（电气工程专业论文）变压器差动保护及励磁涌流的研究.pdf

东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e s e a r c ho nd i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o no ft r a n s f o r m e ra n di n r u s h c u r r e n t a b s t r a c t p o w e rt r a n s f o r m e ri so n eo ft h em o s ti m p o r t a n te q u i p m e n ti np o w e rs y s t e mw i t h t h ep r e s e n c eo fn o n m a g n e t i cb r a n c ht h ed i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o no ft r a n s f o r m e rh a sa t h e o r e t i cd e f e c t a sar e s u l t ，p r o t e c t i o nm i s o p e r a t i o no c c ur sf r e q u e n t l ya n db e c o m e so n e h i d d e nt r o u b l ef o rt h ep o w e rs y s t e ms a f e t y nf a c t ，t h ep r i m a r ya n ds e c o n d a r y s i d e so ft r a n s f o r m e ra r ec o n n e c t e dt hr o u g h m a g n e t i cc i r c u i to t h e rt h a ne l e c t r i c a lc i r c u i t t h i ss i t u a t i o nr e s u l t si nat h e o r e t i cd e f e c ti n a n yp r o t e c t i o ns c h e m eb a s i n go nt h ek i r c h h o f fc u r r e n tl a wt om a k eu pt h i sd e f e c ts o m e m e t h o d so fr e s t r a i n tar ei n v o l v e di nt h ep r o t e c t i o n h o w e v e r , d u et ot h ev ar i e t yo fs y s t e m p ar a m e t e r s ，m a g n e t i cc h a r a c t e r so fc o r ea n dt h ee f f e c to fc ur r e n tt r a n s f o r m e ro nt h e s e c o n d a r y c ur r e n t ，t h o s e p r o t e c t i o n s c h e m ec a nn o tg u ar a n t e eac o m p l e t ep r e c i s e r e s t r a i n t ，i n c l u d i n gt h ed i s c r i m i n a t i o nm e t h o db a s i n go nt h ec h ar a c t e r i s t i co fw a v ef o r m h a r m o n i cd i s c r i m i n a t i o n i n v o l v i n g t h es e c o n d h ar m o n i cr e s t r a i n t ，b l o c k i n gm e t h o d b a s i n go nt h et h e or yo fd i s c o n t i n u o u sa n g l e ，e t c a tp r e s e n ts o m en e wt h e o r i e sa n d t e c h n i q u e sa d o p t e di n d i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o n ，s u c ha sar t i f i c i a ln e ur a ln e t w o r ka n d d i s c r i m i n a t i o nm e t h o db a s i n go nt h em a g n e t i cf l u xc h a r a c t e r i s t i c ，s t i l lw a i tf o rf ur t h e r c o n s u m m a t l o n f o rt h es e a s o