（电力系统及其自动化专业论文）智能容错式数字变压器保护新算法的研究与应用.pdf

a b s t r a c t w i t ht h eu l t 陆h i 曲v o l t a g e ( im v ) p o w e r 鲥dc o n s t r u c t i o ni nc h i n a , a n de x t r a - h i g hv o l t a g e ( e r r v ) h i 曲一p o w e rt r a n s f o r m e r sm o r ee x t e n s i v ea p p l i c a t i o n ，t h et e c h n o l o g i c a lb o t t l e n e c k so ft h et r a n s f o r m e rr e l a y i n g p r o t e c t i o n h a v eb e e nb e c o m i n gi n c r e a s i n g l ya c u t e f a u l tt r a n s i e n tp r o c e s sb e c o m e se x t e n s i o n ，t h ed c c o m p o n e n ts l o w sd e c a y ，t h ei n r u s hc u r r e n tc h a r a c t e r i s t i c sb e c o m ew e a k , a n ds oo n ，a n da l lt h e s ew i l lb r i g h t s e v e r ec h a l l e n g e st ot h ee h vo ru h vh i g h - p o w e rt r a n s f o r n l e rd i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o n t h et r a d i t i o n a lh a r m o n i c r e s t r a i n t , t h ec tt r a n s i e n tc h a r a c t e r i s t i c s ，t h er a t i od i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，a n ds oo n ，a 1 1t h e s e t e c h n o l o g ys c h e m e sc a l ln o tc o m p l e t e l ya d a p tt ot h er e q u i r e m e n t so ft h em o d e ml a r g e - s c a l et r a n s f o r m e r p r o t e c t i o n i ti sn e c e s s a r yt os t u d yn e wm e t h o d sa n dp r i n c i p l e so ft h ee h v o ru h vt r a n s f o r n l e rp r o t e c t i o nf o r t h ed e v e l o p m e n to ft h ee l e c t r i c a lp o w e rs y s t e m s b e c a u s el a r g e s c a l et r a n s f o r m e ri n r u s hc u r r e n tc h a r a c t e r i s t i c sa r en o tv e r yt y p i c a l ，a d o p t i o no fan e w c r i t e r i o nb a s e do nt h ea u x i l i a r yv o l t a g ei su s e dt od e s c r i b et h ei n r u s hc u r r e n tc h a r a c t e r i s t i c s i ti sp r o p o s e dt h e m e t h o do fd i s c r i m i n a t i n gt h ei n r u s hc u r r e n ta n dt h ef a u l tc u r r e n tb a s e do nt h eq u a s ie l l i p t i cm o d e lo fm a g n e t i c f l u xa n dc u r r e n t t 1 1 er e l a t i o n so fm a g n e t i cf l u xa n df a u l tc u r r e n ta r et h eq u a s i e l l i p t i cc h iv e sw h e na ni n t e m a l f a u l to c c u r si nt h et r a n s f o r m e r , b u tn os u c hq u a s