（电力系统及其自动化专业论文）基于模糊多判据的大型变压器差动保护研究.pdf

a b s t r a c t w i t hc o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to ft h ep o w e rs y s t e m ，l a r g e - c a p a c i t y , t h ee h vp o w e r t r a n s f o r m e ri sm o r ea n dm o r eu s e di ns y s t e mo p e r a t i o n , w h i c hp o s e sah i g h e rd e m a n df o r t r a n s f o r m e rp r o t e c t i o n d i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o n , w h i c hi sas i m p l ea n dr e l i a b l ep r o t e c t i o n m e c h a n i s m ，h a sl o n gb e e nt h ec o r eo ft r a n s f o r m e rp r o t e c t i o n s o 缸t h ek e yp r o b l e mo ft r a n s f o i t n e rd i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o ni ss t i l lh o wt op r e c i s e l y i d e n t i f yt h em a g n e t i z i n gi n r u s hc u r r e n t so ft h et r a n s f o r m e r a m o n gt h o s ea l g o r i t h m sc u r r e n t l y b e i n gu s e d ，t h es e c o n dh a r m o n i cc u r r e n tr e s t r a i n t ，w a v e f o r ms y m m e t r y a n dd e a da n g l e m e t h o da n do t h e r sh a v eb o t ha d v a n t a g e sa n ds h o r t c o m i n g s t om e e tt h ed e m a n do f t r a n s f o r m e rr e l a y i n gp r o t e c t i o n ，i ti si m p o r t a n tt os e a r c hf o ran e wm e t h o dw h i c hc a l l d i s c r i m i n a t et h em a g n e t i z i n gi n r u s hc u r r e n ta n ds h o r tc u r r e n tf a s t e ra n dm o r er e l i a b l y b a s e do nt h eb r i e fa n a l y s i so ft h ep o w e rt r a n s f o r m e rm a g n e t i z i n gi n r u s hc u r r e n t sa n d t h o s ek n o w nm e t h o d so fd i s c r i m i n a t i o nb e t w e e nm a g n e t i z i n gi n r u s hc u r r e n ta n di n t e r n a lf a u l t c u r r e n to ft r a n s f o r m e r s ，t h ep a p e rh a sr e a c h e dab e s ta l g o r i t h mo fs e c o n dh a r m o n i c ，d i s c u s s e d t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns y m m e t r yd e g r e ea n dt h er a n g eo fs y m m e t r ya n dp r o p o s e st h e a p p r o a c h e so fd i g i t a lf i l t e rt om e a s u r e m e n tt h ef i r s t d e r i v a t i v e s o nt 1 1 cb a s i so fi n - d e p t h a n a l y s i so fa b o v et h r e ec r i t e r i a , an e w m e t h o db a s e do nf u z z yl o g i ct h e o r yi sp r o p o s e d t h e n e wm e t h o di n t e g r a t e dan u m b e ro fc r i t e r i aa n dg a v ef u l lp l a yt ot h ev a r i o u sc r i t e r i af o rt h e i r o w na d v a n t a g e i td i s c r i m i n a t e st h em a g n e t i z i n gi n r u s ha n df a u l tc u r r e n tn o to n l yq u i c k l y , b u t a l s od e p e n d a b l y t h i sp a p e rd i s c u s s e di nd e t a i lt h ef e a t u r e so fr a t i o - r e s t r a i n e dd i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o n , a n a l y z e dt h eb r a k i n gc u r r e n ts e l e c t i o nm e t h o d ，a n dd r a ws o m eu s e f u lc o n c l u s i o n s t h ep a p e r m a d eaw a yo fc o o r d i n a t i n gt h ef a u l tc o m p o n e n tr a t i od i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o nw i t ht h es t e a d y r a t i od i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o nt oi m p r o v et h eo v e r a l lp e r f o r m a n c eo ft h et r a n s f o r m e rp r o t e c t i o n i nt h i sw a y , i tc a no v e r c o m et h ed i s a d v a n t a g et h a tt h es t e a d yr a t i od i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o nl a c k s s e n s i t i v i t yw h e nm i n o rf a u l t so c c u ri nt h ei n t e r n a lr e g i o n f o rt h ef e a t u r e so ff a u l tc o m p o n e n t r a t i od i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o n ，t h ep a p e rd i s c u s s e dt h ef e a s i b i l i t yo fa p p l y i n gi tt ot r a n s i t i o n a l f a u l ta n dp r e s e n t e dt h em e t h o dt op r e v e n ti n c o r r e c to p e r a t i o n f i n a l l y , t h ep a p e ru s e dm a t l a bl a n g u a g e t oc o m p i l ep r o g r a mt os i m u l a t ea l g o r i t h mo f p r o t e c t i o na n d a c h i e v e ds a t i s f a c t o r yr e s u l t s k e yw o r d s ：d i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o n ，m a g n e t i z i n gi n r u s hc u r r e n t s ，f u z z ys e tt h e o r y n 学位论文独创性声明 本学位论文是我个人在导师指导下进行研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含我为获得任何其 它学位而使用过的材料。其他人员对本学位论文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。 