（电力系统及其自动化专业论文）变压器过励磁故障的仿真分析.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1i 页 l l _ l _ - l l l i - - _ _ _ _ l - _ _ _ l _ l - _ - l - i l _ - _ - _ l _ _ _ - l i _ i _ - _ _ l _ - i _ _ - 一i l i i i - - - - - - _ l _ - _ _ - a b s tr a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp o w e ri n d u s t r y , al a r g en u m b e ro f l a r g e c a p a c i t y a n d h i g h v o l t a g et r a n s f o r m e r s h a v e b e e np u ti n t o u s e ，t h e s e t r a n s f o r m e r s ( i n c l u d i n gi m p o r t sa n dd o m e s t i c a l l yp r o d u c e d ) h a v eb e e nd e s i g n e di na l o w e rc u s h i o n i nt h i si n s t a n c e ，t h et r a n s f o r m e ri ss e n s i t i v ef o rt h ev o l t a g e f l u c t u a t i o n i ti sp r o n et oo v e r - e x c i t a t i o nf a u l t s i m u l t 面e i t y , t h ed e v e l o p m e n to ft h e h i g h v o l t a g ed i r e c tc u r r e n tt r a n s m i s s i o nl i n e sm a k e st h ed ct r a n s f o r m e rm a g n e t i c b i a si n c r e a s i n g l yb e c o m eac o n = n o np h e n o m e n o n 砸sp a p e rd e s c r i b e st h ec a u s e sa n dr e s u l t so ft r a n s f o r m e r so v e r - e x c i t a t i o n ， a n a l y z et h er e s o l v e n ta tt h ep r e s e n tt i m e s u m m e du pt h ei m p a c to ft r a n s f o r m e r s o v e r e x c i t a t i o n t a k i n g t h e s p e c i a l i z e de l e c t r o m a g n e t i s mt r a n s i e n ts o f t w a r e p s c a d e m t d ct os t u d yt h ef a c t o r si n f l u e n c i n gt h eo v e r e x e i t a t i o no ft r a n s f o r m e r , t h i sm o d e lh a sh i g h e rp r e c i s i o n , t h i sp a p e ra l s ou t i l i z e sm a t l a bs of t w a r et od e a l w i t ha n a l y z i n gt ot h ee m u l a t i o nd a t a , w h i c hw a sc o m p a r e da n da n a l y z e dw i t ht h e d a t ao fm e a s u r e m e n t t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss u m m e du p ：t h er e l a t i o n s h i po ft r a n s f o f i l l e rl o a dc u r r e n t a n de x c i t i n gc u r r e n ti si m p a c tb yt h ec o n n e c t i o nm o d e t h ev o l t a g el e v e la n dt h ef l u x d e n s i t yi st h em a i nf a c t o ro ft h eo v e r e x c i t a t i o nf o rt r a n s f o r m e r t h ep o w e rg r i dw i t h c