变压器差动保护毕业论文.doc

河南理工大学毕业设计（论文）说明书变压器差动保护毕业论文1 绪论随着电力系统的出现，继电保护技术就相伴而生。与当代新兴科学技术相比，电力系统继电保护是相当古老了，然而电力系统继电保护作为一门综合性科学又总是充满青春活力，处于蓬勃发展中。之所以如此，是因为它特别注重理论与实践并重，与基础理论、新理论、新技术的发展紧密联系在一起，同时也与电力系统的运行和发展息息相关。电力系统自身的发展是促进继电保护发展的内因，是继电保护发展的源泉和动力，而相关新理论、新技术、新材料的发展是促进继电保护发展的外因，是电力系统继电保护发展的客观条件和技术基础。1.1 变压器差动保护的发展简述电流差动保护原理是由C H Merz和B.Price在1904年提出的1，其理论基础是基尔霍夫电流定律，它是电力变压器的主保护，也是各种电气元件使用最广泛的一种保护方式。自上世纪70年代微处理器的出现，元件保护进入到微机保护时代。国外在70年代即对变压器个别保护的计算机实现开展研究。80年代国外开始研制发电机及变压器整套微机保护。1989年波兰Korbasiewcz发表了发电机变压器组微机保护系统。1990年印度Verma等也发表了变压器全套微机保护的研究成果。到90年代见到正式商业产品，如Siemens及ABB公司均已有微机发变组全套保护。我国微机元件保护的研制，是从80年代开始的2。1987年在我国首先研制成微机式发电机失磁保护系统，在此基础上于1989年开发研制成发电机全套微机保护，并于1994年研制成我国第一套适用60万KW及以下容量水、火发电机变压器组全套微机保护。随后，国内又研制成用于水轮机发电机变压器组的微机保护。1988年后有多家研制成了变压器微机保护。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比较简单。作为变压器主保护，对其要求有两方面，即防止外部短路时不平衡电流及防止励磁涌流所致的误动作。但是作为变压器内部故障的主保护，差动保护将有许多特点和困难，变压器具有两个及更多个电压等级，构成差动保护所用电流互感器的额定参数各不相同，由此产生的差动保护不平衡电流将比发电机的大得多。变压器每相原副边电流之差(正常运行时的励磁电流)将作为变压器差动保护不平衡电流的一种来源，特别是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，势必引起差动保护误动作。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，要求差动保护不误动，是一个相当复杂困难的技术问题。正常运行中的变压器，根据电力系统的要求，需要调节分接头，这又将增大变压器差动保护的不平衡电流;变压器差动保护应能反应高、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应高压侧(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，将差动保护用于变压器，一方面由于各种因素产生较大或很大的不平衡电流，另一方面又要求能反应具有流出电流性质的轻微内部短路，可见变压器差动保护要比发电机等其他元件差动保护复杂得多。1.2 国内外变压器差动保护研究发展现状1.2.1 综述随着超高压、远距离输电在电力系统中的应用越来越广泛，大容量变压器的应用日益增多，对变压器保护的可靠性、快速性提出了更高的要求。电力变压器在空载合闸投入电网或外部故障切除后电压恢复时会产生数值很大的励磁涌流，同时波形严重畸变，容易造成差动保护误动作，直接影响到变压器保护的可靠性。差动保护一直是电力变压器的主保护，其理论根据是基尔霍夫电流定律，对于纯电路设备，差动保护无懈可击。但是对于变压器而言，由于内部磁路的联系，本质上不再满足基尔霍夫电流定律，变压器励磁电流成了差动保护不平衡电流的一种来源3。当前变压器差动保护的主要矛盾仍然集中在励磁涌流和内部故障电流的鉴别上。近十多年来，国内外许多学者致力于变压器继电保护的研究，提出了不少判别励磁涌流的新原理和新方法。1.2.2 励磁涌流判别原理的研究现状(1)电流波形特征识别法电流波形特征识别法一直是人们研究的热点，目前仍占据主流。