毕业设计（论文）-变压器保护的研究.doc

河北工程大学毕业设计（论文）变压器保护的研究 摘要电力变压器是电力系统中的重要电气设备，它在电力系统的发电、输电、配电等各个环节广泛使用，因而其安全运行关系到整个电力系统能否连续稳定的工作。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是变压器安全运行的关键。本文回顾了变压器保护的发展历史及研究现状，阐明了变压器主、后备保护的研究方法及存在的主要问题。文中详细描述了大型油式变压器保护的主后备保护原理、安装措施、保护的功能。变压器主保护包括瓦斯保护和差动保护。瓦斯保护是变压器的非电气量保护之一，当变压器内部发生故障时，变压器油和绝缘材料就会因高温产生大量的气体，使瓦斯保护装置动作于信号或跳闸，从而保护变压器。差动保护是靠比较变压器进出两侧的电气量的变化差异，判断变压器是否有故障的一种保护方式。差动保护能正确的区分变压器内外故障，灵敏度高，是目前应用最广泛的保护，但其中常见的励磁涌流的问题一直是保护工作中的难题。本文阐述了目前较成熟的二次谐波闭锁来弥补差动保护中的缺陷，使其更加可靠。本文最后列出了一些变压器保护的参考文献，以便读者参考运用。 关键词: 变压器差动保护 瓦斯保护 后备保护目录摘要 11.绪论 4 1.1 引言 41.2 变压器保护的发展与现状 41.3 变压器的发展趋势 61.3.1 模糊理论的应用 6 1.3.2 专家系统的应用 6 1.3.3 人工神经网络的应用6 1.3.4 自适应技术的应用 72.对继电保护的基本要求 82.1选择性 82.2速动性 82.3灵敏性 82.4可靠性 82.5本文的内容与任务93.变压器保护总体设计方案与配置 103.1 变压器故障特征分析 103.2 变压器保护的配置 103.3 本文保护装置主后备配置 114.变压器保护基本原理和算法 134.1 变压器主保护 134.11 差动保护原理分析134.1.2 二次谐波闭锁的比率差动保护 164.1.2.1 比率差动保护的基本工作原 164.1.2.2 二次谐波闭锁原理 184.1.2.3 ct/pt断线闭锁 184.1.3 瓦斯保护 194.2 变压器后备保护 214.2.1 过电流保护 214.2.2 低电压启动的过电流保护 224.2.3 复合电压启动的过电流保护234.2.4 负序过电流保护 254.25 变压器零序电流保护264.2.6 变压器的过负荷 274.2.7 变压器的励磁保护 274.3 小结 285.总结与展望 30致词 32参考文献 331.绪论1.1引言 电力变压器是电力系统中最重要的电气主设备之一，作为电能传送的枢纽，其重要性不言而喻。大型变压器结构复杂、造价昂贵、一旦发生严重故障而损坏，将给维修工作带来很大困难，造成经济上的重的损失。近年来，随着电力系统规模的扩大、电压等级的升高，大容量变压器的应用日趋增多。大容量变压器采用纠结式绕组，易于产生匝间短路，因此，故障率相对较高。为了保护变压器安全、可靠的运行，电力工作者不断深入分析其运行特性，研究新原理，新方法提高变压器保护的性能，对其理论探讨与装置研制一直在不断进行。针对差动保护中的励磁涌流问题，国内外积极研究各种原理予以解决，如：二次谐波制动、间断角、电压制动、磁通特性原理和等值电路法等。另外，将新兴学科和方法（如模糊集合论、专家系统、人工神经网络等）运用到变压器的保护中也是研究的热点之一。而随着计算机及网络技术的迅速发展，高性能的微处理芯片层出不穷，微机变压器保护装置的性能不断得到改善，整个微机保护系统正向傻瓜化，人工智能化，网络化，保护、控制、测量、数据通信一体化，标准化方向发展。相对于变压器主保护，变压器后备保护原理更成熟，但其保护原理众多，配置复杂。近年来，由于主变后备保护在配置上不够完善，当中、低压侧特别是低压侧母线故障，而保护或断路器拒动时，因高压侧灵敏度不够，无法切除故障，造成烧毁主变甚至引发大面积停电的事故时有发生，教训深刻。从实际配置情况看，后备保护配置的地方习惯性较强，有时地区其后备保护配置很复杂环保护不到位，最近数年来因后备保护不完善酿成了多次事故。因此，必须重视与主网相联的大型变压器的后备保护，认真研究它的合理配置、原理接线，选择合理的运行方式，提高直流电源的可搞性等，确保大型变压器自身的安全和系统的稳定运行。