a p a c i t i v ei m p e d a n c em a yc a s ef l u xw a v e f o r md i s t o r t i o n t h et r a n s f o r m e rw i t h d i f f e r e n ts t r u c t u r eh a v ed i f f e r e n th a r m o n i ca tt h eo v e r e x c i t a t i o n ；d cm a g n e t i cb i a s h a v ei n f l u e n c ef o rt h eo v e r e c x c i t a t i o no ft r a n s f o r m e r 。a n dd cm a g n e t i cb i a sm a y l e a dt oo v e r e x c i t a t i o np r o t e c t i o nt ot h em a l f u n c t i o n k e y w o r d s ：t r a n s f o r m e r ：o v e r e x c i t a t i o n ；h a r m o n i c ；d cm a g n e t i cb i a s ； p s c a d e m t d c 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等 复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密区使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“一) 学位论文作者签名：印历久 日期： 2 叩g 年占日彤l 习黔 瓶p 名 肛 躲 磁 砂 j i y 老：导期 睹日 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研 究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出 贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本 声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 本文利用电磁暂态仿真软件e m t d c 建立仿真模型，对变压器各 种情况下的过励磁故障模型进行了全面仿真，并分析了它和直流偏磁 间的关系。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 研究背景 第1 章绪论 电力系统由发、输、变、配、用等环节构成，各环节相辅相成、相互影响。 其中，变电环节主要由变压器来完成。因此，变压器是电力系统中十分重要的 电气元件，它的运行状态直接影响着供电的可靠性，同时，变压器又是十分贵 重的电气主设备。近年来随着电力工业的发展，大批的高压大容量变压器相继 投入使用，这些变压器( 包括进口和国产的) 的设计余量日趋减小，运行中对电， 网电压波动比较敏感，容易发生过励磁故障，同时高压直流输电线路的发展也 使得变压器的直流偏磁现象日渐普遍，变压器的研究工作将面临新的挑战。 1 2 变压器过励磁的研究现状 国外有人统计，1 5 0 m v a 及以上的升压变压器每年约有2 0 遭受过励磁的危 害，我国也多次发生过这一故障n 1 。变压器过励磁是变压器的一种异常运行工况， 并不是每一次过励磁都会引起变压器故障，但过励磁会引起变压器铁心和其他 金属构件发热，损伤周围的绝缘介质，如果多次出现过励磁会使绝缘损伤积累， 降低绝缘寿命，酿成隐患。大型变压器的工作磁密高( 接近饱和点) ，容易发生 过励磁。文献 2 中指出过去曾发现过铁轭螺杆电木管烧焦现象，其主要原因是 变压器经常过励磁所致。过励磁不但影响变压器的绝缘寿命还同样对变压器的 保护造成影响，在文献 1 中提到有一次变压器在后半夜运行中，由于超高压长 线充电电流大、电压过高，电厂值班人员调节励磁时操作错误，减励磁反为增 励磁，造成一次严重过励磁故障，励磁电流急剧增大，导致变压器差动保护误 动作，事故统计资料以“原因不明一为调查结论。文献 3 中讲到近两年，某电 网有几台采用b c d 一2 4 型差动继电器构成的变压器差动保护在变压器无故障的情 况下动作，将运行中的变压器切除。经作者分析这是由过励磁产生的励磁电流引 起的。文献 4 中还分析列举长春榆树变电站，五棵树变电站由过励磁产生的5 次谐波引发了负序电压继电器的误动。所以说过励磁对电力系统的危害是不容 忽视的。 。 针对过励磁故障目前许多继电器厂商都生产了相应的保护装置，主要有以 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 下几种： 【l 】定时限过励磁告警：当过励磁倍数n 大于定时限告警定值时发出告警信 号。 【2 】定时限过励磁跳闸：当过励磁倍数n 大于定时限跳闸定值时跳闸。 3 】反时限过励磁跳闸：为了实现保护动作的选择性，各保护的动作时间按 阶梯原则进行整定。即动作时间随着该状态下变压器的过励磁倍数的增大而减 小。 