i e l l i p t i cc u r v er e l a t i o n sw h e nt h et r a n s f o i r m e ri ss w i t c h e do n a n de n e r g i z e d u s i n gt h es y m m e t r yd e g r e eo ft h eq u a s i e l l i p t i cc u r v ec e n t e rc a ne f f e c t i v e l yi d e n t i f yi n r u s h c u r r e n ta n df a u l tc u r r e n t a n di ti sp r o p o s e dt h em e t h o do fd i s t i n g u i s h i n gt h ei n r u s hc u r r e n tb a s e do nt h e s y m m e t r yc h a r a c t e r i s t i c so ft h et r a n s f o f i n e rm a g n e t i cf l u x t h ed i f f e r e n t i a lc h a n g e so fm a g n e t i cf l u xt oc u r r e n t a r es e r i o u sa s y m m e t r yi nah a l fc y c l eb e f o r ea n da f t e rw h e nan o r m a lt r a n s f o r m e ri ss w i t c h e do na n de n e r g i z e d ， b u ti sb a s i cs y m m e t r yi nah a l fc y c l eb e f o r ea n da f t e rw h e na ni n t e m a lf a u l to c c u r s u s i n gt h ea v e r a g ev a l u eo f t h ed i f f e r e n t i a lr a t eo fm a g n e t i cf l u xt oc u r r e n ti nac y c l ec a nr e s p o n s et ot h es y m m e t r yc h a r a c t e r i s t i c so ft h e m a g n e t i cf l u x , a n dc a nb eu s e dt oi d e n t i f yi n r u s hc u r r e n t a n di ti sp r o p o s e dt h em e t h o d so fd i s c r i m i n a t i n gt h e i n r u s hc u r r e n tb a s e do nt h ev a r i a n c eo ft h et r a n s f o r m e re q u i v a l e n te x c i t a t i o ni n d u c t a n c e t h ev a r i a n c eo ft h e e q u i v a l e n te x c i t a t i o ni n d u c t a n c ei sv e r ys m a l lt oz e r ow i t h i nac e r t a i nd a t aw i n d o ww h e na ni n t e r n a lf a u l t o c c u r s ，b u tt h ev a r i a n c ei sb i gw h e nat r a n s f o r m e ri ss w i t c h e do na n de n e r g i z e d u s i n gt h ec h a n g eo ft h e v a r i a n c eo ft h ee q u i v a l e n te x c i t a t i o ni n d u c t a n c ec a nd i s t i n g u i s hi n r u s hc u r r e n ta n df a u l tc u r r e n t a n da tt h e s a m et i m ei ti sp r o p o s e dt h a tas y m m e t r i c a lv o l t a g es e q u e n c ec o m p o n e n tc a nb eu s e da sa na u x i l i a r yb l o c k i n g c r i t e r i o nt og r e a t l ye n h a n c et h er e l i a b l i l i t 、，o f t h ed i s c r i m i n a t i o no f t h et r a n s f o r m e ri n r u