名盟 关于本学位论文使用授权的声明 南京理工大学有权保留本学位论文的复印件和电子文档，有权送 交给有资质的信息档案机构存档。除在保密期内的保密论文外，本论 文允许被查阅和借阅，可以公布论文的全部或部分内容。上述事项授 权南京理工大学研究生院办理。 作者签名 硕士论文 基于模糊多判据的大型变压器差动保护研究 1 绪论 电力变压器是电力系统中最重要的电气设备之一，电力系统通过它来实现不同电压 等级的电网连接，进行能量变换。随着经济社会的发展，对电网的安全运行提出了更高 的要求，大电网的互联以及更高电压等级的出现使得大型变压器更多的投入到系统的运 行中。现代大型变压器容量大，电压等级高，在电力系统运行中的地位非常重要，它的 正常安全运行，直接关系到整个电力系统的稳定可靠工作。尽管变压器发生内部故障的 几率较发电机和输电线路少，但是一旦发生故障，其影响范围很大，严重影响系统的稳 定运行，尤其是特大型变压器，由于造价昂贵，结构复杂，一旦发生内部故障，其检修 难度大，恢复时间长，故对其保护提出了更高的要求。变压器保护一直是工程技术人员 关注的重点，对变压器本体及其保护方案的研究也日益深入和全面。 1 1 课题研究背景 近些年来，我国的电力工业正处于突飞猛进的发展阶段，大容量，超高压的大型变 压器不断投产，系统规模不断扩大。随着继电保护及相关技术的飞速发展，继电保护装 置原理、设计、制造、运行和管理水平取得了显著的进步和成绩。我国继电保护技术水 平已经跨入了世界先进行列，自主生产的继电保护装置得到了广泛的应用。经过十余年 的考验，线路保护的可靠性和快速性得到了运行部门的充分认可，然而，主设备保护( 主 要是发电机和变压器保护) 的情况还难以令人满意，其正确动作率与线路保护相比一直 偏低，以1 9 9 8 年全国2 2 0 k v 及以上变压器保护的运行情况为例，其正确动作率为6 6 5 l ， 而同期2 2 0 k v 以上的电力系统继电保护装置的正确动作率为9 7 7 5 。由表1 2 1 的统计调 查数据可以看出变压器保护的性能有待于进一步改善一1 。 表1 2 11 9 9 9 年至2 0 0 4 年2 2 0 k v 及以上变压器保护动作情况统计 变压器保护正确动作率偏低的原因有很多，如现场运行人员将电流互感器极性接 绪论 硕士论文 反，电流互感器特性不一致，保护的整定有误，运行维护不良等，但另一方面变压器保 护的原理还不够完善，比率制动特性在外部故障时导致误动：现有的涌流制动原理或多 或少的存在缺陷，也是重要的因素。随着电力系统的发展和变压器制造工艺的改进，使 得变压器保护的复杂性加大，例如现代变压器的硅钢材料的改进，使变压器的磁滞曲线 较硬，导致变压器涌流波形特性变差，二次谐波含量和间断角都变小。同时现代电力系 统经常采用无功补偿电容来提高电力系统的稳定性，这使得变压器内部故障时波形中的 谐波含量大大增加。所有这些都加大了变压器保护的复杂性，因此对变压器保护做进一 步的研究也就变得十分必要了。随着计算机科学和其他相关科学的发展，许多以前受硬 件限制的保护原理也得到了广泛的应用，大大的提高了变压器保护的整体性能。同时各 种新的数学理论也被用于变压器保护，例如小波分析，模糊数学、神经网络、专家系统 等等，虽然它们中许多的研究离实用还有一段距离，但是其研究成果给研究人员带来了 新的思路，也使得继电保护朝着更“智能 的方向发展。 1 2 课题研究现状 电气主设备内部故障的主保护方案之一是差动保护，差动保护在发电机上的应用相 对比较简单，但是作为变压器内部故障的主保护，差动保护有许多特定的问题。例如变 压器差动保护各侧电压等级所用电流互感器的特性不可能完全相同，此外，正常运行中 的变压器，根据电力系统的要求，需要实时调节分接头，这又将增大变压器差动保护的 不平衡电流：由此可知变压器差动保护的不平衡电流将比发电机的大得多。当变压器过 励磁运行时，励磁电流可达变压器额定电流的水平，更有甚者，在空载变压器突然合闸 时，或者变压器外部短路被切除而变压器端电压突然恢复时，暂态励磁电流( 即励磁涌 流) 的大小可与短路电流相比拟，在这样大的不平衡电流下，目前为使差动保护不误动 采用的励磁涌流制动判据并不是十分完善。变压器差动保护应能反映高、低压绕组的匝 间短路，而匝间短路时虽然短路环流中电流很大，但流入差动保护的电流可能不大：变 压器差动保护还应能反映高压侧( 中性点直接接地系统) 经高阻接地的单相短路，此时故 障电流也较小；当变压器绕组匝间短路时，变压器仍带有负荷，这就是说变压器内部短 路时被保护设备仍有流出电流，影响保护的灵敏动作。综上所述，将差动保护原理用于 变压器，一方面要躲开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 有效地区分外部故障和内部故障，并反映具有流出电流性质的轻微内部短路，要较好地 解决这些问题，仍有待开展变压器差动保护的相关研究。 随着超高压远距离输电线在我国越来越多的建成和运行，大容量变压器的应用日益 增多，这不仅对变压器保护的可靠性，而且对其快速性也提出了更高的要求。无论是传 统的模拟式保护，还是微机保护，其中的变压器差动保护包括两个主要部分：一是鉴别 励磁涌流和内部故障电流：二是区分外部故障和内部故障部分。