1.2 变压器保护的发展及现状追溯变压器保护的发展历史追溯变压器保护的发展历史从1885年匈牙利三位工程师发明了变压器以来，一个多世纪里，变压器有了长足的发展，电压已达到百万伏级，使输电距离超过1000km。 电力变压器一个世纪以来，电力变压器原理未曾改变，随着年代的推进，先进生产设备日臻完善，因而各项技术参数愈来愈先进。以1931年r.e. cordray提出比率差动的变压器保护标志着差动保护作为变压器主保护时代的到来。电流差动保护也以其原理简单、选择性好、可靠性高的特点在变压器保护中获得了极其成功的应用。但由此带来的技术难题是如何将变压器的励磁涌流与内部故障区分开来。变压器保护的发展史也自此成为一部变压器励磁涌流鉴别技术发展史。1941年，c.d.hayward首次提出了利用谐波制动的差动保护，将谐波分析引入到变压器差动保护中，并逐渐成为国外研究励磁涌流制动方法的主要方向。1948年，r.l.sharp和w e. g1assburn提出了利用二次谐波鉴别变压器励磁涌流的方法，并在模拟式保护中加以实现，同时，还提出了差动加速的方案，以差动加速、比率差动、二次谐波制动来构成整个谐波制动式保护的主体，并一直延续至今。 微机变压器保护的研究开始于60年代末70年代初。1969年，rockerfeller首次提出数字式变压器保护的概念，揭开了数字式变压器保护研究的序幕之后，o.p.malik和 degens对变压器保护的数字处理和数字滤波做出了研究;1972年，skyes发表了计算机变压器谐波制动保护方案，使得微机式变压器保护的发展向实用化方向迈进。 变压器保护在进入数字微机时代后，利用微机强大的运算和处理能力，新的励磁涌流鉴别方法不断被提出，在国内外形成研究热潮。间断角原理从分析励磁涌流波形本质出发，为励磁涌流的鉴别提供了新思路，沿着这个思路，波形比较法、波形对称法和积分型波形对称法相继被提出。现在实用的微机变压器保护中识别励磁涌流的方法也主要是:二次谐波闭锁、间断角闭锁、波形对称原理等。实践表明，在过去几十年间，上述原理基本上能达到继电保护要求。然而，随着电力系统以及变压器制造技术的日益发展，利用涌流特征的各种判据在实用中均遇到了一些无法协调的矛后。在高压电力系统中，由十ta饱和、补偿电容或长线分布电容等因素的影响，内部故障时差流中的二次谐波分量显著增大，造成保护误闭锁和延时动作。另一方面，现代大型变压器多采用冷轧硅钢片，饱和磁密度较低而剩磁可能较小，使得变压器励磁涌流中的二次谐波和间断角均明显变小。不断出现的问题推动了研究的不断深入，“虚拟二次谐波制动法”从理论上可在半周的时间使保护动作，而且采用奇次谐波鉴别使其对对称性励磁涌流的鉴别能力大大强十二次谐波制动。采样值差动原理与励磁涌流波形无关，减少了计算量，提高了保护速度。 近年来，新器件、新技术的应用为变压器保护的研究与发展提供了一个广阔的天地。数字信号处理器dsp(digital signal processor)的出现，不但可以提高微机保护数据采样与计算的速度和精度，甚至可能改变往常微机保护装置的设计思想，使得复杂的算法得以在保护装置中实现。现代数学工具如:模糊控制，神经网络，专家系统，小波分析等开始越来越多的融入到变压器保护的研究领域，一方面为传统的变压器保护方法提供了更有效的工具，另一方面，采用多个信息量，可提高变压器保护的“智能化”程度，改善可靠性和适应性。随着新的传感元件和测量元件的出现，故障诊断及预测充分利用各种现代数学分析手段对变压器的各个运行状态量进行监测与分析，越来越融入到变压器保护中。它实质上是传统变压器保护中电量与非电量保护的一个扩展，它的研究与发展，为变压器保护的研究与发展提供了一个新的思路。随着变压器主保护的研究不断取得进展，变压器后备保护的研究和应用也日益引起人们的重视。对十变压器后备保护来说，由十变压器结构型式多样，运行环境不尽相同，对后备保护的配置，如保护原理、动作方向、分段跳闸方式、压板投/退控制以及模拟量和开关量的引接方式等存在不同的应用要求。为了适应运行现场的不同需要，目前的常用做法是，按典型方式构成不同型号的后备保护供用户选择，或根据用户的实际需要进行软、硬件的调整。