（电力系统及其自动化专业论文）变压器差动保护及涌流问题分析.pdf

a b s t r a c t d i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o nh a sb e e nam a j o rp r o t e c t i o no ft h et r a n s f b 咖e r h o wt o p r e v e n tt h ei n r u s hc a u s i n gm a l f u n c t i o ni nd i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o ni sak e va n dd i f f i c u l t p r o b l e m a f t e rs t u d y i n gt h o r o u g h l yo nt h et h e o r yo ft r a n s f o r m e rm a g n e t i z i n gi n m s h c u r r e n t ，t h i st h e s i sa n a l y z e st h ea d v a n t a g e sa n ds h o r t c o m i n g so fs e v e r a lm e t h o d st 0 d i f f e r e n t i a t em a g n e t i z i n gi n r u s hc u r r e n t p s bi nm a t l a bi s a p p l i e dt or e a l i z et h e s i m u l a t i o n so fm a g n e t i z i n gi n r u s hc u r r e n t m o r e o v e r ，t h ep h y s i c a lm e c h a n i s mo ft h es y m p a t h e t i ci n t e r a c t i o nb e t w e e nm o t r a n s f o r m e r sc a u s e db yi n r u s ht r a n s i e n t sa n di t si n f l u e n c eo nd i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o n s a r ea n a l y z e d a f t e r w a r d s ，p o s s i b l ep r o t e c t i o ns t r a t e g i e sa r e p r e s e n t e d 。 k e yw 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 ；e x c i t i n gi n r u s h ；s y m p a t h e t i c i n r u s h ；p a r t i a lt r a n s i e n ts a t u r a t i o n ；s i m u l a t i o n 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，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 为获得直昌太堂或其他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 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名( 手写) ：农l玖签字吼炒挣 学位论文版权使用授权书 6 月够日 本学位论文作者完全了解直昌太堂有关保留、使用学位论文 的规定，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。本人授权直昌盔堂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，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究 所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向 社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 导师签名： 惰物 l ，r - r圹 日 f-l-li-iii-i，jj， ，“1哆 、刀 月 ： ，d 名 年 戮忙 者 沙 睹 沙 文 期 沦 日 位 字 学 签 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景、目的及意义 电力变压器是发电厂和变电站中的主要电气设备，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。