n sa b o v e ，i ti sn e c e s s a r yf o ru st oi n v e s t i g a t et oad e e p e re x t e n to nt h e t h e o r ya n dp r a c t i c eo ft r a n s f o r m e r d i f f e r e n t i a l p r o t e c t i o n ，t os t u d yt h ei m p a c t o f n o n l i n e arm a g n e t i cc h ar a c t e r i s t i c so npr o t e c t i o np e r f o r m a n c e ，s ot h a tw ec a ng e ta b e t t e ra p p l i c a t i o n b a s i n go nad e e pa c q u a i n t a n c eo ft h et h e o r yo ft r a n s f or m e rd i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o n 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t e s p e c i a l l yi nd i s c o n t i n u o u sa n g l em e t h o db a s i n go nt h ec h a r a c t e r i s t i co fw a v ef o r m a n d t h es e c o n d - h ar m o n i cr e s t r a i n tm e t h o db a s i n go nh ar m o n i cd i s c r i m i n a t i o n ，w em a k ea e x a m p l ei nm a i nt r a n s f o r m e rp r o t e c t i o ni nap e t r o c h e m i c a lf a c t o r ys u b s t a t i o n ，s e t t i n gu p aa n a l y z em o d e ls e e i n ga b o u tt h es e c o n d a r yi nr u s hc h ar a c t e r i s t i c ，i n c l u d i n gw a v e f o r m s e c o n d ar yh a r m o n i cc o n t e n t d i s c o n t i n u o u sa n g l e w ef i n a l i z e dt h ec o m p u t e rd i f f e r e n t i a pr o t e c t i o nf o rt h et r a n s f o r m e rm a i np r o t e c t i o n u t i l i z i n gt h ee m u l a t o rr e s u l t ，w es e t t i n g t h ed i f f e r e n t i a lpr o t e c t i o nd a t a ，t h ep e r c e n to ft r i p p i n gi sa b o v e9 5 ，s i m u l t a n e o u si t w i l lh a v ec e r t a i n s i g n i f i c a n c ef o rt h ep e r f o r m a n c eo ft h ed i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o no f t r an s f o r m e ri np o w e rs y s t e m k e y w o r d s d i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o no ft r a n s f o r m e r , d i s c r i m i n a t i o nm e t h o db a s i n go n t h ec h ar a c t e r i s t i co fw a v e f o r m ，d i s c r i m i n a t i o nm e t h o db a s i n go ns e c o n d a r yh ar m o n i c ， e x c i t a t i o ni n r u s h l v 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成果除加 以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为 获得其他学位而使用过的材料。