（电力系统及其自动化专业论文）电力变压器保护新算法的研究.pdf

s t u d yf o r n o v e la l g o r i t h mo fp o w e r t r a n s f o r m e rp r o t e c t i o n a b s t r a c t s e c o n d - h a r m o n i cr e s t r a i n i n gt e c h n i q u ea n dg a p - d e 眦t i n gt e c h n i q u ea r ew i d e l y u s e dt od i s t i n g u i s hm 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 tc u r r e n t h o w e v e r ， t h e r ea r es om u c hi n f l u e n c ef a c t o ro fe l e c t r i cc u r r e n tw a v e f c i r i l lo ft r a n s f o r m e r ， f u r t h e r m o r e ，s o m ei n f l u e n c ef a c t o ra r er a n d o m ，t h e r e f o r et oa d j u s tt h eo p e r a t i o nv a l u e i sv e r yd i f f i c u l t 沁t h ep r i n c i p l eb a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i co fe l e c t r i cc u r r e n t ，s ot h e o p e r a t i o no fp r o t e c t i o n c a l ln o tb ec o r r e c ta b s o l u t e l y ，s or e l a yb a s e do nt h e c h a r a c t e r i s t i co fe l e c t r i c c u r r e n t m a ym a l o p e r a t e a n dd e l a yt h eo p e r a t e t i m e t h e r e f o r e ，t h es t u d yf o rn e wt r a n s f o r m e rp r o t e c t i o np r o j e c t sa r ec h a l l e n g ef o r n s d u et 0t h en o l i n e a ro ft r a n s f o r m e r ，i ti sm o r er e a s o n a b l et oc h a r a c t e r i z et h e o p e r a t i o nf e a t u r eo ft r a n s f o r m e ri nd i f f e r e n to p e r a t i o ns t a t ew i t hv o l t a g ea n dc u r r e n t s i g n a l t h e r e f o r e ，t h ep a p e rs t u d i e sa n dp r o p o s e sa nn e wt r a n s f o r m e rp r o t e c t i o n a l g o r i t h mb a s e d o np o w e r t h i sp a p e rp r e s e n t san e wa p p r o a c ho ft r a n s f o r m e rp r o t e c t i o nb a s e do nt h e t h e o r yo fi n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e r f i r s t l y ，s y s t e mm o d e li sc o n s t r u c t e db y r t d s ( r e a l t i m ed i g i t a ls i m u l a t o r ) r t d s i su s e dt os i m u l a t ek i n d so f m a g n e t i z i n gi n r u s hc u r r e n ta td i f f e r e n ts w i t c h e dm o m e n tw h e ne n e r g i z e dt r a n s f o r m e r w i t h o u tl o a d sa n dk i n d ss t y l eo f f a u l t t h e n ，t h ea v e r a g ea c t i