长期的运行经验表明差 2 硕士论文基于模糊多判据的大型变压器差动保护研究 动保护能较准确地区分区内和区外故障，因此当前变压器保护的主要矛盾仍然集中在鉴 别励磁涌流和内部故障电流上。 为满足电力系统不断发展的要求，近十多年国内外学者对变压器保护原理从各方面 进行了深入的研究，提出了许多不同的方案，其中的大多数也经动模试验证明具有较高 的灵敏度和可靠性。目前，差动保护以制动方式分主要有比率制动式差动保护、标积制 动式差动保护两种；以差动电流的计算方式分，主要有纵差保护、零序差动保护、分侧 差动保护、不完全差动保护等跚。 当前，励磁涌流的研究仍然是变压器研究的热点方向，识别励磁涌流的方法主要有 以下几种： 1 ) 基于间断角原理的励磁涌流识别啪1 间断角原理是基于励磁涌流波形中有较大的间断这个特征实现其鉴别的，以准确测 量间断角的大小为基础。其优点是利用了励磁涌流本身朋显的波形特点，能够清楚的区 分变压器励磁涌流和内部故障电流；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；具备一定的抗过励磁能力。但是，用微机保护实现间断角原理有以下难点： 励磁涌流在变压器一次侧有明显的间断角，由于受至i j c t 饱和的影响进入差动继电器的 二次涌流已大大丧失这种特性，利用起来将增加装置的复杂性。测量间断角需要很高 的采样率，这对计算机硬件又提出了更高的要求。由于以上原因使得该原理在变压器微 机保护上的应用受到限制，效果并不是很理想，而且硬件复杂和成本较高，在实用化过 程中要进一步经济技术分析和现场考验。 2 ) 基于二次谐波原理的励磁涌流识别口h 2 1 在变压器励磁涌流中含有较大的偶次谐波分量，其中二次谐波分量最大，当电流信 号中二次谐波的含量超过阀值，即判断是励磁涌流。该原理简单明了，不仅在常规保护 中有较多运行经验，而且在微机保护中容易实现，故在国内外实际投入运行的变压器上 得到广泛的应用。但目前有研究表明，该原理有以下缺陷：由于采用“或 门制动， 因此会出现故障变压器空投时，非故障相闭锁故障相的现象，导致变压器保护延迟动作。 由于励磁涌流的衰减与变压器合闸回路的电阻、电感等参数有关，其时间常数可能较大， 对变压器保护不利。由于变压器合闸的时间、变压器剩磁等不确定因素对励磁涌流的 影响，很难选择合适的制动比。我国和其他大部分国家一般取1 5 2 0 ，但仍然存在 一定的争议。在正常工况下，大容量的变压器内部短路电流的二次谐波含量约为7 ， 而在有串补电容的高压系统和串接高压电缆的变压器短路电流中，二次谐波含量可能高 于1 5 - 2 0 ，这对二次谐波制动原理提出了新的挑战。 3 ) 基于波形对称原理的励磁涌流识别啪侧 波形对称原理是根据电流波形进行分析来识别励磁涌流和内部短路电流，即将差流 的前半波与后半波作对称比较，根据比较的结果来判断是否发生了励磁涌流。由于励磁 绪论 硕士论文 涌流的波形中含有间断角，使得励磁涌流在一个周波波形的前半周与后半周存在不对称 性；而大量研究表明，变压器内部故障时的电流一个周波波形的前半周与后半周是几乎 对称的。在此基础上，又提出波形相关性分析法、波形拟合法等，其基本原理是大致相 同的，实际上都是间断角原理的推广。但它比间断角原理容易实现，克服了间断角原理 对微机保护硬件要求高的缺点。基于该理论方法的共同的缺点是对波形的依赖程度较 大，在有高次谐波及电流互感器传变的影响下，波形可能会失真，导致保护的误判断。 4 ) 基于参数辨识原理的励磁涌流识别口3 叫删 建立变压器的线性动态模型，该模型无需涉及变压器铁芯的非线性关系和磁滞效 应。进而依据变压器在正常运行、励磁涌流以及外部故障时结构及某些参数不变，而内 部故障时结构及参数会改变，来识别变压器内部故障。该方法无需鉴别励磁涌流，能有 效地区分内部故障和励磁涌流、外部故障及正常运行状态。变压器在正常运行、外部故 障和发生励磁涌流时，变压器绕组的匝数和漏磁通所经过的磁路均未发生变化，变压器 绕组的漏磁亦不会发生变化，但当变压器绕组发生单相接地故障、各相绕组之间发生相 间短路或单相绕组部分线匝之间发生匝间短路时，绕组电流通过的绕组匝数会发生变 化，漏电感定会发生变化。基于变压器绕组漏感和电阻在正常运行、外部故障及励磁涌 流时不发生改变而在内部故障时要发生变化这一特征，可把变压器绕组的漏感和电阻值 是否发生变化作为区分内部故障和正常运行、外部故障、励磁涌流情况的判据。与目前 变压器差动保护相比，用这种方法构成的保护无需进行涌流识别，判断方法比较简单、 迅速。即把变压器两侧绕组的电流作为输出量，两端绕组的电阻和漏感值作为待辨识的 参数，构成系统辨识的“灰箱 模型。为提高辨识参数的估计精度，减少内存量，提高 计算速度以适应在线计算，待辨识的电阻和漏感值可利用最小二乘参数估计的递推算法 ( r l s ) 来计算。 5 ) 基于磁特性原理的励磁涌流识别陋刎 磁特性原理是考虑变压器的励磁特性，能完全消除励磁涌流的影响。这一方案的最 重要优点是i 原理清晰新颖，数学模型与变压器铁芯磁链无关，在理论上与励磁涌流无 关，避免了复杂的非线性铁磁性质，因此不需要附加防误动技术措施，也不因现代电力 系统静止补偿电容和超高压电缆的应用而混淆了励磁涌流与内部短路电流的界限。