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诚挚的谢意。 学位论文作者签名：阀颖 签字日期：z 坤z 、z 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规定：即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交 流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名：否则视为不同意) 学位论文作者签名： 签字日期 导师签名： 签宁日期： 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 综述 近年柬，随着电力系统规模的扩人，电压等级的升高，增加了很多大容量的 变压器，因此对大型变压器继电保护技术提出了更高的要求。电力变压器是电力 系统中极其重要的电气设备，它在电力系统的发电、输电、配电等各个环节广泛 使用，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，因此必须根据变压器的容量和重要程度并考虑到可能发生 的各种类型的故障和不正常工作的情况，而装设性能良好、工作可靠的继电保护 装置。 根据变压器不同的故障类型和不正常运行状态，变压器一般应装设下列继电 保护装置： f 】) 反应变压器油箱内部故障和油面降低的瓦斯保护； f 2 ) 反应变压器绕组和引出线的相问短路、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或电流速断保护； ( 3 ) 反应外部相间短路的过电流保护。 ( 4 ) 反应中性点直接接地电网中，外部接地短路的零序电流保护； f 5 ) 反应对称过负荷的过负荷保护； f 6 1 反应变压器过励磁的过励磁保护。 从中国电力科学研究院对1 9 9 0 1 9 9 9 年2 2 0 k v 及以上变压器保护运行情况的 统计资料1 1 1 变压器故障统计表| _ 卜2 2 0 k v 变压器1 0 年内平均故障率为1 6 4 故障次 数百台年：3 3 0 k v 变压器1 0 年内平均故障率为2 9 8 故障次数百台年：5 0 0 k v ，变压 器1 0 年内平均故障率为1 8 9 故障次数百台年。从变压器保护正确动作率的统计 情况表巾可知，在1 9 9 0 一l9 9 9 年问2 2 0 k v 及以上变压器共发生不正确动作7 8 0 次 ( 其中误动7 4 8 次拒动2 4 次) ，正确动作牢每年均小于7 5 。在全部7 8 0 次不正确 动作中，属于原因f i 明的事故共发生1 8 4 次，占2 3 6 2 ，这说明发生故障时往往 伴随着复杂的电磁暂态过程，面工程技术人员对系统故障特征又不能很好地全面 认识，因而无法对保护装置进行正确评仙，致使故障难以分析。因此，对变压器 东北大学硕士学位论文第一章绪论 的保护提出了新的更高的要求。 长期的运行经验表明差动保护是能灵敏区分区内和区外的故障的，当前其主 要矛盾仍集中在非故障情况下的电磁干扰如励磁涌流和内部故障的鉴别上。国内 外大量的科技工作者都在积极探索完善目前的变压器差动保护原理，同时也探索 和提出了一些新的原理应用到变压器保护中。 1 1 1 励磁涌流判别原理的国内外研究现状 近十多年来，国内外许多学者致力于变压器差动保护的研究，对变压器受到 的各种干扰形式及对差动保护的影响结果进行了深入的研究后发现：非故障情况 下的电磁干扰如励磁涌流为主要影响因素。由此，崮内外学者在经过长期的研究 后提出了不少判别励磁涌流的原理和方法，己经运用于实践以及新近提出的各种 励磁涌流鉴别法中，按照判别所用信号特征主要有： ( 1 ) 波形特征识别法 波形特征识别法就是根据变压器在励磁涌流和内部故障时差流波形所具有 的不同特征来区分足内部故障还是励磁涌流的方法。由此产生了间断角原理和差 动电流峰一峰间距两种判别法。1 2 1 近年来，随着人们研究的领域逐渐扩大，研究 的层次逐渐加深，在励磁涌流的判别上相继提出了波形对称原理、虚拟三次谐波 原理、小波分析理论、模糊判据法和人j f 神经嘲络法，在一定程度上取得了成功 的结果。1 3 为了进一步完善保护的可靠性，又提出一种基于离散隐马尔科夫模型 ( d i s cr e t eh i d d e nm ar k o vm o d e l ，缩写为d h m m ) 的励磁涌流的波形识别方法。【4 j 该方法完整地利用两者波形在负半周的全部采样数据，以概率特征表述两种波形 的差别，而不局限于涌流波形和故障波彤在某个特缸e 参数( 如间断角) 上的不同， 因此可以在训练得到的模型中综合地反映两者的区别，从而可靠地动作。i 1 同时 由于计算量相对较小，该力+ 法可满足变压器保护快速性的要求。而且出口判据为 输入波形采样数据在两种模型卜概率的相对大小，避免了复杂的定值整定问题 1 2 4 。 ( 2 ) 喈波识别法 谐波识别法足通过电流或电压中谐波含量的多少柬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_ 次谐波制动和电压制动。