前面提到，过励磁对变压器的危害之一就是引起其他保护的误动，而目前对 解决过励磁和差动保护的配合问题主要是采用谐波分量识别法，通过电流或电 压中谐波含量的多少来区分内部故障和过励磁电流，一般用5 次谐波作为制动量 使差动保护闭锁。对于五次谐波含量的提取方法h k v c r m a 等人提出以离散 h a r t h l y 变换为基础，计算变压器差动保护中的基波分量和2 、5 次谐波分量【5 l ： a m b a s h a 等人提出以i i r 滤波器滤出基波、2 次谐波、5 次谐波电流 6 1 。文献【7 】 还提出增大差动保护的整定值，使之大于过励磁电流，但是这是以牺牲差动保 护的灵敏性为代价的。 保障大型高压变压器的运行安全，当前最迫切的问题不是过励磁保护装置 的研制和开发( 已有产品供应) ，首先要求解决的是科学严谨地测定大型发电机和 超高压变压器的过励磁能力( 过励磁倍数线) ，使过励磁保护的整定有一个客观真 实的依据。同样文献 s l q 】也提到阳泉二电厂自1 9 9 6 年l 号机组投产以来，发电机 变压器过励磁保护定时限部分投信号，而投跳闸的反时限部分一直退出。原因 是制造生产厂家没有提供发电机变压器过励磁保护反时限特性曲线，反时限保 护定值没有整定的依据，所以3 年多一直没有正常投入 过励磁对变压器的损伤主要是过压过热引起的，有一个时间积累过程。并没 有表现出设备的直接损坏与停运，在国内并没有引起大家足够的重视。而近年 来对变压器的研究主要集中在差动保护以及励磁涌流的识别上，所以对变压器 过励磁的研究就变得十分的必要。 1 3 变压器保护的研究现状 变压器可能发生的故障有：各绕组之间的相间短路；单绕组部分线匝之间 的匝间短路；单相绕组和铁芯间绝缘损坏而引起的接地短路：引出线的相间短 路：引出线通过外壳发生的单相接地短路以及油箱和套管漏油等。变压器的不 正常工作情况有：由外部短路或过负荷引起的过电流：变压器中性点电压升高 或由于外加电压过高引起的过励磁。变压器保护分为主保护和后备保护，其中 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 主保护主要有差动保护和瓦斯保护：后备保护除了保护变压器本体外，还应作 为相邻组件的后备保护。 对大型变压器继电保护的基本要求： 大型变压器在电力系统中的地位非常重要，一旦发生故障，影响范围很大。 为保证系统和变压器安全运行，减少事故损失，大型变压器继电保护应满足如 下要求： 【l 】高可靠性； 【2 】高灵敏度： 提高可靠性的最佳途径是保护构成原理简单、有效。要求能灵敏动作于匝 间短路故障，同时亦能灵敏动作于内部高电阻接地故障。 【3 】高速度； 对于接入超高压远距离输电线路的变压器，当发生内部故障时，由于谐振 会产生谐波电流，可能引起谐波制动的差动保护延缓动作，需要采取有效的加 速措施或寻求鉴别励磁涌流的新原理和新方法。 【4 】有效地对付过励磁； 根据d l 4 0 0 9 1i ：继电保护和安全自动装置技术规程【9 】的规定，大型变压 器一般应装设下列继电保护装置： 【5 】反应变压器油箱内部故障和油面降低的瓦斯保护； 【6 】反应变压器的绕组和引出线的相间短路、中性点直接接地侧绕组和引出 线的接地短路以及绕组匝间短路的纵联差动保护。对高压侧电压为3 3 0 k v 及以上 变压器，可装设双重纵联差动保护： 【7 】反应变压器外部相间短路的复合电压起动的过电流保护、负序电流保护 和阻抗保护。 【8 】反应接地短路的零序电流保护。 【9 】9 变压器对称过负荷的过负荷保护。 【l o 】变压器过励磁的过励磁保护。 电力系统飞速发展对继电保护不断提出新要求，电子技术、计算机技术与 通信技术的迅猛发展又为继电保护技术的发展不断地注入了新活力。随着数字 技术的发展、微型计算机和微处理器的出现，为继电保护数字化丌辟了广阔前 景。2 0 世纪9 0 年代中后期人工智能以及网络技术的飞速发展，出现了以微机和 光传输技术为特征的全数字控制智能保护系统，以此为标志，微机继电保护技 术呈现出网络化，智能化，以及保护、控制、测量和数据通信一体化的发展趋 势，从上世纪8 0 年代至今，国内外学者相继把模糊理论、人工神经网络、自适 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 应理论、专家系统等智能理论应用到电力系统中，并取得了相当的成就。 1 4 变压器直流偏磁的研究现状 直流输电在单极大地回路方式运行时，会引起变压器的直流偏磁问题，对 电网的安全运行造成一定危害【l 们。三峡龙泉一江苏政平5 0 0 k v 直流输电系统自 2 0 0 2 年1 2 月调试和试运行以来，常州武南变电站两组5 0 0 k v 主变压器均出现噪 声大幅度上升( 上升2 0 d b ) 1 1 l 。在贵广直流线路中，2 0 0 4 年5 月的监测记录表明， 贵广直流输电线路单极大地回路运行方式下，春城站主变压器中性点直流电流 达3 4 5 a ，噪声达9 3 9 d b ，谐波电压总畸变率达2 1 【1 2 l 。 另外引发电力变压器直流偏磁的还有地磁感应电流( g c o m a g n e t i e a l l y i n d u c e dc u r r e n t ) ( g i c ) 玉1 4 】。