（电力系统及其自动化专业论文）变压器励磁涌流与和应涌流的分析研究.pdf

华北电力人学硕f ：学位论文 中文摘要 励磁涌流一直是影响变压器差动保护正确动作的原因之一，对于三相变j 玉器而 言，若差动保护采用不同的转角方式，其三相涌流特征更为不同，因此本文从励磁 涌流的机理以及特征出发，研究了转角方式对励磁涌流2 次谐波比闭锁判据的影响， 并提出了新的转角方式即不减零序电流的a - - y 转角方式，以及解决好该方式下存 在的问题。同时，近年来出现了多起和应涌流导致变压器差动保护和后备保护误动 的现象，本文对和应涌流的产生机理及其特征进行了仔细的分析，并系统研究了和 应涌流对变压器后备保护和其它保护的影响，分析了保护误动的原因，提出了相应 的防误动措施。 关键词：励磁涌流，和应涌流，转角方式，波形相关度，变压器 本论文得到了“国家自然科学基金 项目( 项目号5 0 6 0 7 0 0 6 ) 的资助 英文摘要 i n r u s hc u r r e n th a sb e e nar e a s o nw h i c hi n f e c t st h ec o r r e c to p e r a t i o no ft h e t 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 n f o r3p h a s et r a n s f o r m e r s ，t h eu s i n go fd i f f e r e n t c u r r e n tc o m p e n s a t i o nm e t h o d sw i l ld i f f e rt h ec h a r a c t e r i s t i c s o f3p h a s ei n r u s h c u r r e n t t h e nc o m b i n e dw i t ht h em e c h a n i s mo fi n r u s hc u r r e n t ，t h ee f f e c t so fc u r r e n t c o m p e n s a t i o nm e t h o d so nt h er a t i oo fs e c o n dh a r m o n i cb a s e ds c h e m ea g a i n s tt h e i n r u s hc u r r e n ta r er e s e a r c h e d t h e nt h en e wc u r r e n tp h a s ec o m p e n s a t i o nm e t h o di s i m p r o v e db yu s i n gt h ep h a s ec u r r e n tw i t h o u tc o m p e n s a t i o nt oc a l c u l a t et h er a t i oo f s e c o n dh a r m o n i c ，a n ds o l v et h ep r o b l e mo c c u r r i n gi nt h en e wm e t h o d t h e s ey e a r s ， t h e r ea r ei n s t a n c e so fs y m p a t h e t i ci n r u s hr e s u l t i n g i nt h em a l f u n c t i o no f 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 na n db a c k u pp r o t e c t i o n i n t h et h e s i s ，b y a n a l y z i n gt h em e c h a n i s ma n dc h a r a c t e r i s t i c so fs y m p a t h e t i ci n r u s h ，w em a k e a s y s t e m a t i cs t u d yo n t h ei n f e c t i o nt ot h eb a c k - u pp r o t e c t i o na n do t h e rr e l a t i v e p r o t e c t i o ni nt h ep a r a l l e lc o n n e c t i o n ，a n dw ea n a l y z e t h ec a u s e so ft h em a l f u n c t i o n o fp r o t e c t i o n s e v e r a lr e l e v a n tm e t h o d sf o rt h eo p e r a t i o na r ep r e s e n t e d x uy u n y a ( e