v ep o w e ra n da v e r a g er e a c t i v ep o w e rf o ro n ep o w e rp e r i o d o ft r a n s f o r m e ri i ld i f f e r e n to p e r a t i o ns t a t ec a nb ec a l c u l a t e d ，a n dt og e tt h en e w a l g o r i t h mb a s e do nt h e d i f f e r e n tr e l a t i o no f t h e mi nt h ed i f f e r e n ts t a t e f i n a l l y ，t h ea l g o r i t h mi st e s t e db yr t d s t h ea l g o r i t h mi sp r o v e dt ob ef a s t ， r e l i a b l e ，a c c u r a t ea n ds i m p l e ，w h a t sm o r e ，i td o e sn o ta s ko rt o oh i g hs a m p l i n g f i e q u e n e y k e y w o r d s ；i n t e r n a lf a u l t ：e x t e r n a lf a u l t ；m a g n e t i z i n gi r a u s h ：t h et h e o r yo f i n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e r ：r t d s i l i 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文 的研究内容。除己注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究成果，也不包含 本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮助的个人和集 体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名：古斌 学位论文使用授权说明 2 0 0 7 年6 月1 5 日 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本： 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 口即时发布 口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名：古斌导师签名：谭建成2 0 0 7 年6 月1 5 日 广西大尊u 羹士掌位论文 电力毫压器保护新算法的研究 致谢 衷心感谢导师谭建成教授对本人专业理论知识上给予的大量的指导，她严 谨的治学态度。渊博的学识，以及多年的实践经验都使我受益匪浅。 感谢实验室全体同门师兄妹的热情帮助和支持。 感谢广西大学电气学院领导为我们提供了良好的研究环境。 最后尤其要感谢家人给予我精神和生活上的支持。 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ：= = 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的 研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出 贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 签名：直筮e t 期： 2 q q 2 笙旦! 旦 广西大学硬士掌位论文电力r ，：压嚣保护新算法的研究 第1 章绪论 1 1 课题的背景和意义 变压器是电力系统中最重要的也是最昂贵的电气设备之一，因此根据变压 器的容量和重要程度，及各种可能的故障和不正常的运行状态应安装性能优良， 可靠性好的保护设备。变压器的内部故障可分为油箱内故障和油箱外故障两种。 油箱内故障具有很大的危害性，短路电流产生的高温电弧不仅会损坏绕组的绝 缘，烧毁铁芯，而且会使绝缘材料和变压器油受热分解而产生大量气体，有可 能会引起变压器油箱的爆炸。而修理或替换变压器是昂贵的，费时的。因此， 在变压器内部故障时，必须迅速切除变压器。 变压器设备主保护的首选一般是电流差动保护，它基于基尔霍夫定律，具有 灵敏度高、选择性好的特点。但是变压器电流差动保护有时无法区别励磁涌流 和内部故障电流。励磁涌流是在变压器空载合闸时或是外部故障清除后电压恢 复时引起的，由于铁芯饱和，相对导磁率接近于l ，变压器绕组的电感降低， 原边侧电流很少部分转化为二次电流大部分转化为励磁电流，因此励磁涌流只 流过变压器的一侧，由c t 变换过去的差动电流就是不平衡的电流，与内部故 障电流的表现相似。在变压器正常运行时，励磁电流很小不超过额定电流的2 l o 。