地磁暴发生时，极电流产生的磁场和地球磁场相互 作用在地球表面产生感应电势，该感应电势可达每公里l 1 0 伏或更高。该地面 电势将在长距离输电系统特别是东西走向的输电线路中的接地变压器间诱发地 磁感应电流。该感应电流的频率在0 0 0 1 - - 0 1 h z 之间，与交流系统的5 0 h z 工频相 比可近似看作直流。地磁感应电流对于电力变压器的影响直至1 j 1 9 4 0 年才见诸报 道，1 9 4 0 年3 月2 4 b ，在遭到强烈地磁暴侵袭后，北美部分电网如现电压跌落、 无功波动等异常现象【l5 1 。上述两种情况引发变压器直流偏磁的过程基本相同。 都为直流电流在两接地变压器间产生电位差，直流电流由一变压器接地中性点 流入，从另一个变压器中性点流出。流过变压器绕组的直流电流引起变压器的 偏磁造成变压器铁心饱和，励磁电流畸变，产生大量谐波，无功损耗增加，甚 至还可能引起系统电压严重降低，系统继电器误动作。1 9 8 9 年3 月1 3 日，磁暴引 起的偏磁电流导致了加拿大魁北克电网的大停电，起因是偏磁电流使变压器铁 心急剧饱和，谐波大增，导致电网s v c 装置的继电保护误动作大量电容器退 出运行，系统电压崩溃，最终失去9 5 0 0 m w 负荷，电网解列近9 个小时【1 6 l 。因此， 研究变压器的直流偏磁现象及其消除方法和措施对电力系统安全运行具有重要 的意义。 国外针对地磁感应电流( 近似视为直流电流) 对电力系统的影响进行了一些 计算和试验研究。发现变压器直流偏磁下将产生丰富的谐波，但对具体不同磁路 结构的变压器耐直流的能力并没有定量的计算。我国关于这方面的研究近几年 也开始得到重视，对直流偏磁对电力系统的影响进行了一定的讨论【1 7 抛l ，但还需 要进一步深入计算和试验。而且在直流偏磁是否会对过励磁保护造成影响这是 本文将要探讨的问题。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 1 5 本文研究的主要工作 本课题通过分析当前变压器过励磁研究的现状，介绍比较几种变压器过励 磁保护的特点。使用p s c a d 构建各种情况下变压器过励磁时的模型，讨论励磁 电流的测量方式，通过仿真分析指出过励磁缧护中可能m 现的新问题。 论文主要工作如下： 第一章，简单介绍了课题的背景及意义，阐明了本论文的研究目的和内容。 第二章，首先介绍了变压器过励磁故障的产生机理与危害，过励磁的检测 装置，列举了各种变压器耐过励磁的能力，对目前实际应用中的几种过励磁保 护方案进行介绍与比较。分析介绍了差动保护与过励磁保护的配合问题。 第三章，介绍应用计算机构建变压器仿真模型的研究现状。介绍了电磁暂 态软件p s c a d e m t d c 的功能和程序结构，并对p s c a d e m t d c 软件中的两种 变压器模型进行了介绍与分析。决定使用该模型进行变压器过励磁故障的仿真。 第四章，使用p s c a d 中的经典变压器模型构造变压器在各种接线方式下的 过励磁模型，比较其空载电流与励磁电流的差别，以及谐波含量的变化情况： 总结励磁电流的测量方法。使用p s c a d 的u m e c 模型分析不同结构变压器的谐 波含量变化。 第五章，构造直流偏磁影响下的变压器模型，通过分析仿真结果，研究直 流偏磁和过励磁之间的关系。指出直流偏磁可能对过励磁保护造成的影响。 第六章对论文的工作做了总结，并对今后的工作做了展望。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第2 章变压器过励磁故障及其保护 2 1 过励磁故障的起因和后果 由于发电机或变压器发生过励磁故障时并非每次都造成设备的明显破坏， 所以往往容易被忽视，但是多次反复过励磁，将因过热而使绝缘老化，降低设 备的使用寿命。我国继电保护规程规定，对频率降低和电压升高引起的铁心工 作磁密过高，3 0 0 m w 及以上发电机和5 0 0 k v 变压器应装设过励磁保护。 发电机和变压器都由铁心绕组组成，设绕组外加电压为u ( y ，匝数为， 铁心截面为s ( m 2 ) ，磁密为曰( n ，则有 u = 4 4 4 i w b s ( 2 - 1 ) 式中厂电压频率。 因为形、s 均为常数，故可写成 曰= 尺善( 2 - 2 ) l 其中，k = 1 4 4 4 w s ，对每一特定的变压器，置为常数。 由式( 2 2 ) 可知，电压的升高和频率的降低均可导致磁密的增大。 严重时就形成威胁设备安全的过励磁故障。现在大型变压器，额定工作磁 密b = 1 7 l 。8 t ，饱和磁密b ，= 1 9 2 0 t ，两者很接近，比较容易发生过励磁故 障。 变压器铁心饱和之后，铁损增加，使铁心温度上升。铁心饱和后还要使磁 场扩散到周围的空间中去，使漏磁场增强。靠近铁心的绕组导线、油箱壁以及 其他金属结构件，由于漏磁场而产生涡流损耗，使这些部位发热，引起高温， 严重时要造成局部变形和损伤周围的绝缘介质。 对某些大型变压器，当工作磁密达到额定磁密的1 3 1 4 倍时，励磁电流酊 有效值可达到额定负荷电流的水平。由于励磁电流是非正弦波，含有许多次的 高次谐波分量，而铁心和其它金属构件的涡流损耗与频率的平方成正比，所以 发热严重。