通过 分析和试验得知，该方法具有避开励磁涌流的固有功能，从而使保护能在带有匝间短路 的变压器空载合闸时依然正确动作，而且还可以区分故障发生的相别。这一保护方案需 要知道绕组的漏感，这在实际工作中是不太可能的。为了克服这一缺陷，曾研究将各侧 漏感近似取为变压器短路电抗的一半，这就不可避免地带来误差，降低灵敏度。另外， 这种方法的研究，目前还局限于双绕组的变压器，对于三绕组的情形尚未有明确的结论 ( 三绕组变压器比两绕组的复杂得多) 。 6 ) 基于采样值差动原理的励磁涌流识别州1 4 硕士论文基于模糊多判据的大型变压器差动保护研究 采样值差动原理的基本思路为：由励磁涌流和内部故障电流波形比较可知，励磁涌 流在1 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 影响使波形总是有几个点靠近零点，电流数值上趋向于零，这几个采样点，其电流数值 不满足采样值差动的动作条件。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1 个周期内仍然存在一定的间断角，受这个因素的影响，在1 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才不满足采样值差动动作条件。利用 这个规律，可以用数字保护差流启动后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3 6 0 0 ) ，寻找值s 分相判别，当三相差流中有一相或多相的s 大于设定 值时( r s + 2 ) ，就可认为发生了内部故障，输出动作信号，否则认为是励磁涌流而不 动作。采样值差动不同于相量差动，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 样值差动判据。正因为如此，采样值差动可有效地鉴别励磁涌流和外部故障t a 饱和引起 的差流，同时还具备抗过励磁的功能。采样值差动的数据窗只有一个点，因此它在变压 器励磁涌流或t a 饱和时，差动保护判据必然不满足，比采用全周数据窗的相量差动更能 适应这种饱和非线性。但采样值差动存在模糊动作区，动作边界不固定，在变压器保护 中整定困难，其大多应用在母线差动与短引线差动保护中。 7 ) 基于小波理论的励磁涌流识别h 2 删 数字信号处理技术的飞速发展和一些新兴数学工具的出现，给励磁涌流的识别提供 了新的思路和新的处理手段。近年来从f o u n e r 变换发展起来的小波变换分析法，具有多 尺度分析和良好的时频局部化特性，能在不同频带( 尺度) 上考察信号特征的演化，特别 适用于边缘和峰值突变信号的处理和特征提取。小波理论应用在电力变压器保护中的方 法主要是应用在信号处理、波形的特征提取。小波技术应用在变压器差动保护中的实用 化过程还需要进一步的探索，如何保证计算的实时性和动作的可靠性是一个比较重要的 问题。 1 3 本文所做的工作 本论文从大型变压器保护的实际要求出发，针对变压器差动保护的关键问题如励磁 涌流的识别、比率制动差动保护的特点等展开讨论。具体内容有以下几部分： 1 ) 阐述变压器励磁涌流产生的机理及特点，分析其对变压器差动保护的影响。 2 ) 对二次谐波制动原理、间断角原理、波形对称原理进行深入分析，对其存在的 问题提出相应的改进措施，并利用动模试验数据进行了仿真验证，得到了很好的效果。 5 绪论硕士论文 3 ) 引入模糊数学的理论，提出了基于模糊多判据的励磁涌流识别新原理。新原理 充分发挥了原有各个判据的优点，提高了识别励磁涌流的正确性和故障下的速动性。 4 ) 分析稳态比率制动差动保护的特点，对几种现有的制动电流选取方式进行分析 比对，分析不同的制动方式对保护灵敏度、制动效果的影响，得出了一些有益的结论。 提出将工频变化量差动应用于转换性故障的方案，对存在的问题进行了分析并得出了应 对策略。 5 ) 根据提出的识别励磁涌流的新原理和差动保护算法，以m a t l a b 为平台，编写保 护程序，利用大型变压器动模试验数据进行判据的仿真。仿真结果显示保护方案可行且 能明显提高大型变压器保护的整体性能。 6 硕士论文基于模糊多判据的大型变压器差动保护研究 2 励磁涌流产生的机理与特点 2 1 单相变压器励磁涌流 稳态工作情况下，变压器铁心中的磁通应滞后于外加电压9 0 。，如果空载合闸时，正 好在电压u = 0 时接通电路，则铁心中应该具有磁通一。但是由于铁心磁通不能突变， 结果将出现一个非周期分量磁通+ o 。这样在经过半个周期后，铁心中的磁通就达到 2 。，如果铁心中还有剩余磁通，则总磁通将为2 ，+ ，。此时变压器铁心将严重 饱和，励磁电流将剧烈增大，此电流就称为变压器的励磁涌流，其数值可达额定电流的 的6 8 倍额定电流，同时包含大量的非周期分量和高次谐波。 变压器的励磁涌流和一系列因素，尤其是起决定作用的磁化曲线和铁心剩磁有关。 正常运行时励磁阻抗很大，励磁电流很小，可以近似认为励磁阻抗为常数。