随着电力容量及电压等级的增加，变压 器造价越加昂贵，一旦因故障而遭到破坏，其检修难度大，检修时间长，经济 损失也相当惨重。因此，寻求一个安全、可靠、灵敏的变压器保护方案，一直 是国内外电力系统学者们研究的热点问题。长期以来，差动保护一直是变压器 电量保护中的主保护。变压器差动保护的关键问题是如何鉴别励磁涌流和内部 故障，国内外许多专家和学者对此进行了大量的研究，取得了很多有益的成果。 电力系统中变压器保护的正确动作率较低，其中励磁涌流是引起变压器差 动保护误动的主要原因之一i l j 。过去和现在有关变压器励磁涌流的研究主要集 中在如何防止空投变压器本身励磁涌流引起差动保护误动的问题上，大量的研 究工作已揭示了单台变压器励磁涌流的产生机制、波形特征和变化特点，同时 提出了防止励磁涌流引起误动的措施【孙7 j 。 近些年来，有一种运行操作过程引起的多次变压器差动保护误动情况值得 注意。这就是当一台变压器空投充电时，在另外一台并联或串联运行的变压器 之间产生和应作用，运行变压器会产生和应涌流，从而引起差动保护误动1 4 6 j 。 2 0 0 3 年1 1 月7 日我厂( 华能井冈山电厂) 发生一起机组非计划停运故障，在合# 2 主变出口断路器的过程中，# 1 主变差动保护动作导致# 1 发电机与系统解列停机， 后查明是由于和应涌流导致变压器差动保护误动引起的。目前由于电网分层分 区以及大容量变压器的逐步投运，局部电网结构发生了根本性的变化，电力系 统中和应涌流引起变压器差动保护误动的事故也不断增多，因此和应涌流问题 越来越引起人们的关注。 和应涌流与合闸励磁涌流特征不完全相同，运行变压器本身没有故障，方 向与空投变压器相反，且和应涌流的峰值是先增大后减小，峰值出现的时刻与 相邻变压器交相呼应，并且误动发生在相邻变压器空投完成一段时问之后，持 续很长时间都不衰减，很容易导致电流互感器暂态饱和，误动原因更具有隐蔽 性1 1 2 】。前人的研究工作主要针对空载合闸或外部故障切除后电压恢复时变压器 第1 章绪论 本身励磁涌流的产生机理、波形特征和变化特点进行的，而对并联或串联运行 中变压器的和应涌流对变压器差动保护的影响分析却不多见。因此有必要对和 应涌流的产生机理和特点进行深入研究，揭示其本质，从而进一步提出可行的 措施，消除隐患，提高供电可靠性。 1 2 国内外的研究现状 目前，围绕电力变压器励磁涌流的判别，国内外学者提出了许多新原理和 新方法，但这些方法都有其不足之处且还处在实验阶段，其实用性还需要进一 步验证。应用到实际中最多的还是二次谐波检测，实际运行表明这种检测方法 会在变压器空载合闸于内部故障时出现差动保护动作延时或是在发生内部故障 时出现保护拒动的情况。因此，进一步探索快速、准确地区分变压器励磁涌流 和内部故障电流的新方法以提高变压器差动保护的性能，是十分必要的。 国外早在1 9 4 1 年就有和应涌流现象的报导。当时，在查找变压器差动保护 误动原因过程中，发现较大暂态激励电流不仅出现在刚合闸的变压器中，也出 现在已并网运行的变压器中【8 j 。通过现场波形记录、试验测试和电流表达式的 数学推导对和应涌流现象进行了深入的分析，并讨论了和应涌流对变压器差动 保护及过流保护的影响。s a i e d l 9 j 通过数值仿真一台变压器空投充电而另外一台 空载、负荷或有并联电容器的变压器正在并联运行时，两台变压器的电流、磁 链和公共连接点的电压变化，分析了影响和应涌流的部分因素。b r o n z e a d ohs 等1 1 0 j 通过仿真分析并联和串联变压器两种系统结构形式，指出空投一台变压器 时，励磁涌流在系统与变压器之间产生了一种暂态和应作用，不但使空投变压 器的励磁涌流的幅值和持续时间发生变化，而且在运行变压器中将产生和应涌 流，结果导致运行变压器差动保护误动和长时间的谐波过电压。文献【1 1 】利用励 磁涌流偏向时间轴一侧的特点，解释了两台单相并联变压器及两台单相串联变 压器和应涌流产生的机理，得出系统电阻是导致和应涌流产生的主要因素，但 对和应涌流的衰减速度不起作用，变压器之间的电阻对和应涌流的大小及衰减 均有较大影响。随着变压器线圈中的电阻值日益减小，和应涌流现象将同益明 显。王怀智等【6 】通过对2 2 0 k v 系统中两台主变的空投试验再次说明了和应涌流 的存在，并指出了它对变压器差动保护的影响。试验记录表明采用二次谐波“或 门制动可防止和应涌流导致差动保护误动。 2 第1 章绪论 目前虽然和应涌流的问题正逐渐引起电力系统研究人员的重视，然而在实 际电力系统变压器串、并联情况下，和应涌流的产生和发展过程、性质特点、 影响因素及其对系统差动保护的影响还不是很清楚和完善，因此还需要做进一 步的深入研究，提出完善的防范措施。 1 3 论文的主要研究内容 ( 1 ) 对变压器差动保护的基本原理进行了阐述，分析了可能引起差动保护继 电器误动作的原因，并介绍了现有的一些防范措施。 ( 2 ) 对变压器励磁涌流的产生机理及其性质进行了分析和研究，综述了变压 器差动保护的现状和发展趋势。在建立仿真模型的基础上采用m a t l a b 软件仿真 分析变压器合闸初相角、饱和磁通和剩磁等因素对励磁涌流的影响。研究了变 压器励磁涌流的各种鉴别方法，并对其进行分析和评价。