1 2 i1 3 1 大多数变压器差动继电器利用差动电 2 东北大学硕士学位论文第一章绪论 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，谐波分量呵以用于制 动或闭锁继电器动作f 瞎1 。 ( 3 ) 磁女通特性识别法 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。1 4 1 目前主要有三种磁制动方案：一是基丁变压器在不同工况下的 励磁特性曲线建立故障判别区；一是建立差动电流和变压器的互感磁链甲之间 的关系曲线，通过比较甲与i ，的关系是否落在空载磁化曲线附近来判断足否为励 磁涌流：三是分析比较甲一i 。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 1 3 t 。 1 9 8 7 年，在近年来提出的几种磁制动方案的基础卜- 又提出一种称为“图形识 别”的涌流识别法，该方法对原方案中采用的变压器磁路模型进行了改进，使之 既能适用于单相变压器，也能适用于各种铁芯结构的二相变压器。 ( 4 ) 功率法 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j f 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 ( 1 ) 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肯较大的优势。第二与 以往的励磁涌流判据相比，功率筹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，可以作为独逆保护使用”。 f 5 ) 其它 加拿大s i d h u 等提h 一种全新的非线性模型法，即依据变压器电路的非线性 模型，通过计算机检测变压器故障，该算法不需要b j 【，曲线，完全撇开了励磁 涌流的问题 1 3 1 随着数字信号处理技术的发展，一些科技人员提出了种利用数 字信号处理中的归化自相关系数的有关理沦，来识别变压器励磁涌流和内部故 障电流的新算法1 3 2 】。在理论上，该算法并不是单纯利用涌流和故障电流的单方 面的特征，而是进行综合分析，具有严密的数宁信号处理的理论基础，抚干扰能 力较强。仿真结果表明：该算法具有特征明显，识别迅速，且小受非周其| j 分最、 3 东北大学硕士学位论文第一章绪论 二次谐波含量以及t a 饱和的影响等优点。 基于参数辨识的变压器差动保护 35 1 ：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。 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，凶而f i 需要变压器参数和系统参数。 1 1 2 差动保护装置的研究发展现状 ( 】) 差动电流速断保护 对于小容量变压器，这种方案是依靠较高的动作电流来躲过励磁涌流。由于 差动继电器具有一定的固有动作时间，而涌流又是衰减的，因此无需按躲过涌流 峰值来整定动作电流。这种保护动作速度伙、简单，用来作为大容量变压器主筹 动保护的补充。 ( 2 ) 带有速饱和变流器的差动保护装置 这种保护装置利用一个速饱和变流器来躲过涌流和变压器外部短路所引起 的不平衡电流。由于涌流和变压器外部短路电流中都存在很大的直流分量，因而 保护不会动作。但这种保护的动作电流仍要按躲过周期性涌流来整定。 ( 3 ) 二次谐波制动式差动保护装置 由于涌流中含有很大成分的_ 次谐波，而变压器内部和外部短路电流中_ 二次 谐波分量很小，因此以二次谐波为闭锁制动条件的差动保护被广泛采用。这种 保护方案还要设置比率制动环节和差动电流速断保护元件，以使保护能躲过变压 器外部短路所产牛的不平衡电流和在变压器发生严重内； i ；短路时保护能快速动 作。 ( 1 ) 问断角原理差动保护装置 间断角原理差动保护也是目前较为j “泛采用的一种保护。其原理是利用涌流 波形具有间断角而变压器内部短路电流主| j 是连续的这一特点实现涌流闭锁。 ( 5 ) 虚拟三次i 皆波制动保护装置 4 东北大学硕士学位论文第一覃绪论 虚拟三次谐波原理是从提高变压器保护的动作速度，改善识别对称性涌流性 能的角度提出的一种全新的谐波制动方案。它充分利用了由于变压器饱和引起的 变压器励磁涌流前半周的尖顶波信息，通过“虚拟”后半周波形的三次谐波含量 来区分变压器内部故障和励磁涌流。虚拟三次谐波制动方案能有效地防止励磁涌 流引起的误动作，且不存在对称性涌流问题。同时，配合采样值差动，保护动作 速度很高。 ( 6 ) 波形对称原理的差动保护装置 波形对称原理是将微分后的差流波形的前半周和后半周进行对称性比较，判 断其对称度后确定动作与否。这种保护装置的特点是无论是空载合闸于内部故障 变压器或是外部故障转化为内部故障均能迅速动作：对变压器的剩磁适应能力 强，不需附加判据：易解决电流互感器冈涌流作用饱和而产生反向电流问题。 ( 7 ) 偶次谐波制动保护装置 这种新方法是利用偶次潴波( 二次和四次) 制动，用直流分量和五次谐波闭 锁。利用偶次谐波制动在含有低二次谐波的涌流情形卜- 保证了安全性，并在内部 故障且c t 饱和时保证可靠性，五次谐波闭锁的应用保证了继电器对过励的正确 反应。