在变压器空 载合闸的暂态过程中暂态磁通大大超过饱和值，铁心饱和励磁阻抗变化极大。变压器合 闸时的电路是简单的电阻和电感的串联回路 掰= 厶罢+ r f ( 2 1 1 ) 式中“母线电压； 三，励磁电感： ，变压器内阻。 但由于三。随，变化不是常数，式( 2 1 1 ) 为非线性微分方程，求解困难。于是采取首 先求解磁通，然后再由磁通根据磁化曲线求解电流f ，即使这样要得到励磁涌流的精 确解仍然是困难的。 为了获得励磁涌流的基本特征，分析时我们可以做很多假设，如合闸方为无限大电 源，母线电压为 甜= 巩s i n ( o j t + 0 ) 忽略变压器的漏抗和绕组的电阻，令绕组的磁链为，则 婴：s i n ( 国h 印 于是可求得 = f 砌= 一u c o s ( c o t + 9 ) + c 。 国 或者 = 一。c o s ( c o t - i - 印+ c( 2 1 2 ) 式中 m 。稳态磁通的幅值： c _ 积分常数。 令合闸初瞬间( t = 0 ) 铁心的剩磁为中，则积分常数为 7 变压器励磁涌流产生的机理与特点 硕士论文 c = 。c o s o + o ， 于是有 = - ，时： 。5 半= 瓷卜一s c 斛眦警 亿句 当 ，时0 上升很快，对应于m 峰值的f 。很大。一般认为励磁涌流的最大值不会超过在低压母线短路时的短路电流。 2 ) 铁心饱和时感应系数厶下降，涌流幅值大，衰减快。随着逐渐退出饱和上升， 硕士论文 基于模糊多判据的大型变压器差动保护研究 涌流幅值减小，衰减变慢，涌流衰减到稳态励磁电流的时间很长。 3 ) 由于暂态磁通是单相性的，所以励磁涌流偏于时间轴的一侧。在一个周期中必 有一段时间，。= 0 ，这段时间成为间断角，如图2 1 1 中0 日和幺2 万。 4 ) 磁通的暂态分量越大，涌流越大，间断角却较小，反之间断角越大。 5 ) 在合闸的暂态过程中磁通沿局部磁滞回线变化，因此励磁涌流中出现偶次“谐 波 ，“谐波”是借用稳态周期性电流中的“谐波”概念。 2 2 三相变压器励磁涌流 电力系统的变压器大多为三相变压器，在三相变压器中影响励磁涌流的因素就更 多，如绕组的位置、磁路的结构、连接方式、接地点等，所以三相变压器的励磁涌流要 比单相变压器要复杂的多。系统常见的大型变压器为三个独立的变压器，但由于变压器 保护在二次侧对相位进行调整，以最常用的星形转三角形来说，流入装置的电流为两相 电流的差电流。所以，我们一般研究的励磁涌流为二次侧电流的差电流。当一次侧三相 电流中两相涌流的方向相同且直流分量相差不大时，二次侧涌流中就有一相涌流的直流 分量很小，甚至为零，波形特征表现为该相涌流对称于时间轴，称为对称涌流。相应的 直流分量较大的涌流称为非对称涌流( 或称为单向涌流) 。非对称涌流是由剩磁方向相反 的两相涌流相减生成的电流：而对称涌流是由剩磁方向相同的两相涌流相减生成的电 流。同时，由于变压器侧环流助增的影响，也会导致对称性涌流的产生。 图2 2 1 为实际动模试验录波得到的三相变压器励磁涌流的波形。从图中可以看出 a 相差流和c 相差流为非对称性涌流，b 相差流为对称性涌流，对称性涌流的间断角要 比非对称涌流小，但并不意味着涌流中谐波含量小。 00 们0 0 20 0 0 40 0 0 60 j d 70 0 80 0 1 t i m e s ) 00 _ 0 10 0 0 0 40 晒0 0 叮0 0 0 t i m e ( s ) 图2 2 1 动模试验所得三相变压器励磁涌流 9 5 0 5 2 0 2 5 0 5 霉-2，sd童 善u 暑 变压器励磁涌流产生的机理与特点 硕士论文 2 3 变压器恢复性涌流 当变压器区外故障切除电压恢复到正常的过程中，由于磁通不能突变，磁通中将出 现非周期性的暂态分量，与铁芯剩磁一起使变压器铁芯饱和，导致励磁电流瞬时值很大， 出现励磁涌流，此涌流称为恢复性涌流。但在实际过程中恢复性涌流很难产生，一般产 生后特征也不是很明显，其主要原因有两个方面，其一是由于切除故障时故障电流的消 失要经过息弧的过程，并且息弧往往要在过零点才能真正完成，因此故障切除时电压的 跳变远没有空投变压器时来得大：另一方面，由于有负荷电流的存在，去磁作用的产生， 使得供电方压降增加，电压恢复速度也会减慢。由于这种电压较为缓慢的突变，使得故 障切除时恢复性涌流的涌流特征也就不明显了。 变压器在外部故障切除后的恢复性涌流一般有如下主要特征： 1 ) 峰值较小( 与空载合闸涌流相比) ，难以达到变压器差动保护的启动定值。 2 1 二次谐波含量并不低，即使恢复性涌流能够满足差动保护的启动条件，二次谐 波制动判据也能够正确闭锁差动保护。 近些年来变压器保护在区外故障切除时经常有误动的情况发生。区外故障时电流互 感器在非周期分量的影响下出现饱和，将产生差流，在区外故障切除后逐步退出饱和的 过程中两侧暂态特性不一致也会形成一定的差流。此时，一方面，差流中包含恢复性涌 流和电流互感器传变引起的差流，因而二次谐波电流含量会降低；另一方面，变压器从 故障电流恢复成正常的负荷电流，差动保护的制动量也迅速变小，两方面的原因使得差 动保护可能误动。但是，其中由电流互感器造成的差流较大，是导致变压器差动保护误 动的主要原因。 