n g i n e e r i n gi np o w e rs y s t e m & a u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f l i uj i a n f e i k e yw o r d s ：i n r u s hc u r r e n t ，s y m p a t h e t i c i n r u s hc u r r e n t ，c u r r e n tc o m p e n s a t i o n m e t h o d s ，w a v e f o r mc o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n t ，t r a n s f o r m e r p r o j e c ts u p p o r t e db yn a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a ( n o 5 0 6 0 7 0 0 6 ) i 一 声明户明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文变压器励磁涌流与和应涌流的分析 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。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己在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：日期：三翌8 ：亨! 严 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：日期：三塑：! 堂 华北电力人学硕士学位论文 1 1 课题背景和研究意义 第一章引言 电力变压器作为一种关键主设备，在电力系统中占有极其重要的地位。一旦发 生故障遭到破坏，检修难度大、时间长、会造成很大的经济损失。电力变压器运行 的可靠性是整个电力系统安全的重要保证。因此，变压器继电保护的正确可靠动作 具有极端重要性。如果变压器发生故障时，保护装置拒动或者不能在要求时间内快 速动作，可能造成变压器不同程度的损坏，甚至烧毁；如果变压器在没有发生故障 时继电保护装置发生错误动作，又会造成不必要的停电损失。变压器内部短路、保 护误动，还将影响电力系统的稳定运行1 。 长期以来，差动保护一直是变压器电量保护中的主保护，长期运行经验表明差 动保护能够灵敏地区分变压器区内和区外故障，但在变压器空投和外部故障切除后 电压恢复时，则可能会出现数值可与内部故障电流相比拟的励磁涌流，导致差动保 护误动。当前变压器差动保护的关键问题仍然是如何准确鉴别励磁涌流和内部故障 电流。而三相变压器空载投入电网中，由于三相的接入初始相位角不同，每相产生 的励磁涌流情况也不同，又因为变压器绕组连接方式及磁路结构的不同，对线电流 中励磁涌流的大小和波形也有较大的影响。因此，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。 对于常规的变压器差动保护，由于变压器绕组接线组别不同引起差动回路中产 生较大的不平衡电流，为此要求两侧t a 二次侧采用电流相位补偿法接线。在变压 器微机保护中，由于软件计算的灵活性，允许变压器各侧t a 二次都按y 型接线， 在开始进行差流等计算前，进行电流相位补偿的数据处理乜，3 j 。针对不同的转角方式， 变压器差动回路中差动电流有所不同，从而影响判别励磁涌流的效果。 随着微机保护的发展，差动保护的动作速度进一步提高，整定值变得更加灵敏。 另外，为了提高匝间短路灵敏度，差动保护的启动值也大幅度降低，因而变j 玉器励 磁涌流对差动保护造成误动的机会大大提高，特别是变压器经过幅值相位变换后可 能出现的对称涌流更容易造成变压器差动保护误动h 1 。而且已有的研究发现，一y 和y 一两种转角方式在识别励磁涌流的能力上相当，采用分相闭锁方案会遇到困 难阻1 。因此，有必要进行变j 玉器各种转角方式判别励磁涌流能力的分析，并且提出 新的转角方式及补偿办法，使之有效判别励磁涌流和故障电流。 同时，关于和应涌流的研究己成为变压器保护研究中的关键问题之一。近年来， 出现了多起和应涌流引起变压器及发电机差动保护和后备保护误动的事故，和应涌 华北电力人学硕一j j 学位论文 流问题越来越引起人们的关注。随着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，这对变压器保护的可靠性和速动性都提出了更 高的要求。由和应涌流引起的保护误动是继电保护领域日益突出亟待解决的难点和 关键问题，这就迫切要求我们全面研究变j 玉器和应涌流的产生机理、性质特点、影 响因素，细致分析危害原因，提出完善的防范措施，实现变压器在和应涌流下能够 安全稳定的运行。 