直流量闭锁的应用在涌流情况下且总的谐波分量很小h 寸保证了安全性。 ( 8 ) 微机差动保护装置 目前电力变压器微机差动保护的算法主要采用二次谐波原理和间断角原理 米辨识故障电流和励磁涌流。在我国利用此算法而应用比较广泛的是l c d ，w b z 系列的变压器微机保护装置。 随着计算机技术的发展，a b b 公司利用偶次谐波制动原理研制出了s p a d 3 4 6 c 微机差动保护装置。 1 2 国内外变压器差动保护研究发展趋势 近年来，随着人们研究的领域逐渐扩大，研究的层次逐渐加深，产生了很多 新兴的学科，这些学科为科学研究，史压器的保护提供了新的手段。较为成熟且具 有一定代表性的有： ( 1 ) 人工神经网络法。该方法具有高度的神经计算能力、极强的白适应性、 容错性以及自学习能力等，用于保护领域，可以取消整定值，大大简化分析计算， 使保护装置设计更加简洁、，u 靠。冈此，存电力系统保护方面已越来越受到人们 5 东北大学硕士学位论文第一章绪论 虚拟三次谐波原理是从提高变压器保护的动作速度，改善识别对称性涌流性 能的角度提出的一种全新的谐波制动方案。它充分利1 l | j 了由于变压器饱和引起的 变压器励磁涌流前半周的尖顶波信息，通过“虚拟”后半周波形的三次谐波含量 米区分变压器内部故障利励磁涌流。虚拟= 次谐波制动方案能有效地防止励磁涌 流引起的误动作，且1 i 存在对称性涌流问题。同时，配合采样值差动，保护动作 速度很高。 ( 6 ) 波形对称原理的差动保护装置 波彤对称原理是将微分后的差流波形的前半周和后半周进行刘称性比较，判 断其对称度后确定动作与否。这种保护装置的特点是无论是空载合闸于内部故障 变压器或是外部故障转化为内部故障均能迅速动作：对变压器的剩磁适应能力 强，不需刚加判据：易解决电流互感器因涌流作用饱和而产生反向电流问题。 ( 7 ) 偶次谐波制动保护装置 这种新方法是利用偶次谐波( 二次和四次) 制动，用直流分量和五次谐波闭 锁。利用偶次昔波制动在含有低一次谐波的涌流情形f 保证了安全性，并在内部 故障且c t 饱和时保证可靠性，五次谐波闭锁的应片j 保证了继电器对过励的正确 反应。直流量闭锁的虑用存涌流情况下日总的谐波分量很小时保证了安全性。 ( 8 ) 微机差动保护装置 目前电力变压器微机差动保护的算法主要采用二次谐波原理和间断角原理 米辨识故障电流和励磁涌流。在我国利用此算法而应用比较广泛的是l c d ，w b z 系列的变压器微机保护装置。 随着计算机技术的发展，a b b 公叫利用偶次谐波制动原理研制出了s p a d 3 4 6 c 微机差动保j l 【装置。 1 2 国内外变压器差动保护研究发展趋势 近年来，随着人们研究的领域逐渐扩大，研究的层次逐渐加深，产生了很多 新兴的学科，这些学科为科学研究变压器的保护提供了新的段。较为成熟且具 有一定代表性的有： ( 1 ) 人工神经网络法。该与法只有高度的神绎计算能力、极强的白适应件、 容错性以及白学习能力等，用于保护领域，可以取消整定值，大大简化分析计算， 使保护装置设计吏加简洁、；u 靠。因此，在电力系统保护方面已越柬越受到人们 使保护装置设计更j j u 简沾，u 靠。因此，f f 也力系统保护山面已越来越受到人们 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 的关注。 ( 2 ) 功率法。通过计算从各个电源侧流进变压器的有功功率的总和来区分内 部故障电流和励磁涌流，从过去的尊一考虑电流信息转为综合考虑电流和电压信 息，从而提高了保护的灵敏度和速度。 ( 3 ) 磁通特性识别法。基于变压器磁特性的励磁涌流鉴别法不但可以克服二 次谐波原理的不足，而且适宜用微机实现，是一种有前景的方法。 l 。3 存在的问题 过去，基于对差动保护的理解认识，由于变压器原副边是由磁路而非电路相 联系的，另外构成变压器的铁心铁磁特性存在多样性。因此，无论采用哪种理论 分析计算都不可能全面准确地反映出变压器实际的特性。电力系统同趋庞大，变 压器运行方式日趋复杂，应用较少的信息量已难以满足鉴别的需要和要求。具体 表现在： ( 1 ) 随着电力系统的扩大，基于传统的波形特征识别法和凿波识别法提出的 间断角原理技术和二次谐波制动原理而实现的差动保护在应用中的实效性变的 越来越不理想。对于二次谐波制动原理，随着电网电压和规模的扩大以及变压器 单机容量的增大，当变压器端部接较长的输电线、低压侧装设电力电容器组时， 如变压器内部发生严重故障，由于谐振使短路电流中的谐波含量明湿增加，可能 引起差动保护延时动作。 ( 2 ) 波形特征识别法和谐波识别法均依赖于涌流波形在时间轴上间断或者畸 变部分的数学特征的提取，尽管这部分畸变特征是两者的芋要区别，但是这些畸 变特征在复杂的实际运行情况下变得不理想，如间断角原理的应用中当电流互感 器饱和时，变压器励磁涌流经电流互感器传变后，会出现二次侧涌流间断角过小 或消失的现象。 为了保护装置可靠动作，就必需采用电抗互感器和自制动回路来恢复间断 角。再如利用谐波含量作为闭锁制动条件的筹动保护当动作电流中的凿波分量很 小的情形下保护将不起作用。