s hc u r r e n t i t i sp r o p o s e dt h em e t h o d so ft h ef l o a tr a t i od i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o nc o m b i n i n gt h ef a u l ti n c r e m e n tr a t i o d i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o nw i t ht h et r a d i t i o n a lr a t i od i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o na sl a r g e s c a l et r a n s f o r l n e rd i f f e r e n t i a l p r o t e c t i o n t h ef a u l ti n c r e m e n td i f f e r e n t i a ic u r r e n ti sn o ta f f e c t e db yt h el o a dc u r r e n t , a n di tc a l la l s oe l i m i n a t e o t h e ri m p a c tf a c t o r ss u c ha sc ts t e a d y - s t a t ee r r o r ，a n da l lt h e s ea r ea d v a n t a g e o u st oi m p r o v et h es e n s i t i v i t yo f t h er a t i od i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o n i ti sp r o p o s e dt h ea l g o r i t h mo fr a t i od i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o nb a s e do nv a r i a b l e d a t aw i n d o wu s e das m a l ip h a s e l e t w h e na ni n t e m a lf a u l to c c u r s 。i tc a ns h o r t e nt h ed i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o n a c t i o nt i m e ，a n dt h em o r es e r i o u si st h ef a u l t , t h ef a s t e ri st h ea c t i o nt i m e ，s oi ti sa d v a n t a g e o u st oq u i c k l y p r o t e c tt h et r a n s f o r m e r ，h c aa ne x t e r n a lf a u l to c c u r s 。t h er e s t r a i n tc u r r e n tc a nb ea u t o m a t i c a l l yc o m p e n s a t e d b yt h ev a r i a n c ec a l c u l a t e df r o mt h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h ea c t u a la n de s t i m a t e dd a t av a l h ew h e n t h ew a v e f r o m i sd i s t o r t e dd u et oc ts a t u r a t i o n h a r m o n i cc o n t e n t o rt h ef a u l t i n i t i a t i o nt r a n s i e n t s t h ea p p r o a c hc a n e f f e c t i v e l yp r e v e n tt h ed i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o nm a l o p e r a t i o n , a n di m p r o v et h er e l i a b i l i t yo ft h ed i f f e r e n t i a l p r o t e c t i o n a n a l y z i n gt h ec ts a t u r a t i o ni m p a c tt ot h er a t i od i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o n ，i ti sk n o w nt h a tc t