但是当空载合闸或是外部故障清除后电压恢复时，励磁电流甚至于 可能达到额定电流的8 倍以上，继电器会产生误动。 为了避免由于励磁涌流使继电器误动作，早期学者们利用励磁涌流固有的 特征研究了很多方法来区分励磁涌流，例如二次谐波制动原理、间断角原理、 波形对称原理、电压制动，磁通特性制动以及等值电路法。这些鉴别机制有的 获得了一些运用，有的还仍处于实验研究阶段。其中比较实用的方法是采用电 流差动保护作为主保护，利用二次谐波制动原理来躲避励磁涌流。 二次谐波制动电流差动保护是应用很成熟的保护技术。在7 0 一9 0 年代它的 极其优良的灵敏性和可靠性完全满足电力系统的要求，故障率低，可靠性高。 但是进入2 1 世纪后，随着变压器容量越来越大，越来越长的输电线路引起的分 布电容，及电流互感器饱和等因素使得内部故障电流也含有较大的二次谐波甚 至于有时超过励磁涌流含有的二次谐波含量，再加上现代先进的变压器制造工 广西大掌硕士掌位论文 电力，：压嚣保护新算法的研究 艺和材料，使励磁涌流所含的二次谐波分量减少，有时低于1 0 甚至于8 。 这导致了基于二次谐波制动的变压器差动保护必须经过一定延时才能做出判 断，破坏了变压器保护要求的快速性。间断角法保护硬件成本很高并受c t 饱 和的影响，使得该原理在微机保护的实际应用受到限制。因此迫切需要研究出 更完备的变压器保护新原理。 1 2 变压器保护的现状 1 2 1 全电流差动保护应用于变压器主保护时的原理性缺陷 变压器设备主保护的首选一般是电流差动保护，它基于基尔霍夫定律，当应 用于纯电路元件如发电机和输电线路的保护时它是很完善也是十分成功的。但 是将电流差动原理应用于电力变压器的保护时则存在一些原理性的问题 1 】。如 1 1 图所示，差动电流定义为： l = i 丘+ 厶l = i l ( 1 - 1 ) 一一 图1 1 ：电流差动保护原理图 f i 9 1 1 ：t h ep r i n c i p l ef i g u r ec u r r e n t d i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o n 图1 2 ：系统图 f i 9 1 2 ：t h es y s t e mf i g u r e 式( 卜1 ) 中，u 即为变压器励磁电流，可见励磁涌流在保护装置中表现为差动 电流，正常状态下励磁电流只有额定电流的1 乡6 左右，远小于差动保护的启动 门槛值，保护不会误动。但当变压器空载合闸或外部故障切除电压恢复而产生 励磁涌流时，则由于励磁涌流可与故障电流相比拟，如不加以识别以闭锁保护， 则保护必然误动。此外，当系统电压升高，变压器处于过励磁状态时，保护亦 会误动。故而，变压器采用全电流差动保护作为主保护时，存在先天性的原理 缺陷，而且，当在重负荷情况下变压器保护区内发生高阻故障时，全电流差动 2 广西大学硬士掌位论文 电力麦压器保护新算法的研究 保护还存在灵敏度不够高的问题，有可能拒动或延时动作。为此，引入了故障 分量差动保护。 1 2 2 故障分量差动保护 如图1 2 系统发生区内故障，则可得正序复合序网如图1 3 1 2 【3 】【4 】 5 1 【6 】，把 图1 3 利用叠加原理可分解为图1 4 的正常负荷状态图及图1 5 的故障附加状 态图，保持图1 5 的三条支路电流不变，各点电位升高时可得图1 6 的平衡相 似网络( 上述系统中含有变压器，对这些等效图的由来可这样思考：对三相双 绕组变压器发生内部匝间短路的情况可把故障变压器等效为一正常的三相三绕 组变压器发生端口故障的情况，这样即可按通用的变压器端口不对称短路对称 分量法来分析了) 。 图1 3 ：正序复合序网图l4 ：正常负荷状态 f i 9 1 3 ：p o s i t i v es e q u e n c ec o m p o s i t i n gf i 9 1 4 ：n o r m a ll o a d i n gs t a t u s n e t w o r k 图1 5 ：故障附加状态 f i 9 1 5 ：f a u l ta d d i t i o n a ls t a t u s ， 图1 6 ：平衡相似网络 f i 9 1 6 ：b a l a n c er e s e m b l en e t w o a 其中z 为故障附加阻抗，其值由故障类型及过渡电阻值决定m ，模拟式纵差保 护的动作量l 及制动量见式( 卜2 ) 及式( 卜3 ) ： i d = i , w + i n 3 ( 卜2 ) 习鼋一 广西大掌硕士掌位论文 电力，：压嚣嘲护新算法的研究 ir = i m i n 其中及知为故障全电流，并有： ( 卜3 ) i m = i m a + 1 1 ，= i m a + ，j p( 卜4 ) i r e 2 i t e a + 1 2 p = l n 一ip 0 - 5 ) 其中j 删和砒为m 支路和n 支路故障分量电流，t 为负荷电流，传统全电 流比例制动式纵差保护动作判据为： 胁+ 知l i 一“i ( 1 - 6 ) 故障分量比例制动式动作判据为： 钨= 陆+ 乇l 如一乇j = 如4 ( 1 - 7 ) 式中 为比例制动特性的制动系数。 