该方法以励磁涌流和内部故障电流波形特征的差异为依据，文献4-9介绍了己运用于实践的几种方法：有二次谐波制动原理和间断角原理4，新近提出的有采样值差动原理5、波形对称原理6，波形叠加原理7、波形相关性分析法8和波形拟合法9。其中，采样值差动原理是间断角原理的衍生，波形对称原理是间断角原理的改进，而波形叠加原理、波形相关性分析法和波形拟合法则是波形对称原理的衍生或改进。另外，随着科学研究领域的逐步扩大，研究层次的逐渐加深，产生的若干新兴学科也为判别励磁涌流提供了新的手段，其中有代表性的是神经网络和小波变换。然而，就目前发表的文献看，这些新兴手段也只是局限于对电流波形进行一些简单的加工，所以仍属于电流波形特征识别法的范畴。(2)谐波识别法文献“1011”详细介绍了谐波识别法的原理及运用，该方法是通过电流或电压中谐波含量的多少来区分内部故障和励磁涌流。主要有利用二次谐波电流和分析变压器端电压中的谐波分量两种鉴别励磁涌流的方法即二次谐波制动和电压制动。大多数变压器差动继电器利用差动电流的谐波分量区分不同于励磁涌流和过励状况的内部故障，谐波分量可以用于制动或闭锁继电器动作。(3)磁通特性识别法12,13磁通特性识别法是考虑利用磁通量，综合运用变压器的电压和电流进行励磁涌流判别的方法。目前主要有三种磁制动方案: 是基于变压器在不同工况下的励磁特性曲线建立故障判别区;二是建立差动电流id和变压器的互感磁链之间的关系曲线，通过比较与的关系是否落在空载磁化曲线附近来判断是否为励磁涌流;三是分析比较-曲线上故障时或涌流时的切线斜率与半周波前对应的切线斜率的值，相等则为故障。(4)等值电路法14该方法是基于变压器导纳型等值电路的励磁涌流判别方法，通过检测对地导纳参数变化来鉴别变压器内外故障。(5)功率法1011第一种:对故障状态下系统正负序网络模型进行分析，由变压器两端电流电压计算出两侧正负序功率，根据正负序功率方向的不同，快速、准确地区分变压器的内部故障、外部故障和励磁涌流。第二种:先根据电流电压计算出变压器两端功率值，并计算出两者之差，用求得的有功功率差额W(r)来判别励磁涌流和变压器内部故障。该方法的优点是第一没有让励磁涌流成为动作的因素，故在励磁涌流判别方面有较大的优势。第二与以往的励磁涌流判据相比，功率差动保护的功能更为全面具有区分变压器内、外部故障的功能，可以作为独立保护使用。(6)基于模糊逻辑的多判据法15该方法弥补了严格依照精确定量判别涌流的不足，避免了“一票否决”，真正做到了“集思广益”，体现了智能化特点，提高识别励磁涌流的正确性和可靠性。图1. 1 表示模糊多判据识别励磁涌流逻辑框图。U励磁涌流涌流识别方法1涌流识别方法2涌流识别方法nU1U2Un模糊变换决策识别Y1Yn 图1.1 模糊多判据识别励磁涌流逻辑框图其中，从是各涌流识别方法的隶属函数，是各识别函数的权，通过模糊变换可得到一个总的隶属度来综合各判据，总的隶属度为 （1-1）其中， （1-2）文献16提出了二次谐波制动原理、波形对称原理、功率差动原理、低电压原理的模糊多判据励磁涌流识别算法。这种方法只是变压器励磁涌流识别中的一个新探索，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，该方法仍需要科研工作者进行深入而细致的研究。(7)其它文献17介绍了基于参数辨识的变压器差动保护：该方法无需鉴别励磁涌流，通过建立变压器的线性模型，而模型无需涉及变压器铁心的非线性关系和磁滞效应。当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变化，而在变压器内部故障时要发生变化。根据这一特性，可把变压器绕组的漏感和电阻值是否发生变化作为区分变压器内部故障和正常、外部故障、励磁涌流情况的判据。文献18介绍了基于励磁阻抗变化的变压器励磁涌流判别方法:在励磁涌流出现时，变压器的励磁阻抗急剧变化，而在正常运行或故障时励磁阻抗基本不变这一特征来区分变压器励磁涌流和短路故障.因而不需要变压器参数和系统参数。1.2.3 变压器保护发展趋势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，为继电保护数字化开辟了广阔前景。