2 4 变压器和应涌流 在电网中邻近的并联或串联变压器之间，已经工作的变压器由于其他变压器的合闸 也可能会产生涌流，该涌流称为和应涌流【5 卜5 2 】。和应涌流在合闸变压器涌流持续一段时 间后才产生，偏向时间轴的一侧，然后逐渐增大，达到最大值后又逐渐衰减。和应涌流 中的二次谐波含量较低，其中的非周期分量衰减缓慢，容易导致电流互感器暂态饱和， 导致差动保护误动。 和应涌流的形成与许多因素有关，理论推导和仿真试验表明和应涌流是由于励磁涌 流流过系统电阻从而引起变压器接入点电压波动引起的。对于三相变压器而言，运行变 压器中性点是否接地都可能引起和应涌流。和应涌流的形成速度及大小主要与等效的系 统电阻、变压器的连接情况以及运行变压器的二次侧负载有关。 l o 硕士论文基于模糊多判据的大型变压器差动保护研究 3 变压器励磁涌流识别方法研究 为防止励磁涌流引起变压器差动保护误动作，国内外学者提出了很多识别变压器励 磁涌流的方法，这些方法的研究现状在本文第一章中做了简要的介绍。在工程实际应用 中只有基于励磁电流本身的识别方法得到了广泛应用，涉及到电压参数的方法在工程上 很少应用，原因是现场变压器一般不配置专用的电压互感器，接入保护装置的都为母线 电压。在空投的过程中，母线电压变化不大，不能真实反应空投过程中变压器电压的实 际变化，使得涉及到电压参数的励磁涌流识别方法失效。基于变压器自身参数的方法由 于变压器参数要事先测定，且一些参数很难获得，也使得此类方法在工程上得不到推广。 变压器涌流的识别方法还要考虑到能满足工程上电流互感器二次接线的要求，工程上接 入差动保护的一般为单独的电流互感器，这种互感器精度跟暂态特性都比变压器本身的 套管电流互感器要好。同时，这种接线方式扩大了变压器差动保护的范围，使得变压器 差动保护的范围扩大到短引线，如果励磁涌流的识别方法要求接入的是套管电流互感 器，就达不到这样的效果。考虑到励磁涌流识别方法的普遍性，下面就主要的几种基于 电流的识别方法进行分析和探讨。 3 1 二次谐波制动原理 乏。 自本文第二章可知，在励磁涌流中有大量的“偶次 谐波，所以工程技术人员提出 了二次谐波制动原理来防止由于空投引起的变压器差动保护的误动。长期以来，二次谐 波制动原理以其原理简单，实现方便而得到广泛应用。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 比定值一般取为1 5 2 0 ：同时理论研究与实践均发现变压器三相励磁涌流中二次谐 波并非都能同时达到此定值，故大多采用或门制动的方式，即三相差流中有一相二次谐 波含量超过定值即闭锁差动保护。 然而，二次谐波制动原理的变压器差动保护本身存在着一定的缺陷：励磁涌流中的 二次谐波分量受系统合闸角、变压器铁芯剩磁大小、原边绕组的阻抗大小等因素的影响； 另外，变压器的连接方式也影响励磁涌流中的二次谐波分量的大小。近年来，随着电网 电压等级的提高和规模的扩大、变压器容量的增大和制造技术的提高，二次谐波制动面 临以下几个新问题： 1 ) 对于大型变压器，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其端 部连接较长的输电线，输电线的分布电容效应十分明显。因此当大型变压器内部严重故 障时，由于电感和电容的谐振使短路电流中的谐波分量明显增加，有可能引起采用二次 谐波制动原理的差动保护延迟动作。 变压器励磁涌流识别方法研究 硕士论文 2 ) 对5 0 0 k v 系统，为提高系统稳定性常采用无功就地补偿措施，往往在其变压器低 压侧装有l 4 - 1 3 倍额定容量的电力电容器组。在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分量，该反馈电流作 为差流的一部分对差动保护有影响，可能使差动保护延时动作。 3 ) 大型变压器差动保护中，1 5 - - 2 0 的制动比是按照一般饱和磁通为1 4 倍额定 磁通幅值时合闸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小 二次谐波含量有时可能低至1 5 以下，此时差动保护会误动。 鉴于以上这些问题，近些年来许多学者提出了不少改进的措施，文献 5 3 5 4 根据二 次谐波与基波电流之间的关系提出了一种附加相位判别的自适应涌流制动方案，但此方 案只适合不存在转角特性的绕组差动，不具备普遍性。另外也有学者提出了根据电压的 变化和断路器辅助节点的状态来调整谐波定值的方案，此方案要增加现场的二次接线， 也涉及到电压参数的问题，故在工程实际应用方面也不是很理想。 3 1 1 二次谐波含量的讨论 关于三相变压器励磁涌流中二次谐波的含量，文献 3 】得出了一些结论( e 为铁心 剩磁磁密，以为额定磁密，e 为饱和磁密) ： 1 ) 当e = + 0 9 b 时，三相涌流中的二次谐波含量均可能小于。 1 5 2 ) 当耳= 0 7 b 时，三相涌流中有一相的二次谐波含量可能小于1 5 ， 两相中至少有一相的二次谐波含量大于1 5 。 