所产生的磁通是自中 间柱朝向两侧边柱，构成两个独立的闭合回路。这两部分磁通分别在w 2 的两部 分绕组中感应出电动势，该电动势达到一定值时，执行元件就动作。制动绕组 w z 的作用是加速两侧边柱的饱和，从而使得w 2 与w c 、w p l 、w p 2 间的相互作用 减弱。 如图2 3 所示【1 6 】【2 0 l ，在一侧边柱内，差动绕组中电流i d 产生的磁通d 和 l o 第二章变压器差动保护原理及实现方式 制动绕组中电流i r e s 产生的磁通o r e s 相加，而在另一侧边柱内，o d 与击聊 相减，因此每侧边柱内的合成磁通等于这两个磁通的向量和。令由为工作电流与 制动电流间的相位角，当由= o 。或1 8 0 。时，两个边柱内的合成磁通分别为g o d 、 g o r e s 绝对值的和与差；而当当由= 9 0 。或2 7 0 。时，两个边柱内的合成磁通相等， 由此看出，继电器的动作电流( i d ) 不仅与w z 内的电流大小有关，而且还与二 者之间的相位有关。当二者间的相位一定时，继电器的动作电流随着w z 内电流 的增减而增减，这就是继电器具有制动特性的概念。 b c h 一1 差动继电器重要的电气特性就是制动特性。制动特性曲线是以制动安 匝a w z 为横坐标，以动作安匝a w d 为纵坐标的曲线族。如图2 - 4 所示，这是制造 厂给出的典型制动特性曲线。继电器制动特性与饱和变流器工作磁密b w 有关， 而b w 又直接影响着执行元件( 图2 - 4 中的d l - 1 i 0 2 ) 的启动电压。理论分析 可以得出以下结论： 魏辫，f 荔缪 y j 貔哗逸篙；乒麴焉琵貔 l y 黝砀嚣菇 藿彦节缓 i 少 7 ：彳 二素 一黝缆隧 夕 一 彩 l 图2 4b c h 1 型差动继电器制动特性曲线 1 ( 1 ) b w = b s a ( b s a 为变流器饱和磁密) 时，制动特性与工作电流和制动 2 电流间的相角由无关。 1 ( 2 ) b w i s d ，i d 为变压器差 动电流，i s d 差动速断电流定值。 ( 2 ) 比率差动保护 动作电流和制动电流分别为： ji d = l 五i ( 2 - 6 ) i 1 1 卜丢莩h 7 ， 比例制动动作判据为： f i d k b l l z + i c d i z 0 6 i e ( 2 8 ) i z k i d ( i z - 0 6 i + 0 6 i e + i c d 0 6 i e ( i z 5 i e ( 2 - 9 ) li z k b 3 ( i z 5 i e ) + k i d ( i z - 0 6 i e ) + 0 6 i e + i c d 5 i e ( i z ( 2 - 1 0 ) 式( 2 - 8 ) 至( 2 - 1 0 ) 中i c d 为差动保护电流定值，i d 为动作电流，k b l 为第 一段折线的斜率( 固定为0 2 ) ，k i d 为第二段折线的斜率及比例制动系数( 需整 定) ，k b 3 为第三段折线的斜率( 固定为0 7 ) 。目前差动一般按相启动。 ( 3 ) 二次谐波闭锁原理 一般采用三相差动电流中二次谐波与基波的比值作为励磁涌流闭锁判据： d 1 2 k x b d l l ( 2 - 1 1 ) 式( 2 - 1 1 ) 中d 1 1 为差流中的基波电流，d 1 2 为差流中的二次谐波电流，k x b 为二次谐波闭锁系数( 需整定) 。目前一般按照“或”门闭锁，即三相差流中有 一相判为励磁涌流即闭锁差动保护。 1 4 第二章变压器差动保护原理及实现方式 2 3 2 波形对称原理及模糊识别原理变压器差动保护 三相电力变压器由于剩磁的离散性，三相合闸角的不同以及y 变换的原因 使得变压器产生涌流时，会有某一相的二次谐波含量很小【l o 】。