20世纪90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80年代至今，国内外学者相继把模糊理论、人工神经网络、自适应理论、专家系统等智能理论应用到电力系统中，并取得了辉煌的成就。1.2.3.1模糊理论在继电保护中的应用模糊理论的核心思想是利用数学手段仿效人脑思维，对复杂事物进行模糊度量，模糊识别，模糊推理，模糊控制和模糊决策。在电力系统继电保护中，应用模糊数学不是要是使得输出的跳闸命令变得含含糊信息更加有效的进行综合决策，从而得出更加精确和符合实际情况的输出。1.2.3.2专家系统在继电保护中的应用专家系统是人工智能领域中的一个重要分支，它在各个学科中都得到广泛的应用，由于继电保护对实时性要求高，这限制了专家系统的应用范围。目前的专家系统主要应用于对实时性要求不高的场合，如继电保护整定、协调，高阻接地故障检测，故障定位，故障诊断。1.2.3.3人工神经网络在继电保护中的应用人工神经网络(ANN)的应用是目前继电保护领域文献发表最多的方向之一。人工神经网络是由很多神经元广泛互连而成的网络，信息存储体现在神经元之间的连接权上，存储区与操作区合二为一，ANN具有高度并行计算能力以及相当强的自适应性、鲁棒性和容错性。利用ANN的并行计算能力，可以实时实现常规保护难以做到的最优算法;利用ANN的并行处理和近似推理，可以实现对电力系统运行方式和故障类型的准确诊断和识别:利用ANN的高度容错能力可以使得继电保护具有更高的可靠性。1.2.3.4自适应技术在继电保护中的应用自适应继电保护是一种根据电力系统运行方式和故障状态的变化而实时改变保护性能、特性或整定值的保护。电力系统在运行过程中，其状态、参数和网络结构会经常随着运行方式的变化而变化。传统的继电保护为了达到这个要求，往往采用抬高整定值、增加闭锁判据等措施。另外实际上也有限地使用了一些自适应原理，例如反时限原理的过流、过热、过激磁保护措施。1.3 论文研究的背景、目的及意义1.3.1论文的背景近年来，我国的超高压、大容量电力变压器不断投产，远距离输电系统越来越多地建成、运行。电力变压器是电力系统中极其重要的电气设备，它的安全运行与否，直接关系到电力系统能否连续稳定地工作。特别是由于变压器本身造价昂贵，一旦因故障而遭到破坏，其检修难度大，检修时间较长，经济上的损失也很大。相对于变压器保护的重要性而言，国内变压器保护的发展却远远落后，其保护正确动作率长期偏低。造成这一结果的原因有管理上的不足，有当前工作人员的素质问题(设计、制造、整定调试、运行维护诸方面的失误)，但最主要的是由于电力变压器继电保护技术上的缺陷。长期以来变压器主保护动作正确率相对偏低，变压器差动保护及其相应的辅助判据需要改善。1.3.2存在的问题众所周知，影响变压器差动保护动作正确与否的关键是保护装置能否正确区分励磁涌流和内部故障。有关励磁涌流的分析一直以来都是焦点，意义重大。主要应解决的主要问题有:（1）正确识别励磁涌流和内部故障时的短路电流。变压器空载合闸或外部短路故障切除电压突然恢复时，变压器有很大的励磁电流即励磁涌流通过，因该励磁涌流仅在变压器的侧流通，故流入差动回路。变压器内部短路故障时，差动回路流入的是很大的短路电流。显然，作为纵差动保护，励磁涌流作用下不应动作，短路电流作用下保护应可靠动作。（2）外部短路故障切除电压突然恢复的暂态过程中，应保证纵差动保护不发生误动作。应当注意在这个暂态过程中，一方面变压器存在励磁涌流，励磁涌流的非周期分量将使一侧电流互感器(励磁涌流仅在变压器一侧流通)的误差特别是角误差增大;另一方面变压器负荷电流的存在。这两方面的因素导致差动回路不平衡电流的增大，变压器微机差动保护这种情况下不应误动。（3）应解决好区外短路故障时差动回路中的不平衡电流和保护灵敏度之间的矛盾。区外短路故障时，由于纵差动保护各侧电流互感器变比不匹配、有载调压变压器抽头的改变、电流互感器误差特别是暂态误差的影响，差动回路中流过数值不小的不平衡电流，为保证纵差动保护不误动，动作电流应高于区外短路故障时的最大不平衡电流，这势必要影响到内部故障时保护的灵敏度。作为纵差动保护，既要保证区外短路故障差动回路流过最大不平衡电流时不发生误动作，又要在内部短路故障时保证一定的灵敏度。