同时，由r 变压器制造技术的提高和制造材料的改 进，变压器的饱和磁通倍数经常在1 2 到1 3 甚至低于1 1 4 ，而不是一般考虑的 1 4 ，在此情况f 的最小二次谐波含量可能低至l0 以卜，从而导致差动保护误动 作。冈此仅利用畸变特征的数学化参数彳i 能可靠地区分涌流和故障波形，同时存 6 东北大学硕士学位论文第一章绪论 在比较复杂的定值整定问题。 ( 3 ) 在用微机实现保护时，为了准确判别间断角大小就必需很高的采样率， 导致处理时间极其有限，硬件的复杂性和成本都很高。 ( 4 ) 应用于差动保护的新理论和新技术用于实际时不足之处较为明显，还不 能可靠地应用于保护中。如：人工神经网络法的理论还不完善，其收敛性问题还 没有得到很好的解决：对于磁通特性识别法，在应用中需要知道变压器的磁化特 十牛曲线以及具体的漏抗参数，但这些是不可能准确得到的，同时确定饱和区和故 障区的位置也较困难，另外整定门坎值也较困难。这些都影响到在变压器差动保 护中应用磁通特性识别原理。 鉴于此，有必要对当前己普遍采用的变压器差动保护原理和方法进行深入的 研究，分析其特点和不足，使之能更好地运用于实践。 1 4 本文研究的主要内容 某石化厂总变电所为6 6 k v 6 k v 变电所，在全厂起着举足轻重的作用。总变 电所有2 台6 6k v ，2 5 m v a 的变压器，由于这两台变压器给全厂所有装置的用电负 荷供电，它的安全运行与否，直接影响全厂各装置安全生产，牢固地掌控着全厂 的经济效益。由于厂总变电所有了几十年的历史，各种继电器的特性也由于时间 的原因，其灵敏性，可靠性均有了一定程度的下降。因此，2 0 0 0 年，厂总变电所 决定进行改造，利用分散式微机保护装置实现差动保护。而在大于1 0 m v a 的变压 器保护中，其主保护是差动保护，影响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，也 是难点。 就目前的研究现状来看，还没有对涌流的特性作精确的分析，主要原因是无 法通过试验的方法完整地获得。如果采用试验方法研究涌流，会对变压器等设备 造成一定的损坏，无论是变压器制造厂家还是用户都不能接受用于研究而带来的 损失。鉴于此，国内外一些专家、学者致力于变压器保护的仿真研究，目前可用 的些仿真分析软件有e m t p ，a t p 等，但这些软件都存在无法克服的缺陷：如e m t p 软件无法建0 电源变压器一互感器的系统电路模型：a t p 软件的模型库相对简单 同时也无法建立电源一变压器一互感器的系统电路模型。这样就导致利用它们得到 的仿真结果无法实现系统性和实时性，使结果的有效性无法得到保证。 7 东北大学硕士学位论文第一章绪论 本文在认真研究和分析了现有变压器差动保护原理后，根据目前普遍采用的 基于传统的波形特征识别法和谐波识别法提出的间断角原理和二次谐波制动原 理技术，对励磁涌流的特性作更深入的研究分析。利用电力系统仿真分析程序 e m t d c ( e i e c t r o m a g n e t i ct r a n s i e n t si n c l u d i n gd c ) 软件，该软件克服了上述两种软 件的不足，能结合某一具体的变压器差动保护建立电源一变压器一互感器的系统仿 真模型，对厂2 5 m v a 总变压器进行了仿真分析，主要内容是： ( 1 ) 变压器空载合闸时不同合闸角情况下经差动电流互感器输出后的二次涌 流特性，包括：波形特征、二次谐波含量和问断角大小，分析讨论各特征量对差 动保护动作与否的影响。 ( 2 ) 变压器满载合闸时不同合闸角情况下经差动电流互感器输出后的二次涌 流特性，包括：波形特征、二次谐波含量和间断角大小，分析讨论各特征量对差 动保护动作与否的影响。 ( 3 ) 外部故障情况下经差动电流互感器输出后的二次波形特性，分析讨论其 对差动保护动作与否的影响。 通过对变压器空载、满载合闸时不同合闸角情况下的差动电流互感器输出波 形进行分析，最终确定了采用a b b 公司的差动保护装置s p a d 3 4 6 c 作为变压器差 动保护主保护，实验调试结果利用仿真结果的分析，达到了保护要求的准确性， 可靠性。 8 东北大学硕士学位论文第二章变压器差动保护基本原理 第二章变压器差动保护基本原理 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u j 长，经济上的损失很大。近年来，随着电 力系统规模的扩大，电压等级的升高，增加了很多大容量的电机和变压器，变压 器发生事故的次数也随之增加，其主要原因是大容量变压器采用纠结式绕组，匝 间绝缘水平尚不能满足这种接线方式的需要，因而变压器的匝问短路事故有所增 加。因此，对变压器保护提出了新的更高的要求。 2 1 变压器差动保护原理 差动保护原理问世已有近百年历史，在继电保护的发展过程巾有着独特的地 位，至今仍广泛应用于电气主设备和线路保护中。与其他保护迥然不同，变压器 电流差动保护就是把变压器两端的电流互感器按差接法接线( 以y ，d n l l ) 组别变 压器为例，其接线如图2 1 所示，使流过变压器一次侧和二次侧的电流经电流互 感器适当的变比后反向流入差动继电器，原理如图2 2 ，这样流入继电器的电流 为两端的电流之差。在变压器一常运行或只发生外部故障时，流过差动继电器的 电流平衡，保护装置不动作。