例如，在设计内铁式变压器时，取其平均涡流损耗等于j 下弦负荷电 流损耗的1 0 ，而当励磁电流有效值等于负荷电流时，若计算到1 5 次谐波，则 平均涡流损耗是正弦额定负荷电流损耗的4 5 倍。因此，励磁电流增长，要引起 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 变压器严重过热。 过励磁引起的温升加速绝缘老化、使绕组的绝缘强度和机械性能恶化，此 外铁心片间绝缘损坏会导致涡流损耗进一步增加，还可能造成绕组对铁心的主 绝缘损坏，而且油箱内壁的油漆熔化还会使变压器油被污染。 与系统并列运行的联络变压器，电压不会大幅度提高，而频率下降的程度， 一般也比较小。负荷过大使频率下降时，电力系统中将用自动减负荷装置来限 制其下降程度。各国的频率管理标准不尽相同，一般在频率下降l 3 就开 始甩负荷，虽然频率的实际下降幅度要比以前太些，但一般最多只下降7 - 8 因此系统联络变压器遭受过励磁的可能性比较小，而且过励磁的程度也比 较轻。但是，可能出现过励磁倍数不高而持续时间很长的情况。因此，对于这 类变压器，过励磁问题也应给予注意。 对于系统中的发电机和变压器，可能导致过励磁的原因有以下几种： 【l 】在发电机启动或停止过程中，当转速偏低而电压仍维持为额定值时引起 过励磁( 发一变组接线方式) 。 【2 】甩负荷时，发电机如不及时减磁，将产生过电压：在发电压能维持先前 值，但因变压器已为空载，也会产生过电压。 【3 】超高压远距离输电线突然丢失负荷而发生过电压。 【4 】事故时随着切除故障而将补偿设备同时被切，使充电功率过剩导致过电 压；补偿设备本身故障而被切除时也引发过电压。 【5 】如丢失负荷发生在变电所内，一次电压太高，通常的调压手段又不足以 控制住过电压的发生时。 【6 】事故解列后的局部分割区域中，若电压维持额定，由功率缺额造成频率 大幅度降低时。 【7 】电网解、合环考虑不周或操作不当。 【8 】铁磁谐振或l - - c 谐振引起过电压。 【9 】各种调节设备的失控或误动。 【l o 】发电机自励现象。 【l1 1 变压器调压分接头连接不正确。 2 2 变压器的过励磁能力分析 一台变压器的空载电流，空载损耗与过励磁倍数n 的关系如表2 1 所示： 其中： 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 拈妄= u u 。丢圳l 二 p 孙 以= =，o = u ， i z j j 曰【，。正 。、 。 式中u 、二一电压和频率的标幺值。 测试是在厂= 正的条件下升高电压来反映过励磁倍数的该变压器的 b = 1 6 5 1 7 0 t 。测试结果如下： 表2 - i 压器空载电流、空载损耗与过励磁倍数露的关系 月 空载电流倍数空载损耗倍数 刀 空载电流倍数空载损耗倍数 1 0 0 1 0 01 0 01 2 5 7 3 0 1 0 3 2 0 6 3 3 6 1 0 5 1 3 2 一1 5 01 1 2 1 2 0 1 3 0 1 5 l 1 8 o2 8 6 5 0 1 1 0 1 7 5 2 3 l1 2 7 1 4 31 3 52 6 5 2 8 95 o 6 o 1 1 5 2 6 0 3 7 01 4 5 1 9 01 4 03 8 o 一4 5 o9 0 一l o o 1 2 0 4 4 5 6 5 01 7 1 2 4 2 由表2 1 可以清楚看到：当n 增加时，空载电流和空载损耗成非线性陡增 关系，空载损耗的绝对数值虽不大，但它集中在铁心和金属构件的表面，造成 局部过热或烧伤。 在同一过励磁倍数n 下，允许持续时间的长短，与额定磁密曰、饱和磁密 丑。、磁化曲线的形状密切相关，曰越接近曰。饱和后的磁化曲线斜率越小 则在同一刀下允许的过励磁持续时间越短。通过运行中的实际测量与经验，世 界上许多国家都对变压器的过励磁能力，既变压器在过励磁情况下允许运行的 时间，制定了相关的标准，部分举例如下： 表2 - 2 变压器过励磁的运行规定举例 嘉笊 n 1 5 81 4 01 3 61 3 01 2 41 2 01 1 5 1 0 5 允许时间 i e e e 51 21 83 0 6 0 日本5 0 0 k v 级 t1 8 06 0 0连续 法国5 0 0 k v 级( s ) l o6 0连续 前苏联 。i2 0 。1 2 0 0 。 我国目前还没制定变压器过励磁能力的相关标准，但文献【2 l 】中对华东电网 部分5 0 0k v 变压器耐过励磁的能力进行了统计如表2 3 所示： 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 表2 3 部分变压器额定负荷下过励磁能力 踊3 号兰亭3 号献l 号挚2 号流i 号兰亭i 号 ( u f ) ( u f 。) 变匿器姗姗姗姗妍嚣 ( 耥( 耥( r i m ) 固( r i m ) ( 鞠 1 1 0 时，过励磁动作保护太提前，偏于安全 保守：刀1 1 0 且t 6 0 0 s ，保护不动作，不利于被保护设备的安全。这是定时 限保护的固有缺点。 2 3 2 过励磁反时限保护 为了实现保护动作的选择性，各保护的动作时间一般按阶梯原则进行整定， 即动作时间随着该状态下变压器的过励磁倍数的增大而减小。