1.3.3论文研究的目的及意义根据以上的分析及对目前应解决问题的研究，得到本课题所作研究的目的：运用小波原理，探求新的励磁涌流与内部故障判别方法。其意义在于通过研究新判据，尝试以小波分析方案完善目前的励磁涌流判据，提高差动保护的可靠性。1.3.4论文的主要工作本文在认真总结、学习前人研究成果的基础上，介绍了电力变压器的继电保护，电力变压器的故障类型、异常工作情况；着重分析了电力变压的差动保护原理，励磁涌流对变压器的影响；最后，讨论了小波分析在差动保护中应用，重点在基于小波分析的变压器励磁涌流识别。在对励磁涌流特性进行分析的基础上，针对目前的判据仅仅反映单一电气量的缺陷，探讨了运用小波变换奇异性分析法来区分励磁涌流与故障电流的新方法。将这个励磁涌流判据与电流差动保护相结合作为变压器主保护就可以提高变压器保护的正确动作率。2 电力变压器的继电保护2.1 变压器原理介绍变压器主要是用来输变电的，变压器能量传递是通过电磁感应而实现的，所以分析变压器电磁关系要根据有关电和磁的规律。每台变压器必须有电路和磁路，而电路和磁路又是电场和磁场的简化，但是在遇到一些细致的问题时，我们还是必须要用场的方法来解决。一般变压器的电路是由绕组构成，而磁路是指定的磁通所通过的部分。(1)电路分析:对于普通电力变压器，就是指那些单相、三相、双绕组和三绕组电力变压器，由于他们绕组的联结方式不同，所以绕组电流，线电流，相电流的计算公式都是不一样的。但都可以用表达式来表示。其中K是比率系数，P是额定容量，是额定电压。而绕组的匝数取决于铁心心柱截面的大小。因为当铁心采用某一牌号硅钢片以后，磁密B基本上是一个变化范围很小的量;而且在某一相电压作用下，绕组每匝电势与该绕组匝数W的乘积也是一个常量，所以铁心柱截面A大时，绕组每匝电势也大，则该绕组匝数减小。既然绕组的匝数完全取决于每匝电势，当f=50Hz时，根据每匝电势和外加电压我们就可以计算出各绕组的匝数。当发生匝间短路时，绕组匝数将变小，电势E也将变小，而电流分量将增大，引起变压器差动保护动作。(2)磁路分析铁心是变压器的磁路，变压器是由电能输入侧，即一次绕组侧励磁的。在一次与二次绕组间建立起交变磁通的电流，称为励磁电流或磁化电流。具有磁性铁心的变压器，交变磁通大部分在铁心中流通，该磁通叫做主磁通。双绕组变压器负载时的磁式方程为 (2-1)或 (2-2)将上式改写为: (2-3)式中，次电流的负载分量。由上式可以看出，一次电流乃是励磁电流与一次电流负载分量IAHT的矢量和，等于运用一二次匝数比折算的二次电流，并取负号，即 （2-4）于是，变压器的磁场可以看作两个部分，一是由励磁磁势建立;二是由其和等于零的二次电流和一次电流负载分量的磁势所建立的。这个由合成磁势所建立的磁场，按照全电流定律，不可能包含与变压器的两个绕组都铰链的磁通，仅可能包含与一个绕组逐次或完全铰链的磁通。这个磁场，就叫做变压器的漏磁场。如果变压器在空载和负载时，一次绕组端所施加的电压是相等的，则变压器的空载电流和负载时的励磁电流二者在大小、相位与波形上相差很小。由公式 (2-5)式中 外加电压V;由主磁通产生的电势V;次绕组的阻抗压降V。2.2 电力变压器的故障类型、异常工作情况电力变压器是电力系统普遍使用的重要电气设备。它的安全运行直接关系到电力系统供电和稳定运行，特别是大容量电力变压器一旦因故障而损坏，造成的损失就更大。因此必须针对电力变压器的故障和异常工作情况，根据其容量和重要程度，装设动作可靠、性能良好的继电保护装置。2.2.1 变压器的故障类型变压器故障包括变压器油箱内部故障和油箱外部故障。变压器油箱内部故障包括绕组的相间短路、匝间短路和中性点接地系统侧的接地短路。这些故障由于短路电流产生的高温电弧不仅烧坏绕组绝缘和铁芯，而且将绝缘材料和变压器油分解产生大量气体，使变压器油箱局部变形，甚至引起爆炸。变压器油箱外部故障主要是变压器绝缘套管和引出线上发生的相间短路和接地短路。2.2.2 变压器的异常工作情况变压器的异常工作情况由外部短路引起的过电流、过负荷；油箱漏油造成的油面降低或冷却系统故障引起的油温升高；外部接地短路引起的中性点过电压；过电压或系统频率降低引起的过励磁等。