而由于保护配置的复杂性往往容易产生保护软件的不定型性问题，这不仅提高了研制和生产成本，还有时因生产周期太短造成验证工作的不完整性，如果考虑到主设备保护受考验机会少，如现场万一把关不严，其隐藏错误一旦暴露就可能是误、拒动，造成巨大损失。为此，研制开发具有良好适应性的通用型变压器后备保护装置，对降低开发和维护成本，提高保护装置的稳定性和可靠性具有十分重要的作用。1.3 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、专家系统、人工神经网络、自适应理论等智能理论应用到电力系统中，并取得了辉煌的成就。1.31模糊理论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糊，而是利用模糊数学的理论和方法，对输入的各个电气量、开关量等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。将模糊理论引入变压器主保护，其基本思想是将多个输入量及相关保护判据给以不同置信度，然后通过模糊推理决策得到最终跳闸命令。应用模糊理论对变压器励磁涌流进行了识别。1.32专家系统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，讲述其在电力系统保护中的应用。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。1.33人工神经网络应用人工神经网络(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，存储区与操作区的合二为一，ann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。在对变压器保护特征提取采用了变压器两侧电流负序分量相对方向，二、三、五次谐波含量以及一次侧电流间断角的大小来综合识别励磁涌流状态的存在，由于考虑了五次谐波的含量因此变压器是否处于过激磁状态也可以加以判别。1.34自适应技术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。随着微机继电保护的应用和发展，计算机运算速度的提高，逻辑判断能力增强，数据存储量不断增大，这些条件为自适应原理在继电保护中的应用创造了条件，发展迅猛。自适应继电保护能够克服同类型传统保护长期以来存在的困难和问题，改善保护的动作性能。目前，自适应保护还处在研究开发的初期，但其研究成果己说明了它的优越性。对自适应继电保护的基本要求是:系统运行方式及故障类型的自动诊断和识别，以及保护动作定值和特性的自适应调整。随着电力系统的发展，系统运行方式及故障类型越来越复杂，自适应保护必须利用各种人工智能技术和信号处理方法，有效地提取故障特征，实现系统运行方式及故障类型的自动识别。在此基础上，充分利用人工智能技术的自学习和自适应能力，根据系统不同的运行工况，自适应地调整各种保护定值和保护的动作特性。要实现上述目标，关键是选择和使用适当的故障信息实现自适应保护，以及选择和使用适当的人工智能技术和信号处理方法以实现保护性能的优化。要更有效地使用人工智能技术和信号处理方法，就需更深入地对其理论和方法进行研究，将其有机地结合起来，加以综合利用，以便获得更好的应用效果。2 对继电保护的基本要求2.1 选择性选择性是指继电保护装置动作时，仅将故障元件从电力系统中切除，保证系统中非故障元件仍然继续运行，尽量缩短停电范围。对继电保护动作选择性的要求，同时还必须考虑继电保护装置或断路器由于故障等原因而拒动的可能性因而需要考虑后备保护的问题。如：变压器的瓦斯保护当发生轻瓦斯是变压器发出信号报警如果故障没有排除发出重启动保护信号需要运行人员马上进行检修。 一般的，把反应被保护元件严重故障，快速动作于跳闸的保护装置称为主保护，而把在主保护系统时效时备用的保护称为后备保护。当变压器的主保护不能完全保护是必须安装后备保护一提高安全性。2.2 速动性快速地切除故障可以提高电力系统并列运行的稳定性，减少用户在电压低时工作时间，以及缩短故障元件的损坏程度。因此，在发生故障时，应力求保护装置能迅速动作，切除故障。故障切除的总时间等于保护装置和断路器动作时间之和。