提出了消除产生励磁 涌流，实现对励磁涌流的抑制方法。 ( 3 ) 利用励磁涌流偏向时间轴一侧的特点，解释了和应涌流的产生机理及其 变化特点，指出和应涌流产生的本质原因是由于合闸变压器励磁涌流流过系统 电阻使得其他变压器工作母线电压偏移，导致铁芯饱和造成的。通过m a t l a b 软 件仿真分析了系统电阻、线路阻抗、空投变压器不同剩磁以及运行变压器二次 侧负载对和应涌流的影响。讨论了和应涌流对变压器差动保护的危害并提出相 应的防范措施。 3 第2 章变压器著动保护原理 第2 章变压器差动保护原理 2 1 电力系统的继电保护 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 1 1 变压器的异常工作情况 变压器的异常工作情况有外部引起的过电流、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 1 2 变压器应装设的继电保护设置 变压器保护的任务就是反应上述故障的异常工作情况，通过断路器切除故 障变压器或发生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 o 4 m w a 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问短路、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问短路的纵差动保护。对6 3 m v a 及以上厂用工作变压 器和并列运行的变压器、i o m v a 及以上常用备用变压器和单独运行的变压器以 及2 m v a 以及以上用电流断流保护灵敏系数不能满足要求的变压器，应装设纵差 动保护。对高压侧电压为3 3 0 k v 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能满足要求时，可采用低电压和复合电压启动的 过电流保护、零序电流保护、低阻抗保护等。 4 第2 章变压器差动保护原理 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的变 压器需增设零序过电压保护。 5 、反应变压器对称过负荷的过负荷保护。 6 、反应高压侧电压为5 0 0 k v 的变压器由于工作磁通密度过高引起过励磁的 过励磁保护。 2 2 变压器纵差动保护的基本原理 变压器差动保护是利用比较变压器始端和末端电流的大小和相位的原则构 成，并按环流法连接【1 3 】。差动保护继电器是利用非故障时暂态电流中的非周期 分量来磁化变流器的导磁体，提高其饱和程度从而构成躲避励磁涌流及穿越性 故障时不平衡电流的作用。变压器的双绕组变压器差动保护原理如图2 1 。 图2 1 双绕组变压器差动保护原理不恿图 图中j f 。、，：为变压器两侧的一次电流，0 ，；为相应的电流互感器二次电 流。j 。的参考方向为母线指向变压器，电流互感器的正极性置于近母线的一侧； j f ，的参考方向为变压器指向母线，差动继电器厶，则并联在电流互感二次端子 上，流入差动继电器厶的电流为 ，：露一j ； ( 2 1 ) ，称为差电流。最基本的差动继电器就是一个过流继电器，电流超过动作 5 第2 章变压器差动保护原理 电流时继电器工作。因此差动保护的动作判据为 lj i 缸 、2 2 、 式中：k 为纵差动保护的动作电流，；i j 卜纠为差电流的有效值。 设变压器的变比为，l 口= u 。u ：，忽略变压器的损耗，正常运行和区外故障 时有j ：= ，l 占j 。式( 2 1 ) 可进一步表示为 “虹n l h 2 + ( 1 一一n l h 2 ) 去 亿3 ， 咒坍l 式中，刀上。、，l 埘：分别为两侧电流互感器的变化。若选择电流互感器的变化， 使之满足 兰堕= ，l r ( 2 4 ) n l h l 这样式( 2 3 ) 就转换为 j ，业 ( 2 5 ) n l h 2 根据式( 2 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，变压器两端断路器跳闸。由此可见，差动保护不但能够区分内 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要保护。式( 2 4 ) 是差动保护中电流互感器变比选择 的依据。 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 1 1 的 接线方式，如图2 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，鲋= ，抽- i 曲。正常运行或区外故障时j 缸、，曲与j 翻、 抬是同相的，但，血超前，拗3 0 。，如图2 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 6 第2 章变压器差动保护原理 ( a ) 原理接线图( b ) 电流矢量图 图2 2 三相舣绕组变压器差动保护的原理接线和电流矢量图 式中i 崩、i 四、i j c 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j ，侧采用了两相电流差， 相当于变压器的变化增加了3 倍，因此电流互感器变化的选择应该满足 当堕= 孙。 ( 2 7 ) 厅肼l 。 为了满足式( 2 6 ) ，变压器两侧电流互感器采取不同的接线方式，如图2 2 ( a ) 所示。侧采用y y - 1 2 的接线方式，将各相电流直接接入差动继电器内；j ，侧 采用y y - 1 1 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2 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( 2 6 ) 的功能，以简化接线。 电力系统中常采用三绕组变压器。三绕组变压器的差动保护原理与双绕组 变压器是一样的。图2 3 所示的是三绕组单相变压器差动保护y 厂y 1 1 接线 7 回乙 珞侈膨 一 一 一 ，扮。亿“翻磁乇 一 一 一 ，啪，访，彬uu l = 暑 剧 口 尼 第2 章变压器筹动保护原理 方式，接入差动继电器的差电流为 图2 3 三绕组变压器差动保护的原理接线 ，= ，：+ ，；一，； ( 2 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 么- 1 1 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j ，侧互感器则采用 接线方式。设变压器的卜3 侧和2 - 3 侧的变比为r i b l 3 和咒b ，考虑到正常运行 和区外故障时变压器各侧电流满足，l 脚j 。+ ，l b j ：一j 。= 0 ，电流互感器变比的选 择应该满足 总之，差动保护是通过反映变压器高、低压两侧二次电流差动作的保护装 置。在保护区内发生故障，差动回路中的电流值大于整定值，差动保护瞬间动 作。若保护区外发生故障，如变压器出现侧母线短路故障时，虽然，和，较正 常运行时的数值大得多，但两者基本上仍然大小相等，相位相同，所以差动继 电器不动作。而在变压器实际运行过程中，电流互感器变比误差等因素的影响， 差动保护回路中始终会产生一个不平衡电流，特别是在外部短路时，不平衡电 流将变大，可能会导致变压器差动保护误动。 因此，要确保误差继电器不出现误动作，就必须尽可能地消除差动继电器 中的不平衡。 8 n 届 佤 i 吉 l 一 3 2 3 肼一 埘 肼一 肼 咒一几 万一以 第2 章变压器著动保护原理 2 3 变压器差动保护误动作原因 通过对变压器差动保护的原理进行分析可知，变压器差动保护的原因主要 是因为保护区内存在不平衡电流。而导致不平衡电流产生的主要因素有： l 、变压器两侧绕组接线方式。 2 、变压器的励磁涌流。 3 、变压器高低电流互感器的选型、变比差异。 4 、变压器调压造成的变压器变比变化。 由此，变压器差动保护动作的可能原因有1 1 4 j ： 2 3 1 接线错误 差动保护接线比较复杂，如，采用y 1 1 连接方式的变压器，其两侧电 流的相位不一致，a n 电流比y 侧电流超前3 0 。如果变压器两侧的电流互感 器采用相同的接线方式，则其二次电流的相位不同，即使保证其值相等，由于 有3 0 。的相位差，将会有不平衡电流流入差动继电器。 2 3 2 电流互感器型号选用的影响 电流互感器未选用专用的d 级电流互感器，或者变压器两侧的电流互感器 不同型号时未按照1 0 的误差曲线合理选择电流互感器，都有可能影响差动继 电器的动作。 2 3 3 电流互感器实际变比与计算变比不同的影响 电流互感器变化的等级是固定的，很难与通过计算的变化结合，所以在差 动保护回路中不可避免会产生不平衡电流。 2 3 4 保护装置整定值不当的影响 差动保护的整定动作电流一般必须符合以下条件： 1 、躲过励磁涌流。j 下常运行情况下，变压器的励磁电流流经变压器接入电 源的一侧，其值很小，一般不超过额定电流的2 - - , 1 0 。在外部发生故障时， 9 第2 章变压器差动保护原理 由于电压降低，励磁电流减少，对差动回路的影响较小，但在变压器空载投入 或外部故障切除后电压恢复时，却会产生很大的励磁涌流，可能引发差动继电 器动作。 2 、外部短路最大不平衡电流。 3 、电流互感器二次回路断线不动作。 2 3 5 变压器档位变化的影响 差动保护整定计算是按变压器的额定变比计算一、二次额定工作电流，从 而确定差动继电器平衡线圈匝数的。档位的改变使该侧的工作电流变化，而电 流互感器变比没变，则磁势不再平衡，将导致新的不平衡电流。 2 3 6 差动继电器本身存在的问题 差动继电器本身存在问题也是引起误动作的因素之一。 1 0 第3 章变压器励磁涌流问题分析与研究 第3 章变压器励磁涌流问题分析与研究 电力变压器在空载投入电网或外部故障切除后电压恢复时会产生相当大的 励磁涌流，可能导致变压器差动保护误动作。变压器励磁涌流不仅导致继电保 护误动，由其衍生的电网电压骤降、谐波污染、和应涌流、铁磁谐振对电力系 统的危害很大【1 5 】。因此，如何降低变压器励磁涌流的影响，对提高变压器保护 动作的j 下确率以及改善电力系统的供电质量有着重要的意义。