为了解决这一问题， 都采用或门制动方式，即三相电流中有一相制动，则对三相全部制动。这样虽然 解决了涌流时的误动问题，但当变压器有涌流时，发生单相或两相内部故障，差 动保护因健全相的涌流制动而不动作。该文提出的波形对称原理差动保护能在任 何内部故障条件下迅速可靠地的动作。 波形对称算法是将变压器在空载合闸时产生的励磁涌流和故障电流区分开 来。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 ；，后半波对应点的数值为i ：+ 。，如果 数值满足式( 2 - 1 2 ) ： t t 善二! 出业k( 2 1 2 ) il - i i + 1 8 0 。 则称为对称，否则称为不对称( k 为不对称度) 。连续比较半个周波，对于 故障电流( 2 1 2 ) 式恒成立，对于励磁涌流有1 4 周波以上的点不满足( 2 1 2 ) 式，这样就可以区分故障电流和励磁涌流。 文f l l 】介绍，模糊识别原理差动保护采用三相差流的导数的比值作为励磁涌流 闭锁判据，制动判据如下： 设差流导数为i ( k ) ，每周的采样点数为2 n 点，对数列 五0 = l 厶+ “功l ( i 厶l + l “帕1 ) k = o ，1 ，2 ，n ( 2 - 1 3 ) 可认为式( 2 - 1 3 ) 中z 越小，该点所含的故障信息越多，即故障的可信度 越大；反之，z 越大，该点所包含的涌流信息越多，即涌流的可信度越大。适 当取一个模糊隶属函数a i x ( k ) i 来识别上述的可信度，综合半周信息，对 k - - 0 ，1 ，2 ，n ，求得模糊贴近度为式( 2 1 4 ) ： = 丢秒陶】 ( 2 - 1 4 ) 取门槛值为k ，当n k ，认为是故障，当n k ，认为是励磁涌流。 通过上述分析可以看出，模糊识别原理的根本也是基于波形的对称度的，尽 管数学算法不近相同，但两者实质是一样的。 综合2 3 1 和2 3 2 节所述，可以看出二次谐波比例制动原理与波形对称或 模糊识别原理，其出发点都是针对励磁涌流波形和故障电流波形的不同进行的， 两者其实有着紧密联系。通过大量学者研究和试验，发现波形对称原理等价于定 值整定为1 2 的二次谐波原理【1 2 】。唯一的区别就是二次谐波闭锁原理一般采取 交叉闭锁方式，而波形对称或模糊识别原理采用分相闭锁方式。 第三章c t 传变原理及特性 第三章c t 传变原理及特性 为了研究c t 饱和的情况，需要研究电流互感器的工作原理及暂态特性和饱 和特性；为了研究装置内部微型互感器对差动保护的影响，也需要了解内部微型 电流互感器的原理及特性，现介绍如下。 1 1c t 工作原理及特性 3 1 1 等值电路及变换式 ( 1 ) 等值电路 电流互感器的原理图如图3 1 所示【2 1 1 。 jp | k l 卜一y a 、 j u i j 皇j j一一 一 fr _ 卜 ，以 、 ，- 一jz | ， 以 i i r 一一 i电流互感器i 外按负荷 图3 1 电流互感器的原理图 互为二次感应电动势；配为二次负荷电压；为一次电流；为二次 全电流；丘为二次电流；乞为励磁电流；彤为一次匝数；以为二次匝数；e 为匝数比；以为二次绕组电抗( 低漏磁互感器可忽略) ；尼为二次绕组电阻； 磊为二次负荷阻抗( 包括二次设备及连接导线) ；互为励磁阻抗。 ( 2 ) 电流变换 在理想情况下，电流互感器两侧的励磁安匝相等，二次电流与一次电流成正 比，相位差在连接方法正确时为零。 i p n i i s n 2 = 0 z = 易曩= 老 t岛 ( 3 - 1 ) ( 3 2 ) 在实际应用中，一次安匝( 历) 不能全部转换成为二次安e ( i a r ：) ，其中一小 一一一一 第三章c t 传变原理及特性 部分将作为励磁安匝( 厶) 用于产生铁心中所需的磁通。