一般快速保护的动作时间为0.060.12s，最快的可达0.020.04s；一般断路器动作时间为0.060.15s，最快的有0.020.04s.。2.3灵敏性继电保护的灵敏性是指对于保护范围内发生故障或非正常运行状态的反应能力满足灵敏性要求的保护装置应该是先规定的保护范围内部发生故障时，不论短路点的位置，短路点的类型如何，以及短路点是否有过度电阻，都能敏锐感觉，正确反应。保护装置的灵敏性，通常用灵敏系数来衡量，它决定于被保护元件和电力系统的参数和运行方式。2.4 可靠性保护装置的可靠性是指在其规定的保护范围内发生了他应该动作的故障时，它不应该拒绝动作，而在任何其他该保护不应该动作情况下，则不应该错动作。继电保护装置误动作和拒动作都会给电力系统造成严重的危害。但提高其不误动的可靠性和不拒动的可靠性措施常常是互相矛盾的。由于电力系统的结构和负荷性质的不同，误动和拒动的危害程度不同。可靠性是针对保护装置本身的质量和运行维护水平而言，一般来说，保护装置的组成元件的质量越高，接线越简单，回路中继电器的触点数量越少，保护装置的可靠性越高。2.5 本文的内容与任务本文系统阐述了变压器的主保护即差动保护和瓦斯保护原理、安装措施、保护的功能尤其是差动保护中常见的励磁涌流的问题。励磁涌流一直是保护工作中的一个难题。通过介绍二次谐波闭锁保护的办法控制不必要的麻烦。还介绍了瓦斯保护作为主保护之一它弥补了差动保护的缺陷，使保护更加安全、稳定。瓦斯保护的安装调试、保护范围注意事项等都是值得注意的。本文是基于现在的变压器保护种类繁多的问题而提出的。变压器的保护种类很多保护原理各不相同。在对不同变压器的保护时由于种类比较多所以保护相对复杂。论文主要介绍传统的变压器后备保护原理计算原则，优缺点，配置原则等。为此本文介绍了大型油式变压器后备保护系统，以实现变压器的综合保护。通过本文的介绍有助于对变压器的综合保护有了全面的了解。对不同保护相互结合配合使用有个综合把握，对装置的可靠性将发挥积极的作用。保护装置的可靠性保证电力系统安全运行。 3.变压器保护总体设计方案与配置3.1变压器故障特征分析 变压器的故障可分为内部故障和外部故障两种。内部故障是指变压器油箱里面发生的各种故障，主要有各相绕组之间的相间短路、单相匝间短路、单相接地短路等，其中匝间短路问题占了很大比率。内部故障的危害很大，因为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的气体，有可能引起变压器油箱爆炸。变压器最常见的外部故障，是套管和引出线上发生相间短路和接地短路。 变压器除了出现故障外，有时还会有一些不正常运行工况。主要指过负荷、油箱漏油造成油面降低、外部短路故障引起的过电流。对于大容量变压器，因铁芯额定工作磁密与饱和磁密比较接近，所以当电压过高或频率降低时，容易发生过励磁。此外，对于中性点不直接接地运行的变压器，可能出现中性点电压过高的现象、运行中的变压器油温过高以及压力过高的现象。3.2变压器保护的配置不同等级的变压器及运行环境不同，需给变压器配置多种不同的保护功能，常见的保护功能如下: .瓦斯保护 用来反映变压器的内部故障和漏油引起的油面降低，同时也能反映绕组的开焊故障。即使是匝数很少的短路故障，瓦斯保护同样能可靠反应。瓦斯保护有轻重之分，一般重瓦斯动作于跳闸，轻瓦斯动作于信号。由于重瓦斯是按短路电流和短路点电弧的作用下产生的气体流速(流向油枕)的大小而动作的，而气体的流速在故障中往往很不稳定。所以，重瓦斯动作后必须有自保持回路，以保证有足够的时间使断路器跳闸。 .差动保护和过流速断保护 针对内部故障的危害性大的特点，一旦发生内部故障，必须迅速切除变压器，以使变压器不被损坏。因此反映变压器内部故障的保护是其主保护。主保护一般采用反应变压器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差动保护或电流速断保护。但是对于绕组尾部的相间短路故障、绕组很少的匝间短路故障，差动保护和电流速断保护是反应不了的，即存在保护死区:此外，也不能反映绕组的开焊故障。而上面所说的瓦斯保护不能反映油箱外部的短路故障，故差动保护和瓦斯保护均是变压器的主保护，两者起到互补作用。 .反映相间短路故障的后备保护 用作变压器外部短路故障和作为变压器的瓦斯保护、差动保护(或电流速断保护)的后备保护。