当变压器内部发牛短路故障时，短路电流只流过电 源侧的电流互感器，此时，流过差动继电器的电流不平衡，当不平衡电流值达到 保护装置的动作值时，保护装罨动作将故障变压器从系统中切除。 i+1。 ? 、，士、m _ _ ： i + i 心h 1 i , o qi p 一 、。 ， ，j = 一，? ? y j dn77 ，、 j 一一j 、一! i 。一：i 。：i 。 ： 一1 。 一v 、一一一一lm 一、7 、 一 一。 幽21变压器差动保护c l 、接线 f i g 21 c tw i r i n gf o rt 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 o 一 东北大学硕士学位论文第二章变压器差动保护基本原理 差动保护在原理上只反应被保护设备的内部短路电流，而不管外部发生多严 重的故障，因为它是基于节点电流定律的。外部故障是利用速断保护来切除的。 长期的运行经验表明差动保护是能灵敏地区分区内和区外故障的。 继电器 l r 2 l m - i r l 变压器 由沛白庸器由、谛百威牲 图22 电流差动保护原理图 f i g2 2 s c h e m a t i cd i a g r a mf o rc u r r e n td i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o n 励磁电流的大小取决于励磁电感的数值，也就是取决于变压器铁芯是否饱 和。正常运行和区外故障时变压器不会饱和，励磁电流一般不会超过额定电流的 2 一5 ，对纵差动保护的影响常常略去不计。当变压器空载投入或外部故障切除 后电压恢复时，变压器电压从零或很小的数值突然上升到运行电压。在这个电压 卜升的暂态过程中，变压器可能会严重饱和，产生很大的暂态励磁电流。这个暂 态励磁电流通常称为励磁涌流。励磁涌流的最大值可达额定电流的4 - - 8 倍，并 与变压器的额定容量有关。由于励磁涌流很大，若用动作电流来躲过其影响，纵 差动保护在变压器内部故障时灵敏度将会很低。一般要通过其它措施来防止励磁 涌流引起纵差动保护的洪动。凶此变压器差动保护的主要矛盾集中在鉴别励磁涌 流和内部故障上。近i 多年来，国内外许多学者致力于研究判别励磁涌流的原理 和方法，已经运用于实践以及新近提出的答另0 法中具有代表性的有以下三类： 2 1 1 波形特征识别法 波形特征识别法就是根据变压器在励磁涌流和内部故障时差流波形所具有 的不同特征来区分是内部故障还是励磁涌流的方法。主要有两种：一种是1 4 j 断角原 理；另一种是差动电流峰一峰间距判别法。 1 0 东北大学硕士学位论文第二章变压器差动保护基本原理 ( 1 ) 间断角原理 间断角原理是基于励磁涌流波形中有较大的间断这个特征实现其鉴别的。一 般采用的判据：间断角6 5 0 ，波宽1 4 0 。当差流的间断角大于6 5 。时，判别为励磁 涌流；当间断角小于6 5 。且波宽大于1 4 0 。时，则判别为可能不是励磁涌流，并短时 开放出口比率差动继电器。 间断角原理有如下优点：利用了励磁涌流明显的波形特征，能清楚地区分内部 故障和励磁涌流；采用分相涌流判别方法在变压器内部故障时能迅速跳闸；具有一 定的抗过励磁的能力。 ( 2 ) 差动电流峰一峰间距判别法 变压器保护中的差流可由如图2 3 所示的三种典型波形表示。 0 l d l 1 讫 y、。 v fi t l 1 j a 八 。 几v _ o t ? 心。 i| | r t “、 l 割2 3 变压器差流典型波形 f i g 2 3t y p i c a lw a v e f o r mf o rd i f f e r e n t i a lc u r r e n t 东北大学硕士学位论文第二章变压器差动保护基本原理 变压器内部故障时，电流互感器饱和，差流波形如图2 _ 3 ( a ) 所示，相继的差 流波峰间距约为1 2 周波左右。励磁涌流峰一峰间距约为1 4 周波和1 个周波， 如图2 3 ( b ) 、( c ) 。因此将差流峰一峰间距为l 2 周波左右、前一个峰值是后一个 峰值的7 5 一1 2 5 ，而且符号相反的状态判为故障情况，将差流峰一峰间距为l 4 或1 周波判为励磁涌流。 2 】2 谐波识别法 谐波识别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。可以分为两种：一是利用二次谐波电流鉴别励磁涌流；二是通过分析变压器端 电压中的谐波分量而形成的电压制动式保护。 ( 1 ) 二次谐波电流鉴别励磁涌流 分析表明，励磁涌流中含有较大的_ 次谐波分量，通过计算差动电流中的二 次谐波电流与基波电流的幅值之比可判别是否存在励磁涌流。当出现励磁涌流时 应有，。l k + ，d 2 ，式中，l l k + ，d 2 分别为差流中基波和二次谐波电流模值；k 是二次谐波制动比，可以调整。 ( 2 ) 谐波电压鉴别励磁涌流的方法 当变压器因励磁涌流出现严重饱和时，端电压会发生严重畸变，其中包含较 大的谐波分量，呵以用来鉴别励磁涌流，其原理足： 如果变压器的三相电压满足t k 。或e 。 r 。 