另外，和应涌流的形成与许多因素有关，其产生形式是多样的，并且在形成和 应涌流的过程中，由于运行变压器本身没有故障，误动发生在相邻变压器空投完成 一段时间之后，所以很难查明误动原因，误动原因更具有隐蔽性，由其所引起的保 护误动问题正逐渐引起人们的重视；而且已有的研究发现，以往的励磁涌流判据大 都不太适合作为判定和应涌流的依据，因此对和应涌流的机理深入分析就显得很重 要。本论文将致力于变压器和应涌流产生机理及其对变压器保护的影响和防误动措 施的研究。 1 2 转角方式的研究现状 在变压器微机保护中，由于软件计算的灵活性，允许变压器各侧t a 二次都按y 型接线，在开始进行差流等计算前，进行电流相位补偿的数据处理比一1 。 针对不同的转角方式，变压器差动回路中差动电流有所不同，从而影响判别励 磁涌流的效果。目前，变压器微机保护中使用的转角方式主要是一y 和y 一两 种方式。文献 3 认为一y 和y 一两种转角方式在识别励磁涌流的能力上相当， 采用分相闭锁方案会遇到困难；文献 5 则认为，采用y 一补偿方式可能会产生对 称涌流，二次谐波原理涌流判据采用分相制动，则在变压器空投时容易误动；若采 用最大相制动，故障相受非故障相的影响，在带故障空投时延缓保护动作时间。而 采用一y 补偿方式，对于变压器带故障空投，故障相的电流表现为故障特征，而 非故障相的电流表现为励磁涌流特征，励磁涌流闭锁判据采用分相制动差动保护， 可明确区分励磁涌流和故障的特征，大大加快保护的动作速度。而对于空投变压器， 用一y 电流补偿方式不会产生对称涌流，保证差动保护在空投时不误动。文献 6 则认为经过y 一电流补偿方式后，由于其幅值相位校正后的电流只与两相励磁电 流有关，其2 次谐波含量的损失较小，对基于2 次谐波的变压器差动保护影响较小。 然而经过一y 转角方式后，由于其校正后的电流与三相励磁电流都有关，在某些 情况下，可能会使三相励磁电流中的2 次谐波含量相互抵消，引起差动保护误动。 文献 7 认为对称涌流中的2 次谐波比并不一定比单侧涌流低，提出了利用未经补 偿的相电流计算励磁涌流闭锁判据中2 次谐波比，提高分相闭锁的可靠性。 华北电力人学硕，i 二学位论文 同时，转角方式反应接地故障灵敏度上也存在差异。一y 和y 一两种转角方 式由于消去了零序电流，没有有效利用零序电流，而使变压器在y 侧内部发生单相 接地故障时灵敏度降低1 3 。文献 8 通过比较中性点零序电流和由y 侧三相相电流 计算的零序电流之间相位来判断区内还是区外故障，从而区内故障不需要对y 侧消 灵虚电流，保证区内接地故障灵敏度不降低，区外故障不误动。文献 9 则采用y 侧每相电流都减去1 3 的中性点零序电流的补偿方法，提高差动保护对接地故障的 灵敏度。 本文将在此基础上，进一步分析2 中转角方式识别励磁涌流的能力，同时提出 新的转角方式，以及分析不同转角方式反应接地故障灵敏度上可能存在的问题。 1 3 和应涌流的国内外研究动态 目前国内外学者对变压器和应涌流问题已经作了一定的研究，并提出了一些防 范措施。 国外早在1 9 4 1 年就通过现场波形记录、试验测试和电流表达的数学推导对和应 涌流现象进行了深入地分析【l0 1 ，并讨论了和应涌流对变j 玉器差动保护和过流保护的 影响。文献【1 l 】通过数值仿真一台变压器空投充电而另外一台空载、负载或有并联 电容器的变压器正在并联运行时，两台变压器的电流、磁链和公共连接点的电压变 化，分析了影响和应涌流的部分因素。文献 1 2 ，1 3 通过仿真分析并联和级联变压 器两种系统结构形式，指出空投一台变压器时，励磁涌流在系统和变压器间电阻上 产生的不对称电压，这在变压器之间产生了一种暂态和应左右，不但使空投变压器 的励磁涌流的幅值和持续时间发生变化，而且在运行变压器中将产生和应涌流，结 果导致运行变压器差动保护误动和长时间的谐波过电压。 国内对和应涌流的认识主要是根据波形对其特征进行描述，并没有对其发生和 发展过程给出较好的解释。参考文献有关“励磁电压受到影响，励磁电流就会随之 发生变化”的论述有助于和应涌流产生机理的理解。文献【1 4 】推导了当一台变j 玉器 正常运行时，另外一台并联或级联变压器空投充电时，两台变压器的磁链解析表达 式，定性分析了正在运行的变压器可能发生饱和现象，以及和应涌流的产生机理和 影响因素。同时，在利用分段线性特性考虑铁心磁化特性的情况下，通过数值仿真 进一步分析了空投充电变压器的剩磁与合闸角、系统阻抗参数对运行变压器和应涌 流幅值及饱和速度的影响，并初步分析和应涌流中二次谐波含量的变化特点以及较 大的直流衰减分量使电流互感器暂态饱和是导致变压器差保护误动的原因；文献 1 5 】 分析了和应涌流产生的物理机理及其对差动保护的影响，由于相邻变压器空投涌流 中的非周期分量流过系统电阻，导致公共节点上电压的非周期波动，引起该变j 玉器 华北电力人学硕士学位论文 产生和应涌流，且和应涌流中衰减较慢的非周期分量所引起的电流互感器局部暂态 饱和是导致差动保护误动的主要原因；文献 1 6 1 在等效电路的基础上，从磁通变化 的角度出发，分析了单台变压器励磁涌流的衰减机理，并给出相应的关系式，然后 研究了变压器和应涌流的产生机理及其变化特点，最后，对系统等效电阻、并联与 串连以及运行变压器负载对和应涌流的影响进行了初步的分析；文献【1 7 1 通过实例 介绍了变电站在新变压器投运过程中多次发现进线开关的过流保护误动作的情况， 利用和应涌流模型解释了这一现象，最后提出防止该情况下过流保护误动作的方 案；文献【1 8 】结合和应涌流的特点，在实际仿真的基础上，系统的分析了串连和并 联2 种情况下和应涌流对变压器差动保护、变j 玉器后备保护及其他相关保护的影响。 