即： 易届= 石+ 石( 3 - 3 ) 或易筋= 品+ 厶 ( 3 4 ) 式中易、石、石：一次电流、二次电流、励磁电流均方根值； 易、矗、厶：一次电流、二次电流、励磁电流瞬时值； 显然，石( 矗) 是电流互感器产生误差的根源。 ( 3 ) 阻抗变换 电流互感器一次回路的阻抗基本上可以忽略，不影响计算结果。二次回路阻 抗变换到一次侧应乘以1 k , , 2 ，即使二次回路阻抗很大；甚至接近开路，在一次 回路中所感受的阻抗也可以忽略。 互感器二次绕组的电抗石在低漏磁互感器情况下可忽略，仅需计及电阻， 其电抗可忽略。 ( 4 ) 电磁感应式 按电磁感应原理，电流互感器二次电动势为与线圈相链的磁链对时间的导 数。设铁心中磁通为正弦函数，即西= b a ，s i nc o t ，则： 白：m 堕：m 么压c o s ， ( 3 5 ) 力 厶：t n 2 x 2 # b a c ：2 2 1 n 2 b a # ( 3 6 ) x 2 式中，白：二次电压瞬时值，v o 厶：二次电压均方根值，v ； b ：铁心中磁通密度，t ； 以：铁心截面积，m 2 ； 上述公式是电流互感器的传变原理公式，也是电流互感器电磁设计的基础。 3 1 2 电流互感器暂态特性 电流互感器的暂态特性是指一次系统短路时，其一、二次侧电流及励磁电流、 铁芯磁密和暂态误差的变化特性1 4 0 1 - - 4 h 。 计算电流互感器未饱和时的暂态特性解析一般作以下假设： ( 1 ) 在电流互感器未饱和时，电路中有关元件的参数是不变的，可认为基 本是线性电路。 ( 2 ) 未考虑二次漏抗或负荷阻抗。这些电抗远小于励磁电抗，对暂态磁通 最大值影响甚小。 ( 3 ) 未计及铁心损耗。改损耗的影响是降低二次时间常数，但其等效电阻 1 7 第三章c t 传变原理及特性 值是按正弦项或指数项而变化的。因此，它不能采用线性处理，而要精确处理是 很复杂的。 ( 4 ) 该理论是基于线性励磁特性。它仅在励磁特性的拐点前是近似准确的， 在拐点以后是不正确的。对非线性特性精确求解是不实际的。电流互感器的等值 电路如图3 2 ： z p o rp ，x3 z c k rc t ，xc 、z ：l rl ，x0 图3 2 电流互感器的等值电路 负载阻抗：历= z l + z , ，其中立为连接导线阻抗，易为二次设备阻抗；乞为 归算到二次侧的一次电流；( ) 为二次电流；( 力为归算到二次侧的励磁电流 一次系统发生短路故障时，设一次系统空载，短路环路中阻抗角够= 9 0 。，则 流过电流互感器的归算到二次侧的一次短路电流为 乞( 力= , c o s e i “哆- c o s ( c o t + ( 9 ) 】 ( 3 - 7 ) 式中 厶：! 等为归算到二次侧的一次稳态短路电流幅值； t 为流过t a 一次绕组的稳态短路电流有效值5 疋：垒：竺为t a 额定电流比； 。 jm 嫡p 乞、厶为t a 一、二次绕组额定电流； 国。、q 为t a 一、二次绕组额定匝数： 乃为一次系统时间常数，等于一次短路电流流过的电感厶与电阻乃之比， 乃寺 p 为短路初相角，c o s ( 9 为偏移系数。 影响电流互感器暂态特性的参数主要有：短路电流及其非周期分量；一次回 路时间常数；电流互感器工作循环及经历时间；二次回路时间常数。 第三章c t 传变原理及特性 ( 1 ) 短路电流及其非周期分量 短路电流中通常含有周期分量( 对称分量) 和非周期分量( 直流分量) 两部 分。对互感器特性有严重影响的是其中的非周期分量。非周期分量的大小取决于 故障发生瞬间的相位角。