本章对变压器励 磁涌流的产生机制及其性质进行分析和研究，探讨变压器合闸初相角、饱和磁 通和剩磁对励磁涌流的影响，研究变压器励磁涌流的鉴别方法和抑制方法。 3 1 励磁涌流产生机制及其特点 变压器励磁涌流产生的根本原因是变压器铁芯的饱和【l6 。变压器的励磁回 路实际上就是具有铁芯绕组的电路，从变压器原边看，变压器相当于一个非线 性电感。当变压器正常运行时，铁芯未饱和，相对导磁率很大，变压器绕组的 励磁电感也很大，因而励磁电流很小，一般不超过额定电流的3 一5 。但变压器 空载投入或外部故障切除后电压恢复时，一旦铁芯饱和后，相对导磁率接近于1 ， 变压器绕组的电感降低，将出现数值很大的励磁涌流。 3 1 1 单相变压器励磁涌流 先以一台单相变压器空载合闸为例分析励磁涌流形成的物理过程及其特 点，然后进一步分析三相变压器励磁涌流的特性。图3 1 是变压器铁芯的分段 磁化曲线图。将变压器的磁化曲线近似看作两条分段直线o a 和a e ，它们与纵 轴的交点a 的磁通定义为饱和磁通九。当妒 九 时，变压器铁芯饱和，此时铁芯的相对导磁率减小，绕组的励磁阻抗减小，此 时变压器的励磁特性工作在直线a e 或b f 上，磁通的微小增量都会引起电流巨 大的变化。 在空载合闸时，假设电源内阻抗为零，且电源电压是纯正弦电压，即 第3 章变压器励磁涌流问题分析与研究 式中：口为电压合闸初相角。 u = u 。s i n ( a 詹+ 口) ( 3 1 ) 咖。 i 九厂、 a r o ，。 8 图3 1 变压器铁芯的分段磁化曲线 当空载单相变压器突然投入无穷大电源时，若忽略该变压器漏抗，并令一 次绕组匝数1 = l ，则 = 一九c o s ( 耐+ 口) + c ( 3 2 ) 根据初始条件得：c = 丸c o s 口+ 织。因此，空载变压器合闸时铁芯的磁通 为 驴= 一九c o s ( 耐+ 口) + 丸c o s 口+ 丸y ( 3 3 ) 式中：丸：坠，刀i 乍西心，僦越、叫旧t z 值； 缈 如为空载合闸前的铁芯剩磁， ( 磁通) 有关。 合闸瞬问t = 0 ，上式变为 它的大小和方向与变压器切除时刻的电压 驴= 一九c o s o t + 九c o s o ! + 鸭= 吟 ( 3 4 ) 由上式可以看出合闸瞬间变压器铁芯磁通没有突变，保持合闸前的剩磁。 式中九c o s ( o j r + a ) 为稳态磁通；丸c o s 为维持t = - o 时磁通不能突变而产生的暂 态磁通。当a = 0 0 ，t ；0 空载合闸时，经过半个周期之后，铁芯中的总磁通达 1 2 第3 章变压器励磁涌流问题分析与研究 到却。+ 矽一如图3 2 所示，此时变压器的铁芯严重饱和，要维持这么大的磁链 就必须相应增加励磁电流，而电流和磁链的关系并非线性关系，而是如图3 1 所式的非线性关系。这时变压器的励磁涌流达到最大值。图3 3 所示为用图解 法绘出的变压器空载合闸时，励磁涌流的波形。励磁涌流包含有大量非周期性 分量和高次谐波分量，涌流的大小以及衰减时间，与系统中# l j j n 电压的大小和 相位，铁芯中剩磁的大小和方向，电源容量的大小，回路阻抗以及变压器容量 的大小和铁芯性质等都有关系。 1 卧蠕f 一一 f 略 j 2 一， 联丫| | 晚l 。i f 。7 一 图3 2a ，0 0 变压器空载投入时磁通与电压的关系 设0 = r o t + 口，且p = b 时，多= 丸。那么在( 一万，石) 周期内， f 户f o ，哪 日s 一岛或p l sp “ ( 3 5 ) 乙21 ，。汹s 日一c o s 蠢) ，一幺 k ( 3 1 2 ) j ，d l 式中：乃和分别为差流中的基波和二次谐波幅值；k 为二次谐波制动比。 二次谐波制动原理简单明了，有多年的运行经验，目前国内外实际投入运 行的微机变压器大都采用该原理。但是，采用二次谐波制动原理的差动保护存 在的问题主要有： 1 、励磁涌流是暂念电流，不适合用傅立叶级数的谐波分析方法。因为对于 较大衰减的暂念电流而言，傅立叶级数的周期延拓会影响二次谐波大小，导致 误判。 2 、现代大型变压器差动保护很难适当选择制动比k 。美国西屋公司的制动 比为7 0 - - 7 5 0 5 ，但a b b 公司取1 0 ，而我国和大部分国家则取1 5 2 0 。 制动比k 选择不当，有可能产生保护误动。 3 、现代大型变压器磁特性的变化，使得涌流时二次谐波含量低，可能导致 保护误动；而大容量变压器，远距离输电的发展，使得内部故障时暂态电流产 生较大的二次谐波，而导致保护拒动。 3 3 3 间断角原理 间断角原理是利用了涌流波形有较大间断角的特征，通过检测差流间断角 的大小来实现鉴别涌流的目的。该原理是我国工作者首先提出，其模拟式保护 装置已得到应用，但目前面临着因电流互感器传变而引起的间断角变形问题。 当电流互感器饱和时，在涌流的间断角区域将产生反向电流，电流互感器饱和 越严重则反向电流越大，最终使得涌流间断角消失，而对内部故障电流，电流 互感器饱和将导致差流的问断角增大，而且电流互感器饱和越严重，其差流间 断角越大，前者使得变压器发生涌流时差动保护误动，后者使得变压器内部故 障时差动保护拒动。