当有外部故障引起的穿越电流流过被保护设备时，有很多原因使电流互感 器( t a ) 付边电流产生误差。设两侧t a 付边误差百分比分别记为白和勖，钆 和e l l l 分别表正常负荷时两侧t a 误差百分比，并用如、k 分别表示不含误差 的差动电流和制动电流，、知、j 。表不含误差的两侧电流及负荷电流，则 有嗍： 钙= 阻+ 气i = ( 1 + 白) 一五，吃十厶( 1 + ) 一乞i 同理： 娟m + i 心+ e i i m + e 。1 n i 鼠+ l ：i 厶+ ( 厶+ 厶) 白2 + ( 厶一厶) 勖2 一i p ( e 皿- e n l ) i 1 8 = l j dj - l + ( e i + e 1 ) 2 + 厶心一呦) 2 一( 气一号。) l 4 也h 弓嘞) 2 屹( 弓嘞) 弛( 她。蚝l ( 1 9 ) 4 广西大掌习e 士掌位玲文电力，：匪嚣保护新算法的研究 外部故障时，考虑最严重的情形，有： 钮2 电。 e i l l 2 叫乜2 气 ( 卜1 0 ) ( 卜t 1 ) 如t a 最大误差为1 0 ，则有p m “= 0 1 。而保护t a 的精度一般为一级，故 假设e l = o 0 1 ，且i l i r = 0 1 ，则考虑外部故障时制动要求可得 最小 值m 应满足： k 。折需= n - z 。 c 一：， 以上分析是建立在稳态误差基础上的，如考虑非周期分量的影响，( 即考虑暂态 过渡过程的影响) ，可以用一个考虑暂态的裕度系数来反应【9 】，可取 亿，= j 5 - 2 5 ，具体数值与算法等因数有关，当取忍p = 2 时，则p 。磁2 且有： k m j n 0 2 4 9o 进一步分析故障过渡电阻也即a z 对纵差保护灵敏度的影响，保护所允许 的a z 越大，保护就灵敏。令西= ，则由图1 3 可得l i o l 1 【1 2 1 ： 等= 葫 汁聊 j rz n p z m + 2 z 堪一釉 、 由式( 1 - 1 3 ) 不难看出，a z 的增大( 即故障过渡电阻的增大) ，使材毒相应减 小，纵差保护灵敏度相应降低。注意到对纠五比值的影响，特别是当，= i ( 即 f l ，= 富) 时，a z 也即故障过渡电阻与纵差保护灵敏度无关。这一理论分析结 果十分有指导意义，它表现为：如果纵差保护的被保护对象两侧电源电动势完 全相等，则保护灵敏度与故障过渡电阻无关 实际上由于继电器需要一定大小的 差动电流即动作电流厶( i d = ， + i n ) 才能动作，当过度电阻增大到一 定数值后，m + i n 将减小到使继电器不能动作 。下面将讨论如何使被保 护对象两侧电源电势相等? 己知图1 3 至1 6 中，图1 4 叠加图1 5 就等效于图1 3 ，即正常状态图 1 4 叠加故障附加状态图1 _ 5 完全等同于同一工况下经故障过渡电阻发生短路 的图l _ 3 ，而且有： 5 广西夫掌硕士掌位论文 电力麦压器保护新算法的研究 匕：虹例z ( 1 _ 1 4 ) 。 z 肘+ j r 1 ”j 将图1 5 中各点电位增高吃，则得图1 6 ，但图1 6 具有相同的两侧电源电动 势。因此当我们以下述电流送入差动继电器，理论上可经很大故障过渡电阻发 生短路而动作，即： 由图1 6 知： z i d = j ，+ j = j m 4 + ，4( 1 1 5 ) 盈r = i m a i n d l 纠= i 等等l f l 一1 6 ) ( 卜1 7 ) 上式右侧实际为故障时的制动系数，由于上式右侧的最小值为l ( z u 和2 r 均 为感性阻抗，两者阻抗角差值小于九十度) ，所以内部故障时，对以锄、4 为差动电流和制动电流的故障分量纵差保护恒有： i 纠 或谓故障分量纵差保护以： f 心i k 。i 为动作判据，制动系数j 为： k 他s 墨1 刖 ( 卜1 8 ) n 一1 9 ) ( 1 - 2 0 ) 结合式( 卜1 3 ) ，可见这种故障分量纵差保护，在内部故障时以k 。l 划 定保护动作区，在外部故障时以k ，嚣o 2 4 9 划定保护制动区，在制动区和 动作区之间有较大的缓冲区，这表明该保护有优良的动作选择性( 见图1 7 ) 。 6 - - 西大掣唾士掌位论文l 力竞压嚣保护新算法的研究 o 2 4 9 图1 7 ：故障分量纵差保护动作特性 f i 9 1 7 ：o p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i co f d i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o n b a s e do nf a u l tc o m p o n e n t 由上述分析可见，故障分量纵差保护其保护灵敏度理论上和故障过渡电阻 无关，即允许有较大的故障过渡电阻，且动作区与制动区之间有较大的缓冲区， 即其选择性较好，由此可见，这种保护有较高的选择性和灵敏性，有效解决了 全电流纵差保护在重负荷情况下发生区内高阻故障时保护灵敏度较低的问题。 但故障分量纵差保护仍然存在电流差动保护固有的原理性缺陷，即不能有效区 分励磁涌流和内部故障电流。