根据变压器的容量和在系统中的作用，可分别采用过流保护、复合电压闭锁的过流保护、负序电流保护、阻抗保护。规程规定：过电流保护宜用于降压变压器；当过电流保护的灵敏度不够时，可采用低电压启动的过电流保护，主要用于升压变压器或容量较大的降压变压器；复合电压（包括负序电压及线电压）启动的过电流保护，宜用于升压变压器、系统联络变压器和过电流保护不符合灵敏性要求的降压变压器；负序电流和单相式低电压启动的过电流保护，可用于63mva及以上升压变压器；按以上两条装设保护不能满足灵敏性和选择性要求时，可采用阻抗保护。 .接地保护 对中性点直接接地的变压器，用零序电流保护构成其接地保护，用作变压器外部接地故障和中性点直接接地侧绕组、引出线接地故障的后备保护。 对中性点不直接接地的，可用零序电压保护构成的接地保护。此外，还有中性点间隙零序电流保护。 .过负荷保护用来反映变压器的对称过负荷。对于6.3mva及以上电力变压器，当数台并列运行或单独运行，并作为其他负荷的备用电源时，应根据可能过负荷的情况，装设负荷保护。对自耦变压器和多绕组变压器，保护应能反映公共绕组及各侧过负荷的情况。过负荷保护只需用一相电流，延时作用于信号。在无人值班的变电所，必要时过负荷保护可动作于跳闸或断开部分负荷。中小容量的变压器过负荷保护采用定时限动作特性，动作电流也是按最大允许负荷电流下能可靠返回的条件整定。动作时间应与变压器允许的过负荷时间相配合，同时应大于相间故障后备保护的最大延时，一般可增大（12）。对于升压变压器，过负荷保护装设在主电源（低压侧）；三绕组升压变压器，过负荷保护装设在发电机电压侧和无电源测；如三侧均有电源，三侧均应装设过负荷保护。对于降压变压器，双绕组变压器的过负荷保护装在高压侧。单侧电源的三绕组降压变压器，过负荷保护装在电源侧和绕组容量较小的一侧；若三侧容量相同，过负荷保护仅在电源侧装设。. .过励磁保护 一般用在超高压变压器上，其具有反时限特性以充分发挥变压器的过励磁能力。过励磁保护动作后可发信号或动作于跳闸。 .非电量保护 如变压器本体和有载调压部分的油温保护，变压器的压力释放保护等，瓦斯保护也属于非电量保护。3.3本文保护装置主后备配置本文以大型油式变压器为列，配备了主保护和后备保护。主保护配置有： 主保护由差动保护和瓦斯保护组成，可以反映变压器的内部故障。后备保护配备有:变压器相间短路的后备保护可采用过电流保护、带低电压起动的过电流保护、复合电压启动的过电流保护、负序电流保护等。 反映接地故障的零序后备保护。为防止变压器长期过负荷运行带来绝缘加速老化的过负荷保护。为了反应变压器过励磁装设的过励磁保护。 4变压器主要保护原理和算法4.1变压器主保护4.1.1差动保护原理分析差动保护是变压器保护的主保护，是变压器保护的关键。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动接法接线，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4.1.11变压器差动保护接线图4.1.11这样流入继电器的电流为两端的电流之差。在变压器正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。当变压器内部发生短路故障时，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，保护装置动作将故障变压器从系统中切除。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。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。由于变压器空载合闸会产生幅值可达额定电流数倍至十数倍的励磁电流，这样就很难与变压器内部短路电流相区别，从而导致差动保护误动。因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。能否正确区分励磁涌流和内部故障。而由于励磁涌流问题的复杂性，对这一问题不断深入研究，目前已经有了多种识别励磁涌流的方法，国内外应用中比较成熟的主要是利用变压器的电流量识别励磁涌流于内故障电流的方案，包括二次谐波制动原理、间断角原理、小波变换方法等等。