（电气工程专业论文）大型变压器保护若干问题研究.pdf

华北电力大学工程硕士学位论文 摘要 变压器是电网中的重要设备，其运行状态对整个电力系统的安全运行起着决定 性的关键作用。研究变压器保护在实际应用中存在的问题及找到应对措施，具有重 大的理论和现实意义。本论文首先讨论了变压器差动保护应用中存在的励磁涌流及 和应涌流误动问题，综合考虑变压器差动保护的安全性和可靠性，提出了基于波形 原理的“三取二 励磁涌流闭锁方法，运行实践表明该方法是有效的；分析了和应 涌流的特点以及其对差动保护的影响。其次，论文针对非电量保护现场正确动作率 很低的现状，分析了其误动的原因并提出了具体的非电量保护抗干扰的措施。论文 还讨论了不同电压等级的变压器后备保护配置方案；最后，论文结合国网公司最新 的元件保护标准化设计要求，提出了各电压等级变压器保护的标准设计方案。 关键词：差动保护，励磁涌流，和应涌流，非电量保护，后备保护，标准化设计 t r a n s f o r m e r sa r e ad e c i s i v er o l ei nt h e s i g n i f i c a n t t o s t u d y a b s t r a c t k e ye q u i p m e n t si np o w e rs y s t e m ，w h o s eo p e r a t i n gs t a t ep l a y s s e c u r i t ya n ds t a b i l i t yo fp o w e rs y s t e m i ti sn e c e s s a r ya n d a p p l i c a t i o nq u e s t i o n s o ft r a n s f o r m e rp r o t e c t i o na n dt h e c o r r e s p o n d i n gs l o v i n gm e t h o d f i r s t l ye x c i t i n gi n r u s ha n ds y m p a t h e t i ci n r u s ha r e s t u d i e di nt h ep a p e r t h r e e - t a k e - t w ob r a k i n gs c h e m eb a s e do nt h ew a v e f o r mi s s u g g e s t e dc o n s i d e r i n gr e l i a b i l i t ya n ds e c u r i t yo fd i f f e r e n t i a lr e l a y i n ga n di t i s f e s i b l e s y m p a t h e t i ci n r u s hc h a r a c t e r i s t i ca n dt h ei n f l u e n c et od i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o n a r ea n a l y z e d s e c o n d l yr e a s o n sf o rn o n e l e c t r i cp r o t e c t i o nm i s o p e r a t i o na r ea n a l y z e d a n dd e t a i l e da n t i - i n t e r f e r e n c em e t h o d so fi m p r o v i n gn o n - e l e c t r i cp r o t e c t i o na r e p r o v i d e d c o n f i g u r a t i o ns c h e m eo fb a c k u pp r o t e c t i o nf o ra l lk i n d so fv o l t a g el e v e l t r a n s f o r m e r sa r ed i s c u s s e d f i n a l l yb a s e do nt h eu p t o - d a t es t a n d a r d i z a t i o nd e s i g n s p e c i f i c a t i o nf o re l e m e n tp r o t e c t i o n ，s t a n d a r dd e s i g ns c h e m ef o r5 0 0 k va n db e l o w t r a n s f o r m e rp r o t e c t i o ni sp r o v i d e d q i uy u t a o ( e l e c t r i c a lp 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 