文献 1 9 1 结合和应涌流产生机理，通过数值仿真，提出利用时差法对和应涌流进行 鉴别，防止和应涌流引起差动保护误动。 虽然目前国内外学者对变压器和应涌流问题已经作了一定的研究，并提出了一 些防范措施，但对于实际系统中多台变压器串、并联情况下，和应涌流引起变压器 后备保护防止误动的措施还没有出现。为此，加速对变压器和应涌流问题的全面研 究，加快研制识别和应涌流判据并提出完善的防范措施是紧迫而重要的任务。 1 4 本论文的主要工作 1 、进行变压器空载合闸励磁涌流的产生机理及其特性的理论分析，研究空投 情况下三相变压器与单相变压器励磁涌流的异同点。 2 、在变压器空载合闸时，分析了变压器差动保护中各种常见的转角方式特点 以及识别励磁涌流的能力，在采用分相闭锁方式时，都会遇到困难，进而提出新的 转角方式，通过仿真分析和验证，该方式下利用2 次谐波比识别励磁涌流可以提高 分相闭锁的可靠性，同时反应接地故障灵敏度上，由于有效利用了零序电流，可以 保证y 侧保护区内故障时灵敏度的不降低。 3 、针对所提出新的转角方式下，差动保护反应接地故障上可能存在的问题， 从而研究变雎器内外区故障时，变压器差流的特征，提出利用波形相关度的方法解 决问题。 4 、建立变压器和应涌流数值仿真模型。该模型具备以下特点可以对变压器和 应涌流的产生机理和影响因素进行分析：适于仿真两台并联变压器产生和应涌流的 结构，可调整模型中的各参数。另外，该模型能够仿真变j 玉器内、外部短路故障， 可以分析防止和应涌流引起保护误动的措施对内、外部故障时后备保护动作性能的 影响。 5 、分析并联和应涌流的产生机理，通过数值仿真进一步分析模型中的空载合 华北电力人学硕l 二学位论文 闸变压器的剩磁与合闸角、系统阻抗等参数对运行变压器和应涌流幅值及饱和速度 的影响，找到和应涌流引起变j 玉器后备保护误动的根本原因。 6 、提出识别和应涌流的判据与防止和应涌流引起变压器后备保护误动的措施。 经m a t l a b 仿真实验验证该方法的可行性和有效性。 华北电力人学硕j ：学位论文 第二章变压器励磁涌流问题分析 本章简单描述了单相变压器及三相变压器励磁涌流的产生机理及其特点，为后 面各章的展开分析打下基础。 2 1 变压器励磁涌流的产生机理 当单台变压器空载合闸时，由于其磁链不能突变，从而产生非周期磁链，使得励磁 支路饱和，出现励磁涌流，涌流波形偏向时间轴一侧，具有间断角，在第一个周期达到 最大值，以后慢慢衰减至稳态运行情况。 以单相变压器为例来说明变压器励磁涌流的产生机理。其等效电路如图2 1 所示， 设厶、r 分别为变压器t 1 的励磁电感和线圈电阻，并假设变压器不饱和时励磁电感 无穷大，尺。、。分别为系统和电阻、系统电感与变压器漏感之和。 i s r sk u s t 1 图2 - 1 单相变压器空载合闸等效电路 设电源电压为正弦电压，即 ，= u 。s i n ( r a + 口) ( 2 一1 ) 当空载单相变压器突然投入无穷大电源( 电源内阻抗为零) 时，忽略变压器的 漏抗，并令变压器一次绕组匝数n = i ，则有： d 矽d t = u 。s i n ( o x + 口) 矿：一皇上c 。s ( 耐+ 口) + c 国 式中积分常数c 是由合闸初始条件( t - - 0 ) 的铁芯剩磁办决定的，即 c ：v - c o s a + 参i 缈 因此空载合闸的铁芯磁通为 矽= 九c o s ( r a + 口) + 丸c o s o f + 办 ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 华北电力人学硕十学位论文 式中，九= 告为对应电压u 。的磁通幅值。九c 。s ( 础+ 口) 称为稳态磁通，# m c o s o ! + 办 称为暂态磁通。 为了得到空载合闸励磁涌流，可利用变压器铁芯的磁化曲线，用作图法求解， 如图2 - 2 所示。 【a )( b ) 图2 - 2 作图法求解单相变压器励磁涌流 ( a ) 磁化曲线( b ) 励磁涌流 图2 2 ( a ) 为变压器铁芯近似磁化曲线，对应图2 2 ( b ) 中的磁通矽( f ) ，由铁 芯近似磁化形成图2 2 ( b ) 的励磁涌流波形。 当磁通矽 识时， 变压器铁心饱和，励磁电感迅速减小，从而产生了励磁电流，分析知道励磁涌流是 由于变压器空载投入产生的暂态磁通引起的。由于磁通不能突变，在空载投入时， 变压器不会饱和，要经过一段时间后才会产生励磁涌流，出现间断角。