（電氣工程專業(yè)論文）變壓器差動保護及勵磁涌流的研究.pdf

東北大學(xué)碩士學(xué)位論文 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 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文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 獨創(chuàng)聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是在導(dǎo)師的指導(dǎo)下完成的。論文中取得的研究成果除加 以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包括本人為 獲得其他學(xué)位而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均己在論 文中作了明確的說明并表示誠摯的謝意。 學(xué)位論文作者簽名：閥穎 簽字日期：z 坤z 、z 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者和指導(dǎo)教師完全了解東北大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定：即 學(xué)校有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤，允許論文被查閱和借 閱。本人同意東北大學(xué)可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索、交 流。 ( 如作者和導(dǎo)師同意網(wǎng)上交流，請在下方簽名：否則視為不同意) 學(xué)位論文作者簽名： 簽字日期 導(dǎo)師簽名： 簽寧日期： 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章緒論 第一章緒論 1 1 綜述 近年柬，隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的擴人，電壓等級的升高，增加了很多大容量的 變壓器，因此對大型變壓器繼電保護技術(shù)提出了更高的要求。電力變壓器是電力 系統(tǒng)中極其重要的電氣設(shè)備，它在電力系統(tǒng)的發(fā)電、輸電、配電等各個環(huán)節(jié)廣泛 使用，它的安全運行與否，直接關(guān)系到電力系統(tǒng)能否連續(xù)穩(wěn)定地工作。特別是由 于變壓器本身造價昂貴，一旦因故障而遭到破壞，其檢修難度大，檢修時間較長， 經(jīng)濟上的損失也很大，因此必須根據(jù)變壓器的容量和重要程度并考慮到可能發(fā)生 的各種類型的故障和不正常工作的情況，而裝設(shè)性能良好、工作可靠的繼電保護 裝置。 根據(jù)變壓器不同的故障類型和不正常運行狀態(tài)，變壓器一般應(yīng)裝設(shè)下列繼電 保護裝置： f 】) 反應(yīng)變壓器油箱內(nèi)部故障和油面降低的瓦斯保護； f 2 ) 反應(yīng)變壓器繞組和引出線的相問短路、中性點直接接地側(cè)繞組和引出 線的接地短路以及繞組匝間短路的縱聯(lián)差動保護或電流速斷保護； ( 3 ) 反應(yīng)外部相間短路的過電流保護。 ( 4 ) 反應(yīng)中性點直接接地電網(wǎng)中，外部接地短路的零序電流保護； f 5 ) 反應(yīng)對稱過負(fù)荷的過負(fù)荷保護； f 6 1 反應(yīng)變壓器過勵磁的過勵磁保護。 從中國電力科學(xué)研究院對1 9 9 0 1 9 9 9 年2 2 0 k v 及以上變壓器保護運行情況的 統(tǒng)計資料1 1 1 變壓器故障統(tǒng)計表| _ 卜2 2 0 k v 變壓器1 0 年內(nèi)平均故障率為1 6 4 故障次 數(shù)百臺年：3 3 0 k v 變壓器1 0 年內(nèi)平均故障率為2 9 8 故障次數(shù)百臺年：5 0 0 k v ，變壓 器1 0 年內(nèi)平均故障率為1 8 9 故障次數(shù)百臺年。