因而，励磁涌流的判别一直是变压器主保护研究 的热点和难点问题。 1 3 励磁涌流鉴别方案的历史与发展 励磁涌流和内部故障电流的区分一直是变压器差动保护中一个未能很好解 决的难题，长期以来一直成为研究热点。目i ；i ，变压器保护的实际系统配置主 要采用以涌流波形特征为依据的二次谐波制动原理和间断角原理来判别励磁涌 流，其中二次谐波制动原理应用得最为广泛。其它较典型的方法还有：波形对 成原理【1 3 】【l 4 】【15 1 、小波变换方法【1 6 11 m 、神经网络方法【1 8 1 等。但这类以涌流波形 特征为主的识别方法，虽有一定的识别效果，而实际上由于三相变压器励磁涌 流的波形特征随系统电压和等值电抗、合闸初相角、剩磁大小和方向、绕组接 线方式和中性点接地方式、三相铁芯结构、铁芯材料和组装工艺、磁滞回线和 局部磁滞环等的不同而改变，所以这类以涌流波形特征为依据的防止由励磁涌 流而引起误动的措施均不能保证变压器差动保护不误动，其差别仅是误动次数 的多少【1 9 1 。 7 7 - - 西大掌硕士掌位论文 电力，：压器保护新算法的研究 鉴于以上情况，如何有效而准确地识别励磁涌流，研制新型的变压器保护 原理就变得十分重要，为此，世界各国学者提出了各种防止误动的附加判据。 1 3 1 基于瞬时励磁电抗( 电感) 的判别方法 文献【2 0 1 2 1 1 1 2 2 1 提出了一种基于瞬时励磁电感或电抗的方法。其基本原理为： 当变压器处于励磁涌流状态时，其瞬时励磁电感或电抗随变压器铁芯的周期性 饱和而有周期性的变化，即含有较大的基波分量，而当变压器发生内部故障时， 由于变压器端电压的降低，使变压器铁芯不饱和，即此时变压器瞬时励磁电感 或电抗值较大且基本不变，其基波分量较小，因而通过求取励磁电感或电抗的 基波分量，即可判别变压器是否处于励磁涌流状态。但其缺陷是需要测量变压 器绕组的电流值，因而尚未推广到三柱式或五柱式变压器仅适合于三单相变压 器组【2 3 l 。 1 3 2 磁通特性识别法 它是利用衡量变压器饱和的一个重要物理量即变压器的磁通来识别涌流。 而现在如何利用磁通量以鉴别励磁涌流是一个比较活跃的研究方向。主要有两 种磁通制动方案 2 4 1 ： 方案1 ：文献【i 】给出变压器两侧绕组回路的基尔霍夫电压方程的积分公式： 。( t ) = l 。訾m + n 詈血一v l m o - - 2 1 ) 岛( f ) 。弘鲁讲+ 2 警出一孽班( 1 - - 2 2 ， 若川，则为内部故障。 若c ，则为励磁涌流；f 为某一门坎值通过实验确定。 这一保护方案思路简单，但存在一些困难：1 ) 磁通中为时间函数，与很多 因数有关，中与f 不是线性单值关系，正确处理很难；2 ) 绕组漏感原始数据不 易获得。因此要真正实际应用时，必须作进一步的实验来验证。 方案2 ：在1 9 8 3 年，a g p h a k e 和j s t h o r p 2 5 】提出一种基于计算机的磁通制 动的电流差动保护，利用从c t ，p t 得到的电流电压来计算磁通，若磁通和差 8 i - 西大掣坝士掌位论文电力，：压量护新算法的研究 动电流的关系落于变压器的空载磁化曲线内则判为励磁涌流，否则判为故障动 作出口跳闸。该算法中只用到一个递推公式，减少了计算量有利于早期计算机 有限的容量和计算能力。由于剩磁的作用作者又利用d c p 奶一面确定了两个 区域，落于区间1 保持不动的是饱和或内部故障区，落于区间2 是正常情况， 而在区间1 、2 摆动不定的是励磁涌流。区间l 、2 如下图所示： y -厉i ， 羽 i d k 2 区 1 区 吨 图1 8图1 9 f i g 1 8f i g 1 9 图1 8 ：折线1 代表具有一定剩磁的空载磁化特性曲线；折线2 代表理想空载磁化 特性曲线；折线3 代表内部故障时磁化曲线。 f i 9 1 8 ：l i n e l ：n o - l o a dm a g n e t i z e dc h a r a c t e rc a l v ew i t hr e m n a n tm a g n e t i s m ；l i n e 2 ： i d e a ln o - l o a dm a g n e t i z e dc h a r a c t e rc u r v e ；l i n e 3 ：i n t e r n a lf a u l tm a g n e t i z e dc h a r a c t e r c u r v e 图1 9 ：1 区是饱和或内部故障区；2 区是非饱和区 f i 9 1 9 ：a r e a i ：s a t u r a t c a o r i n t e r n a lf a u l t a r e a ；a r e a 2 ：n o - s a t u r a t e d a l g a 该方法不受剩磁的影响，在2 3 3 2 周波内做出判断。但也存在一些不足： 1 ) 为得到磁化曲线折线的斜率，需要具体变压器精确的磁化曲线，因这些参 数的测量不准会影响判据的动作。 