s a t r a t i o ne a s i l y l e a dt h ed i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o nm a l o p e r a t i o nf o ra ne x t e r n a lf a u l t h o wt oj u d g ec ts a t u r a t i o nr e l i a b l ya n d e f f e c t i v e l yi su s e f u lt oi m p r o v et h er e l i a b i l i t yo ft h ed i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o nw h e na ni n t e m a lo re x t e m a lf a u l t i i a b s t r a c t o c c u r s i ti sp r o p o s e dan e wa s y n c h r o n o u sc r i t e r i o nf o rc ts a t u r a t i o n ，1 1 e l la ne x t e r n a lf a u l to c c u r sa n dc ti s s a t u r a t i o n , t h ed i f f e r e n t i a lc u r r e n ta n dr e s t r a i n tc u r r e n ta r ea s y n c h r o n o u sc h a n g e ，a n dt h ep h a s ec h a n g ei sa l s o d i f f e r e n t u s i i l gt h ec h a n g e so ft h ea m p l i t u d ea n dp h a s ec a ne n h a n c et h er e l i a b i l i t yo ft h ed i s c r i m i n a t i o no ft h e c ts a t u r a t i o n a n di ti sp r o p o s e dt h ec ts a t u r a t i o nc r i t e r i o nb a s e do nt h ev i r t u a li m p e d a n c em o d e l t h ec t e q u i v a l e n tr e s i s t a n c es e e nb ys e c o n d a r ys i d ei sc h a n g ef o rc ts a t u r a t i o nb e f o r ea n da f t e r , a n dt h em o r es e r i o u s i st h ec ts a t u r a t i o n , t h em o r eo b v i o u si st h ec te q u i v a l e n tr e s i s t a n c ec h a n g ew h e nas e r i o u si n t e m a lo r e x t e r n a lf a u l to c c u r s t h ea l g o r i t h mc a ne f f e c t i v e l yi d e n t i f yc ts a t u r a t i o nf o ra ni n t e r n a lo re x t e r n a lf a u l la n d a l s oc a nl o c a t ew h i c hc ti ss a t u r a t i o n i ti sa d v a n t a g e o u st op r e v e n tt h ep r o t e c t i o nm a l o p c r a t i o na n dt o i r e p r o v et h er e l i a b i l i t yo ft h er a t i od i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o n t h ep a p e r sc o m p l e t e dt h er e s e a r c ho nt h er e l i a b i l i t yi m p r o v e m e n to ft h et r a n s f o r m e rp r o t e c t i o ni n c l u d i n g t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g n i ti su s e dt h ed e s i g ni d e a so ff u n c t i o nm o d u l a r i z a t i o na n dr e d u n d a n t f a u l t - t o l e r a