若不考虑变 压器的损耗，暂态磁通不会衰减，励磁涌流呈现周期性的变化；若考虑变压器的损 耗，暂态磁通逐渐衰减，使得涌流的幅值逐渐变小，直到涌流消失。 2 2 单相变压器励磁涌流特征的分析 从以上的分析可知： l 、当铁心磁通不饱和时，励磁电流很小，通常不超过额定电流的2 。5 ，而 当铁心磁通饱和后，励磁电流随着磁通的增大，而快速增大。 2 、在一个周波中，由式2 5 可知，磁通最小值为j 屯c o s 口+ 办l _ 九c r ，而剩磁 佴总是小于工作磁通九，也小于饱和磁通九，由此说明，在一个周波中，总有一段 时间铁心中磁通小于饱和磁通，此时励磁电流很小，励磁涌流出现间断角。 3 、另一方面，由于九 组，饱和只可能出现在时间轴一侧，即励磁涌流偏移时 间轴一侧，这种偏向一侧且有间断角的波形显得不对称，利用傅立叶级数对励磁涌 流进行谐波分析，励磁涌流中含有多种谐波成分，其中二次谐波含量大，变压器差 动保护常采用这些特征来判别励磁涌流【2 1 1 。 华北电力人学硕i j 学位论文 2 3 三相变压器的励磁涌流分析 三相变压器励磁涌流产生的基本原理与单相变压器相同。当三相变压器空载投 入电网中，由于三相的接入初始相位角不同，每相产生的励磁涌流情况也不同，而 变压器绕组连接方式及磁路结构的不同，对线电流中励磁涌流的大小和波形也有较 大的影响。 以y 0 接线的变压器为例，如图2 3 所示。 訇雕- - g b ( b ) 图2 - 3y o a 变乐器的三相接线和单相等效电路 ( a ) 三相接线图( b ) 单相等效电路 当三相变压器y 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，该电流就是侧的环流i 仃，根据磁 势平衡原理，电流i d 对非饱和相铁芯柱起去磁作用，对产生励磁涌流的饱和相却起 助磁作用，称为“助增效应。环流助增会影响y 侧涌流出现不一样的波形特征， 对变j 玉器差动保护产生影响【2 3 1 。即： 由式子( 2 6 ) 可知，y 侧测量到的励磁涌流f 。、f 日、并非三相各自的铁芯 磁化电流o 、k 、c ，它由各自的励磁电流与环流f d 构成，三相涌流相互影响。 现场的大量录波也证明三相涌流并非全部偏向时间轴一侧，往往有一相表现为对称 性电流【2 4 1 。所以说三相变压器的励磁涌流将不同于单相变压器励磁涌流，其中二次 谐波与基波之间的比值也发生变化，可能不满足常规给定的1 5 一2 0 的数值，若差 动保护采用不同的转角方式，其三相涌流特征也更不同，需要结合差动保护的转角 方式来进行分析波形特征的变化以及2 次谐波比值的变化。 根据理论分析和实验结果，可以发现三相变压器的励磁涌流具有以下特点【2 5 】： ( 1 ) 由于三相电压之间有的相位差因而三相励磁电流不会相同，任何情况下空 载合闸至少在两相中要出现程度不同的励磁涌流。 ( 2 ) 三相变压器励磁涌流中同样含有较大的二次谐波分量，其含量大小与铁芯 饱和磁通和剩磁的大小直接相关。对于两相涌流之差来说，二次谐波分量有可能很 6二l b b b + + + k = = = “bk 华北电力人学硕七学位论文 小，但总有一个_ 两相涌流之差中的二次谐波分量超过2 0 。 ( 3 ) 某相励磁涌流可能不再偏离时间轴的一侧，变成了对称性涌流。其它两相 仍为偏离时间轴一侧的非对称性涌流。 ( 4 ) 波形有间断角。无论单侧性或对称性涌流波形都具有间断角，周期涌流的 间断角较小。 华北电力人学硕士学位论文 第三章变压器转角方式的分析 三相变j 玉器有多种联结组别，高低压侧线电流存在相位差，会引起差动回路中 产生较大的不平衡电流，为此要求两侧t a 二次侧采用电流相位补偿法接线。而不 同的转角方式也会影响空载合闸时三相变压器三相励磁涌流特征，同时涌流的2 次 谐波比值也会有所不同。 目前，变压器差动保护广泛采用2 次谐波制动原理，2 次谐波制动原理是通过计 算差动电流中的2 次谐波电流分量与基波电流分量的幅值之比来判别励磁涌流与故 障电流的，运行经验与分析表明，一般情况下，励磁涌流中含有较大的2 次谐波分 量，而故障电流中的2 次谐波分量较小。2 次谐波制动原理简单明了，在变压器保 护中得到广泛应用。 所以在本章将详细阐述各种转角方式的算法，分别在转角方式对2 次谐波比励 磁涌流闭锁判据的影响和反应接地故障灵敏度两方面进行分析。并提出一种新的转 角方式，进一步对比分析3 种转角方式在变压器差动保护中利用2 次谐波比识别励 磁涌流的能力；并且分析不同转角方式反应接地故障灵敏度上可能存在的问题。 3 1 两种常用的转角方式的分析 在变压器微机保护中，由于软件计算的灵活性，允许变压器各侧t a 二次都按 y 型接线，在开始进行差流等计算前，进行电流相位补偿的数据处理【2 】。 以国内通常采用的y 0 ，d 1 1 接线的变压器为例，目前，差动保护中普遍采用两种 不同的电流相位补偿方法：一种是将y 侧电流通过算法转换为与侧电流相对应， 在正常运行或外部对称性短路故障情况下，差动继电器中没有不平衡电流流过，称 为y 一电流相位补偿方式，另一种是将侧电流通过算法转换为与y 侧电流相对 应，同时，为防止y 侧外部发生接地故障时零序电流导致差动保护误动，需要对y 侧电流进行消零序处理，称为一y 电流相位补偿方式。 