则判为励磁涌流，保护闭锁 式中： k 是变压器端电压的基波分量幅值； v t h 和瓦分别为门坎值： t s u m 称为“m o n i t o r ”是为克服在涌流时端电压畸变引起电压v 的下降导致 过励磁状况的内部故障，谐波分量可以用于制动或闭锁继电器动作。谐波制动 闭锁方法在涌流和过励磁很严重的情形下保证了差动保护的安全性。 2 1 3 磁通特性鉴别法 利用磁通量鉴别励磁涌流。 1 2 东北大学硕士学位论文 第二章变压器差动保护基本原理 方案1 ：以图2 4 所示的双绕组单相变压器为例说明保护的原理和算法。 v 1 r 1 l 1 一，一一 i 、。、 善，则 为内部故障：若，则慨( ，) l ，它不允许制动，当差动电流幅值 超过设定差动速断动作值m i 。) ，差动电流不经滤波电路，直接采用差动电流的 全波幅值作为动作量，保护将无延时的动作。 下面这个图形为在不同设定值时的制动曲线。见图2 9 曲线 p i n ，( ) s ( ) j 2 。1 。( ) 1 5 05 0 1 o 2 51 02 o 图2 9曲线1 与曲线2 的比较 f i g2 9 d i f f e r e n c ef r o mc ur v e1t oc u r v e2 2 2 2 微机差动保护的实现 ( 1 ) 硬件 为了微机差动保护得以实现，在硬件配置上要能及时、准确反映当变压器发 生内部故障时变压器油温、油位、线圈温度、j 玉力以及互感器输出信号等的变化， 并能自动完成信号调理和信号比较，从而实现差动保护的启动与否。 其硬件系统如图2 1 0 所示。 1 8 东北大学硕士学位论文 第二章变压器差动保护基本原理 图2 1 0 微机差动保护硬什原理框图 f i g 2 1 0 b l o c kd i a gr a mf o rc o m p u t e rd i f f e r e n t i a lc ur r e n tp r o t e c t i o n ( 2 ) 软件 以具有三折线比率制动特性的差动继电保护算法作为判断变压器是否有故 障的算法，以变压器差动电流二次谐波分量和基波分量的比值作为变压器励磁涌 流闭锁判断的根据，以差动电流五次谐波分量和基波分量比率作为在过励磁而无 害情况下制动的判据，但是当高过压时，五次谐波分量和基波分量的比率增大的 情况1 二，自动取消闭锁。同时微机保护模块无需捅入互感器以保护二绕组变压器 一对变压器高压侧和地压侧接线组作数字化矢量匹配。同时，c t 具有宽范围的校 正系数，通过数字化设定作精确校正。同时具有可编程控制器输入为瓦斯继电器、 油温传感器和变压器的辅助装置传感器提供接，发出报警或跳闸信号。微机保 护模块具有内部故障记录器记录被测电流的波形。 2 3 差动保护用电流互感器 保t f 变压器安全稳定运行是电力系统最匿要的任务之一，作为主保护的差动 保护的可靠稳定运行义是变压器安全稳定运行的核心。而差动保护能台可靠运行 则须以电流互感器参数的合理选择及实际特性的1 f 确校核为前提，如果电流互感 器在事故状态下无法将一次电流i f 确地转变为_ 次电流，保护装置动作的j f 确性 1 0 东北大学硕士学位论文 第- - 章变压器差动保护基本原理 就无法得到保证。 2 3 1 电流互感器参数选择 ( 1 ) 一、二次额定电流的选择 保护用的电流互感器p 级和t p 级两种，p 级为一般保护用的电流互感器。它 们一次额定电流选择的原则是： 大于所在回路可能出现的最大负荷电流： 能满足实际系统中故障时的短时热稳定和动稳定的要求： 选取的电流值应与( ；b1 2 0 8 推荐的标准值相一致。 标准的t a 二次额定电流为1 a 或5 a ，实际中6 6 k v 系统的t a 二次 额定电流采用5 a 厂总变压器2 5 m v a ，6 6 k v 侧的电流互感器变比为3 0 0 5 。 ( 2 ) 额定输出容量的选择 g b l 2 0 8 规定的额定输出的标准容量为：2 5 ：5 ：1 0 ：15 ：2 0 ：2 5 ：3 0 ：4 0 ：5 0 ： 6 0 ：8 0 ：1 0 0 ( v a ) 。一般情况下，保护用c t 的输出容量按下式计算： s o = 焉( k 。z ，+ k 乙+ z p ( 2 1 2 ) 式中： s o - - t a 的实际输出容量，v a ； l 。- - t a 的二次额定电流，a ； k 。一t a 接线系数： z ，一继电器线圈阻抗，q ： k 。一连接导线的接线系数； z ，一连接导线的阻抗，q ； 乙一接触电阻，q 。 ( 3 ) 准确限值系数的选择 额定准确限值一次电流，。为t a 能满足复合误差要求的最大一次电流值，准 确限值系数k 为额定准确限值次电流与额定一次电流，。之比。在选择t a 的 准确限值系数时要同时考虑系统的短路电流和保护类型，对于变压器差动保护， 选择变压器各侧t a 的准确限值系数k 时要进行短路电流计算，求得最大对称 短路电流值，、。，和最大短路电流倍数k 。，要求各侧t a 的k k 。 2 n 一 东北大学硕士学位论文第二章变压器差动保护基本原理 由于t a 名牌上所标的准确限值系数足，是在额定负载下确定的，当实际负 载发生变化时，准确限值系数瓦。也将发生变化，因此，实际准确限值系数瓦。 需进行估算，估算方式为： k 。= 足。( & + s 。) “墨。+ e ) ( 2 1 3 ) 式中