， 目前广为各国采用的a b b 公司提出的过励磁反时限动作判据为： t = 0 8 + 器o ) ( 2 - 4 )= 8 + - 二三( j )( 2 4 ) ( m 1 ) ” m = n n 印 式中f 褓护动作时限，s ： k ，整定时间倍率，k ，= l 6 3 ； m 保护启动倍率； 一过励磁徽肛引风= 等地慵 h o p 保护过励磁倍数启动值，。n o p 可取为1 0 5 1 1 0 ，既对t = 时 允许持续过励磁的倍数。 选取不同的刀印和k ，值，使过励磁反时限保护的动作特性与被保护设备的过 励磁能力相匹配，比图2 - i 的定时限动作特性大有改善，但是实际巡行中仍有 过励磁反时限保护的动作特性与被保护设备的过励磁能力匹配不理想的现象。 以德国t u 变压器厂生产的单相自耦变为例，其电压为 下5 0 0 2 3 0 + 9 善_ _ 1 3 3 1 5 7 5k v ，容量为1 6 7 1 6 7 6 6 7 m v a ，保护为a s e a 公司 34 3 生产的r a t u b 型继电器，其动作判据为式2 4 ，其中选用k ，= 2 ，刀印= 1 0 7 ， 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 继电器的动作特性如表2 4 。 表2 - 4r a t u r 型继电器动作时间t 刀 1 0 7 1 0 81 0 91 1 01 2 01 3 01 4 01 5 0 ml 1 0 0 9 31 0 1 91 0 2 81 1 2 01 2 1 51 3 0 81 4 0 2 f o ) 4 1 7 09 9 04 5 62 5 28 64 63 0 3 过励磁能力 ( s ) 1 2 0 01 8 05 0 空载运行：甩= 1 1 0 ，t = 0 0 ：刀= 1 2 0 ，f = 1 8 0 0 s ；刀= 1 3 0 ，f = 1 8 0 s 满载运行：刀= 1 0 5 ，t = o o ；力= 1 1 0 ，t = 1 2 0 0 s ：刀= 1 2 0 ，f = l8 0 s ；刀= 1 4 0 ， t = 5 s 由表2 - 4 可见，动作判据式2 - 4 的过励磁反时限继电器在i t s1 4 0 时保护动 作过早，确实不够理想。改选n 印= 1 0 8 、k ，= 2 或以印= 1 0 7 、k ，= 3 ，能使保 护动作时间加长些，但仍然很难与变压器的过励磁能力取得密切配合。 通过对动作判据的改进，能够使过励磁反时限保护动作特性更加接近变压 器过励磁倍数曲线。 文献中 2 2 提出了一种反时限保护的改进的判据为： t = 1 0 一i 。+ 2 ( 2 - 5 ) 式中f 保护动作时间，s ； 刀过励磁倍数； k 、k ，待定系数。 通过该文献的分析计算，证明了这种判据下保护能更好的与过励磁倍数曲 线相配合。 近几年随着技术的发展，微机型过励磁保护装置也可用另一种方式实现， 即直接根据发电机、变压器制造厂家给出的过励磁倍数曲线，制订过励磁保护 的反时限动作特性曲线，将后者存入计算机，运行中按实际的过励磁倍数刀查 询反时限动作待性，以确定保护动作时限这样可免去繁琐的求式。 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 l u 厦 n 血x n l 、 n 2 n 3 n 4 1 _ n ， - - n 6 n q d r t r a i nt 1t 2t 3t 4t 5t 6t m a x 1s ) 图2 2 反时限过励磁曲线示意图 反时限动作特性曲线的八组输入定值满足以下条件： 1 反时限过励磁上限倍率整定值n l 反时限过励磁倍率整定值n 2 【2 】反时限过励磁上限时限整定值t l 反时限过励磁时限整定值t 2 依此类推到反时限过励磁倍数下限整定值。可以把这种反时限保护方式看 成是种多段式的定时限保护。目前我国国产的过励磁保护装置大部分都采用这 种方式整定变压器的过励磁曲线。只是在选取的段数上面有所不同，北京四方 继保自动化股份有限公司的c s c 一3 2 6 e d e e 数字式变压器保护装置采用了7 段 【2 3 1 ，南京南自电网控制技术有限责任公司的n d t 3 0 0 系列数字式变压器保护装置 采用的是6 段1 2 4 j 。 2 4 过励磁保护装置原理 2 4 1u i f 的测量电路 c ， 一 【v 孓 一 i + 至执行原件 -c = = 1 卜j 滤波 p 1 r 。i i 图2 - 3 过励磁保护的u 厂测量原理图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 图2 - 3 中，电压互感器( 未画出) 二次电压洲( 为电压变比) 送给中 间电压互感器t v ( 变比为刀y ) ，则电容c 上的电压为 令( 2 n f r c ) 2 1 ，则有 由式2 - 6 和式2 - 7 可得 u c2 丽面u 萧而 刀，、( 2 砷c ) 2 + l u c ：k ，u = 墅口 。 k 可见，u c 大小反映了u f 比值和b 的大小。 另一种【，测量电路如图2 4 ，它使用积分放大器 u n 弋 一 ( 2 - 6 ) ( 2 - 7 ) ( 2 - 8 ) 图2 4 采用积分运放的u f 测量电路 由电压互感器二次向t v a 输入电压洲，副方输出u 。