2 ) d 伊疵一0 曲面上的两个区间的确定可能会困难，因为内部轻微故障时， 差流较小，端口电压较高，d 伊d 屯较大，这样要求区间1 很大，有可能会与区 间2 重合。 1 3 3 等值电路法 文献【2 6 1 提出了一种基于变压器导纳型等值电路的励磁涌流的判别方法。该 方法通过检测对地导纳参数变化来鉴别变压器涌流与故障，作者分析得出如下 结论： 9 广西大学硕士掌位论文 电力蔓压器保护新算法的研究 1 ) 铁芯线圈的漏抗和空心线圈的漏抗相近，故此时变压器导纳型等值电路 中，各节点的互导纳几乎与变压器的铁芯饱和无关： 2 ) 铁芯未饱和时，变压器各侧对地导纳几乎均为零；当铁芯饱和时，变压 器各侧对地导纳明显增大；严重饱和时变压器各侧对地导纳与空心变压器的对 地导纳几乎一致，且是一不等于零的常量。 因此，可以计算变压器各侧对地导纳，通过其值的大小变化来判别故障与 否。给出了用于区别内部故障与励磁涌流的判据和在模拟变压器上的试验结果。 等值电路原理虽然理论上十分完美且快速，即使内部故障叠加涌流，一般 在半个周波内也可以给出正确的判断结果。但它需要知道变压器两侧的漏抗， 由于获取漏电感参数较难由漏感误差带来的灵敏度下降是致命的弱点，且瞬时 导纳计算量大，整定计算复杂，很难得到广泛应用。 1 3 4 基于模糊逻辑的多判据方法 该方法基于对现有励磁涌流识别算法的认识，借助模糊逻辑隶属度和权重 的概念，综合了各判据的优点，几个判据之间取长补短【2 3 1 。模糊逻辑法弥补了 严格依照精确定量判别励磁涌流的不足，避免了一票否决，真正做到了集思广 益，体现了智能化特点。如文献2 7 】综合二次谐波制动原理、波形特征识别法、 磁通特性识别法和低电压判据的优点，利用模糊集合理论提出了一种多判据方 法。 但该方法只是变压器励磁涌流识别中的一个探索，目前有很多问题难以解 决，如模糊逻辑中隶属函数与权重应当如何选择? 这个问题的回答建立在原有 认识的基础上，而且需要技术人员对问题有较深入的认识。所以，该方法仍需 要进行深入而细致的研究。 1 3 5 基于功率差动的方法 就本质而言，变压器是个时变的非线性系统，单以电流量难以对其进行完 全的描述，宜同时用电压电流量来进行描述。文献【2 8 】提出了一种基于功率差动 的变压器励磁涌流判别新方法，其原理是通过采集变压器两侧的电压电流值， 可计算出变压器在不同运行状态下的有功损耗，当变压器发生内部故障时起有 功损耗大，而变压器处在励磁涌流状态时起有功损耗小，这样可通过设定有功 损耗门槛值来判别励磁涌流和内部故障电流。但其缺陷是只适用于单相变压器， 1 0 g - 西大掣蝎菀士掌位能文毫力变压- b 嘲护新算法的研究 未提出处于不对称或发生电压电流波形畸变情况下的变压器有功损耗算法。 1 4 本文研究的主要内容 变压器作为电力系统的一个元件，也是遵守能量守恒定律的。也即其消耗 的能量应等于系统向其供给的能量。而变压器是个时变的非线性系统宜同时用 电压电流量来进行描述。文献【2 8 】提出了一种基于功率差动的变压器保护新原理， 是一个较好的研究思路。而三相电路当其波形的畸变以及三相电路不对称时， 使得其功率理论要远远复杂于单相电路。三相电路功率理论的研究也是学术界 长期的一个研究热点。历史上也提出过各种各样的功率定义，但未形成统一的 认识。日本学者于上世纪八十年代初提出的瞬时无功功率理论由于其在电力系 统的无功功率补偿及谐波抑制中得到成功的工程应用而得到工程技术界的广泛 认同。本文拟把瞬时无功功率理论引入到变压器保护的研究中来，建立变压器 在不同运行状态下的功率计算模型，找出基于功率的变压器励磁涌流识别算法， 主要包括如下几个部分： 1 ) 瞬时功率理论研究，建立变压器功率计算模型。 2 ) 对变压器励磁涌流及内部故障进行深入的理论研究，建立基于功率的励 磁涌流判据模型。 3 ) 采用电力系统的实时数字仿真系统r t d s 建立系统模型。对变压器不同 合闸角的励磁涌流和各种类型的内外部故障进行仿真，进行变压器在不同运行 状态下的功率计算。 4 ) 通过计算结果找出基于功率的变压器励磁涌流新特征，确定判据门槛值。 5 ) 通过利用r t d s 仿真变压器发生不同类型的故障及各种合闸角下的空投 实验，并且测试空投变压器发生内部故障的最恶劣情况时的影响，对算法进行 检验。 广西大掌硕士掌位论文 电力麦压器保护新算法的研究 第2 章三相变压器励磁涌流研究 单相变压器励磁涌流与电源电压幅值、合闸初相角口、变压器铁芯磁化 曲线饱和拐点磁通吼、剩磁啡、合闸回路电感的关系如下式1 2 9 ： ，= 鲁陆口一c o s ( c a ) 】+ 华( 2 - 1 ) 对于三相变压器，工程上可以根据合闸侧各相电源电压先独立求解出三相 磁化电流、6 、岛。，而后可求出三相励磁涌流。 图2 1 为三相变压器空投时的单相等效电路图，是涌流的电路分析基础， 图中互和z 0 表示电源的等值正( 负) 序和零序阻抗，乙和磊表示变压器两侧 漏阻抗，j ，埘表示它的励磁电抗，由于磁化电流k 是已知数，所以铁芯饱和使 k 呈现的非线性困难已没有了。 由图2 1 有： 图2 1 ：单相等效图 f i g2 1 ：s i n g l ep h a s ee q u i v a l e n tc i r c u i t ( 2 2 ) 屯，如、露为变压器电源侧( 合闸侧) 各相绕组电流，f 。