3 ) 当b ，= o 6 b 时，三相涌流中有一相的二次谐波含量可能小于， 2 0 两相中至少有一相的二次谐波含量大于2 0 。 4 ) 当e = o 5 鼠时，三相涌流二次谐波含量均大于2 0 。 但是另外 但是另外 但是，上述结论是基于以下假设条件的( 色= 1 1 5 吃，耳0 7 吃) ： 1 ) 变压器空载合闸于无穷大电源，即电源内阻抗为零，且设电压为1 1 玑。 2 ) 作为近似且简化分析，不计合闸回路的所有电阻( 二次负荷电阻除外) ，即励磁涌 流为不衰减的周期性分量。 3 ) 不计变压器漏阻抗。 4 ) 假设磁密在未达到饱和磁密时，励磁电流为零：当磁密大于饱和磁密后，b 日 饱和曲线以一近似直线代表，即饱和后的变压器铁芯仍为线性的。 实际空投时三相变压器的励磁涌流问题是一个非常复杂的问题，与许多因素有关， 不会同时满足以上的假设条件，同时以上的假设也没考虑电流互感器非线性传变和变压 器铁心非线性磁滞回线的影响，所以说谐波含量很难精确的确定。现场大量的统计资料 1 2 硕士论文基于模糊多判据的大型变压器差动保护研究 显示空投时二次谐波含量大多都会在1 2 以上，所以有的学者提出把二次谐波比的整定 值定在1 2 ，可以比较可靠的实现分相制动，但也存在空投误动的几率，图3 。1 1 1 即 为采集于湖北某5 0 0 k v 变压器空投时保护误动的差流波形和谐波含量变化曲线。从图中 可以清楚地看出在保护启动一个周波后三相差流的二次谐波含量都低于1 2 ，导致差动 保护误动。变压器在空投初始时刻的谐波含量是比较低的。 墓 虽 三 等 葛 ! t i m e ( s ) 图3 1 1 1 空投误动差流波形及二次谐波含量变化曲线 在实际空投的过程中常常会出现对称性涌流，出现这种情况的原因一是因为相位校 正导致的相电流相减，另外还有变压器环流助增对涌流的影响。三相变压器r o 侧空载合 闸时，由于饱和相的励磁电流流过非饱和相，非饱和相的二次侧必然感应出电流来抵 消该电流，该电流就是a g 0 的环流，环流对非饱和相是去磁的，但对饱和相却是助磁， 该现象称为涌流的助增作用。所以说，因为绕组的存在，一】，和】，一的相位补偿方 式都有可能出现对称性涌流。采用这两种相位补偿方式的二次谐波制动差动保护都不宜 采用分相闭锁方式。现在有一种误解认为对称性涌流的谐波含量小，容易引起保护的误 动。事实上，对称性涌流的间断角一般比较小，但是其二次谐波含量并不小，其还是能 很好的适用于二次谐波制动原理的差动保护。图3 1 1 2 为对应于图2 2 1 空投波形的谐波 含量曲线，从图中看出对称性涌流b 相的谐波含量反而比非对称性涌流a c 两相的谐波含 量高。 变压器励磁涌流识别方法研究 硕士论文 图3 1 1 1 二次谐波含量变化曲线 从以上的讨论可知，二次谐波的含量很难精确的确定，但随着变压器制造技术的提 高，三相空投涌流谐波含量小于我国电力系统常设的值1 5 是完全有可能的，可以参照 某些国外的做法，适当的降低此整定值。另外，根据变压器的运行工况也可以自适应的 调整此定值门槛，以保证二次谐波制动的可靠性。 3 1 2 二次谐波制动方式的选取 对于微机变压器保护来讲，由于具有强大的数据处理能力，谐波制动方式的选取较 模拟式保护更加灵活，目前主要有一下三种制动方式【2 1 1 ) 谐波比最大相制动 表达式 m a x 【i 出2 ，鲁，纠如 ( 3 他1 ) 式中l 。，厶。，k 。三相差流基波； 乞：，厶：，厶：三相差流二次谐波。 此种方式是利用三相中二次谐波与基波比的最大值来制动励磁涌流，并非是取任意 时刻的最大值，而是取满足差动动作条件值中取最大。 2 ) 按相制动 表达式 瓦-di2max丽如 ( 3 胞2 ) 乞。，匕。，匕。 “、7 此种方式是利用差流最大相的二次谐波与基波的比值构成制动。 3 ) 综合相制动 表达式 硕士论文基于模糊多判据的大型变压器差动保护研究 警糟搿如 比司 眦x 乙，匕，匕 ” 、 7 此种制动方式是利用三相差流中二次谐波的最大值与基波最大值之比来制动励磁 涌流。 为分析三种制动方式的制动效果，我们定义各相的谐波比如。、吃。、k 。，即 坞。= 警；如= 等；坞。= 等 l d a ll d b li d o l 同时令厶。= m a x 乞。，厶。，屯。) ，三相基波电流的权系数兄，儿，圪分别取为 圪= 半；圪= 等；圪= 等 d id ld l 再设k = m a x y a k z 。，砭6 ，儿。) 。 我们看到权系数反映的是三相差流基波幅值的大小，对第一种制动方式来说即是令 权系数圪= 儿= 圪= l ，即 k = m a x y o k 2 。，圪k 2 6 ，圪k 。 - m a x 局。，局6 ，k 2 。 如 ( 3 1 2 4 ) 从表达式( 3 1 2 4 ) 可以看出谐波比最大相方式制动是不考虑各相差流基波幅值对谐波制 动比的影响。此种方式对励磁涌流的制动是三种方式中可靠性最高的，不足之处是带有 故障的变压器合闸时，非故障相的二次谐波对故障相也实现制动，导致差动保护延迟动 作。对于超高压系统中的大型变压器而言，由于其励磁涌流衰减时间长，故在空合于故 障吁保护动作延时相当长，可达至u l o o m s 以