，经j 下半周积分输 出电压为 叱= 一丽lt 挣2 出= 一去r 他为s i n 砌 _ lu1u = 一一一= 一一一 积qn y u积c n y nf 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 i u 。i = k ，l u l l i ( 2 - 9 ) 式中k t 常数，k ，= 历丽1 当负半周时，与被测电压同步的控制器将反馈积分电容c 短接，所以积分 器仅在i e ：e c - n - r _ 作，输出电压正比于u t 。 2 4 2 反时限电路 一种过励磁保护的反时限电路如图2 - 5 ，他是实现动作判据式2 4 的。 圈2 5 反时限电路方框图 由u 回路取出的信号实际上正比于月值，通过调整反向放大器的放大倍 数使其为一m ，然后与“+ l 回路在加法器相加变成m l ，再经平方器后变 成( m 1 ) 2 。此信号加至电压频率变换器，电压频率变换器的输出频率与 ( m 1 ) 2 成正比变化。输出信号经分频器分频，当分频次数达到所要求的分频次 数时，快速记忆回路将所得到的信号记忆下来，经补偿回路后出口跳闸。 2 5 过励磁保护与差动保护的配合问题 大型变压器的差动保护必须考虑变压器过电压或过励磁时，由于励磁电流 急剧增大，波形严重畸变，在差动回路中产生的不平衡电流引起的差动保护误 动主变过励磁的明显特点是电流中三次、五次谐波含量增加，但三次谐波经 常大量出现在其它场合。故传统的防误动措施是增设五次谐波制动回路，以 ，。大于整定值作为闭锁判据。要求在允许的过励磁状态下闭锁差动保护，而 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 在严重过励磁的随5 次谐波含量的减小而自动解锁，从而使差动保护对变压器 的严重过励磁也有一定的保护作用，但是这就要求过励磁的闭锁环节有较高的 返回系数。文献 2 5 提出把差动保护的五次谐波闭锁判据作为主变是否真正过 励磁的判据。即将差动保护中五次谐波监测元件的接点串在过励磁保护出口跳 闸回路中，起到五次谐波电流监测闭锁过励磁保护的作用。 并提出了如下的整定原则： 1 当1 0 0 【， 1 0 5 时，变压器处于轻微过励磁状态，一次电流中所 含五次谐波分量增到，i 3 8 处于临界状态，过励磁保护依定值经延时发告 警信号。 2 当1 0 5 1 4 0 时，电流中五次谐波含量减小，五次谐波闭锁元件不能 开放，为此可以参照差流速断保护设计思路，单设一个【， 1 4 0 过电压判据， 不经五次谐波闭锁元件直接跳闸。该整定原则是从理论角度出发提出的，在实 际应用中的结果还未知。 2 6 本章小结 本章主要首先介绍了变压器过励磁故障的产生机理与危害，过励磁的检测 装置，列举了各种变压器耐过励磁的能力与各国的标准，对目前实际应用中的 几种过励磁保护方案进行介绍与比较分析了差动保护与过励磁保护的配合问 题。 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 第3 章变压器仿真模型 仿真( s i m u l a t i o n ) 也叫模拟。它不是直接对实际过程或实际系统进行研 究，而是根据模拟理论先设计一个能反应该过程或系统的模型，然后通过模型 进行相关试验，因为在实际系统上做实验，往往很昂贵、。费时，有时候很危险， 甚至不可能。事实上，仿真已经成为科技研究中的一种极为重要的手段。电力 系统仿真是仿真中的很大的一个分支，而且已有较长的历史。随着电力系统的 发展，电源的增多、电网的扩大、自动化程度提高，许多计算与控制问题同益 复杂，从供电可靠性、设备安全性和经济性的诸多因素考虑，直接在电力系统 中进行各种试验，基本上是不可行的，因而电力系统仿真就显得十分必要。 电力系统的暂态过程的仿真主要有电力系统动态模拟和数字仿真电力系 统的动态模拟是根据相似原理建立起来的一种物理模拟，它是将实际的电力系 统的各元件，例如发电机、变压器、输电线路和负荷按一定的比例关系缩小， 但保留其物理特性，关键是各模拟设备与相应电力系统中的各元件物理量的标 么值必须相等，利用动态模拟系统对电力系统进行研究比较直观，而且计及了 电力系统的电磁暂态和机电暂态的各种特性，能够考虑很多数学模型中难以考 虑的因素。但是动模试验也有它的局限性。例如，由于条件限制，模拟系统与 原型系统可能有较大的出入，使得精度受到一定的限制，试验工作比较复杂， 尤其是要调整系统的网络结构和工况时候工作量很大，有些工况可能难以模拟。 对于变压器的电磁暂态的动态模拟来说，在做空载合闸模拟励磁涌流的时候， 无法控制电源初相角和铁芯剩磁的大小以及方向，而这些因素又决定了励磁涌 流的波形，而且除非有专门制造的供内部故障动模试验用的变压器，否则无法 进行变压器内部故障试验。此外动模造价昂贵，试验费用很高。对于电力系统 的各个元件，都有一个精确的数学模型来描述其特性，然后利用这些数学模型 在计算机中进行计算，用计算所得结果代替对原系统的观察测量，这种方法叫 做数学仿真。用数字计算机来进行的仿真叫做数字仿真，数字仿真最主要的优 点在于可方便地改变网络结构、系统参数和系统工况，造价低廉，试验费用低 而且数字仿真可以克服动模试验的部分不足之处，因此具有不可替代的作用。 