u j i a n f e ia n ds e n i o re n g z h ub i n g q u a n 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 ，i n r u s h ，s y m p a t h e t i ci n r u s h ，n o n e l e c t r i c p r o t e c t i o n ，b a c k u pp r o t e c t i o n ，s t a n d a r d i z e dd e s i g n 华北电力大学工程硕士学位论文 摘要 变压器是电网中的重要设备，其运行状态对整个电力系统的安全运行起着决定 性的关键作用。研究变压器保护在实际应用中存在的问题及找到应对措施，具有重 大的理论和现实意义。本论文首先讨论了变压器差动保护应用中存在的励磁涌流及 和应涌流误动问题，综合考虑变压器差动保护的安全性和可靠性，提出了基于波形 原理的“三取二 励磁涌流闭锁方法，运行实践表明该方法是有效的；分析了和应 涌流的特点以及其对差动保护的影响。其次，论文针对非电量保护现场正确动作率 很低的现状，分析了其误动的原因并提出了具体的非电量保护抗干扰的措施。论文 还讨论了不同电压等级的变压器后备保护配置方案；最后，论文结合国网公司最新 的元件保护标准化设计要求，提出了各电压等级变压器保护的标准设计方案。 关键词：差动保护，励磁涌流，和应涌流，非电量保护，后备保护，标准化设计 t r a n s f o r m e r sa r e ad e c i s i v er o l ei nt h e s i g n i f i c a n t t o s t u d y a b s t r a c t k e ye q u i p m e n t si np o w e rs y s t e m ，w h o s eo p e r a t i n gs t a t ep l a y s s e c u r i t ya n ds t a b i l i t yo fp o w e rs y s t e m i ti sn e c e s s a r ya n d a p p l i c a t i o nq u e s t i o n s o ft r a n s f o r m e rp r o t e c t i o na n dt h e c o r r e s p o n d i n gs l o v i n gm e t h o d f i r s t l ye x c i t i n gi n r u s ha n ds y m p a t h e t i ci n r u s ha r e s t u d i e di nt h ep a p e r t h r e e - t a k e - t w ob r a k i n gs c h e m eb a s e do nt h ew a v e f o r mi s s u g g e s t e dc o n s i d e r i n gr e l i a b i l i t ya n ds e c u r i t yo fd i f f e r e n t i a lr e l a y i n ga n di t i s f e s i b l e s y m p a t h e t i ci n r u s hc h a r a c t e r i s t i ca n dt h ei n f l u e n c et od i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o n a r ea n a l y z e d s e c o n d l yr e a s o n sf o rn o n e l e c t r i cp r o t e c t i o nm i s o p e r a t i o na r ea n a l y z e d a n dd e t a i l e da n t i - i n t e r f e r e n c em e t h o d so fi m p r o v i n gn o n - e l e c t r i cp r o t e c t i o na r e p r o v i d e d c o n f i g u r a t i o ns c h e m eo fb a c k u pp r o t e c t i o nf o ra l lk i n d so fv o l t a g el e v e l t r a n s f o r m e r sa r ed i s c u s s e d f i n a l l yb a s e do nt h eu p t o - d a t es t a n d a r d i z a t i o nd e s i g n s p e c