以上两种电流相位补偿方式主要存在以下两方面的差异： 1 、反应接地故障灵敏度上的差异。 y 一和一y 两种电流相位补偿方式由于没有有效利用零序电流，在变压器内 部发生单相接地故障时灵敏度降低1 3 。 2 、鉴别励磁涌流效果的差异。 文献 3 认为y 一和一y 两种电流相位补偿方式对涌流特征的影响相当，采 用分相制动方式同样会遇到困难。文献 6 则认为经过y 一电流补偿方式后，由于 华北电力人学硕十学位论文 其幅值相位校正后的电流只与两相励磁电流有关，其2 次谐波含量的损失较小，对 基于2 次谐波的变压器差动保护影响较小。然而经过一y 转角方式后，由于其校 正后的电流与三相励磁电流都有关，在某些情况下，可能会使三相励磁电流中的2 次谐波含量相互抵消，引起差动保护误动。 以y 0 ，d ll 接线的变压器为例，如图3 1 所示。为简化分析，设变压器绕组电压 比为1 。 3 1 1y 一转角方式 图3 1 变压器y 0 ，d 1 1 接线的绕组图 图3 2 变压器y 0 ，d l l 两侧电流相量图 以y 0 ，d ll 接线方式的变压器为例，如图3 2 所示，两侧电流相位差为3 0 。， 为了消除这3 0 。的相位差，同时调整两侧电流幅值，将y 侧电流通过算法转换为与 圈= 巴训纠 h 2 h ( 3 1 ) ( 3 2 ) 式中： ，i b ，电为电流相位补偿以后y 0 侧a b c 三相电流，i a ，i 口，t 为 流过y 0 侧绕组的a b c 三相电流。乞，毛，。为电流相位补偿以后的侧a b c 三相 电流，屯，毛，为流过侧a b c 三相线电流。 在变压器在y o 侧空载合闸时，流入保护的差动电流为y 0 侧两相电流之差，由 文献 2 6 知： 华北电力人学硕十学位论文 i l c h a2 l a o 口2 l m a l m s i c h b2 l b o c2 砌一l m c 【l c h c2 l c l 2 l m c z 砌 式中：o 、k 、c 分别为各相励磁支路电流。 3 1 2 一y 转角方式 ( 3 3 ) 在y 0 侧减去零序电流，同时调整两侧电流幅值，使之在正常运行时或在变压 器外部发生对称性短路故障时，差动继电器中没有不平衡电流流过。计算公式如下： 式中：毛为y o 侧的零序电流。 将侧电流通过算法转换为与y 侧电流相对应，计算公式如下： ( 3 4 ) 一1 i a 0i - ii 6 l ( 3 5 ) l jh 在变压器在y 0 侧空载合闸时，流入保护的差动电流为y 0 侧相电流与零序电流 之差，由文献 2 6 1 知 i 洲= i a - i o = ；i 柑一吾( i m b + c ) i 咖= 一乇= 詈i 砌一三( c + i m a ) ( 3 6 ) f 曲c = f c i 。= 詈c j 1 + i m b ) 在变压器空载合闸时，进入差动保护的差流由于电流相位补偿方式的不同有所 差别。当然，希望差流最好能够反映励磁涌流的性质，由式( 3 3 ) 和式( 3 - 6 ) 知， 无论是经过y 一或是一y 转角方式，差流的特征都不同于变压器励磁支路的电 流，引起2 次谐波含量的变化，可能会导致变压器差动保护误动。对于两种转角方 式在差动保护中判断励磁涌流的能力评价，文献【3 】和文献【7 】进行了深入分析，采用 2 次谐波比的励磁涌流闭锁判据时，两种转角方式对涌流特征的影响相当，采用分 相闭锁时会遇到困难。 在反应接地故障灵敏度上，经过上述两种方式进行电流相位补偿后，变压器差 动电流中没有包含y o 侧的零序电流，在y 侧内部发生接地故障时，导致灵敏度降 1j bbb l 一 1j a 口 c 。l = 0 1 1 lo 0 l 1 3 = 华北电力人学硕十：学位论文 低1 3 。 3 2 改进的一y 转角方式的提出 将侧电流向y 侧电流变换，y 侧电流不再减去零序电流，计算公式如下： 而y 侧不再减去零序电流，即： m | = 豳 罩训翻 ( 3 7 ) ( 3 8 ) ( 3 9 ) ( 3 一1 2 ) ( 3 1 0 ) ；兰 = ； + ；三 一 | 三 = 兰 一 ! 三 c 3 - - ) ( 3 1 2 ) 式中为侧的环流 如= 吾( k + i b m + 屯) ( 3 - 1 3 ) 由上述式子可以看出，变压器在y o 侧空载合闸时，由于侧环流助增作用， 流入差动保护的差流其实由励磁支路电流与环流叠加而成，造成差流不同于励磁支 o o lo o l 1 3 = 1j k k l 一 1j d d d l = b b b 一 一 一 k = = = hb七 = = = m 膪 m 华北电力人学硕十学位论文 路电流，在有些情况下，可能出现对称性涌流。但是基于文献 3 的仿真分析中， 对称性涌流的2 次谐波含量并不一定比单侧涌流低，可以防止差动保护误动。 