2.3 变压器继电保护方式变压器保护的任务就是反应上述故障和异常工作情况，通过断路器切除故障变压器或发出信号采取措施消除异常情况，并能作为相邻元件(如母线、线路)的后备保护。根据有关规定，变压器应该装设以下继电保护装置。(1)反应变压器油箱内部各种短路故障和油面降低的瓦斯保护。对容量在0.4MVA及以上油浸式变压器应该装设瓦斯保护。(2)反应变压器绕组或引出线相间短路、中性点直接接地系统侧绕组或引出线的单相接地以及绕组匝间短路的纵差动保护。对6.3MVA及以上厂用工作变压器和并列运行的变压器，10MVA及以上厂用备用变压器和单独运行的变压器以及2MVA及以上用电流速断保护灵敏系数不能满足要求的变压器，应装设纵差保护。对高压侧电压为330kV以上的变压器，可以装设双重差动保护。(3)反应变压器外部相间短路并作为瓦斯保护和纵差动保护后备的过电流保护。当过电流保护灵敏系数不满足要求时，可采用低电压和复合电压起动的过电流保护、复序电流保护、低阻抗保护等。(4)反应中性点直接接地系统中变压器外部接地短路的零序电流保护。该保护同时作为变压器内部接地的后备保护。对于中性点可接地或不接地运行地变压器需增设零序过电压保护。(5)反应变压器对称过负荷地过负荷保护。(6)反应高压测电压为500KV的变压器由于工作磁通量密度过高引起过励磁的过励磁保护。2.4 变压器保护的基本要求对变压器保护的基本要求有三个方面:(1)在变压器发生故障时应将它与所有的电源断开；(2)在母线或其它变压器相连的元件发生故障，而故障元件由于某种原因(保护拒动或断路器失灵等)其本身短路器未能断开情况下，应使变压器与故障部分分开；(3)当变压器过负荷、油面降低、油温过高时，应发出报警信号；对于变压器本身和各侧引线、套管的故障，为了限制故障扩大，通常采用电流速断、差动及重气体保护，快速将变压器的电源切断。3 变压器差动保护3.1 国内外差动保护综述迄今为止，差动保护己经广泛的应用于变压器保护当中，并且微机型保护已其巨大的优越性被广大用户所认可，所以微机变压器差动保护迎来一个快速发展的春天。根据有关文献本文大致将差动保护目前的情况叙述如下。目前，各个继电器生产厂家都将二次谐波制动原理作为主要的涌流闭锁方案。其次是间断角原理以及近来兴起的模糊识别原理。特别是当电力部规程要求220KV以上电压等级的变压器保护都必须配备不同原理的差动保护之后，间断角原理和模糊识别原理发展较为迅速，并且在实践中得到较多的运用和改善。总之，这三种原理的差动保护己经可以称它们为主流，不管是国内还是国外的设备都可以提供这三种原理的保护。这三种原理从本质上来看是相同的，都是基于波形识别的原理。随着计算机水平的发展，CPU等主要芯片运算速度和精度的提高，必将会使得这三种原理的保护日趋完善和可靠。但是这三种原理都有其固有的瑕疵。因为它们都是基于对励磁涌流的一种基本认识:含有祸次谐波、存在波形间断、波形偏向时间的上半轴等等。而对于励磁涌流的这种认识虽然得到目前的公认，但精确的量化却很难做到，所以具体到保护的判据，则存在某种经验的数据，所以也带来误动的可能。同时，以上三种算法非常依赖于计算的精度，所以对计算的采样要求较高，特别是对于间断角原理。同时这种依赖于波形识别(特别是影响波形的不确定因素较多)的原理也存在灵敏度不满足要求的问题，例如对于匝间短路。计算机技术以及数学学科的发展为新的保护原理的具体应用和实现打下了坚实的物质基础。归纳起来主要有以下几种:(1)变压器特殊运行状态及内部短路计算和数学仿真研究(2)具有虚拟三次谐波励磁涌流判别技术(3)基于回路方程算法的差动保护(4)基于电感倒数等效电路的的差动保护(5)基于励磁电抗(电感)数值大小的空载合闸涌流判据(6)小波变换在差动保护中的应用(7)基于参数辨识的差动保护(8)基于磁制动方案(9)等值电路参数鉴别法目前，这几种保护的方法尚在理论研究阶段，它们的突破将为变压器的保护开创新的天地。差动保护目前主要有如下几种方式:(1)比率制动式差动保护(2)标积制动式差动保护(3)其它类型的差动保护:比如零序差动、分侧差动保护、不完全差动保护、差动速断保护等。(4)基于比率制动式差动保护原理对于高电阻故障(即低故障电流)不灵敏，美国Mcclee:等提出新的差动继电器方法，即将制动电流及差动电流中的故障前电流除出，这种保护在高阻故障时灵敏度较高。