当短路初始角0 = 0 ，即c o s 0 = 1 时，非周期分量最大， 此时短路电流为全偏移情况。在i e c 标准及国家标准中，暂态特性计算一般取短 路电流全偏移情况。 实际上短路电流出现全偏移的概率时很低的，按全偏移计算结果偏于严重。 运行实践表明，短路故障容易发生在电压的峰值附近。根据大量的故障录波图统 计，有9 5 的短路故障是在电压峰值之间4 0 。之内发生，而在1 0 0 k v 以上的电网 中，线路短路故障则都是发生在电压峰值之前4 0 。之内。一般情况下， c o s 0 c o s ( 9 0 。一4 0 。) = o 6 4 。 ( 2 ) 一次时间常数 短路电流非周期分量衰减时间常数对电流互感器暂态过程有重要影响。该时 间常数由该短路支路的电感与电阻之比确定，即乃= 厶局。电力系统中发电机 和大型变压器的时间常数较大，高压系统的时间常数也相对较大，中低压系统时 间常数相对较小。国家标准规定一次时间常数的标准值为4 0 、6 0 、8 0 、1 0 0 m s 和1 2 0 m s 。大型发电机组应采用更高的数值。 多个支路串连时，可将其电感和电阻分别相加求出其总的时间常数乃。多个 不同时间常数的支路并联时，因为电流的衰减与阻抗的关联是非线性的，不能简 单的将其电感和电阻分别并联求时间常数。可假定各支路分别供给独立的不同衰 减时间常数的短路电流，分别求出其对电流互感器的影响，为了简化假设各正弦 电流相位相同。粗略计算时，也可将各支路的乃值按各支路短路电流加权平均 作为等效乃。、用于计算。 实际上系统不同点短路时，一次时间常数是变化的，通常离电源点越近，时 间常数越大。 ( 3 ) 规定工作循环 为确定电流互感器的暂态特性需要规定电流互感器在故障时的工作历程及 有关时间。工作循环通常分为单次通电和双次通电两类。前者对应于一般故障过 程，后者对应于由重合闸的过程两者通电时考虑较严重的情况，设磁通极性相同。 在工作循环中设短路电流为互感器的额定一次短路电流乞。，并具有规定的 衰减时间常数乃。各通电期间中设一次电流为“全偏移8 ，若电流为部分偏移， 则所需的暂态系数便降低，降低值约正比于偏移量的减小值。因此建议一般计算 采用全偏移参数，必要时可按适当的部分偏移进行修正。 单次通电工作循环电流通过时间t 按保护装置的要求确定。考查保护装置区 第三章c t 传变原理及特性 内故障的可信赖性时，一般取保护装置的动作时间。考查区外故障保护装置的安 全性时，还应加上断路器的跳闸时间。在超高压系统，t 一般取4 0 m s ( 保护动作 时间) 或1 0 0 m s ( 保护加断路器动作时间) 。必要时，也可采用保护装置和断路 器的实际动作时间。个别系统要求考虑断路器失灵情况，t 可选为2 5 0 3 0 0 m s 但这样将严重加大暂态系数。对这种概率很低的故障，计算互感器暂态参数一般 可不考虑。 双次通电工作循环第一次电流通过时间，i 按保护加断路器动作时间确定，第 二次电流通过时间与单次通电工作循环t 类似，按保护装置的要求确定。厶 为自动重合闸无电流时间，即在断路器自动重合闸工作循环中，一次短路电流从 切断起到其重复出现时的时间间隔。采用三相快速重合闸时，序可取4 0 0 m s 。 3 1 3 电流互感器饱和特性 1 ) 理想情况下的饱和特性 为了分析简单，假设电流互感器铁芯的励磁特性如图3 3 。铁芯饱和前，励 磁电流的磁化分量为零；达到饱和后，磁通不再增加。此外，设饱和或未饱和两 种情况下的铁芯损耗可以忽略。这是电流互感器的理想励磁特性。 理想励磁特性表明互感器二次电流在铁芯未饱和时完全与一次电流成比例， = c 彤川= c 丘。而在铁芯饱和后不能产生电动势。 密 度 ( b ) 磁动势 ( h ) 图3 3 电流互感器理想励磁特性 ( 1 ) 二次负荷为纯电阻时的饱和 对于纯电阻负荷，在未饱和是产生的电动势为乞= p r , k , , 。