此外，用微机实现i b j 断角原理硬件成本高，主要表现在以 下两个方面： 1 8 第3 章变压器励磁涌流问题分析与研究 1 、需要较高的d 采样率以准确测量间断角，对c p u 的计算速度提出了 更高的要求。 2 、涌流间断角处的电流非常小，几乎接近于0 ，而a ，d 转换芯片正好在零 点附近的转换误差最大。因此，需要高分辨率的a 加转换芯片。 3 3 4 波形对称原理 波形对称原理是对流入继电器的差电流波形特征进行分析的一种方法。首 先将流入继电器的差电流进行微分，将微分后差流的前半波与后半波作对称比 较，根据比较的结果去判断是否发生了励磁涌流。内部故障时，由于波形对称， 被测样点几乎全部满足对称性要求。事实上，这种算法其实是个数字滤波器。 它的滤波效果相当于滤除奇次谐波而保留偶次谐波。所以，它l l - - 次谐波制动 多反映了一些偶次谐波分量。 这种方法实际上是间断角原理的推广。它的提出正是基于对励磁涌流倒数 的波宽及间断角的分析，但是它比间断角容易实现，克服了间断角原理对微机 硬件要求太高的缺点。但是由于波形对称原理对电流进行差分，而差分将放大 电流中的高次谐波。因此若故障电流畸变比较严重，或高次谐波含量较高时， 用该方法计算故障电流的上下对称系数可能超过整定值，从而将故障电流误判 为励磁涌流而闭锁保护。 3 3 5 小波变换方法 小波变换是2 0 世纪8 0 年代后期发展起来的新理论，具有在时、频两域都 表征信号局部特征的能力，被誉为分析信号的数学显微镜。电力系统故障暂态 信号具有持续时间短，所占频带宽的特点，而小波变换非常适合于非平稳信号 的分析，克服了傅立叶变换只能适应稳态或准稳态信号分析、时域完全无局部 的特点，可以准确地提取信号的特征，也为励磁涌流和内部故障电流的判别带 来了福音。自从小波变换的妙用被继电保护工作者认识以来，就涌现出一大批 从事励磁涌流判别的科研人员。 目前，小波变换在励磁涌流和故障电流识别方面的应用主要集中于高次谐 波检测和奇异点检测。实质上，这两种方法都是间断原理的推广，高频检测反 映的是差流状态突变产生的高次谐波，高频细节出现的位置对应于变压器饱和、 1 9 第3 章变压器励磁涌流问题分析与研究 退饱和时刻或故障发生时刻。若差流的高频细节突变周期出现，则为励磁涌流； 若出现一次后便很快衰减为0 ，则为内部故障。奇异点检测利用了小波变换模极 大值理论，检测的是差流状态突变而产生的第2 类间隔点，奇异点与涌流问断 角对应。但是对于微机保护来讲，获得高频分量则需要提高采样频率，从而增 加了技术难度和成本，而且可能会受到系统谐波的影响，以及环境高频噪声的 影响。 3 3 6 磁通性原理 磁通特性原理是通过综合利用变压器电压和电流的信息来鉴别励磁涌流 的。该方法是从励磁涌流产生的本质原因一变压器铁芯磁路饱和出发，通过提取 磁通变化特征来识别励磁涌流和故障电流。磁通特性原理考虑的是变压器的励 磁特性，以变压器每个绕组的电压回路方程为基础，不再以励磁电流的波形特 征柬区分内部故障和空载合闸异常工况，理论上可以完全消除励磁涌流的影响。 u 。r i + r d i + d c p d td t ( 3 1 3 ) 式中：r 、分别为该组的电阻和漏感，u 、f 、9 为该电压、电流和磁通的 瞬时值。由于上式是根据变压器正常运行的模型得到的，所以在变压器正常运 行、外部短路、空载合闸和过励磁等情况下满足，只有内部故障时，由于变压 器模型本身的内部结构参数发生了变化，它才不再成立，从而可以区分内部故 障和励磁涌流。 磁通特性制动原理的判断和计算过程都比较简洁，检测速度高，适宜用微 机保护实现，但是该原理需要知道变压器绕组的漏感和磁制动曲线，这在实际 中可能因发生变化或测量不准而对励磁涌流产生不利影响，增加保护增定的复 杂性，因此还有待继续研究。 3 3 7 等值电路原理 等值电路原理是一种基于变压器导纳型等值电路的励磁涌流判别方法。该 方法是通过检测对地等值导纳的参数变化来鉴别变压器的内部故障。铁芯线圈 的漏抗和空心线圈的漏抗相近，故此时变压器的等值导纳参数的互导纳几乎与 变压器的铁芯饱和程度无关。铁芯未饱和时，变压器各侧对地导纳几乎为零， 2 0 第3 章变压器励磁涌流问题分析与研究 当铁芯饱和时，变压器各侧对地导纳明显增大。当铁芯严重饱和时，变压器各 侧对地导纳几乎与空芯变压器的对地导纳一致，且是一个不等于零的常量。因 此，可以计算出变压器各侧的对地导纳，通过其值的变化来判断变压器是否发 生内部故障。 这种算法计算速度快，即使在内部故障叠加励磁涌流的情况下，也能快速 地识别是发生内部故障还是励磁涌流。但该算法是建立在变压器等值电路地基 础上，因此变压器等值参数的精度必然会影响到该算法的精度，微机保护的可 实现性还需要做进一步的研究。 3 3 8 基于瞬时励磁电感的识别方法 基于瞬时励磁电感的识别方法是从励磁涌流产生的本质原因一变压器铁芯 磁路饱和的机理出发来寻求解决的方法，与基于磁通特性的识别方法较为相似。 该方法根据内部故障和励磁涌流时瞬励磁电感具有不同的基频特性，通过对瞬 时励磁电感进行傅立叶分解，提取基频分量，根据基频分量的有无实现区别励 磁涌流与内部故障的目的。其理论依据为：涌流时变压器铁芯经历饱和与非饱 和过程，瞬时励磁电感是时变与交替变化的，具有较大的基频分量；而内部故 障时，变压器铁芯工作在线性区，瞬时励磁电感基本为常数，无基频分量或基 频分量很小。