，如6 、。为各相 磁化电流，幻为变压器另一侧绕组电流( 实际上只有当该侧绕组为三角形接法 时该电流值才存在，为三角形绕组的零序环流电流) 。 砀bb = | i = k 一 一 一 k珞 - - 西大掌硕士掌位论文 电力麦压嚣保护新算法的研究 要想由已知的m 。、i m b 、k 求解、如，0 ，必须借助图2 1 的等效电路 列出三相回路方程，但是已知励磁涌流中含各次谐波，如果对各次谐波分别列 出它们的回路方程，将使问题复杂化，没有实用意义，下面利用经试验证明是 可行的近似电路分析方法四l ，列出下列三相电压回路方程： 由于三相电源电势时对称的，故有： 及： e a + e b + e c = o 蝴一= o ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 把式( 2 2 ) 中三个式子相加得： i d + f 6 + i c = 3 i 。= 3 i d + o m + 如6 + f 聊)( 2 6 ) i o 为变压器电源侧三相零序电流，把式( 2 - 3 ) 中三个式子相加并计及式( 2 4 ) 、 ( 2 - 5 ) 、( 2 - 6 ) 有： 一3 i o z 。一3 i o z p 一3 i o z 。= 0 ( 2 7 ) 即： i o = - i d 南= p s ， 一般变压器两侧漏阻抗近于相等，即zp * z 。，则以式( 2 8 ) 代入 式( 2 6 ) 有： 场= 一+ a + i 飞r 。z s s + + 。z z 。s i ( 2 9 ) 讥讽讥 一 一 一 饵饵洱 卜 一 乙互乙 一 一 一 凌000 一 一 一 掘钇坯 一 一 一 气巳 i i | | = 删跗叫 “甜甜 g - 西大掌硕士掌位论文 电力，：压器保护新算法的研究 再以式( 2 - 9 ) 代入式( 2 2 ) 诸式可得： i q = i m a 。5 6 z z s 。s + + 2 ，z z 。o s 一 一( f m b + i m c ( i 至三 薏 拓= 锄l 6 5 z 瓦s s + + 。2 z o s - - + i 。飞i ( 6 瓦z - + + 。z i 。5 ) 。= k 。5 6 z 瓦s s + 十2 。瓦z o s - _ b 。嘞iz s s + z o s 了 ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 式( 2 1 0 ) 、( 2 1 1 ) 、( 2 1 2 ) 就是在已知厶。，m b ，。后计算三相涌流 屯如，0 的公式，式( 2 9 ) 则是计算三角形接法绕组中的励磁涌流公式，式 ( 2 8 ) 可计算入地零序涌流。下面分析电力系统中使用最为广泛的y 0 a 一11 接 法的三相涌流。 y 。侧为合闸侧，三相涌流与变压器转角变换方式有关，常用的有两种转角 方式 3 0 l 3 1 1p 2 ，下面具体分析： 方式一： 方式一为常用的相问差动方式，也即y 斗方式，高压y o 侧转角公式为： ， ， 嘧 ， f c ( 2 1 3 ) 式中：、坛、配为转角以后y 。侧a 、b 、c 三相电流，妇、如，配为流过y o 侧绕组的a 、b 、c 三相电流。经过( 2 1 3 ) 式后，星形侧臂电流中就不含零序 电流。 低压三角形侧的转角公式为： 1 4 1j o嘧 丌o o o o o 业 o o 1 o o 0 。l l 万 = 电力童：压器保护新算法的研究 l 口 ， 绉 ， z c 制= 去巴 ( 2 1 4 ) ， 式中：己、t 为转角以后的三角形侧爿，夙f 三相电流，i a ，i b ，i c 为流 过三角形侧三相线电流，屯f 如，妇为三角形绕组三相电流。由上述分析看出 转角校正后的电流不包含y 。侧的零序电流与三角形侧的零序环流。 方式二： 即基于减零序电流的方式，也即一y 转角方式。在y 。侧减去零序电流： 式中：i o 为v o 儇, l 零序电流，即： 低压三角形侧转角方式为： l 口 ， 玛 ， z c ， ， 佃 ， l c i a 纠 2 时剀 q _ 1 5 ， 。= ；“+ 纭+ i c ) ( 2 - 1 6 ) r1 0 ：! l l1 3 o 一1 1 5 ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) 1，j 恸协 丌oooo业 o 0 0 o 1j k珞0 l1j o l 1，j 锄协 p。l1j o l 徘 一。o 构 l o 1 黼巴 电 j i 且llj 黝n一一心 侧形角 三 由 流 电线的侧 形 角 三 广西大掌硕士掌位论文 电力，：压器保护新算法的研究 且三角形侧的环流f d 为： 场= 号匕+ 锄嘞) 由式( 2 8 ) 、( 2 9 ) 、( 2 1 0 ) 、( 2 一i i ) 、( 2 1 2 ) 可得： ( 2 1 9 ) 驴一等等一) 卺老p z 。