從變壓器保護正確動作率的統(tǒng)計 情況表巾可知，在1 9 9 0 一l9 9 9 年問2 2 0 k v 及以上變壓器共發(fā)生不正確動作7 8 0 次 ( 其中誤動7 4 8 次拒動2 4 次) ，正確動作牢每年均小于7 5 。在全部7 8 0 次不正確 動作中，屬于原因f i 明的事故共發(fā)生1 8 4 次，占2 3 6 2 ，這說明發(fā)生故障時往往 伴隨著復(fù)雜的電磁暫態(tài)過程，面工程技術(shù)人員對系統(tǒng)故障特征又不能很好地全面 認(rèn)識，因而無法對保護裝置進行正確評仙，致使故障難以分析。因此，對變壓器 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章緒論 的保護提出了新的更高的要求。 長期的運行經(jīng)驗表明差動保護是能靈敏區(qū)分區(qū)內(nèi)和區(qū)外的故障的，當(dāng)前其主 要矛盾仍集中在非故障情況下的電磁干擾如勵磁涌流和內(nèi)部故障的鑒別上。國內(nèi) 外大量的科技工作者都在積極探索完善目前的變壓器差動保護原理，同時也探索 和提出了一些新的原理應(yīng)用到變壓器保護中。 1 1 1 勵磁涌流判別原理的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 近十多年來，國內(nèi)外許多學(xué)者致力于變壓器差動保護的研究，對變壓器受到 的各種干擾形式及對差動保護的影響結(jié)果進行了深入的研究后發(fā)現(xiàn)：非故障情況 下的電磁干擾如勵磁涌流為主要影響因素。由此，崮內(nèi)外學(xué)者在經(jīng)過長期的研究 后提出了不少判別勵磁涌流的原理和方法，己經(jīng)運用于實踐以及新近提出的各種 勵磁涌流鑒別法中，按照判別所用信號特征主要有： ( 1 ) 波形特征識別法 波形特征識別法就是根據(jù)變壓器在勵磁涌流和內(nèi)部故障時差流波形所具有 的不同特征來區(qū)分足內(nèi)部故障還是勵磁涌流的方法。由此產(chǎn)生了間斷角原理和差 動電流峰一峰間距兩種判別法。1 2 1 近年來，隨著人們研究的領(lǐng)域逐漸擴大，研究 的層次逐漸加深，在勵磁涌流的判別上相繼提出了波形對稱原理、虛擬三次諧波 原理、小波分析理論、模糊判據(jù)法和人j f 神經(jīng)嘲絡(luò)法，在一定程度上取得了成功 的結(jié)果。1 3 為了進一步完善保護的可靠性，又提出一種基于離散隱馬爾科夫模型 ( d i s cr e t eh i d d e nm ar k o vm o d e l ，縮寫為d h m m ) 的勵磁涌流的波形識別方法?！? j 該方法完整地利用兩者波形在負(fù)半周的全部采樣數(shù)據(jù)，以概率特征表述兩種波形 的差別，而不局限于涌流波形和故障波彤在某個特缸e 參數(shù)( 如間斷角) 上的不同， 因此可以在訓(xùn)練得到的模型中綜合地反映兩者的區(qū)別，從而可靠地動作。i 1 同時 由于計算量相對較小，該力+ 法可滿足變壓器保護快速性的要求。而且出口判據(jù)為 輸入波形采樣數(shù)據(jù)在兩種模型卜概率的相對大小，避免了復(fù)雜的定值整定問題 1 2 4 。 ( 2 ) 喈波識別法 諧波識別法足通過電流或電壓中諧波含量的多少柬區(qū)分內(nèi)部故障和勵磁涌 流。主要有利用二次諧波電流和分析變壓器端電壓中的諧波分量兩種鑒別勵磁涌 流的方法即_ 次諧波制動和電壓制動。1 2 i1 3 1 大多數(shù)變壓器差動繼電器利用差動電 2 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章緒論 流的諧波分量區(qū)分不同于勵磁涌流和過勵狀況的內(nèi)部故障，諧波分量呵以用于制 動或閉鎖繼電器動作f 瞎1 。 ( 3 ) 磁女通特性識別法 磁通特性識別法是考慮利用磁通量，綜合運用變壓器的電壓和電流進行勵磁 涌流判別的方法。1 4 1 目前主要有三種磁制動方案：一是基丁變壓器在不同工況下的 勵磁特性曲線建立故障判別區(qū)；一是建立差動電流和變壓器的互感磁鏈甲之間 的關(guān)系曲線，通過比較甲與i ，的關(guān)系是否落在空載磁化曲線附近來判斷足否為勵 磁涌流：三是分析比較甲一i 。