而在稳态条件下， 当= 弛s i n c o t = i , s i n c o t ，电动势为： 第三章c t 传变原理及特性 名= ( 厶忍疋) s i n a ) t( 3 8 ) 如果在稳态时磁通不饱和，则二次电流和电动势都与一次电流相位相同，且 磁通领先电动势弧度。 如果稳态时在磁通达到峰值前铁芯已饱和，此时铁芯磁通将保持在饱和水平 而不再变化，磁通不再产生电动势，二次电流将立即下降到零，整个一次电流将 用于维持铁芯在饱和状态。铁芯将保持在该状态一直到励磁电流降为零。在一次 电流为零时二次电动势就变为相反极性。此时为产生电动势，磁通开始从饱和电 平以完全与未饱和时相同的速率下降。它按下式变化： 妒= ( 1 必) i 乞功= 虹( 厶鬈m 以疋) ( 1 一c o s c o ) ( 3 9 ) 该变化一直持续到铁芯磁通达到反方向饱和，使二次电流再次下降到零，并 维持该值至该半波之末。这表明在互感器带电阻性二次负荷发生饱和的一般影响 是二次电流的每个半波后沿被砍去一部分。 如每个半波铁芯未饱和时间为f ：，按上述变化过程，则下一个半波饱和必须 正好在该时刻后达到，在式( 3 9 ) 中代入此值则得到下式： = k ( 厶冠面。彤疋) ( 1 一c o s ) 即 心= ( 厶，疋2 6 0 n = ( ) ( 1 一c o s ( j ) 1 ) ( 3 1 0 ) 公式表明，在稳态情况下，如短路电流达到额定准确限值电流= 白乞。 则铁芯磁通为2 乙忍2 t o n 2 疋= 虹，即= 丌时所得心数值。此时铁芯处于临 界饱和状态，二次电流的整个半波能够复现。如电流再增大，铁芯处于过饱和状 态。过饱和程度以过饱和倍数琢表征，= 厶( 2 钿) 。愈大，则二次电 流半波能出现的部分愈短，即切断角酬愈小。 ( 2 ) 二次负荷为纯电感的情况 假设互感器二次负荷为纯电感，在铁芯未饱和时导磁率为无穷大且无损耗， 则稳态未饱和时二次绕组电流为： | 。= t ，| k ，= u ，k ) s i n r o t 二次电动势为 乞= 厶或g , = ( 乞厶疋) c o s m t( 3 - 1 1 ) 铁芯磁通为 妒= ( 1 以) l e , a 乡- - - ( 厶彤疋) s i n m r + k ( 3 - 1 2 ) 一 或 却d r = ( 厶以疋) ( 吃砌( 3 - 1 3 ) 如任一半波发生饱和，则饱和应在一次电流峰值前发生。在峰值时，如未出 现饱和，磁通幅值则开始下降。在饱和过程中，不会产生电动势使二次电流变化， 该电流值保持恒定，等于饱和瞬时值。饱和发生后，一次电流继续增加，提供过 剩安匝保持铁芯处于饱和状态。这种情况应持续至一次电流降到饱和发生时的幅 2 1 第三章c t 传变原理及特性 值，安匝重新为零。此时铁芯走出饱和，为提供二次电动势，磁通向离开饱和点 方向改变。这个过程在每个半波重复，一般效果是二次电流的半波被削成平顶。 一个值得注意的问题是在稳态时磁通包含一个恒定分量( 公式中的k ) 。它的 存在使正半波和负半波在不同点达到饱和，将使二次电流的一组半波的项部被削 去比另一组多，甚至可能只有一组被削去。其中二次电流含有一任意值的直流分 量，因为这一分量不需要任何电动势去驱动它通过负载。这种情况甚至在不饱和 状态的变压器励磁电抗和铁芯损失电阻为有限值时也可得到。 当二次回路存在很小电阻，将使最后的稳定状态是对称的，因为当直流通过 此小电阻需要磁通改变为导致消除恒定分量的方向。 对于对称状态，方程中常数k 为零，从去饱和点至该半波末端的时间等于总 的未饱和运行时间的一半。 2 虼= ( 厶厶彤髟) s i n ( o t