i f i c a t i o nf o re l e m e n tp r o t e c t i o n ，s t a n d a r dd e s i g ns c h e m ef o r5 0 0 k va n db e l o w t r a n s f o r m e rp r o t e c t i o ni sp r o v i d e d q i uy u t a o ( e l e c t r i c a lp 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 u j i a n f e ia n ds e n i o re n g z h ub i n g q u a n 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 ，i n r u s h ，s y m p a t h e t i ci n r u s h ，n o n e l e c t r i c p r o t e c t i o n ，b a c k u pp r o t e c t i o n ，s t a n d a r d i z e dd e s i g n 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的工程硕士专业学位论文大型变压器保护若干问题研 究，是本人在华北电力大学攻读工程硕士专业学位期间，在导师指导下进行的研究工 作和取得的研究成果。据本人所知，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。 譬、人、士 一签名鳟气：趔坼 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) 日 期：趟坪日期：趔丛中 华北电力大学t 程硕十学位论文 1 1 论文的背景及意义 第一章绪论 电力变压器是电力系统的重要电气设备，其安全运行关系到整个电力系统能否 连续稳定的工作；随着电力变压器容量的增大和电压等级的提高，对系统的安全性 上了一个台阶，同时出现了超高压大容量变压器，这对变压器保护的快速性、安全 性、可靠性和灵敏性提出了更高的要求。 随着国民经济的持续发展，电力需求快速增长，我国电力工业迅速发展，实现 了全国电网的交直流互联，从以2 2 0 k v 为骨干网架逐步发展成5 0 0 k v 为骨干网架的 电网结构，多个超高压直流输电系统建成并发挥着重要的联网和送电任务，串联补 偿线路逐步使用，7 5 0 k v 示范工程建成并投入运行，1 0 0 0 k v 特高压试验示范工程已 经开工建设。随着电网规模的日益扩大，网架结构日趋复杂，对电网运行控制和继 电保护装置的的要求越来越高，这给继电保护专业的发展带来了前所未有的机遇和 挑战。从对全国继电保护十年的运行情况分析【1 1 ( 见图1 1 ) 来看，继电保护正确动 作率呈逐年上升的趋势，但是变压器保护的正确动作率总体偏低。1 9 9 7 年变压器保 护正确动作率( 6 2 9 l ) 与同期线路保护( 9 7 2 6 ) 相比有很大差距，虽然近几年变 压器保护正确动作率有了大幅度提高，从1 9 9 7 年的6 2 9 1 提高到2 0 0 6 年的9 3 4 6 ， 提高了3 0 5 5 个百分点，但是与线路保护正确动作率相比仍然低6 4 6 个百分点。 ( ) l o o 0 9 9 o 9 8 o 9 7 0 ( ) 9 0 o 8 0 o 7 0 0 6 0 0 1 9 9 7 年1 9 9 8 年1 9 9 9 年2 0 0 0 年2 0 0 1 年2 0 0 2 年2 0 0 3 年2 0 0 4 年2 0 0 5 年2 0 0 6 年 2 2 0 k v 及以上变压器保护正确动作率 1 9 9 7 年1 9 9 8 年 1 9 9 9 年2 0 0 0 年 2 0 0 1 年 2 0 0 2 年2 0 0 3 年2 0 0 4 年 2 0 0 5 年2 0 0 6 年 图1 1近十年全国线路保护和变压器保护正确动作情况 华北电力大学工程硕+ 学位论文 分析全国近十年来变压器保护的动作情况，得出其动作不稳定的主要原因如 下：由于变压器各侧不是单纯的电气关系，存在磁耦合关系 2 】，因此如何区分变压 器励磁涌流和故障电流是变压器保护一直以来在原理上没有得到根本解决的问题； 组屏配置、设计不统一，易使得运行人员误操作引起保护误动；非电量保护管理不 规范引起非电量保护误动等。 因此通过研究励磁涌流识别方法、规范非电量保护设计和管理、结合国网公司 元件保护标准设计提出工程设计规范，对进一步提高变压器保护的正确动作率有非 常重大的理论和现实意义。 1 2 本课题研究的现状 变压器差动保护最严重的问题是励磁涌流。关于如何识别涌流国内外至今也提 出了众多方法【3 h 2 4 1 ，有被广泛认可的二次谐波识别法、间断角特征识别、波形相关 度识别法、引进直流分量的谐波识别法、附加差电流尖顶波的凹弧特征识别法、附 加相位判别的二次谐波制动法等，它们各有劣长，而一些新方法也需要接受实际工 程应用的进一步考验。