曲線上故障時或涌流時的切線斜率與半周波前對應(yīng) 的切線斜率的值，相等則為故障 1 3 t 。 1 9 8 7 年，在近年來提出的幾種磁制動方案的基礎(chǔ)卜- 又提出一種稱為“圖形識 別”的涌流識別法，該方法對原方案中采用的變壓器磁路模型進行了改進，使之 既能適用于單相變壓器，也能適用于各種鐵芯結(jié)構(gòu)的二相變壓器。 ( 4 ) 功率法 第一種：對故障狀態(tài)下系統(tǒng)正負(fù)序網(wǎng)絡(luò)模型進行分析，由變壓器兩端電流電壓 計算出兩側(cè)正負(fù)序功率，根據(jù)j f 負(fù)序功率方向的不同，快速、準(zhǔn)確地區(qū)分變壓器 的內(nèi)部故障、外部故障和勵磁涌流”】。 第二種：先根據(jù)電流電壓計算出變壓器兩端功率值，并計算出兩者之差，用求 得的有功功率差額w ( 1 ) 來判別勵磁涌流和變壓器內(nèi)部故障。該方法的優(yōu)點是第一 沒有讓勵磁涌流成為動作的因素，故在勵磁涌流判別方面肯較大的優(yōu)勢。第二與 以往的勵磁涌流判據(jù)相比，功率籌動保護的功能更為全面具有區(qū)分變壓器內(nèi)、外 部故障的功能，可以作為獨逆保護使用”。 f 5 ) 其它 加拿大s i d h u 等提h 一種全新的非線性模型法，即依據(jù)變壓器電路的非線性 模型，通過計算機檢測變壓器故障，該算法不需要b j 【，曲線，完全撇開了勵磁 涌流的問題 1 3 1 隨著數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展，一些科技人員提出了種利用數(shù) 字信號處理中的歸化自相關(guān)系數(shù)的有關(guān)理淪，來識別變壓器勵磁涌流和內(nèi)部故 障電流的新算法1 3 2 】。在理論上，該算法并不是單純利用涌流和故障電流的單方 面的特征，而是進行綜合分析，具有嚴(yán)密的數(shù)寧信號處理的理論基礎(chǔ)，撫干擾能 力較強。仿真結(jié)果表明：該算法具有特征明顯，識別迅速，且小受非周其| j 分最、 3 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章緒論 二次諧波含量以及t a 飽和的影響等優(yōu)點。 基于參數(shù)辨識的變壓器差動保護 35 1 ：該方法無需鑒別勵磁涌流，通過建立變 壓器的線性模型，而模型無需涉及變壓器鐵心的非線性關(guān)系和磁滯效應(yīng)。當(dāng)變壓 器繞組漏感和電阻在正常運行、外部故障及勵磁涌流時不發(fā)生變化，而在變壓器 內(nèi)部故障時要發(fā)生變化。根據(jù)這一特性，可把變壓器繞組的漏感和電阻值是否發(fā) 生變化作為區(qū)分變壓器內(nèi)部故障和正常、外部故障、勵磁涌流情況的判據(jù)。 基于勵磁阻抗變化的變壓器勵磁涌流判別方法：在勵磁涌流出現(xiàn)時，變壓器 的勵磁阻抗急劇變化，而在正常運行或故障時勵磁阻抗基本不變這一特征來區(qū)分 變壓器勵磁涌流和短路故障，兇而f i 需要變壓器參數(shù)和系統(tǒng)參數(shù)。 1 1 2 差動保護裝置的研究發(fā)展現(xiàn)狀 ( 】) 差動電流速斷保護 對于小容量變壓器，這種方案是依靠較高的動作電流來躲過勵磁涌流。由于 差動繼電器具有一定的固有動作時間，而涌流又是衰減的，因此無需按躲過涌流 峰值來整定動作電流。這種保護動作速度伙、簡單，用來作為大容量變壓器主籌 動保護的補充。 ( 2 ) 帶有速飽和變流器的差動保護裝置 這種保護裝置利用一個速飽和變流器來躲過涌流和變壓器外部短路所引起 的不平衡電流。由于涌流和變壓器外部短路電流中都存在很大的直流分量，因而 保護不會動作。但這種保護的動作電流仍要按躲過周期性涌流來整定。 ( 3 ) 二次諧波制動式差動保護裝置 由于涌流中含有很大成分的_ 次諧波，而變壓器內(nèi)部和外部短路電流中_ 二次 諧波分量很小，因此以二次諧波為閉鎖制動條件的差動保護被廣泛采用。