该不减零序电流的一y 转角方式在反应接地故障灵敏度上，由于没有消除y 0 侧的零 序电流，在变压器发生区内接地故障时，可以提高灵敏度；但是在区外故障时，如果产 生很大的零序电流，会进入变压器差动继电器中，造成变压器差动保护误动，具体的解 决方法详见后述。 3 33 种转角方式识别励磁涌流能力的比较 目前，变压器差动保护广泛采用2 次谐波制动原理，2 次谐波制动原理是通过 计算差动电流中的2 次谐波电流分量与基波电流分量的幅值之比来判别励磁涌流与 故障电流的，运行经验与分析表明，一般情况下，励磁涌流中含有较大的2 次谐波 分量，数值而故障电流中的2 次谐波分量较小。 不同的转角方式也会影响三相变压器三相励磁涌流特征，同时涌流的2 次谐波 比值也会有所不同。 本节将利用m a t l a b 建立变压器空载合闸励磁涌流的数值仿真模型，对比分 析3 种转角方式在变压器差动保护中对2 次谐波比励磁涌流闭锁判据的影响。 3 3 1 全波傅立叶算法 全波傅立叶算法是微机继电保护中最常用的算法。它可以求出信号的基波幅值和相 位，而且可以求出各次谐波分量的幅值和相位。全波傅立叶算法的数据窗为1 个工频周 期，算法本身具有滤波作用，能抑制恒定直流和消除各次谐波，因而在工程实践中获得 了广泛应用。 计算电流基波分量的全波傅立叶算法公式为田1 ： 铲吉屠咖( 七剀 岛= l i 舭善叫七针h 浯柳 而：去厢( 3 - 1 6 ) 而2 万、口他 式中：而表示傅立叶算法得到信号的基波有效值，a n 、岛分别为基波的正弦分量 和余弦分量的振幅；n 为基波信号的一周期采样点数；k 、以分别为第k 次采样及其采 华北l i i j j 大学硕l ：学位论文 样值；而、h 分别直流分量和第n 次采样值。 3 3 2 仿真分析及验证 3 3 2 1m a t l a b 的电力工具箱 m a t l a b 是由m a t h w o r k s 公司出版发行的数学计算软件，为了准确建立系统模型和 进行仿真分析，m a t h w o r k s 在m a t l a b 中提供了系统模型图形输入与仿真工具一 s i m u l i n k 。s i m u l i n k 有两个明显功能：仿真与连接，即通过鼠标在模型窗口中画出研 究系统的模型，然后可以直接对系统仿真。这种做法使一个复杂系统模型建立和仿真变 得十分容易。 1 9 9 8 年m a t h w o r k s 推出了电力系统仿真的电力系统工具箱( p o w e r s y s t e m b l o c k s e t ，p s b ) 进行电力系统仿真。p s b 含有丰富的元件模型，包括电力系统网络元 件、电机、电力电子器件、控制和测量环节以及三相元件库。再借助于其它模块库或工 具箱，在s i m u l i n k 环境下，可以进行电力系统的仿真计算。 3 3 2 2 电力系统模型 为了研究三种转角方式利用2 次谐波比励磁涌流闭锁判据识别励磁涌流的能力 比较，利用m a t l a b 建立如图3 - 3 所示的y o ，d ll 三相变压器空载合闸励磁涌流仿真 模型，该模型应具备以下特点：针对单台变压器仿真模型，可以调整模型中的参数， 比较进行各种转角方式下励磁涌流的波形分析；其次编写程序，进行三种转角方式 下差流的变换，利用全波傅立叶算法，计算2 次谐波比的变化，可以分析各种转角 方式对2 次谐波比励磁涌流闭锁判据的影响。 其中试验三相变压器t 1 参数为：y o ，d ll 接线，容量3 5 0 m v a ，频率5 0 h z ，额 定电压2 2 0 k v 3 5 k v ，铁心饱和特性i ：0 ，o ；o ，1 2 5 ：1 0 ，1 5 。 仿真模型采样频率为每周波4 8 点。为了进行三种转角方式利用2 次谐波比判 别励磁涌流能力的比较，分别对变压器y 0 侧空载合闸在不同转角方式差流的波形 及2 次谐波比对比结果进行比较分析。 | 扣碡l 谁卜 图3 3y 0 。d l1 三相变压器t l 空载合闸励磁涌流仿真模型图 3 3 - 2 3 各种转角方式下励磁涌流仿真分析 整个仿真运行时间为o 1 8 秒，在o 0 2 秒变压器在y 侧空载合闸。 1 、取a b c 三相剩磁分别为0 4 ，0 4 ，一0 4 。 通过仿真计算得到变压器y 0 侧空载合闸在不同电流相位补偿方式下差流的波 华北电力人学硕上学位论文 形以及2 次谐波比对比结果 柏o l2 0 ： 铷 2 o 1 0 0 0 0 1 咖 主o s 1 咖 加 喜1 啪 粤0 - 1 咖 1 咖 0 釜 q - 1 0 0 0 - 2 啪 各相励叠支路电藏 如图3 - s ( a ) ( d ) 所示。 r - - - 1 1 1 7 。