每种原理，方法都有各自的优缺点和不同的应用范围。在变压器差动保护中具体采用什么样的原理方法才能更好的实现差动保护的目标，关系到很多问题。变压器差动保护经过了长时间的发展，目前国内外主要还是集中于研究以下个方面的问题：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一侧流通，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。 由于励磁涌流在数值上可与内部故障时的短路电流相比拟，因此容易造成差动保护误动作；所以要变压器保护能够躲过励磁涌流，同时对短路电流又能够正确反映，使差动保护可靠动作。这是变压器差动保护所要解决的首要问题。针对该问题提出了各种区分励磁涌流与内故障的判别原理。用于区分励磁涌流与内部故障的原理主要有二次谐波判别原理，间断角判别原理，磁通量判别原理和波形对称原理。目前，在系统中配置的变压器保护主要是采用励磁涌流中的二次谐波制动原理和励磁涌流间断角制动原理来防止变压器差动保护误动作。间断角制动原理在ct严重饱和时，由于出现反向电流，会出现间断角消失。在小电流情况下，由于电流中谐波含量和系统频率的变化对间断角测量的影响较大，造成间断角测量不准确，容易引起系统震荡时的误动。利用二次谐波电流鉴别励磁涌流的方法在常规保护中有非常成功的应用和丰富的实践经验，而且目前国内外实际投入运行的变压器保护大都采用该原理，因而在实用化方面相对成熟一些，所以本课题研究选用了最常用的二次谐判别原理。二次谐波的原理是：在变压器的励磁涌流中含有较大的二次谐波分量（大约30%70%），但在变压器内部或外部故障的短路电流中，二次谐波所占比例较少。利用上述特点，构成带有二次谐波制动的差动保护，可以有效躲过励磁涌流的影响。当然这种原理也存在缺陷，在变压器内部不对称故障情况下，尤其在变压器附近装有无功补偿设备时，也会在故障电流中产生较大的2次谐波分量，使差动保护被制动，直到2次谐波分量衰减后才能动作，从而延长了切除故障时间。这对于大型变压器而言，是不允许的，应采用加速措施来改善变压器差动保护的速动性。典型的加速措施有以下几种：（1）差动速断：当差动电流大于变压器最大可能的励磁电流时立即跳闸出口；（2）低压加速：这一原理的依据是内部故障时，变压器端部残余电压较低；而出现励磁涌流时，变压器端电压较高。这样当变压器端电压小于变压器出现励磁涌流的最小端电压时取消励磁涌流判据，仅有比率特性决定是否跳闸；（3）记忆相电流加速：这一原理利用故障前一周期的相电流同时与空载励磁电流和最大负荷电流比较，根据结果来区分励磁涌流和故障电流，决定是否应该取消励磁涌流判据。其中差动速断判据原理简单，可靠性较高，在电力系统的主变差动保护中广泛采用。图4.1.2给出了变压器差动保护单相原理接线，其中变压器t两侧电流、流入变压器为其电流正方向。当变压器正常运行或外部故障时，必有，若电流互感器ctl, ct2变比合理选择，则在理想状态下有（实际是不平衡电流)，差动继电器kd不动作，此时与反相。当变压器发生短路故障时，比有 (短路电流)，于是为流过的相应短路电流，kd动作，此时与同相位(假设变压器两侧均有电源)，将变压器从电网中切除。为使差动保护发挥应有性能，在接线上注意如下几点：图4.1.2变压器差动保护单相原理接线(1) 由于变压器yn, d接线的关系，变压器两侧电流间存在相位移动，为保证正常运行或外部短路故障时与有反相关系，所以必须进行相位校正。(2) 变压器两侧ct变比不同，为保证外部短路故障时差动继电器电流尽量小，与应相等，为此应进行幅值校正(在软件中对计算出的各侧电流乘以相应的电流平衡系数，达到电流的平衡)。(3)yn侧保护区外接地故障时，图4.1.2中k点接地，零序电流3i0仅在变压器一侧流通，流过电流互感器ctl，为保证差动保护不动作，电流中应扣除相应零序电流分量。根据上述分析，装置对a. b, c相分别进行差电流()的计算: （4.1.1）其中:变压器高压侧端电流变压器低压侧电流，,均是经过幅值和相位校正后电流互感器二次侧电流的有效值。 装置差动保护的判据为: (4. 1. 2)式中为差动速断最小动作电流(差动速断保护定值)，的设定必须躲过变压器空载投入或差动区外部故障时穿越电流造成的不平衡电流以及变压器差动保护二次回路断线线时在差动回路中引起的差动电流的影响。