依据此特征，可以实现励磁涌流与内部故障的判别。瞬时励磁电 感l m 的定义如下式所示： 小筹 1 4 ) 4 l 一 其中，分别表示变压器的励磁磁链和励磁电流。由于精确求取瞬时励磁电感 非常困难，所以实际应用中需借助等效瞬时电感的概念。等效瞬时电感是指从 变压器原边绕组端口看进去的瞬时电感。空载涌流情况下，等效瞬时电感为瞬 时励磁电感与原边漏电感之和。由于漏电感为一常数，所以涌流时等效瞬时电 感具有瞬时励磁电感同样的基频特性。 由于该方法是从励磁涌流产生的本质原因一变压器铁芯磁路饱和的机理出 发，通过检测瞬时励磁电感基频分量的有无来区分励磁涌流和内部故障，因而 具有较高的先进性。但由于等效瞬时电感的方法时基于单相双绕组变压器模型 而提出的，所以有一定的局限性。 2 l 第3 章变压器励磁涌流问题分析与研究 3 4 励磁涌流判别的发展趋势 电力系统飞速发展对继电保护不断提出新的要求，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。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，为电力系统继电保护的发展开辟了新的 神经网络方法。 3 4 1 模糊数学和模糊集理论在变压器差动保护中的应用 经典数学的突出特点是其精确性，在此基础上建立的逻辑推理就是我们在 继电保护中判别故障常用的推理形式，然而，在继电保护领域和其它学科中， 还客观存在着另一类不便于用精确值来表征的现象即模糊现象，这一类现象必 须用模糊数学的理论来进行计算和分析。模糊数学并不是要将数学变成模模糊 糊的东西，而是要将数学引入模糊现象这个领域，用严格的数学方法研究和处 理模糊现象。模糊数学的核心思想就是要用数学手段，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。以继电保护 为例，应用了模糊数学后，并不是要使输出的跳闸命令变得含含糊糊，而是要 利用模糊数学的理论和方法，对输入的各电气量、开关量等信息更有效地进行 综合决策，从而得出更加精确和符合实际情况的输出。将模糊数学引入变压器 差动保护的研究中，其基本思想都是将多个输入量及相关保护判据给予不同置 信度，然后通过模糊推理得到最终的跳闸决策。对变压器励磁涌流的识别【矧， 可以将差动电流的二次谐波含量，变压器端电压水平，差流波形对称性等几种 常用判据根据实际情况分别置于不同的置信度，然后综合判别，从而提高涌流 识别的可靠性。 3 4 2 人工神经网络在变压器差动保护中的应用 人工神经网络( a n n ) 的应用是目前继电保护领域文献发表最多的方向之一。 2 2 第3 章变压器励磁涌流问题分析与研究 利用a n n 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 a n n 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a n n 的高度容错能力可以使得继电保护具有更高的可靠性。人 工神经网络应用于变压器内部故障和励磁涌流判别，主要是利用a n n 优秀的模 式识别能力进行电流波形识别。自从1 9 9 4 年，a n n 首次被用于变压器差动保护 上进行了励磁涌流辨识，之后此类应用便层出不穷。 设计a n n 时都要经历如下几个过程： a n n 类型的确定；输入和输出层中 各节点数目的确定：输入是差流采样或原、副边电流的采样，而且每时刻要有 若干个包含足够信息的采样点输入网络，如此可确定输入节点数，输出节点数 与网络要实现的功用有关，如仅用于励磁涌流和内部故障判别，则有1 个二进 制输出即可，需要1 个输出节点；隐含层及其节点数需多次适凑确定；传 递函数的选择；训练样本的获取；数据预处理；训练；对己训练好的 神经网络进行测试。 上述过程需反复进行。若在训练过程或检验时不能满足要求，那么网络结 构及各种参数都需要调整，然后重新训练。 3 4 3 自适应技术在变压器差动保护中的应用 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、参数及 网络结构会随着运行方式的改变而变化。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。在变压器的主保护中，自适应原 理也得到了很好的应用。例如常用的比率制动式差动保护，就是在普通的纵差 动保护的原理上，增加自适应功能，自动调节保护的动作电流，因此可以保证 外部故障不误动，同时对于内部故障又有较高的灵敏度。自适应变压器差动保 护方案【3 1 】，首先检测变压器的工作状态，正常运行或者空载合闸，对于正常运 行状态，利用一个二阶或者三阶的卡尔曼滤波模型来估计变压器的运行情况， 如果变压器处在空载合闸过程，则算法将针对差流中的励磁涌流，采用一个5 阶的卡尔曼滤波模型来估计差流中的直流、基波和二次谐波成分，然后再判断 是否合闸于故障。同时，c t 变比和调压分接头的具体信息也被确定并加以考虑， 使算法更具灵活性，适应能力更强。 