r r 1 l 一“一j 00 艟0 0 40 0 8n 0 1n 1 2 0 1 4 0 1 60 1 80 2 0 0 0 200 40 0 80 0 10 1 2 0 1 4 0 1 6 0 1 80 2 00 0 20 0 40 0 6 0 5 0 3 2 量 0 1 笔0 5 2 砍诣谴l 七 05 01 1 5 02 0 02 5 0s i x ) 3 4 01 0 01 5 02 0 02 5 03 0 03 5 04 0 0 ( a ) 各相励磁支路电流波形及对应2 次谐波比 各相电流 o n 0 20 0 40 0 60 0 80 10 1 2 0 1 40 1 6o 1 8o 2 0n 0 20 0 40 0 6n 0 80 10 1 20 1 40 1 60 1 80 2 董0 5 0 1 5 1 0 5 0 1 oo 5 2 次谐波比 05 01 0 01 5 02 0 02 5 03 g o3 5 04 0 0 05 01 0 0 卯2 0 02 5 03 0 0鲫o 一y 变换差流 ( b ) 各相电流波形及对应2 次谐波比 00 蛇0 0 40 0 0 10 1 20 1 4 0 1 60 1 8 0 2 00 0 2 0 0 4 00 60 ( 1 8n 10 1 20 1 40 1 60 1 8o 2 0n 位0 0 40 o 0 1o 2o o 1 b0 1 8n 2 呈0 5 0 1 5 皇 1 雹0 5 o 1 s0 , 5 o 2 攻谐波比 0 5 0 1 5 02 0 0踟蛐蛳4 0 0 o劢1 0 01 5 02 0 02 3 蛳4 0 0 0l 1 5 02 0 0期3 3 4 0 0 ( c ) 一y 补偿方式下各相差流波形及对应2 次谐波比 1 6 m 。 舢 撕 f 呈 伽 。 伽 绷 o 伽 伽 。 姗 舢 蔓 菌 舌 华北电力人学硕f ：学位论文 1 咖 o 曾 主1 0 0 0 - 2 0 4 0 0 0 参硼 垂0 _ 2 0 00 陀0 0 40 0 60 0 60 10 1 2o 1 40 1 80 1 80 2 s 主阿一 弘出l 锄q ；盥世竺竺： o 卜寸面一，5 。0如f 粕击袖 lo s 队一一， o ；由1 0 0 一高一面刍一1 丽刍锄 ( d ) y 一补偿方式下各相差流波形及对应2 次谐波 图3 4 空载合闸时不同转角方式下2 次谐波含量的对比 从图中可以看出，从y o 侧空载合闸时，a b c 三相励磁支路电流具有明显的涌流特征， 其2 次谐波含量较高。 从b 相涌流来看，图3 4 ( b ) 经不减零序电流的一y 补偿方式变换后b 相电流是 单侧涌流，其2 次谐波比含量高于2 0 ，能够闭锁差动保护，但是经y 一补偿方式变 换后，如图3 - 4 ( d ) 所示，b 相差流中2 次谐波比含量小于2 0 ，若采用分相闭锁，则 可能导致变雎器差动保护误动。而经一y 补偿方式变换后，差流中2 次谐波比含量高 于2 0 ，能够满足制动条件，闭锁保护。 对比此例可以看出，利用2 次谐波比判断励磁涌流的能力上来说，y 一电流相位 补偿方式并不比一y 电流相位补偿方式具有优势。 2 、取a b c 三相剩磁分别为0 5 ，一0 4 ，一0 4 从变压器y 0 侧空载合闸，差流的波形以及2 次谐波比对比结果如图3 4 ( a ) ( d ) 所示： 砌 i 王0 - 2 咖 咖 盖 。 量1 0 0 0 - 2 0 0 0 5 舌 。 重硼 - 1 0 0 0 00 幢o0 40 o 0 60 1o 1 20 1 4n 1 80 1 80 2 o0 艘0 0 4o 瑚o o 1 0 1 2o 1 a 80 1 80 - 2 0o 艟0o 0 0 0 0 1 20 40 1 8 0 1 80 2 05 01 0 01 5 02 0 02 5 03 0 03 4 0 0 o5 0t o ol r - , n2 鳓3 3 邬0 05 01 0 01 1 0 2 0 02 5 03 0 03 5 04 0 0 ( a ) 各相励磁支路电流波形及对应2 次谐波比 1 5 o t 5 o 6 4 2 o o o 扣 p 譬 华北电力人学硕f ：学位论文 1 0 o 1 0 0 0 ( b ) 各相电流波形及 i 兀百万瓦万f 弘： ，0 0 ： 扩扩扩扩扩扩扩旷 茎o s 铷。卜百 百才百才百才1 百言百才弋吾百言矗2 o 1 0 0 瑚2 5 03 娜 ( c ) 一y 补偿方式下各相差流波形 1 0 0 1 挪2 3 3 朝 及对应2 次谐波比 ( d ) y 一补偿方式下各相差流波形及对应2 次谐波比 图3 5 空载合闸时不同转角方式下差流2 次谐波含量的对比 从a 相涌流情况来看，图3 - 5 ( b ) 中经不减零序电流的一y 补偿方式变换后 a 相电流2 次谐波比高于2 0 ，但是经一y 变换后，如图3 - 5 ( c ) 所示，a 相差流 中2 次谐波含量比小于2 0 ，采用分相闭锁的话，可能会导致变压器差动保护误动， 而经过y 一变换后，差流中2 次谐波含量比大于2 0 ，可以满足制动条件。从c 相涌流情况来看，y 0 侧相电流是对称性涌流，2 次谐波含量比高于2 0 ，如图3 5 、5 耋 5 一 舌i _ 5 喜t 曾 ；o l 盖t一 奉一 ，v 酉 华北电力人学硕 = 学位论文 ( b ) 所示。经过一y 变换后c 相差流依然为对称性涌流，2 次谐波含量比也满足 2 0 ，虽然