這種 保護方案還要設(shè)置比率制動環(huán)節(jié)和差動電流速斷保護元件，以使保護能躲過變壓 器外部短路所產(chǎn)牛的不平衡電流和在變壓器發(fā)生嚴(yán)重內(nèi)； i ；短路時保護能快速動 作。 ( 1 ) 問斷角原理差動保護裝置 間斷角原理差動保護也是目前較為j “泛采用的一種保護。其原理是利用涌流 波形具有間斷角而變壓器內(nèi)部短路電流主| j 是連續(xù)的這一特點實現(xiàn)涌流閉鎖。 ( 5 ) 虛擬三次i 皆波制動保護裝置 4 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文第一覃緒論 虛擬三次諧波原理是從提高變壓器保護的動作速度，改善識別對稱性涌流性 能的角度提出的一種全新的諧波制動方案。它充分利用了由于變壓器飽和引起的 變壓器勵磁涌流前半周的尖頂波信息，通過“虛擬”后半周波形的三次諧波含量 來區(qū)分變壓器內(nèi)部故障和勵磁涌流。虛擬三次諧波制動方案能有效地防止勵磁涌 流引起的誤動作，且不存在對稱性涌流問題。同時，配合采樣值差動，保護動作 速度很高。 ( 6 ) 波形對稱原理的差動保護裝置 波形對稱原理是將微分后的差流波形的前半周和后半周進行對稱性比較，判 斷其對稱度后確定動作與否。這種保護裝置的特點是無論是空載合閘于內(nèi)部故障 變壓器或是外部故障轉(zhuǎn)化為內(nèi)部故障均能迅速動作：對變壓器的剩磁適應(yīng)能力 強，不需附加判據(jù)：易解決電流互感器岡涌流作用飽和而產(chǎn)生反向電流問題。 ( 7 ) 偶次諧波制動保護裝置 這種新方法是利用偶次潴波( 二次和四次) 制動，用直流分量和五次諧波閉 鎖。利用偶次諧波制動在含有低二次諧波的涌流情形卜- 保證了安全性，并在內(nèi)部 故障且c t 飽和時保證可靠性，五次諧波閉鎖的應(yīng)用保證了繼電器對過勵的正確 反應(yīng)。直流量閉鎖的應(yīng)用在涌流情況下且總的諧波分量很小h 寸保證了安全性。 ( 8 ) 微機差動保護裝置 目前電力變壓器微機差動保護的算法主要采用二次諧波原理和間斷角原理 米辨識故障電流和勵磁涌流。在我國利用此算法而應(yīng)用比較廣泛的是l c d ，w b z 系列的變壓器微機保護裝置。 隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，a b b 公司利用偶次諧波制動原理研制出了s p a d 3 4 6 c 微機差動保護裝置。 1 2 國內(nèi)外變壓器差動保護研究發(fā)展趨勢 近年來，隨著人們研究的領(lǐng)域逐漸擴大，研究的層次逐漸加深，產(chǎn)生了很多 新興的學(xué)科，這些學(xué)科為科學(xué)研究，史壓器的保護提供了新的手段。較為成熟且具 有一定代表性的有： ( 1 ) 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法。該方法具有高度的神經(jīng)計算能力、極強的白適應(yīng)性、 容錯性以及自學(xué)習(xí)能力等，用于保護領(lǐng)域，可以取消整定值，大大簡化分析計算， 使保護裝置設(shè)計更加簡潔、，u 靠。岡此，存電力系統(tǒng)保護方面已越來越受到人們 5 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章緒論 虛擬三次諧波原理是從提高變壓器保護的動作速度，改善識別對稱性涌流性 能的角度提出的一種全新的諧波制動方案。它充分利1 l | j 了由于變壓器飽和引起的 變壓器勵磁涌流前半周的尖頂波信息，通過“虛擬”后半周波形的三次諧波含量 米區(qū)分變壓器內(nèi)部故障利勵磁涌流。虛擬= 次諧波制動方案能有效地防止勵磁涌 流引起的誤動作，且1 i 存在對稱性涌流問題。同時，配合采樣值差動，保護動作 速度很高。 ( 6 ) 波形對稱原理的差動保護裝置 波彤對稱原理是將微分后的差流波形的前半周和后半周進行劉稱性比較，判 斷其對稱度后確定動作與否。這種保護裝置的特點是無論是空載合閘于內(nèi)部故障 變壓器或是外部故障轉(zhuǎn)化為內(nèi)部故障均能迅速動作：對變壓器的剩磁適應(yīng)能力 強，不需剛加判據(jù)：易解決電流互感器因涌流作用飽和而產(chǎn)生反向電流問題。 ( 7 ) 偶次諧波制動保護裝置 這種新方法是利用偶次諧波( 二次和四次) 制動，用直流分量和五次諧波閉 鎖。利用偶次昔波制動在含有低一次諧波的涌流情形f 保證了安全性，并在內(nèi)部 故障且c t 飽和時保證可靠性，五次諧波閉鎖的應(yīng)片j 保證了繼電器對過勵的正確 反應(yīng)。直流量閉鎖的慮用存涌流情況下日總的諧波分量很小時保證了安全性。 ( 8 ) 微機差動保護裝置 目前電力變壓器微機差動保護的算法主要采用二次諧波原理和間斷角原理 米辨識故障電流和勵磁涌流。在我國利用此算法而應(yīng)用比較廣泛的是l c d ，w b z 系列的變壓器微機保護裝置。 隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，a b b 公叫利用偶次諧波制動原理研制出了s p a d 3 4 6 c 微機差動保j l 【裝置。 1 2 國內(nèi)外變壓器差動保護研究發(fā)展趨勢 近年來，隨著人們研究的領(lǐng)域逐漸擴大，研究的層次逐漸加深，產(chǎn)生了很多 新興的學(xué)科，這些學(xué)科為科學(xué)研究變壓器的保護提供了新的段。較為成熟且具 有一定代表性的有： ( 1 ) 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法。該與法只有高度的神繹計算能力、極強的白適應(yīng)件、 容錯性以及白學(xué)習(xí)能力等，用于保護領(lǐng)域，可以取消整定值，大大簡化分析計算， 使保護裝置設(shè)計吏加簡潔、；u 靠。因此，在電力系統(tǒng)保護方面已越柬越受到人們 使保護裝置設(shè)計更j j u 簡沾，u 靠。因此，f f 也力系統(tǒng)保護山面已越來越受到人們 一 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章緒論 的關(guān)注。 ( 2 ) 功率法。通過計算從各個電源側(cè)流進變壓器的有功功率的總和來區(qū)分內(nèi) 部故障電流和勵磁涌流，從過去的尊一考慮電流信息轉(zhuǎn)為綜合考慮電流和電壓信 息，從而提高了保護的靈敏度和速度。 ( 3 ) 磁通特性識別法。基于變壓器磁特性的勵磁涌流鑒別法不但可以克服二 次諧波原理的不足，而且適宜用微機實現(xiàn)，是一種有前景的方法。 l 。3 存在的問題 過去，基于對差動保護的理解認(rèn)識，由于變壓器原副邊是由磁路而非電路相 聯(lián)系的，另外構(gòu)成變壓器的鐵心鐵磁特性存在多樣性。因此，無論采用哪種理論 分析計算都不可能全面準(zhǔn)確地反映出變壓器實際的特性。電力系統(tǒng)同趨龐大，變 壓器運行方式日趨復(fù)雜，應(yīng)用較少的信息量已難以滿足鑒別的需要和要求。具體 表現(xiàn)在： ( 1 ) 隨著電力系統(tǒng)的擴大，基于傳統(tǒng)的波形特征識別法和鑿波識別法提出的 間斷角原理技術(shù)和二次諧波制動原理而實現(xiàn)的差動保護在應(yīng)用中的實效性變的 越來越不理想。對于二次諧波制動原理，隨著電網(wǎng)電壓和規(guī)模的擴大以及變壓器 單機容量的增大，當(dāng)變壓器端部接較長的輸電線、低壓側(cè)裝設(shè)電力電容器組時， 如變壓器內(nèi)部發(fā)生嚴(yán)重故障，由于諧振使短路電流中的諧波含量明濕增加，可能 引起差動保護延時動作。 ( 2 ) 波形特征識別法和諧波識別法均依賴于涌流波形在時間軸上間斷或者畸 變部分的數(shù)學(xué)特征的提取，盡管這部分畸變特征是兩者的芋要區(qū)別，但是這些畸 變特征在復(fù)雜的實際運行情況下變得不理想，如間斷角原理的應(yīng)用中當(dāng)電流互感 器飽和時，變壓器勵磁涌流經(jīng)電流互感器傳變后，會出現(xiàn)二次側(cè)涌流間斷角過小 或消失的現(xiàn)象。 為了保護裝置可靠動作，就必需采用電抗互感器和自制動回路來恢復(fù)間斷 角。再如利用諧波含量作為閉鎖制動條件的籌動保護當(dāng)動作電流中的鑿波分量很 小的情形下保護將不起作用。