目前工程上广泛采用的识别励磁涌流的方法有二次谐波制 动、间断角原理和波形对称原理。 二次谐波制动主要利用励磁涌流中二次谐波分量较大的特点，由于变压器励磁 涌流的波形和谐波特征与变压器合闸时刻有关，某些情况下可能导致二次谐波分量 很小，因此采用一相闭锁三相的“或”门闭锁方式。这样做的弊端是当空投于内部故 障时，由于非故障相的励磁涌流存在，差动保护在励磁涌流衰减后才会动作。对于 大型电力变压器，其衰减时间常数较大，涌流衰减需要的时间较长，因此保护延时 较长，造成变压器保护的实际拒动。 间断角原理利用励磁涌流波形中的间断特征，其优点可采用分相闭锁，能够快 速地切除合闸于内部故障的情况，其缺点是电流互感器饱和时，间断角消失，必须 采取额外的措施来恢复间断角，这样增加了保护装置软件的复杂性。同时为了提高 相角比较的正确性，就必须提高采样率，并抑制a d 转换芯片在零点附近的转换误 差。因此该方法还需要在实际应用中进一步完善。 波形对称原理基于故障电流呈正弦的对称特征，而励磁涌流并不具有该特征。 对差动电流进行微分，将微分后差流的前半波和后半波做对称比较，连续比较半个 周波，根据波形的对称程度来快速识别涌流。该原理便于微机保护实现，并采用分 相制动的方式，避免“或”门制动方式存在的问题。 随着电力变压器工作磁通密度的提高，励磁涌流中二次谐波含量将越来越小从 而使得二次谐波无法制动差动保护，但如果要求用户将谐波制动系数整定值降低， 则将会降低变压器差动保护的速动性和灵敏性。因此，关于变压器励磁涌流的闭锁 华北电力大学t 程硕十学位论文 迫切需要新方法。 变压器空载合闸时，与其并联运行的变压器会产生和应涌流，使并联运行的变 压器电流中工频电流变化不大，而直流分量却显著增加。同时二次谐波分量也有所 增加，但比变压器空载合闸的励磁涌流中次谐波分量要小很多。由于和应涌流的 影响，加上变压器两侧电流中谐波分量衰减不一致，使差动保护回路出现差流，而 且和应涌流中二次谐波分量一般都比较小，很难达到定值，使二次谐波无法制动保 护从而造成变压器差动保护误动出口。因此研究和应涌流的特点及对差动保护的影 响非常有意义。 1 3 本论文所作的主要工作 通过对近十年来变压器保护的运行情况分析，总结出目前影响变压器保护正确 动作率的主要因素，相应提出保护设计原理、工程保护配置及应用、现场试验运行 等方面需要采取的措施。 1 、变压器不仅存在电的联系，还存在磁的联系，因此基于基尔霍夫电流定律 的差动保护原理在应用于变压器保护时受励磁涌流的影响，在变j 玉器空充、区外故 障切除时容易导致变压器差动保护误动，本论文通过对现场运行中发生的差动保护 误动事故的分析，阐明差动保护误动的机理，在研究国内外变压器保护涌流判别原 理的基础上，提出励磁涌流制动的新方法，可以有效提高变压器差动保护躲励磁涌 流的能力，并用仿真试验来验证该方法。由于负荷增长的需要，2 2 0 k v 变电所一般 都有2 台以上的变j 玉器，在其中一台变压器处于运行状态，另外一台变压器空充时， 由于和应涌流的影响，可能导致空充变压器和运行变压器差动保护误动，本论文将 分析并联和串联和应涌流产生的机理及其特点，并通过数字仿真验证分析和应涌流 对差动保护的影响。 2 、由于变压器差动保护有幅值和相位变换的环节，在选择以y 0 侧作变换基准 与以侧作变换基准时，相同的故障类型对应的灵敏度可能不同。本论文对此进行 了分析，提出分相自耦变压器差动保护可采用高中压侧开关c t 和低压侧套管c t 构成分相差动保护，避免星三角转换以及励磁涌流闭锁原理是采用按相闭锁还是“或 门”闭锁选取的困难选择，并提出了工程应用方案。 3 、对变压器非电量保护运行中误动的原因进行分析和归纳，分析变压器励磁 涌流、直流接地、二次干扰、冲击负荷对非电量保护的影响，分析了瓦斯保护、油 温保护、压力释放保护的特点，最后提出了系统运行、二次抗干扰等方面需采取的 措施。 4 、针对1 1 0 k v 5 0 0 k v 各种电压等级变压器的特点，并结合主保护的配置情况 对后备保护影响，对各种电雎等级变压器后备保护配置方案进行了详细的叙述，提 华北电力大学t 程硕+ 学位论文 出了大型变压器较为合理的后备保护配置方案。 5 、针对运行中发生的由于人为原因造成的变压器保护误动事故，分析管理上 存在的漏洞，探讨技术管理上可采取的措施。针对目前国网公司元件保护设计规范， 结合保护主后备一体化、双重化配置和加强主保护、简化后备保护的原则，提出5 0 0 k v 及以下电压等级变压器保护的标准设计方案。 4 华北电力大学t 程硕士学位论文 2 1 引言 第二章差动保护的问题和研究对策 作为电力变j 玉器不可缺少的的主保护之一，差动保护为保护电力变压器发挥着 非常重要的作用。国网公司及各地反措都要求2 2 0 k v 及以上的变压器配置双重原理 的差动保护。变压器差动保护虽然在现场广泛应用，对其应用中暴露的问题也不断 得到改进。