3.2 变压器的差动保护3.2.1 变压器差动保护的基本原理对于构成理想变压器模型，差动保护在原理上只能反映被保护设备内部短路电流，而不管外部有多严重。I-I(a) 两相变压器原理图I-I（b）三相变压器原理图图3-1 变压器差动保护的原理接线由于变压器高压测和低压测的额定电流不同，因此，为了保证纵差动保护的正确工作，就必须适当选择两侧电流互感器的变化，使得在正常运行和外部故障时，两个二次电流相等。例如图3-1(a)中，应使 或 （3-1）式中 高压测电流互感器的变比；低压测电流互感器的变比；变压器的变比(即高，低压测额定电压之比)。当被保护设备发生短路(横向故障)时，有,为流向保护设备的端电流向量，如同图3-1图所示。差动保护就反应了这个内部短路电流,保证此保护的明确选择性，快速性和高度灵敏性，当然也失去了对相邻元件的远后备保护功能。3.2.2.变压器差动回路不平衡电流的分类变压器的纵差动保护需要躲开差动回路中的不平衡电流。现对其不平衡电流产生进行分类讨论：(1)由变压器励磁涌流,所产生的不平衡电流变压器的励磁电流：仅流经变压器的某一侧，因此，通过电流互感器反应到差动回路中不能被平衡，在正常运行情况下，此电流很小，一般不超过额定电流的210%。在外部故障时，由于电压降低，励磁电流减小，它的影响更小。但是当变压器空载投入和外部故障切除后电压恢复时，则可能出现数值很大的励磁涌流。其数值最大可达额定电流的68倍，同时包含有大量的非周期分量和高次谐波分量。励磁涌流的大小和衰减时间，与外加电压的相位、铁心中剩磁的大小和方向、电源容量的大小、回路的阻抗以及变压器容量的大小和铁心性质等有关系。(2) 由变压器两侧电流相位不同而产生的不平衡电流由于变压器常采用Y/11的接线方式，因此，其两侧电流相位差30。为了消除这种不平衡电流的影响，通常都是将变压器星形侧的三个电流互感器接成三角形，而将变压器三角形侧的三个电流互感器接成星形，并适当考虑联接方式后即可把二次电流的相位校正过来。但是电路互感器采用上述联接方式后，在互感器接成侧的差动一臂中，电流又增大倍。此时为保证正常运行及外部故障情况下差动回路中应没有电流，就必须将该侧电流互感器的变比加大倍，以减小二次电流，使之与另一侧的电流相等，故此时选择变比的条件(3)由计算变比与实际变比不同而产生的不平衡电流由于两侧的电流互感器都是根据产品目录选择标准变比，而变压器的变比是一定的，因此，三者的关系很难满足的要求，此时差动回路中将有电流流过。当采用具有速饱和铁心的差动继电器时，通常利用它的平衡线圈来消除此差动电流的影响。(4)由两侧电流互感器型号不同而产生的不平衡电流由于两侧电流互感器的型号不同，它的饱和特性、励磁电流也不同，因此，在差动回路中所产生的不平衡电流也就较大。此时应采用电流互感器的同型系数。(5)由变压器带负荷调整分接头而产生的不平衡电流带负荷调整变压器的分接头，是电力系统中采用带负荷调压的变压器来调整电压的方法，实际上改变分接头就是改变变压器的变比，如果差动保护已经按照某一变比调整号，则当分接头改换时，就会产生一个新的不平衡电流流入差动回路。此时不可能再重新选择平衡线线圈匝数的方法来消除这个不平衡电流，这是因为变压器的分接头经常在改变，而差动保护的电流回路在带电的情况下是不能进行操作的。因此，对由此产生的不平衡电流，应在纵差动保护的整定值中给予考虑。总括看来，上述2,3项可以选择互感器二次线圈使其降到最低。但是1,4，5各项不平衡电流，实际上是不可能消除的，因此，变压器的纵差动保护必须躲开这些不平衡电流的影响。由于在满足选择性的同时，还要求保护内部故障时有足够的灵敏性，这就是构成变压器差动保护的主要困难。根据上述分析，在稳定情况下，为整定变压器纵差动保护所采用的最大不平衡电流 (3-2)式中 10%电流互感器容许的最大相对误差;电流互感器的同型系数，取为1;由带负荷调压所引起的相对误差，如果电流互感器二次电流在相当于被调节变压器额定抽头的情况下处于平衡时，则U等于电压调整范围的一半;由于所采用的互感器变比或平衡线圈的匝数与计算值不同时，所引起的相对误差;保护范围外部最大短路电流归算到二次侧的值。