4.12二次谐波闭锁的比率差动保护4.12.1比率差动保护的基本工作原理 所谓比率差动保护简单说就是使差动电流定值随制动电流的增大而成一定比率的提高，使制动电流在不平衡电流较大的外部故障时有制动作用，而在内部故障时，制动作用最小。比率差动保护较差动速断保护有较高的灵敏度。图4.1.2.1给出了差动保护中各电流的特性曲线。 图4.1.2.1比率差动中各电流特性曲线 曲线1为差动回路的不平衡电流，它随着短路电流的增大而增大。根据差动回路接线方法的不同，在整定时，通过调整不平衡比例系数使得计算机在实时计算时的最小。 曲线2是无制动时差动保护的整定电流，为一定值。它是按躲过最大不平衡电流来整定的。曲线3为差动保护区内短路时的差电流，它随短路电流的增大而线性增大。曲线4为具有制动特性的差动继电器的差动保护特性。在无制动时，曲线3与曲线2相交于b点，这时保护的不动作区为ob，即保护区内短路故障时的短路电流必须大于ob所代表的电流值时，保护才动作。在有制动时，曲线3于曲线4相交于a点，短路断流只要大于oa所代表的电流值，保护即能动作。以在实际的变压器差动保护装置中，其比率制动特性如图4.1.2.2所示: 图4.1.2.2比率制动特性图4.1. 2. 2中平行于横坐标的ab段称为无制动段，它是由启动电流，和最小制动电流 (又称拐点电流)构成的，动作值不随制动电流变化而变化。当制动电流小于变压器额定电流时，因无制动作用，通常选取制动电流等于被保护变压器高压侧的额定电流的二次值。 图4.1. 2. 2中斜线的斜率为基波制动斜率，当区外故障时，短路电流中含有大量非周期分量，制动电流增大，动作电流(即差动电流定值)随。按bc段的基波制动斜率相应增大，当大于启动电流时，制动电流和动作电流的交点d必落在制动区。当区内故障时，差动电流为全部短路电流，制动电流则为流过非电源侧的短路电流，数值较小，平行于纵轴、横轴的两直线交点必落在动作区内，差动保护可靠动作。 根据上述分析，可得比率差动动作判据:当制动电流小于拐点电流时: （4.1.2.1）当制动电流i大于或等于拐点电流时: ； （4.1.2.2）其中制动电流可取: 对于双绕组变压器:; (4.1.2.3) 对于三绕组变压器:; (4.1.2.4)而启动电流、拐点电流以及制动系数的定值整定时根据相关国家标准及性能要求计算设定的。4.1.2.2二次谐波闭锁原理在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一侧流通，故流入差动回路。变压器内部短路故障时，差动回路通过的很大的短路电流。显然，作为差动保护，励磁涌流作用下保护不应动作，短路电流作用下保护应可靠动作。为此必须正确识别励磁涌流和短路电流。二次谐波制动是常用的区分励磁涌流和短路电流的方法。 分析和实践表明，励磁涌流中含有明显的二次谐波和偶次谐波，二次谐波的含量在一般情况下不低于基波分量的15%，而短路电流中几乎不含有二次谐波分量。所以可通过计算差动电流中二次谐波含量来区分励磁涌流和短路电流。分相计算差动电流中的基波，和二次谐波分量，二次谐波制动判据如下: (4.1.2.2.1)其中kz为二次谐波制动比率系数，一般取0. 150. 20三相中任一相满足闭锁制动条件，则闭锁三相比率差动保护。4.1.2.3 ct/pt断线闭锁 前文提到的差动保护定值整定，应躲过电流互感器二次回路断线时在差动回路中引起的差动电流的影响。所以在ct断线时做出相应处理，这里采用ct断线闭锁差动保护及零序电流保护的措施。同样pt断线是也会引起零序电压计算的错误，所以在pt断线是采用闭锁零序电压保护。ct断线最明显的特征是电流下降，在微机保护中，只要有合理的判断，不难解决电流互感器二次回路断线时变压器差动保护误动问题。正常情况下判断ct断线是通过检查高、(中、)低各侧电流，如果其中某侧有一相无电流，即认为该相断线。为防止变压器故障时ct断线误闭锁，装置设置一门槛电流，只有所有相的电流小于时才开放ct断线检查。按最大负荷电路整定，则判据如下: （4.1.2.3.1）其中， ，分别为a, b, c相电流的最大值和最小值;、分别为差动保护a, b, c相高压侧和低压侧经过相位和幅值校正过的电流值。