但是，目前变压器差动保护仍有些问题值得研究，具体如下： 1 ) 对变压器差动保护而言，由于y 0 a 接线，使得变压器各侧存在相位平衡 问题，不同的相位平衡基准选择对差动保护定值整定及差动保护灵敏度的 影响值得研究。 2 ) 励磁涌流判别是变压器差动保护的一个关键问题，当前对励磁涌流的识别 已经有多种方法可选，但是在实际工程应用中仍不免会出现空充时差动保 护误动，其主要原因是励磁涌流识别方法存在不足。结合工程误动数据分 析差动保护中励磁涌流识别方法存在的不足，并提出改进方法。 3 ) 近些年，在正常运行中操作某台变压器时，会在相邻的运行变压器中产生 和应涌流，导致正常运行变压器差动保护误动，因此分析和研究和应涌流 产生的机理及其对差动保护的影响非常重要。 2 2 基准侧选取 变压器差动保护需要特殊考虑幅值平衡和相位平衡，因此需要选择基准侧来处 理相关的平衡问题。 2 2 1 幅值平衡基准侧选取 理论上幅值平衡可考虑选择变压器任意一侧为基准，下面分别以高压侧和低压 侧为基准进行分析。 1 ) 以高压侧为基准，对应的差动电流计算公式见( 2 1 ) 。 i j = i h + k p l l x i 工i + k p l 2 x i 2 ( 2 1 ) 式中：i d 为差动电流；倒l = 等为低压1 侧平衡系数，嗣2 ：等为低压2 侧平衡 系数；代入低压1 侧和低压2 侧的平衡系数，则对应的差动电流见( 2 2 ) 。 5 华北电力大学工稗硕十学位论文 l = 如+ 若”乏l z ( 2 - 2 ) 2 ) 以低压侧为基准，对应的差动电流计算公式见( 2 3 ) 。 i d = k p h x i + ，l + k p l 2 x i 工2 ( 2 3 ) 式中：圈哪：为高压侧平衡系数，圈咒2 ：竽为低压2 侧平 b 侧z - 系数，代入高压侧 胁2 。 和低压2 侧平衡系数，则对应的差动电流见( 2 4 ) 。 驴每i n + i l l + 芒k 协4 ， 式( 2 4 ) 等式两边都乘以当，则可得到与( 2 2 ) 同样的结果。 l p 综上分析，可见理论上变压器差动保护的幅值平衡可选任意侧为基准。选择不 同侧对差动保护定值的影响如下：如果定值为对应的有名值，需要按照具体的基准 侧的额定电流有名值来考虑，当选择不同侧时对应的定值不同；如果定值采用基准 侧额定电流的倍数来表示，则对应的差动保护定值无区别，无论选择哪一侧为基准， 对应的差动保护定值相同。 无论选择哪一侧为基准进行幅值平衡，其对于差动保护的灵敏度无影响。 2 2 2 相位平衡基准侧选取 而相位平衡通常有2 种方式，即以为基准和以y o 侧为基准，相应的需考虑 y 0 一和a y 0 相位转换。这两种方式在相位平衡和消除零序电流方面的处理不 同。以典型的y 0 a 1 1 为例，对比两种不同的相位转换方式。 1 ) y 0 一转换方式：y o 侧按照式( 2 5 ) 处理，侧不处理。 l t 。= 心a ib 、) 巧= ( j 曰一，c ) 压 j ：= ( j c j 一) 历 ( 2 5 ) 式中：，”j j c 为y 侧c t 二次电流，兄、以、丘为y 侧校正后的各相电流。 2 ) _ y 0 转换方式：y 0 侧转换处理见式( 2 6 ) ，侧处理见式( 2 7 ) 。 6 华北电力大学工程硕士学位论文 式中各量的含义同( 2 - 5 ) 。 l 3 l 3 1 = 一 3 2 i 一i8 一ic 、 2 ，b 一，c i ) 2 ic i 一i8 、) e ：昙( j 。一j 。) j ：昙( ，。一j 。) j e ：委( j 。一j 。) j ( 2 6 ) ( 2 7 ) 式中：j o 、j 。、j 。为侧c t 二次电流，丘、毛、e 为侧校正后的各相电流。 对上述两种方式在各种故障情况下的动作量进行分析，可得出如下结论( 见表 2 1 ) 。 表2 1 两种转换方式下各种故障类型动作量比较 单相接地相间短路三相短路 y 0 _ 转换矗| 3 2 x f 3 3 1 _ y o 转换2 3l1 注：表中为三相短路故障电流倍数。 由表2 1 可见，不同的相位平衡基准选择，对三相短路故障的灵敏度相同；在 单相接地和相间短路对应的动作量不同；在相间短路时，y o 一转换方式比一 y o 转换方式的灵敏度高：在单相接地时，一y 0 转换方式比y 0 一转换方式的 灵敏度稍高。所以不同基准侧的选取使得在同样的标幺值定值下，不同故障类型所 对应的差动保护灵敏度可能不同。 2 3 励磁涌流判别 长期以来，如何识别励磁涌流一直是变压器差动保护的一个热点问题。本节将 以某电站2 2 0k v 变压器空充误动数据为例进行仿真分析，分析目前常用的励磁涌 流判别方法存在的问题，并对该励磁涌流判别方法提出改进对策，最后指出对于5 0 0 k v 及以上的变压器，如果变压器低压侧侧内部可装设c t ，其对应的励磁涌流识 别可采用分相闭锁。 