n to fp a r ti m p o r t a n th a r d w a r e s i ti su s e dt h ep r i n c i p l eo fr e d u n d a n c yc r i t e r i o no fs o f t w a r e a l lt h e s e c a ng r e a t l yi m p r o v et h er e l i a b i l i t yo ft h et r a n s f o r m e rp r o t e c t i o np l a t f o r m ，a n dm e e tt h er e q u i r e m e n t so ft h e t r a n s f o r m e rp r o t e c t i o no ft h ee h vo ru h vp o w e rs y s t e m s i ti sa d v a n t a g e o u st oi m p r o v et h er e l i a b i l i t yo ft h e l a r g e s c a l et r a n s f o r m e r , a n ds u i tf o rt h er e q u i r e m e n t so ft h el a r g e - s c a l et r a n s f o r m e rw i t ht h e s em e t h o d s t e s t e d b yd y n a m i ce x a m i n a t i o na n dd i g i i t a ls i m u l a t i o n s u c ha st h e i n r u s hc u r r e n tc r i t e r i o n , t h er a t i od i f f e r e n t i a l p r o t e c t i o na l g o r i t h m ，c ts a t u r a t i o nc r i t e r i o n ，a n ds oo n k e y w o r d s ：i n r u s hc u r r e n ls y m m e t r y ，q u a s i e l l i p t i cm o d e l ，p h a s e l e t s ，s h o r td a t aw i n d o w ，f a u l ti n c r e m e n t , a s y n c h r o n o u sm e t h o d ，v i r t u a li m p e d a n c e ，i n t e l l i g e n tf a u l t - t o l e r a n t , r e d u n d a n tc o m p o u n d i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它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。 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊 登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：j 造埠导师签名：遑缎日期： 第一章绪论 1 1 前言 第一章绪论 电力系统继电保护是保障电力系统安全可靠运行的第一道防线。近十几年来随着电子技术、计算机 技术、网络通信技术、自动控制技术的发展，电力系统继电保护得到了迅猛发展。二十世纪八十年代初， 国内开始了数字式继电保护的应用研究，在研究、制造、生产、运行等部门各方面的协同合作下，经过 了十年左右的发展，数字式保护在电力系统中已得到广泛应用。 尽管继电保护发展迅速，但还跟不上电力系统的发展需要，其动作正确率还不十分理想1 删。其 中变压器继电保护的问题较为突出，这其中虽然有保护设置的不合理、运行维护的不正确等因素，但继 电保护原理不完善或者不满足超高压特高压电压等级是最主要原因。继电保护技术发展的滞后已成为电 力系统安全稳定运行潜在的不安全因素。目前超高特高电压等级的电网已在我国建设，研究新的继电保 护技术以适应电网发展的需要，对保障电网的安全稳定运行至关重要。 尽管电力系统变压器继电保护技术的研究有了较大提高，但就目前应用的情况来看，仍有不少问题 需要做进一步的研究，特别是新出现了许多超高压变压器特殊问题期待解决，例如：空投大型变压器时， 励磁涌流特征有所减弱；变压器内部故障，考虑到电力系统的稳定以及可能造成的损失，需要更快速的 故障切除；系统电压等级提高，绕组间的绝缘承受能力相对减弱，更容易发生匝间轻微故障；故障时暂 态过程增长，增加了区内外故障的判别难度；电流互感器的暂态饱和更加严重等。所有这些问题，都给 变压器保护带来了新的重大的研究课题。 电力系统的发展，对继电保护的安全性和可靠性，特别是容错能力提出了很高的要求，如何使继电 保护更可靠和容错能力更强，也是当前数字式保护研究的重大课题。 