， i b - i o a 糟一( i m a + i m c ) 器 ( 2 _ 2 ， 七小k 等毪一) 鲁老p z z ， 式( 2 2 0 ) 、( 2 2 1 ) 、( 2 - 2 2 ) 可分别化简为： f 7 ：寻f 。一寻( f 柚+ f 。) 7 2 了m 一了v 柚+ w ， 强：寻锄一委+ i m c ) 。占2 了7 m 6 一了v m + j 七：寻k 一。+ i m m b ) 。c 2 了2 c i v m 口+ j f 2 2 3 ) f 2 2 4 ) f 2 2 5 ) 上述三个公式即为y o a - 1 1 接法变压器经第二种转角方式后的y 。侧三相涌流。 由公式( 2 1 3 ) 可知把式( 2 1 0 ) 、( 2 - 1 1 ) 、( 2 1 2 ) 两两相减可得： ， f a 2f a l b 矗 ：生二耋 3 产宁 v j f m6 一i 业 小 1 6 ( 2 2 6 ) ( 2 2 7 ) 电力，：压量i ! 护新算法的研究 配2 寻2 与笋 p 2 s ， 上述三个公式即为y o a 一1 l 接法变压器经第一种转角方式后的y 0 侧三相涌 流。 1 7 j - - 西大掌硕士掌位论文电力r 麦压器保护新算法的研究 第3 章变压器内部故障研究 3 1 单相双绕组变压器匝地短路分析 一台单相双绕组变压器用互感支路模型可表示为口3 】 3 4 1 ： 露= 0 乏 ，三= 忘。m 三：1 2 e s 一， 发生匝地短路时，我们可以把短路线圈分成两个线卧2 9 】，见图3 1 ： 图3 1 ：付边接地故障的变压器 f i g3 1 ：t r a n s f o r m e rw i t ht u r n t oe a r t hf a u l ti ns e c o n dw i n d i n g 此时变压器模型可由下述矩阵表示： ( 3 2 ) 式( 3 2 ) 中的矩阵元素厶，厶分别为线圈a ，b 的自感， 锄为线圈a ，6 之 自j 的互感，在式( 3 - 1 ) 中矩阵元素已知的情况下可通过一致性、比例性、漏磁 系数等三个原则来计算式( 3 2 ) 中的矩阵元素【3 5 1 1 3 6 1 。 ( 1 ) 一致性： 假定有电流i 流过图3 1 中串联的a 、b 绕组，其它绕组开路，则有： 甲n = 讧o + m b ) i 譬名= 【 f 口b + 三6 ，( 3 - 3 ) 乎么+ 乎，6 = 弛4 + 6 + 2 m d b ，= 巧= l 2 i 岛厶白坞 = 【 o 0 如 0 o 日o o rlj【 r 广西大掌硕士掌位论，；电力竞压嚣翻i 护新算法的研究 即有： ( 2 ) 漏磁系数： 厶+ 如+ 2 m a b = 如 矿= l m 三l 。6 ( 3 4 ) ( 3 5 ) ( 3 ) 比例性： 可近似认为绕组的自感与其匝数平方成正比，即： 苦= ( 甜 伊6 ， 盯工程上可取o 0 5 ，这样由式( 3 4 ) 、( 3 5 ) 、( 3 6 ) 可求解三个未知数厶， 厶， 锄。一般认为绕组的互感与匝数成正比，即： m a l = 盘 蚧心n + b 栌 3 7 又有： 如= 丽n a 了r ： 如：丽n b 恐 ( 3 8 ) 这样，在短路匝比及式( 3 一1 ) 中元素已知情况下，故障变压器的模型式( 3 2 ) 即可求出。 由以上分析可知，单相双绕组变压器一侧绕组发生匝地短路时，可把故障 绕组分成两个绕组，这样，原先的发生匝地短路的单相双绕组变压器就可看成 单相三绕组变压器的第三绕组发生端口接地短路，并且这三个绕组的自感及相 互问的互感可通过上述方法求出，这样就可得该等效的单相三绕组变压器的t 型等值电路如图3 2 ： 1 9 广西大掌硕士学位能屯 电力，：压器保护新算法的研究 图3 2 ：单相三绕组变压器等效图 f i 驴2 ：e q u i v a l e n tc i r c u i to f s i n g l ep h a s et h r e e - w i n d st r a n s f o r m e r 图中r ，为绕组1 电阻，心、如见式( 3 - 8 ) 。其他参数为【3 】： ， 岛1 = 厶一m 1 口一m l b + m d b l 2 a 2 l o m 、a m a b + m i b ( 3 - 9 ) l 强= l b m b m n b + m 1 口 ， ， ， 上述中1 为绕组l 自感，上口、l b 、m l 。、m l b 、m 口b 分别为前述中l a ， 厶、蚴。、蚴6 ， 锄归算到绕组1 侧的值。由图3 2 可得单相双绕组变压器匝问 短路等效图3 3 ： 昂匕 图3 3 ：单相双绕组变压器匝间短路等效图 f i 9 3 3 ：e q u i v a l e n tc i r c u i to f s i n g l ep h a s et r a n s f o r m e rw i t ht u r n - t o - e a r t h 图中勘为短路过渡电阻，磊为负荷阻抗。 3 2 三相双绕组变压器的匝地短路分析 如上所述，三相双绕组变压器的匝地短路也可看作是三相三绕组变压器发 生端口单相接地短路。 当匝地短路发生在y 接线的某相绕组时，如图3 4 ，将短路部分。划出 广西大掌硕士掣啦论