3.3 各种变压器主保护的讨论如前所述，在讨论变压器内部故障主保护的时候，应该首先注意变压器差动保护不平衡电流大，较易误动;同时注意流出电流对变压器小匝数匝间短路时差动保护灵敏度的影响。此外还应该注意空载合闸时励磁涌流对变压器差动保护的误动、带有匝间短路的变压器在空载合闸时差动保护的延缓动作以及过励磁情况下的变压器差动保护动作行为。（1）比率制动式差动保护采用这一原理的差动保护，既能在外部短路时有可靠的制动作用，又能在内部短路时有较高的灵敏度。但是它对内部短路时的流出电流适应能力较差，对励磁涌流和过励磁也需采取特殊措施。比率制动特性的原理在数字保护上的改进，主要体现在它的动作电流不是固定不变的，它随着外部短路电流的增大而增大，所以能保证区外故障不误动，同时对内部短路又有较高的灵敏度。对于双绕组变压器，具有如图3-2中的折线，相应的动作判据为图3-2 二折线比例制动特性图3-3 三折线比例制动特性 当+ 当 (3-4)式中为比率制动纵差动保护制动系数。，iop.0为最小动作电流，为最小制动电流。它的动作特性如图3-3，它有三个部分组成：无制动区，比率制动区和速饱和区。当制动电流小于拐点电流的时候，动作电流为常数起动电流；当制动电流大于拐点电流的时候，动作电流随制动电流的增长而沿着一条直线增长;当动作电流大于差动速断电流时，反应了故障情况严重，保护将无延时地动作出口。在讨论变压器内部故障主保护地时候，首先应该注意变压器差动保护地不平衡电流较大，较易误动：同时需要注意流出电流对变压器轻微匝间短路时差动保护灵敏度地影响。区外故障的时候继电器的差流并非为零，差动回路存在稳态不平衡电流和暂态不平衡电流，在无制动区，差动回路以消除固定误差为主，动作电流很小:对于制动区，因TA感受的电流超过了额定电流，致使误差随外部短路电流增加的很快，不平衡电流增大，误差电流随着区外故障电流的增加而增加，动作特性是一条比率制动直线。由分析可以得出结论:对于有流出电流的情况，二折线比率制动特性的差动保护，灵敏度相对低，当变压器内部轻微匝间短路时有可能拒动。具有三折线比率制动特性的差动保护兼顾了变压器外部严重短路的可靠性和内部轻微短路存在流出电流的灵敏度，其动作判据为: 当 当 当 (3-5)其中K1，K2分别为第二、第三段折线的斜率(常数)，为第二个折点的制动电流。三折线比率制动差动保护具有很好的可靠性和灵敏度，但它的动作特性必须由三段组成，动作判据比较复杂。从图3-2和图3-3中可以看出非线性制动特性的要求，但是它们都是由分段直线近似构成的。由于双曲线均己有开始上升慢，后来上升快的特点，比较适合用来实现非线性制动特性。双曲线型制动差式差动保护的判据为: (3-6)其中可为常数，为双曲线定点的纵坐标。用双曲线制动特性去拟合三折线比率制动特性时，令可得 (3-7)计算表明，由于特别重视严重外部短路条件下的可靠性，当越大时，两种折线制动特性越接近:当小于0.51m时，双曲线制动特性具有较高的可靠性和较低的灵敏度。(2)标积制动式差动保护定义两绕组电流I1,I2，的正方向均是流入变压器，并令,。的相角差为，即差动电流制动电流 当时 (3-8) 当0，有制动电流，有效防止误动。当变压器纵差动区内短路(包括相间、匝间短路和中性点接地一侧的接地短路)，如有27090则 (4-2)式中为纵差动保护的动作电流，为差电流的有效值。设变压器的变比为，忽略变压器的损耗，正常运行和区外故障时有。式(4-1)可进一步表示为 （4-3）式中，分别为两侧电流互感器的变比。若选择电流互感器的变比，使之满足 （4-4）这样式(4-3)就变为 （4-5）ABCabc（a）原理接线图 （b）电流矢量图图4-2 三相双绕组变压器纵差动保护的原理接线和电流矢量图根据式(4-5)，正常运行和变压器外部故障时，差电流为零，保护不会动作；变压器内部(包括变压器与电流互感器之间的引线)任何一点故障时，相对于变压器内部多了一个故障支路，流入差动继电器的差电流等于故障点电流(折算到电流互感器二次侧)，只要故障电流大于差动继电器的动作电流，差动保护就能迅速动作。由此可见，纵差动保护不但能够正确区分区内外故障，而且不需要与其它元件的保护配合，可以无延时地切除各种故障，因而被广泛地用作变压器的主保护。式(4-4)是纵差动保护中电流互感器变比选择的依据。图4-2表示了三相双绕组变压器纵差动保护的原理接线和电流矢量图。