1 2 数字变压器保护的特点 变压器在电力系统发电、输电、配电各个环节广泛使用，使数字变压器保护在电力系统中具有特殊 的重要地位和广阔的应用市场。数字变压器保护研究的主要内容主要有差动保护、过激磁保护、零序保 护、过流保护、阻抗保护等多种保护。其中差动保护在变压器继电保护中最重要，情况最复杂，在差动 保护中励磁涌流判别和比率著动保护是其技术重点和难点。 1 2 1 差动保护的主要技术重点和难点 ( 1 ) 当变压器发生包括高阻抗接地及匝间短路的各种内部故障时，即使伴随有较大的汲出电流时， 要求差动保护应有足够的灵敏度，保护要快速跳闸。区外故障或区外故障切除时，差动保护 也不应误动。提高内部轻微故障时差动保护的灵敏度，以及消除区内外故障暂态特性对差动 保护的影响，这些是差动保护研究的一个难点。 ( 2 ) 空投大型变压器时，由于变压器铁芯的饱和磁密倍数降低，其励磁涌流特征有所减弱，二次 谐波比下降，对采用二次谐波制动原理的励磁涌流判别方法，会带来严重的挑战。 ( 3 ) 超高压特高压系统中，在空载合闸、故障、重合闸等暂态过程中，受并联电抗器和长线路分 布电容的影响，电压电流畸变较为严重，对采用波形识别和间断角识别原理的励磁涌流判别 方法，会带来严重的影响。 ( 4 ) 变压器空投发生轻微内部故障时，可能伴随有较大的励磁涌流，会影响采用谐波制动原理差 动保护的正确判别及动作速度，这是采用谐波制动原理时要考虑的一个难点。 ( 5 ) 超高压特高压大型变压器区内外故障时，暂态过程变长。区内故障时会影响保护动作速度， 区外故障时，不平衡电流明显增加，鉴别这种不平衡性质电流会相当困难。 ( 6 ) 超高压特高压输电线路电压高，线路长，输送功率大，波阻抗小，分布电容大，线路充电电 容电流也较大。在故障、空载合闸、区外故障切除、线路重合闸等暂态过程中分布电容引起 东南大学博士学位论文 的暂态电流中含有相当高的高频分量和非整次谐波含量，对比率制动差动保护的可靠性和灵 敏性产生影响。 在超高压特高压系统中，大的暂态电流引起的不平衡电流，以及系统中存在的电容充电电流等，区 别于内部轻微故障产生的差流，这都使差动保护面临考验，要求差动保护能够可靠灵敏地区分出差流是 由什么原因引起，确保差动保护动作的正确性。 国内外早期的数字变压器差动保护的研究基本上采用的是传统模拟保护的原理，差动保护主要以二 次谐波制动的比率制动原理为主。随着计算机技术发展，计算机能力增强，复合判据、故障分量理论、 神经元理论、小波变换理论、模糊控制理论，以及能够计算复杂磁通特性等先进方法才开始研究并逐渐 应用。 1 2 2 大型变压器继电保护的技术需求 现代大型变压器的特点是容量大、电压等级高，价格昂贵和维修困难，在电力系统中，超高压特高 压大型变压器的地位非常重要，一旦发生故障，影响范围很大。为了保证电力系统的安全运行，减少事 故损失，对超高压大型变压器继电保护提出了很高的要求。 ( 1 ) 进一步提高变压器保护的灵敏性 要求继电保护装置在其保护范围内发生故障时，应灵敏的动作，即继电保护装置对保护设 备可能发生的故障和不正常运行方式应灵敏地反映到保护装置上去。超高压大型变压器绕组耐 受电压很高，绕组间发生故障的几率增加。区外故障时，大的短路电流对绕组的冲击也会很大， 绕组容易变形发生故障，要求变压器差动保护能灵敏地反应一些弱电流故障，能灵敏反应匝间 短路故障，同时亦要求内部高阻接地故障时能灵敏动作。由于超高压长线分布电容导致对地电 容的增加，电容电流明显增加，也会影响到保护的灵敏性。 ( 2 ) 进一步提高变压器保护的速动性 要求继电保护装置的动作时间尽量要快，以提高系统并列运行的稳定性，减轻故障设备的 损坏，加速非故障设备恢复正常运行。超高压输电系统传输能力强，变压器容量大，一旦变压 器发生内部故障，对变压器的冲击会很大，造成的损失会很大，在考虑系统的稳定性下，需要 尽快可靠地切除故障变压器。在超高压系统中，故障电流暂态分量衰减很慢，当发生区内严重 故障时，可能引起采用谐波制动原理的差动保护延缓动作。这就需要采用有效的措施加速动作 或研究新的励磁涌流判别原理。 ( 3 ) 进一步提高变压器保护的可靠性 要求继电保护装置随时保证完整和灵活状态，不应发生误动或拒动，继电保护装置接线要 求简单，回路接点尽量简练，这就要求提高保护装置的硬件水平。在区外故障、区外故障切除 或线路重合闸等过程中，对超高压大型变压器保护容易误动。空投变压器发生轻微匝间故障时， 励磁特性影响，而又容易引起差动保护延迟动作或拒动。要进一步研究新原理的差动保护的算 法和判据，提高差动保护技术安全性显得非常重要。 1 2 3 现代数字变压器保护的技术特点 ( 1 ) 数字技术取替模拟技术 在数字变压器差动保护中，各侧c t 均采用y 接线形式，由数字差来实现y 的角度转换 及变比的不匹配，这样由于c t 副边不再并接在一起，可以进一步减小因变比不匹配及特 性不同而引起的环流造成不平衡电流增大。对多侧差动而言，这种数字变化处理显得更 为合理和有效。 数字技术的应用，为更复杂的数学运算和逻辑处理提供了可能。可以使用较为复杂和先 进的原理来判别励磁涌流，而这些技术采用传统模拟技术来实现会很困难。 可以采用灵活的算法提高了速度和灵敏度。例如，差动保护可以采用长短数据窗结合以 及递归算法提高动作速度；采用记忆存贮功能可以方便提取故障分量，进一步提高内部 故障时保护的灵敏度。 ( 2 ) 硬件模块化和通讯技术的实现 2 第一章绪论 系列化、统一平台的使用。数字处理模件是数字保护的核心部件，在充分满足抗干扰性 能要求的前提下，基于复杂保护功能需求的大资源配置、通用化设计的数字处理模件尤 为重要。它可以更好地满足保护数据存储、运算、逻辑处理和数据记录的要求，可以很 容易地实现用户需要的操作和使用界面；同时还可以很方便地采用高级语言编程，减少 产品软件设计和维护的工作量，从而提高产品的可靠性。 高精度模数转换器件的采用。保护采样精度提高，提高了保护的性能，反映出电子技术 的发展给电力系统继电保护带来的技术革新。 整体抗干扰性能的提高。数字技术的大力发展，芯片的集成度越来越高，在数字处理模 件中，集合了“总线不出芯片”和“总线不出板”的两种设计优势，采用强弱电分离的 原则，以及更高标准的检测手段。在使用环境和安装条件并未改变，同样是复杂的厂站 电磁环境下，数字保护比晶体管、集成电路型保护更具抗干扰的优势。这也充分体现了 电子技术的发展给继电保护带来的革命。 完善的自检功能。利用计算机的自检能力，容易及时发现并报告出现的问题，对运行维 护带来极大的方便。 通讯系统的采用。r s 一2 3 2 c 4 2 2 4 8 5 通信方式因其简单而被广泛采用，但其通信速度慢， 可靠性也不高。当通信节点较多或数据量较大时，很难满足监控实时性要求。现场总线 技术，如l o n w o r k ，c a n b u s 等，只能适用于设计的对象节点较多、小数据量的应用场合， 所以对大型变电站或传输大容量数据( 如故障录波数据) 时，总线技术仍无法满足。随着 计算机网络技术在控制系统中的应用，以太网技术以其通信的快速性、大容量、以及丰 富的商用配套软件很快受到继电保护研究人员的青睐，目前，以太网通信技术已经被自 动化系统广泛采用。这也充分体现了网络通讯技术的发展给继电保护带来的革命。 ( 3 ) 保护软件模块化的实现 高级语言编程在继电保护中大力采用。早期国产数字保护，因受硬件技术的限制，软件 采用汇编语言设计，开发效率低，容易出错。随着计算机技术水平的发展，大资源、通 用化设计的数字处理模件为采用高级语言进行软件设计提供了可能。对于同样多的数值 和逻辑运算，采用高级语言编程减少了软件设计和维护的工作量，从而提高了产品的可 靠性。 软件设计采用模块化、透明化的思路。数字式保护的保护元件和逻辑主要是由预先设计 的软件( 程序) 来完成，不像晶体管或集成电路型保护的整个工作过程比较清晰，数字式 保护不再可以借助万用表、示波器或其他常规的测试工具检测某一元件的工作过程，使 用者对数字式保护的不正确动作行为难以进行分析。计算机芯片处理能力的提高，人们 已逐步认识到了这个问题，并提出了数字式保护软件的“透明化和模块化设计”思想。“透 明化”是在保护软件设计时记录保护各种元件的动作行为以及相应的电气量( 包括采样值 和中间运算结果) 。借助专门的分析软件，继电保护工程师可以全息再现继电保护内部的 动作过程，对保护的总体动作行为做出正确分析，方便了数字式继电保护的使用。“模块 化”是在软件设计中分别将采集系统、逻辑运算和处理系统、通讯系统、显示系统等分 模块设计，利用相应的接口函数进行连接，在出错情况下便于问题的查找。 丰富的调试和测试手段的采用。数字式保护可以采用全汉化的操作界面和表格化、图形 化的报告输出，极大地方便了现场工作人员的使用和维护。 多种复合判据的采用。基于大资源、高性能的计算机，对采用多种原理复合冗余软件设 计提供了可能，同时容易完成更复杂的计算，便于增加其它辅助功能。 随着电子式互感器的应用，二次信号几乎不失真的反应一次信号，会发现更多电力系统的特征量， 为构成新的继电保护原理提供了可能。同时基于标准化的通讯技术得以广泛使用，变电站可以采用真正 意义上的统一平台，为变电站一次和二次部分彻底数字化提供了可能，这些必将推动继电保护新技术、 新原理、新应用的革命。 3 东南大学博士学位论文 随着超高压特高压电网的发展，数字保护动作的快速性，复杂逻辑运用的准确性，以及数字保护的 智能性等优点会明显的表现出来，数字保护更多的其它优点也会源源不断的被开发出来。 1 3 本课题研究的背景和意义 对于变压器差动保护，变压器内部发生短路故障时，空载投入故障变压器并伴随有较大的励磁涌流 时应快速动作。而当外部故障或正常空投变压器时应可靠不动作。而实际情况是变压器保护动作的正确 率仅在7 0 8 0 左右1 驯，远低于线路保护的动作正确率。 1 3 1比率差动保护的应用情况 在实际应用的变压器比率差动保护中，主要有两种情况影响差动保护的可靠性。第一，区外故障时， 不平衡电流较大，变压器差动保护容易误动；第二，变压器轻微内部故障且有汲出电流的情况下，差动 保护的灵敏度不够。 ( 1 ) 区外故障差动保护误动的情况n 1 1 3 1 在实际运行的变压器差动保护误动事故统计中，国内多数地方发生过变压器近端区外故障时差 动保护误动的现象。2 0 0 1 年江苏地区接连发生几起2 2 0 k v 主变区外单相接地故障引发差动保护误 动。2 0 0 3 年安徽巢湖庐江变电所某2 2 0 k v 变电所，2 # 主变压器区外c 相接地引发差动保护误动， 停电7 分钟。