根据小于的电流为a相、b相或是c相，可确定时a相、b相或是c相ct断线。 pt断线分三相失压(对称断线)和不对称断线。针对不同的情况有两个判据: 存在一线电压小于70 v，且某一相电流大于0. 04 (人为变压器的额定电流)，用于检测三相失压和不对称断线; 负序电压大于8v，用于检测不对称断线。ct/pt断线后发出告警信号，并选择闭锁相应保护。4.13瓦斯保护瓦斯保护范围为变压器本体及有载调压分接头油箱内部，主要元件是气体继电器(即瓦斯继电器)，它安装在变压器及有载调压分接头油箱与油枕之间的连接管道上。图4.1.3-1瓦斯继电器安装示意图如图 4.1.3.1为了便于气流顺利通过瓦斯继电器，变压器的顶盖与水平面应有1%一1. 5%的坡度，连接管应有2%一4%的坡度，这在订变压器及安装就位时一定要注意，因为现在有的变压器厂家在制造变压器时已经满足了上述坡度要求，变压器基础就不需要考虑这个问题，只要做水平即可;如果变压器厂家在制造变压器时没有考虑坡度要求，那么在做变压器基础时，就必须考虑。瓦斯保护的接线如图4.1.3.2为气体保护的接线，当气体继电器kg轻气体触点合闸，通过信号继电器1ks，延时发信号；重气体触点闭合后，经信号继电器2ks连接片xb接通中间继电器km作用于短路器跳闸，切除变压器。为避免气体继电器下触点受油流冲击出现跳闸现象造成失灵，出口中间继电器km具有自保持功能，利用km第三对触点进行自锁，见图以保证继电器可靠跳闸，其中按钮sb用于解除自锁如不用按钮，也可用短路器1qf辅助动合触点实现自动解除自锁。但这种办法只有出口中间继电器距高压配电室的断路器距离较近时才可采用，否则连线太长不经济。连接片xb用以将气体继电器下触点切换到信号灯，使重瓦斯保护退出工作。 图4.1.3-2变压器气体保护原理接线图 瓦斯继电器要采用抗震性能好、密封性强的开口杯挡板式瓦斯继电器，要用两对常开接点，一对用做轻瓦斯发信号，另一对用做重瓦斯，直接跳变压器三侧断路器。 重瓦斯保护在整定油流速度时，要以导油管中的流速为准，而不能依据气体继电器处的流速。根据运行经验，管中油流速度整定为0. 6-lm/s时，保护反应变压器内部故障是相当灵敏的。但是在变压器外部故障时，由于穿越性故障电流的影响，在导油管中油流速度约为0. 4-0. 5m/s，接近于灵敏的整定速度。为防止在穿越性故障时瓦斯保护误动作，应将油流速度整定在lm/s左右，比较理想。轻瓦斯保护整定值为250cm3即可。瓦斯保护的定值必须由获得整定资格证书的技术部门用实际的试验装置试验整定，而不能靠经验整定，以防运行中发生误动或拒动。 重瓦斯跳闸接点引出线在变压器本体端子箱转接时，正、负电源线之间必须隔3个端子，而且所用端子排必须横着排，不能竖着排，以防端子箱密封不严，流进雨水造成正、负电源短路，使瓦斯保护误动作跳闸。图4.1.33瓦斯保护跳闸原理 轻瓦斯不经压板直接作用于发信号，重瓦斯保护不需要与其他保护配合，无时限跳闸且应经一过可切换压板跳闸或只发信号。如图4.1.33所示:由于重瓦斯保护是按油流速度的大小动作，而油的流速在故障过程中往往是很不稳定，所以重瓦斯保护动作后，其出口继电器必须有自保持功能，以保证有足够的时间使断路器跳闸，跳闸的同时发信号，信号要带保持，靠人工复位，这样便于运行人员分析判断保护动作情况。 当变压器换油、注油、潜油泵检修、瓦斯继电器试验、有载调压分接头异常、变压器新安装或大修后投入运行之初，要通过qp将瓦斯保护暂时切换到电阻r信号回路，以防重瓦斯误动作跳闸，按照运行规程要求，运行一段时间没有异常现象后投入跳闸位置。 运行中瓦斯保护动作后，要及时收集气体进行分析，并根据气体的数量、颜色、化学成份、可燃性等判别保护动作原因及故障性质。 运行中的瓦斯继电器必须加装紧固的防雨帽，以防雨水振进瓦斯继电器内部，使接点短路误动作或防雨帽松动被风吹起，造成其他故障。瓦斯保护每年应进行一次传动，以检查其接点及回路的可靠性。 因为瓦斯保护不能反应变压器油箱外套管及连接线上故障，所以不能完全取代差动保护的作用。4.2变压器后备保护4.21过电流保护 1、变压器过电流保护的单相原理接线如下图所示。 图4.2. 111、保护的起动电流按躲过变压器的最大负荷电流整定，即 （4.2.1-1）可靠系数，取1.21.3；返回系数，取0.85.2、变压器的最大