实际电力系统都是三相变压器(或三相变压器组)，并且通常采用Y/-11的接线方式，如图4-2(a)所示。这样的接线方式造成了变压器两侧电流的相位不一致。以A相为例，有。正常运行或区外故障时与是同相的，但超前30，如图4-2(b)所示，若仍用单相变压器的接线方式，将会在继电器中产生很大的差电流。要通过改变纵差动保护的接线方式消除这个电流。解决的方法实际上就是将引入差动继电器的Y侧的电流也用两相电流差的方法，即 （4-6）式中是流入三个差动继电器的差电流。这样就可以消除两侧电流相位不一致的影响。由于Y侧采用了两相电流差，相当于变压器的变比增加了倍，因此电流互感器变比的选择应该满足 (4-7)为了满足式(4-6)，变压器两侧电流互感器采取不同的接线方式，如图4-2(a)所示。侧采用Y/Y-12的接线方式，将各相电流直接接入差动继电器内;Y侧采用Y/-11的接线方式，将两相电流差接入差动继电器内。模拟式的差动保护都是采用图4-2(a)的方式，而对于数字式差动保护，也可以将Y侧的三相电流直接接入保护装置内，由计算机的软件实现式(4-6)的功能，以简化接线。如图4-3所示。电力系统中常常采用三绕组变压器。三绕组变压器的纵差动保护原理与双绕组变压器是一样的。图4-3所示的是Y/Y/-11接线方式三绕组单相变压器纵差动保护的接线图，接入纵差动继电器的差电流为 (4-8)变压器各侧电流互感器的接线方式和变比的选择也要参照Y/-11双绕组变压器的方式进行调整，即侧互感器用Y接线方式;两个Y侧互感器则采用按线方式。设变压器的1-3侧和2-3侧的变比为和，考虑到正常运行和区外故障时变压器各侧电流满足，电流互感器变比的选择应该满足 （4-9）图4-3 三绕组变压器纵差动保护原理接线4.2 励磁涌流对变压器差动保护的影响纵差动保护的理论基础是基尔霍夫电流定律(KCL定律)，因此纵差动保护在原理上只反应被保护对象的内部短路电流。对于仅包含电路的纵差动保护对象(如发电机、电动机、母线、电抗器等)本身没有发生故障时，不管外部发生多么严重的故障，恒有所有端子电流的相量和为零，即: (4-10)式中为被保护对象的第t个端子的电流相量均以流入被保护对象为正)，如图4-4所示。当被保护对象发生内部故障时将有: (4-11)式中为流向短路点的全部短路电流。被 保 护 对 象图4-4 纵差动保护基本原理(节点电流定律)纵差动保护正是反应这个内部短路电流，来保证保护的明确选择性、快速性和高灵敏度的。但如果被保护的对象是变压器，则就大不相同了。从电路上看变压器一次绕组和二次绕组并非是一个节点，变压器差动保护原理是建立在变压器稳态磁路平衡的基础上的(而不是KCL定律)，是差动保护原理的一种拓展，在暂态过程中这种平衡关系被打破，只有等到暂态过程衰减后，这种原先的平衡关系才能重新建立起来。正因为如此，即使在变压器内部没有故障时式(4-11)也不成立，而是有 (4-12)式中为变压器的励磁电流。为变压器纵差保护的不平衡电流，当变压器及其所在系统正常运行时，对于大型变压器，(与为变压器的额定电流)，不会影响变压器纵差保护的工作性能；当外部系统短路时，电压严重下降，就更微不足道了。但是，由前面的分析可知，当变压器空载投入或外部故障切除后电压恢复时，则可能出现数值很大的励磁涌流，其数值可以与短路电流相比拟，而且持续时间很长，这样大的暂态电流流入纵差保护的差动回路，如果不采取一定的措施，必将造成差动保护的误动作。因此，必须在励磁涌流时闭锁差动出口来保证差动保护的可靠性。4.3 变压器的励磁涌流的分析电流差动保护作为变压器的主保护得到了广泛的应用，但是差动保护必然要面临解决差动保护在励磁涌流状态下可能误动的问题，以及在励磁涌流和故障同时发生时的解除闭锁加速跳闸问题。可以说，变压器差动保护的性能的关键就在于励磁涌流判据的优劣。在分析励磁涌流的基础上比较讨论了两种常见的励磁涌流方法。变压器的磁化曲线是非线性的，当在正常运行状态和区内、外故障时，变压器运行在磁化曲线的线性段，因而励磁阻抗是基本保持不变的。在正常情况下，变压器的励磁电流很小，对于现代大型变压器，通常要小于1%变压器额定电流，因此，当变压器运行在磁化曲线的线性段时，励磁阻抗很大，一般以变压器额定电压和电流为基准的励磁阻100。