2 0 0 3 年三门峡电业局某1 1 0 k v 变电站# 1 主变压器差动保护误动动作，三侧开关跳闸， 调查发现有一条1 0 k v 线路故障，几乎在故障线路跳闸的同时，差动保护误动作。2 0 0 5 年江西赣江 某11 0 k v 变电所，低压侧并联运行，在# l 主变低压侧母线附近发生三相短路时，两台主变压器均 误跳闸，分析发现区外故障差动不平衡电流较大，保护容易误动，需要采取有效的措施和判据提高 差动保护的可靠性。 ( 2 ) 匝间故障差动保护拒动的情况n 引1 埔3 在实际运行的变压器差动保护事故案例中，不乏匝间故障变压器差动保护拒动的情况。2 0 0 3 年1 1 月河北邯郸1 1 0 k v 更乐变电站# 3 主变瓦斯继电器动作，但差动保护由于灵敏度不够拒动， 通过对现场变压器进行吊罩检查，送回保定变压器制造厂总装车间进行解体检查，发现3 5 k v 侧b 相绕组上部有熏黑痕迹，下部压饼和隔板上落有铜黑渣，3 5 k v 的b 相绕组上半包由上至下数第2 饼、下半包由上至下数第5 、6 饼和第2 0 饼向里发生不同程度位移，无垫片处的位移较为严重，整 圈呈波浪形，位移深度在1 - 3 c m 。3 5 k v 线圈5 、6 饼上下靠拢，第5 饼由里向外烧断7 根导线， 第6 饼线圈以及抽头3 的引线焊接处烧伤，绝缘严重受损。 1 9 9 8 年1 2 月河南新乡2 2 0 k v 古固塞变电站因大风小雪天气，温度在o 左右。中压侧1 1 0 k v 的i 、i i 古延线出口1 2 号杆导线发生剧烈舞动，幅度达3 一- 4 m ，致使垂直排列的i 、i i 古延线 路( 同杆架设) 先后发生2 次相间短路故障。i 古延1 线路多次重合闸，# 1 主变压器( 2 2 0 k v ， 1 2 0 1 2 0 6 0 m v a ) 受到严重冲击。当时# 1 主变差动保护没有动作( 因是区外故障，实际上此时变压器 已经发生内部故障) ，由于该变电站装设有油色谱分析装置，在当日就发现色谱分析数值异常，但 没有处理，在随后的连续7 天运行中，发现色谱分析数值不正确，决定进行对变压器内部检查。# 1 主变压器在现场吊罩检查，并拆卸上部铁芯抽出绕组内部铁芯后，发现b 相高压绕组内壁第4 4 匝 断股，该绕组为4 根扁铜导线并绕，并中1 根已烧断，1 根烧伤。事后分析正是那次连续电网冲击， 造成古固塞变电站# 1 主变压器严重内部缺陷，但差动保护同样由于灵敏度不足而没有及时反应， 在随后的7 天运行中也没有反应出。 1 3 2 差动保护的励磁涌流判别应用情况n 础锄1 在实际应用的变压器差动保护中，采用励磁涌流判别时，同样有两点影响励磁涌流判别的可靠性。 第一，变压器空载合闸时励磁涌流较大，容易引起差动保护误动；第二，带内部故障的变压器在空载合 闸时差动保护会延缓动作或拒动。 变压器在空投时差动保护误动，这与励磁涌流判据的使用上有密切的关系。如果采用二次谐波制动 原理的励磁涌流判别，由于空投时三相励磁涌流中二次谐波含量存在极大的分散性，造成二次谐波制动 比难以整定，如果二次谐波制动比定值整定不当，空投时会在某些情况下无法可靠闭锁差动保护。 4 第一章绪论 现场的使用情况表明，目前应用的变压器差动保护在空投时存在如下问题： ( 1 ) 采用二次谐波三相综合制动原理的比率差动保护，空投故障变压器时会有明显的延迟动作或 拒动，特别是空投轻微匝间故障的情况。 ( 2 ) 采用二次谐波分相制动原理的比率差动保护，尽管可以提高空投故障变压器的动作时间，但 正常变压器空投时差动保护容易误动。 ( 3 ) 采用间断角原理的差动保护，由于c t 饱和的影响，以及两两差后出现对称性励磁涌流，间断 角会很小，波宽也变得很宽。在设定的间断角和波宽情况下常常无法明确识别。1 9 9 7 年在内 蒙古包头市某1 l o k v 变电所采用的间断角保护原理的变压器在带长线空投时，七次空投有两 次误动。2 0 0 0 年在宁夏某2 2 0 k v 变电所，采用双原理保护的变压器在空投时，间断角原理的 差动保护五次空投有一次误动。 ( 4 ) 采用波形对称识别原理的差动保护，试验证明在空投略微严重的内部故障( 短路匝比在5 以上) 的情况下，动作时间很快，但在空投轻微故障( 短路匝比在3 以下) ，也会明显的延缓动作。 1 3 3 超高压特高压变压器对继电保护新的需求 ( 1 ) 超高压大型变压器对继电保护的需求 随着超高压和特高压电网的发展，由于超高压系统固有的特点，对变压器继电保护提出不同的 要求，超高压大型变压器保护具有不同的特点： 超高压输电线路有很大的容性充电电流，故在系统中一般接入电抗器加以补偿，在系统 发生故障的情况下，暂态分量比较大且衰减较慢，保护动作时间要快，这对差动保护的 算法提出新的要求。同时分布电容引起暂态电流中含有很高的高频分量，区外故障不平 衡电流很大，更容易引起差动保护的误动。 超高压系统为了增大输送容量，提高系统稳定性还接入了串联电容补偿装置，变压器区 内故障时，由于存在r 、l 、c ，影响暂态电流的频率和幅值，这对采用谐波制动原理的 差动保护的快速性产生影响。 超高压系统中无论是升压变压器，还是降压变压器其中性点全部接地，这不同于一般的 高压系统。中性点接地后，变压器零序等值阻抗变小，特别是超高压系统大量接地时， 有时单相短路电流会很高。为了限制短路电流水平，工程中采用在中性点串接