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 3 1 变压器模型研究现状 多年来，研究人员提出了各种不同的变压器模型，现有的变压器模型大致 可分为两类：线性模型和非线性模型。线性模型包括绕组电阻、漏电感( 代表 绕组的漏磁通) 、线性励磁阻抗( 代表铁芯的励磁特性) 。由于线性模型没有考 虑铁芯励磁时的非线性影响，所以，线性模型在变压器工作于饱和状况研究中 是不准确的。通常情况下，变压器的非线性模型是其详细的内部绕组模型，它 由大量的电容和耦合电感所形成的网络组成，这些电容和耦合电感是通过将分 散绕组的自电感、互电感和电容离散化而得到的【2 们。为了获得这些参数，需要 变压器物理设计方面的数据和一些复杂的现场试验。通过计算机进行变压器建 模的方法大致可以分为四类【2 7 l ：基于漏电感的模型；基于自感和互感的模型； 基于对偶性的模型；基于电磁场的模型。 【l 】基于漏电感的模型 基于漏电感的模型由电阻、绕组的漏感和一个理想变压器构成【2 引。基于这 种方法的一个单相两绕组变压器的模型如图3 1 所示。在这里，r 和墨分别代 表原边和副边绕组的直流电阻，它们是反映低频变压器的绕组损耗参数。厶“。和 k ：分别是原边和副边的漏感，他们表示一个绕组不与其它绕组相铰链的闭环 磁线。铁芯中的功率损耗是由励磁电流，脚| 流过来表示的。是铁芯的励 磁电感，它代表铁芯的励磁特性。i 和札分别是原副边绕组的匝数，t l 是一 一 个理想变压器，电压变比为m 2 。通常在正常运行情况下，励磁电流l ，非常 小，以至于可以将励磁阻抗忽略不计。此模型可以充分地描述变压器的漏电感， 当要考虑铁芯的非线性特性时，可将励磁电感换成一个非线性电感，此模型主 要适用于单相变压器或者三相变压器组。 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 +盟 o c k t l l o c k 2r 2 厂1 _ 鸭啦i + u 2 n l ：n 2 图3 - 1 基于漏电感的变压器模型 【2 】2 基于自感和互感的模型 基于自感和互感的变压器模型是在互耦支路的概念上发展建立起来的1 2 9 】。 运用这种模型，任何一个由n 个耦合线圈组成的多绕组变压器都可以用下列电 路方程来表示： 均= 麟+ 警撕- 1 2 ，。一 ( 3 - 1 ) 蜥是第f 个线圈的端电压，锄是第i 个线圈的总磁通。 当考虑磁饱和时，饵是受n 个绕组电流影响的非线性函数，即： 旃= 谚( ，如，) ( 3 - 2 ) 对于第i 个线圈，依据链式法则式( 3 1 ) 可以被扩展成为： q = 她+ 等鲁+ 等鲁+ 。+ 等等 ( 3 引 由于磁通谚对于绕组电流( 女= l 。2 ，刀) 的偏导数是增量电感厶和坂，即： 厶：婴，m 丑：譬 。(3-4) 所以式( 3 3 ) 变为： 吩= 她+ 帆石d i , + m ，：面d i , + + 厶鲁+ 帆鲁( 3 - 5 ) 以一个单相两绕组变压器为例来说明，如图1 2 所示。 绕组端电压和电流的关系表示如下； ： = r 三】丢 乏 + 【尺】 乏 ( 3 6 ， 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 尺= 孑z = 陇m 厶n 协7 ， 上式中，为原边电压，“：为副边电压，为原边电流，i s 为副边电流，墨为 原边绕组的电阻，是为副边绕组的电阻，厶为原边绕组的自感，厶为副边绕组 的自感，m ：为原副边绕组的互感。这一方法同样可以应用到三相变压器，只 是表达式会包括多端i = l 网络。 圈3 - 2 基于互感支路的变压器模型 3 基于对偶性原理的模型 对于三相三柱和三相五柱变压器这种比较复杂的结构，人们基于它的拓扑 图，用集中参数的磁路描述变压器铁芯的特性然后根据电磁关系将磁路模型 转换为电路参数进行计算。b a m o r k 等学者川基于对偶性原理，在a t p e m t p 仿真软件搭建一个混合变压器模型。通过应用对偶性原理，变压器铁芯用一个 考虑铁磁磁滞及饱和的电感以及与其并联的反映铁芯损耗的电阻凡表示，铁 扼部分同铁芯部分类似，也是用一个考虑铁磁磁滞及饱和的电感l 。以及与其并 联的反映铁芯损耗的电阻r ，表示。零序磁通用一个线性电感k 代替，由零序磁 通产生的涡流损耗用电阻r 代替。尺，、尺。分别表示高、低压绕组侧基波电阻 线性电感厶表示绕组间的漏感。文献 2 8 详细介绍了这些参数获取的的方法。 该方法的缺点是需要的参数量比较多，不易被一般用户得到。 【4 】基于电磁场的模型 变压器模型的参数可以利用磁场分析方法进行计算，其中有限元分析技术 则非常适合于解决变压器数字仿真中的模型问题【3 2 】。有限元分析( f e a f i n i t e e l e m e n t s a n a l y s i s ) 技术可以准确得到一个磁元件( 例如变压器) 的电磁特性。一 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 旦一个磁元件的模型被确定，则其各个参数值就可以通过有限元分析技术来计 算。由于有限元分析对于非线性仿真可以提供十分准确的模型，因此，使用有 限元分析方法进行变压器模型仿真，