7 华北电力大学i ：释硕+ 学位论文 2 3 1 励磁涌流判别分析 以某电站2 2 0k v 变压器窄允动作数据为例进行分析，该变压器为y y d ll 接 线，配有两套差动保护，其t i 筹动保护i 采用次谐波原理识别励磁涌流，其对应 的r _ 次谐波定值为1 5 ；差动保护i i 采用波形对称原理识别励磁涌流。当变压器检 修完牛后在高压侧进行空载合闸操作，出现差动保护i i 动作出【1 ，而筹动保护l 末 动作。经1 了细检查，变h i 器本身并无故障，结合保护装置的录波数据，确定为筹动 保护i i 出现空充误动。图2 1 为窄投时变j 玉器高压侧的二相电流录波图。 囊4 寰 囊卜囊广 讳_ ：i 擎op j - 誊毒害_ 警。l 弋j 繁1 j j 。 _ 1 。 而。南+ + 3 0 4 0 5 0 + 6 0 一而 8 09 0 l i m e ( m s ) 图2 1 变j 玉器高压侧三相电流波形 图2 一l 所示的变压器高压侧电流相位转换后计算得到的各相差动电流波形如图 2 2 所示。 1隧0 、一 i k ：h 嘶懒甜工一一乒，叫气翟一t 一1 。一? ， j ，。_ 。 ! ； 。 i 巧i 一一f ：+ ，一t 。一。j “：一m ”i - ! 一一一i 卜。 v 。 v 二一i 一一 图2 2 变雎器三相差动电流波形 华北乜j 人学j 群硕 j 学f 口论文 图2 2 变胜器各相差动电流的：次谐波含量如图2 3 所示。 5 5 s 。一、：嚣” ”ii ，。一 g3 0 、7 。一7 7 v m of m s l 图2 3 变压器各相差动电流一j 次谐波含量 从图2 2 利图2 3 叮以看，c 相电流波形问断角很小，波形比较对称，接近 i r 弦波，其：次谐波含簧为10 左右。由于筹动保护i 为j 次谐波制动原理，该原 理采用一干闭锁二棚的“或”fj 制动方式，a 、b 两相差动电流的次谐波含量均 大于定值l5 ，凶此该套麓动保护可靠豳j 锁，术发，f 误动。 舞动保护i i 为波形对称原理，该原理采用本相闭锁小相的阴j 锁方式。波7 髟刘称 原理采用式( 2 - 8 ) 进行判别，1 满足式( 2 - 8 ) 时，认为该点为对称点。若有5 0 的，j i 为对称则认为波形埘称，丌放差动保护。 睦些墼笪! 兆k 慨) 一i7 ( ，一n 2 ) f 一、 ( 2 8 ) 式r hn 为个周波采样止i 数；t 对应当前采样，r 气。 、，式( 2 8 ) q 1 刈称| 、j 槛k = 1 3 时，计算得到的荐动电流对称点的白分比如图 2 4 所示。空投后c 才的波形刘称系数在动作边界5 0 。存4 6 m sh , j 。刻开始，c 相 的对称系数超过了门槛5 0 ，从i 而导致差动保护i i 动作出口。 o 矿。一葡。5 06 07 。9 0 币m ef w i s ) 图2 4 各相差流波形对称点百分比 叭 玑 机 叭。 乎 华北电力大学t 程硕+ 学位论文 2 3 2 励磁涌流判别对策 差动保护i i ( 采用波形对称原理，分相闭锁) 误动的原因主要是c 相差流波形 间断角很小、波形接近正弦，波形对称度较好。为了避免波形对称原理在此种情况 下的误动，可能采取的对策如下： 1 ) 调整波形对称判别的门槛k 值。对纯正弦波形而言，式( 2 8 ) 理论值为0 。 差动保护i i 中k 取l 3 是考虑了一定的裕度。文献 2 1 】对波形对称原理的不 对称度k 值作了详尽的分析，认为k 取0 4 时可以很好的闭锁保护，k 取 0 3 则对三相短路可能拒动。因此，可适当降低k 值，当然，k 值的选择 也不宜过低，k 值的选取原则还需要在理论上做进一步的研究。 2 ) 调整波形对称百分比门槛。文献【2 0 】中认为，对于励磁涌流波形，约有1 4 周期以上的点不满足式( 2 - 8 ) 。因为1 4 周期正好占半波点的5 0 ，相当 于最小间断角为9 0 度的情况。从这个角度说，波形对称原理选取5 0 作为 对称百分比门槛是合理的。显然，间断角越小，则不满足对称性的点越少。 对于现代大型变压器，励磁涌流的最小间断角更小，因此，可以适当降低 波形对称的百分比门槛。但降低该门槛，会降低差动保护的可靠性，需要 慎重考虑。 3 ) 由于硬件水平条件所限，目前微机保护装置大多采用每周2 4 点的采样率。 对于波形对称原理而言，由于要计算对称点占所计算数据窗点数的百分比， 因此采样率越高，则所计算的百分比的离散性越小。以2 4 点为例，1 个点 的偏差就会导致1 1 2 即8 3 3 的偏差。因此，适当提高采样率将有利于波 形对称性的门槛的设定。 4 ) 波形对称原理采用分相闭锁是为了解决“或 门制动在空投于内部故障时 保护可能延时动作的问题。长期的运行实践表明，在空投变压器的时候， 总有一相的电流的涌流特征非常明显，间断角较大，波形不对称，易于识 别。考虑到变压器空载合闸多在高压侧y 接线侧进行，实际参与涌流判别 的是计算相i a i b 、i b i c 和i c i a 。因此，i a 、i b 和i c 只要有一相的励磁涌流 特征明显，相电流做差后就会有两相有较为明显的励磁涌流特征，图2 3 的二次谐波含量情况也符合这个规律。