2 3 第3 章变压器励磁涌流问题分析与研究 3 5 空载合闸励磁涌流的仿真研究 目前，电力系统稳定分析和新装置( f a c t s ) 的研制几乎都离不开仿真研 究，m a t l a b 是由美国m a t hw o r k s 公司丌发的软件，电力系统模型可以在s i m u l i n k 环境下直接搭建，这充分发挥了其仿真平台的优越性，借助m a t l a b 丰富的工 具箱资源，我们可以方便地依靠它进行电力系统仿真【2 9 1 。 3 5 1 仿真模型 利用m a t l a b 仿真软件对空载合闸励磁涌流进行仿真分析。采用m a t a l b 的 s i m u l i n kp s b 工具箱。仿真模型如图3 5 所示。 图3 5 空载合i 嗣模型仿真图 由于励磁涌流波形与变压器剩磁以及空载合闸角度均有关系，以下分别给 出在不同剩磁及合闸角度情况下的仿真结果。其中谐波的计算采用傅立叶算法。 为了测量变压器空载合闸瞬变过程中磁通的变化情况，如图3 5 所示，通过对 变压器第二绕组的a 相电压进行增益和积分变换环节来获得铁芯磁通量。本仿 真中与变压器模型有关参数取值如下：s n = 4 5 0 m v a ，u m u 2 r = 5 0 0 2 2 0 k v ，接线 方式为厶厂y 沪刀，尺j = o 0 0 2 ，局= 0 0 8 ，r 2 = o 0 0 2 ，x 2 ：0 0 8 ，饱和特性是i 1 ：0 ，f = 0 ； i 2 = 0 ，f 2 = 1 2 ：2 = 1 0 ，f 2 = 1 5 2 。 2 4 第3 章变压器励磁涌流问题分析与研究 3 5 2 仿真结果 1 、剩磁为0 ，合闸角为0 。 由上到下：变压器一次侧a 相2 次谐波含量、三相励磁电流、a 相磁通、三相电压波形 图3 6 剩磁为零且合闸角为0 。时仿真结果 2 、三相剩磁为零，合闸角为6 0 。 缮豳罄 弧一 鬻+ 、。、 鲶臻黧瑟下嘲 t 斟融黻 由上到下：变压器一次侧a 相2 次谐波含量、二相励磁电流、a 相磁通、三相电压波形 图3 7 三相剩磁为零且合闸角为6 0 。时仿真结果 2 5 溺 弘一 ，v 万 夔、。 ，孺一陈k 第3 章变压器励磁涌流问题分析与研究 3 、三相剩磁为零，合闸角为9 0 。 由上到卜：变压器一次侧a 相2 次谐波含量、三相励磁电流、a 相磁通、三相电压波形 图3 8 三相剩磁为零且合闸角为9 0 。时仿真结果 4 、三相剩磁为( o 8 一o 4o 4 ) 倍额定磁通，合闸角为0 。 0002 w馥0 4 & 0 学。，? 一秘触。_ 霹i 事，豫删霉i i i ；貔鬟崔礁j j 一叫0 i 肇睁一j 。j ：。臻蔫黛“奠魏矗# 髓叠 由上剑卜：变压器一次侧a 相2 次谐波含量、二相励磁电流、a 相磁通、三相电压波形 图3 9 二相剩磁分别为0 8 p u 、一0 4 p u 、0 4 p u 且合闸角为零时仿真结果 2 6 鲨 第3 章变压器励磁涌流问题分析与研究 5 、三相剩磁为( 0 8 0 40 4 ) 倍额定磁通，合闸角为6 0 。 o o b0 0 0 ：o f0 1 2o ，40 1 eo ，1 8 由上到下：变压器一次侧a 相2 次谐波含量、三相励磁电流、h 相磁通、三相电压波形 图3 1 0 三相剩磁分别为0 8 p u 、- 0 4 p u 、0 4 p u 且合闸角为6 0 。时仿真结果 6 、三相剩磁为( o 8 一o 40 4 ) 倍额定磁通，合闸角为9 0 。 由上到+ f ：变压器一次侧a 相2 次谐波含量、三相励磁电流、a 相磁通、三相电压波形 图3 1 1 三相剩磁分别为0 8 p u 、- 0 4 p u 、0 4 p u 且合闸角为9 0 。时仿真结果 2 7 露黪鬻臻。学氇 一溅一 匿 紫i|鬻戆噬麓幅嚣一 第3 章变压器励磁涌流问题分析与研究 3 6 励磁涌流的抑制方法 长期以来，人们认为无法测量变压器的剩磁极性及数值，因而不得不放弃 利用偏磁抵消剩磁的想法。从而在应对励磁涌流的策略上出现了两条并不畅通 的道路，一条路是通过控制变压器空投电源时的电压合闸相位角，使其不产生 偏磁，从而避免空投电源时磁路出现饱和。另一条路是利用物理的或数学的方 法针对励磁涌流的特征进行识别，以期在变压器空投电源时闭锁继电保护装置， 即前述“躲避”的策略。这两条路都有其致命的问题，捕捉不产生偏磁的电源 电压合闸角只有两个，即f 弦电压的两个峰值点( 9 0 。或2 7 0 。) ，如果偏离了 这两点，偏磁就会出现，这就要求控制合闸环节的所有机构( 包括断路器) 要 有精确、稳定的动作时间，因为如动作时问漂移1 毫秒，合闸相位角就将产生 1 8 。的误差。此外，由于三相电压的峰值并不是同时到来，而是相互相差1 2 0 。， 为了完全消除三相励磁涌流，必须断路器三相分时分相合闸才能实现，而当前 的电力操作规程禁止这种会导致非全相运行的分时分相操作，何况有些断路器 在结构上根本无法分相操作。用物理和数学方法识别励磁涌流的难度相当大， 因为励磁涌流的特征和很多因素有关，例如合闸相位角、变压器的电磁参数等。 这一策略的另一致命弱点是容忍励磁涌流出现，它对电网的污染及电器设备的 破坏性依旧存在。 采用抑制器能够彻底解决励