当发生故障时对于相间故障，至少 有两相具有故障特征；对于单相接地故障，其中一相为故障电流特征，相 电流做差后，会有两相具有故障电流特征。因此可以考虑采用“三取二 的方式，即有两相电流波形呈对称特征时，认为是故障电流，开放差动保 护。 由于波形对称原理通常不设置开放给用户的相关定值项，因此上述的对策1 ) 和对策2 ) 只能在理论上作为避免波形对称原理误动的策略。而且，对称门槛k 和 1 0 华北电力大学r t 稃硕士学位论文 对称点百分比这两个参数尚无明确的理论计算依据。对策3 ) 是作为波形对称原理 采样率的一个定性分析，采样率越高越有利于波形对称的准确界定。综合考虑到差 动保护的安全性和可靠性，针对本次事故的改进措施是采用对策4 ) 作为应对策略。 实践证明，调整为“三取二 方式后，差动保护i i 再无误动现象。 2 3 3 特殊变压器励磁涌流判别方法 通常对于2 2 0 k v 及以下电压等级的变雎器，其低压侧侧内无法设置c t ，所 以变压器差动保护通常取外c t 构成，如图2 5 所示。对于5 0 0 k v 及以上大型变 压器，变压器的三相分体使得将c t 设置在内成为可能，如果取绕组内c t 构 成差动保护( 如图2 - 6 所示) ，则对应的差动保护不用考虑相位平衡，这样各相差 流与其它相无关。 寻匿 图2 5 常用变压器差动保护c t 布置图 寻匡 图2 - 6 特殊变压器差动保护c t 布置图 对变压器差动保护，由于y 0 a 变换，使得各侧存在相位平衡问题，又由于 侧c t 通常接在环外，使得侧感受不到区外故障的零序电流，而y 0 侧能够感受 到区外故障的零序电流，因此需要考虑消除零序电流的影响。 目前励磁涌流识别方法主要有基于差流和基于相电流两种。由于变压器差动电 流计算前通常要考虑幅值相位平衡及消除零序的处理，这样得到的每相差流将与其 它相发生关系。典型的_ y o 转换使得当y o 侧单相外加应流时，使得相关的三相 产生差流，这样各相之间存在关联，如果采用本相闭锁本相的闭锁方式，不能从理 论上根本性的消除变压器空充时差动保护误动问题。如果采用相电流判别励磁涌 流，则由于侧环流助增使得所采集到的各相电流并非其实的相电流。 如果能如图2 6 装设c t ，则对应的励磁涌流判别可采用绕组内装设c t 与 y 0 侧c t 构成差流后判别励磁涌流，且各相间完全独立，不会出现前述空充中某相 v 1 1 华北电力大学工稃硕士学位论文 无法满足涌流判据导致差动保护误动的情况。对于特高压或超高压变压器，在绕 组内装设c t 并取绕组内c t 构成差流来判别励磁涌流，则可根本性的解决励磁 涌流识别中出现的差动保护误动问题。 2 3 4 励磁涌流判别小结 结合一起变压器空载合闸时差动保护的误动事故对波形对称原理在识别励磁 涌流的能力上作了分析和比较。波形对称原理本身易于通过微机来实现，但其波形 不对称度k 值的选取，对称点百分比的选取以及对采样率的要求都还需要在理论上 作进一步的分析和明确，促进波形对称原理在变j 玉器差动保护的励磁涌流识别问题 上发挥更大作用。提出基于波形对称原理的变压器差动保护采用“三取二 的闭锁 方式，运行实践表明该“三取二 方式是有效的。 对特殊的高电压等级的变压器，当低压侧侧内部可设置c t 时，对应的差动 保护因不考虑相位转换可考虑采用按相闭锁的涌流方案。 2 4 和应涌流研究 当一台变压器空载投入时，总存在其他变压器已并网运行，此时，如果涌流较 大，在已正常运行的变压器中会出现与励磁涌流相对应的和应涌流，供电线路电流 也将出现很大变化。由于重合闸，存在多台变压器同时合闸，在一台或多台变压器 中产生更大的和应涌流，该特征需要作进一步的分析研究。文献2 5 】【2 7 1 对单相变压 器和应涌流产生机理都进行了一定的研究，本节在单相和应涌流基础上研究三相变 压器和应涌流特点及其对差动保护的影响。 2 4 1 单相和应涌流产生的机理 并列运行的变压器与串联运行的变压器，在一台空载投入时，另一台会产生和 应涌流，其产生机理相似，但特点有不同之处。图2 7 为典型的并列运行变压器和 应涌流分析图，图2 8 为典型的串联运行变压器和应涌流分析图。 图2 7 并列运行变压器 1 2 华北电力大学f t 程硕士学位论文 图2 8 串联运行变压器 当图2 7 中t 1 正常运行时，t 2 空载投入( 图2 - 1l a ) 。如果t 2 涌流较大，在 t 1 中将会出现与励磁涌流相对应的和应涌流( 图2 - 1 l b ) ，当出现和应涌流后，涌 流衰减速度很慢，线路电流波形也将出现很大变化。当图2 8 中t 1 正常运行，t 2 空载投入时，如果t 2 空载投入涌流较大( 图2 - 1 2 b ) ，在t l 中同样易产生和应涌 流，此时t l 原边电流为和应涌流与t 2 涌流之和( 图2 - 1 2 a ) ，涌流不对称特征消 失，涌流衰减很慢。 对此图2 7 和图2 8 中的模型分别可用图2 - 9 和图2 1 0 的等值电路模型来分析。 图2 - 9 并列运行变压器等值电路 图2 1 0 串联运行变压器等值电路 图中各参数定义如下：系统的电压为u s ，电阻为r s ，电感为l s ，变压器t 1 的原边等效电阻为r 1 ，电感为l l ，变压器t 2 的原边等效电阻r 2 ，电感为l 2 。 当图2 - 9 中开关s 合闸时，变压器t 2 会产生励磁涌流i 2 ，i 2 完全偏于时间轴 华北电力大学工程硕十学位论文 一侧，有很大的非周期分量，非周期分量电流通过系统电阻造成的压降使得t 1 、 t 2 的母线电压产生直流偏移。由于变压器的磁通是加载在其上的电压的积分，变 压器t 1 的新增磁通将随着母线电压的偏移而向一侧偏移发展，该偏移磁通增量叠 加周期磁通分量将会导致t 1 铁芯在偏移一侧饱和，使得t l 产生和应涌流。 当图2 1 0 中开关s 合闸时，变压器t 2 会产生励磁涌流i 2 ，i 2 的非周期分量通 过系统电阻造成的压降使得t l 的原边母线电压产生偏移，逐步导致变压器t 1 铁芯 的磁通偏移，当磁通偏移导致t 1 铁芯在偏移一侧饱和时，t l 将产生和应涌流。 02 0 0 mz 0 0 m 6 0 g i n 8 0 0 m l i 口 0z o o mo o m6 0 0 m8 。，n t 喜 6 图2 1 1 并列运行和应涌流与励磁涌流变化情况 1 4 ，il|tll _hhf tfft ti t日 o 6 3 t 华北电力大学工程硕士学位论文 02 0 0 r n4 0 0 m6 0 0 m8 0 0 m l 。i 口 0 2 0 0 m o o m6 0 0 m8 0 0 m1 t 摹 b 图2 1 2 变压器t 1 原边电流与t 2 励磁涌流 2 4 2 等值电路中各参数对和应涌流的影响 在涌流及和应涌流产生及衰减过程中，各元件所起作用总结如下： 1 系统电抗：系统电抗大小会影响励磁涌流峰值大小，但由于系统电抗比变压 器短路电抗小，因此，它对降低涌流峰值作用有限，同样，它能降低涌流的衰减速 度，但作用也有限。 在涌流作用下，它不会导致母线电压偏向一侧，因此，它不是导致和应涌流产 生的原因。由于它对涌流的峰值及衰减速度有一定的影响，因此它对和应涌流形成 的速度有一定的影响。 2 系统电阻：系统电阻对涌流幅值及衰减均有影响，影响大小取决于它在整个 回路中所占的比重。在和应涌流形成过程中，它起着快速分配暂态磁通的作用。和 应涌流的过程，实际是合闸变j 玉器产生的暂态磁通重新分配到其它变压器中去的过 程，在这一过程中，系统电阻起着重要的作用。它的大小决定了重新分配的速度。 当分配完成后，即和应涌流达到最大点后，它对和应涌流的衰减影响很小。正因为 如此，小系统的和应涌流更应当重视。在小系统中，一般认为涌流倍数大、衰减快， 1 5 华北电力人。学t 程硕十学f 口论文 这是因为变压器容量小，所以涌流倍数大、衰减快是因为小系统中系统电阻较大造 成的。由j ：系统电f 5 h 对和应涌流衰减儿乎没自作j ，所以和应涌流将衰减很慢，值 得注意。 3 变j 长器阻抗：变压器短路阻抗般较系统阻抗大，冈此对涌流峰值及衰减速 度均有很大影响。在并列和应涌流与串联和应涌流中，变拯器各部分阻抗起着4 i 同 作用。 在并列和应涌流中，变j t 器副边阻抗不起任何作用。原边电阻则对涌流及和应 涌流衰减起重要作用，尤其足和应涌流。它足导致和应涌流衰减的唯一途径。 在串联和应涌流巾，与系统连接的变j 玉器，其原边阻抗作用与系统 i 抗作用完 全一致。其副边阻抗与合闸变压器原边阻抗作用敛。对励磁涌流人小有限制作用， 其电阻部分足和应涌流衰减的重要原凶。 4 供电线路阻抗：该阻抗与系统阻抗作用一致，一般并入系统阻抗中分析。 5 连接两台变压器的线路阻抗，无论何种和应涌流方式，该阻抗对和应涌流的 大小及衰减都起着很大作用。图2 1 3 为变j 玉器i i t j 电阻为1 q 情况卜的i 布h 变压器a 相和应涌流仿真波形，图2 14 为变压器问电阻为0 1 q 情况卜的三相变压器和应涌 流仿真波形，显然变压器叫电阻越小，和应涌流越大、衰减越慢。但对) f ：列方式， 该阻抗对涌流大小不起作用。由于图2 1 3 、图2 1 4 为三相变雎器的和应涌流，凶 此其初期电流与单棚变压器和应涌流有些不同，这将在三相变压器和应涌流中分 析。 一2 0 r r 1 一 012345 【s 】 ( f i l e2 4 k m 州站变压器佃成涌流p 1 4 ；x - v a t t ) ( ：x 0 0 0 a - x 0 0 0 a 图2 1 3 变压器间电阻为i - q 时，a 相和应涌流 华北电力入学下稗硕 ：学位沦文 - 2 0 ：f 一j 一i 012345 i s 6 ( f i l e2 4 k i n 蚓站变脉器似应涌流p 1 4 ；x - v a t t ) c ：y g ) 0 1 i ，a 。0 铡a 图2 1 4 变压器间电阻为0 1 q 时，a 相和应涌流 2 4 3 两种和应涌流异同点 两种和应涌流本质卜都是合闸变压器的暂态磁通向其他变压器分配时造成的， 在不同接线办式下，暂态磁通的大小、分配的速度、暂态磁通最终衰减的速度存在 差异