同時，由r 變壓器制造技術(shù)的提高和制造材料的改 進，變壓器的飽和磁通倍數(shù)經(jīng)常在1 2 到1 3 甚至低于1 1 4 ，而不是一般考慮的 1 4 ，在此情況f 的最小二次諧波含量可能低至l0 以卜，從而導(dǎo)致差動保護誤動 作。岡此僅利用畸變特征的數(shù)學(xué)化參數(shù)彳i 能可靠地區(qū)分涌流和故障波形，同時存 6 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章緒論 在比較復(fù)雜的定值整定問題。 ( 3 ) 在用微機實現(xiàn)保護時，為了準(zhǔn)確判別間斷角大小就必需很高的采樣率， 導(dǎo)致處理時間極其有限，硬件的復(fù)雜性和成本都很高。 ( 4 ) 應(yīng)用于差動保護的新理論和新技術(shù)用于實際時不足之處較為明顯，還不 能可靠地應(yīng)用于保護中。如：人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的理論還不完善，其收斂性問題還 沒有得到很好的解決：對于磁通特性識別法，在應(yīng)用中需要知道變壓器的磁化特 十牛曲線以及具體的漏抗參數(shù)，但這些是不可能準(zhǔn)確得到的，同時確定飽和區(qū)和故 障區(qū)的位置也較困難，另外整定門坎值也較困難。這些都影響到在變壓器差動保 護中應(yīng)用磁通特性識別原理。 鑒于此，有必要對當(dāng)前己普遍采用的變壓器差動保護原理和方法進行深入的 研究，分析其特點和不足，使之能更好地運用于實踐。 1 4 本文研究的主要內(nèi)容 某石化廠總變電所為6 6 k v 6 k v 變電所，在全廠起著舉足輕重的作用。總變 電所有2 臺6 6k v ，2 5 m v a 的變壓器，由于這兩臺變壓器給全廠所有裝置的用電負(fù) 荷供電，它的安全運行與否，直接影響全廠各裝置安全生產(chǎn)，牢固地掌控著全廠 的經(jīng)濟效益。由于廠總變電所有了幾十年的歷史，各種繼電器的特性也由于時間 的原因，其靈敏性，可靠性均有了一定程度的下降。因此，2 0 0 0 年，廠總變電所 決定進行改造，利用分散式微機保護裝置實現(xiàn)差動保護。而在大于1 0 m v a 的變壓 器保護中，其主保護是差動保護，影響差動保護動作正確與否的關(guān)鍵是保護裝置 能否正確區(qū)分勵磁涌流和內(nèi)部故障。有關(guān)勵磁涌流的分析一直以來都是焦點，也 是難點。 就目前的研究現(xiàn)狀來看，還沒有對涌流的特性作精確的分析，主要原因是無 法通過試驗的方法完整地獲得。如果采用試驗方法研究涌流，會對變壓器等設(shè)備 造成一定的損壞，無論是變壓器制造廠家還是用戶都不能接受用于研究而帶來的 損失。鑒于此，國內(nèi)外一些專家、學(xué)者致力于變壓器保護的仿真研究，目前可用 的些仿真分析軟件有e m t p ，a t p 等，但這些軟件都存在無法克服的缺陷：如e m t p 軟件無法建0 電源變壓器一互感器的系統(tǒng)電路模型：a t p 軟件的模型庫相對簡單 同時也無法建立電源一變壓器一互感器的系統(tǒng)電路模型。這樣就導(dǎo)致利用它們得到 的仿真結(jié)果無法實現(xiàn)系統(tǒng)性和實時性，使結(jié)果的有效性無法得到保證。 7 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章緒論 本文在認(rèn)真研究和分析了現(xiàn)有變壓器差動保護原理后，根據(jù)目前普遍采用的 基于傳統(tǒng)的波形特征識別法和諧波識別法提出的間斷角原理和二次諧波制動原 理技術(shù)，對勵磁涌流的特性作更深入的研究分析。利用電力系統(tǒng)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 ) 軟件，該軟件克服了上述兩種軟 件的不足，能結(jié)合某一具體的變壓器差動保護建立電源一變壓器一互感器的系統(tǒng)仿 真模型，對廠2 5 m v a 總變壓器進行了仿真分析，主要內(nèi)容是： ( 1 ) 變壓器空載合閘時不同合閘角情況下經(jīng)差動電流互感器輸出后的二次涌 流特性，包括：波形特征、二次諧波含量和問斷角大小，分析討論各特征量對差 動保護動作與否的影響。 ( 2 ) 變壓器滿載合閘時不同合閘角情況下經(jīng)差動電流互感器輸出后的二次涌 流特性，包括：波形特征、二次諧波含量和間斷角大小，分析討論各特征量對差 動保護動作與否的影響。 ( 3 ) 外部故障情況下經(jīng)差動電流互感器輸出后的二次波形特性，分析討論其 對差動保護動作與否的影響。 通過對變壓器空載、滿載合閘時不同合閘角情況下的差動電流互感器輸出波 形進行分析，最終確定了采用a b b 公司的差動保護裝置s p a d 3 4 6 c 作為變壓器差 動保護主保護，實驗調(diào)試結(jié)果利用仿真結(jié)果的分析，達到了保護要求的準(zhǔn)確性， 可靠性。 8 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章變壓器差動保護基本原理 第二章變壓器差動保護基本原理 電力變壓器是電力系統(tǒng)中極其重要的電氣設(shè)備，它的安全運行與否直接關(guān)系 到電力系統(tǒng)能否連續(xù)穩(wěn)定地工作。特別是由于變壓器本身造價昂貴，一旦因故障 而遭到破壞，其檢修難度大，檢修時u j 長，經(jīng)濟上的損失很大。近年來，隨著電 力系統(tǒng)規(guī)模的擴大，電壓等級的升高，增加了很多大容量的電機和變壓器，變壓 器發(fā)生事故的次數(shù)也隨之增加，其主要原因是大容量變壓器采用糾結(jié)式繞組，匝 間絕緣水平尚不能滿足這種接線方式的需要，因而變壓器的匝問短路事故有所增 加。因此，對變壓器保護提出了新的更高的要求。 2 1 變壓器差動保護原理 差動保護原理問世已有近百年歷史，在繼電保護的發(fā)展過程巾有著獨特的地 位，至今仍廣泛應(yīng)用于電氣主設(shè)備和線路保護中。與其他保護迥然不同，變壓器 電流差動保護就是把變壓器兩端的電流互感器按差接法接線( 以y ，d n l l ) 組別變 壓器為例，其接線如圖2 1 所示，使流過變壓器一次側(cè)和二次側(cè)的電流經(jīng)電流互 感器適當(dāng)?shù)淖儽群蠓聪蛄魅氩顒永^電器，原理如圖2 2 ，這樣流入繼電器的電流 為兩端的電流之差。在變壓器一常運行或只發(fā)生外部故障時，流過差動繼電器的 電流平衡，保護裝置不動作。當(dāng)變壓器內(nèi)部發(fā)牛短路故障時，短路電流只流過電 源側(cè)的電流互感器，此時，流過差動繼電器的電流不平衡，當(dāng)不平衡電流值達到 保護裝置的動作值時，保護裝罨動作將故障變壓器從系統(tǒng)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變壓器差動保護c l 、接線 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 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章變壓器差動保護基本原理 差動保護在原理上只反應(yīng)被保護設(shè)備的內(nèi)部短路電流，而不管外部發(fā)生多嚴(yán) 重的故障，因為它是基于節(jié)點電流定律的。外部故障是利用速斷保護來切除的。 長期的運行經(jīng)驗表明差動保護是能靈敏地區(qū)分區(qū)內(nèi)和區(qū)外故障的。 繼電器 l r 2 l m - i r l 變壓器 由沛白庸器由、諦百威牲 圖22 電流差動保護原理圖 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 勵磁電流的大小取決于勵磁電感的數(shù)值，也就是取決于變壓器鐵芯是否飽 和。正常運行和區(qū)外故障時變壓器不會飽和，勵磁電流一般不會超過額定電流的 2 一5 ，對縱差動保護的影響常常略去不計。當(dāng)變壓器空載投入或外部故障切除 后電壓恢復(fù)時，變壓器電壓從零或很小的數(shù)值突然上升到運行電壓。在這個電壓 卜升的暫態(tài)過程中，變壓器可能會嚴(yán)重飽和，產(chǎn)生很大的暫態(tài)勵磁電流。這個暫 態(tài)勵磁電流通常稱為勵磁涌流。勵磁涌流的最大值可達額定電流的4 - - 8 倍，并 與變壓器的額定容量有關(guān)。由于勵磁涌流很大，若用動作電流來躲過其影響，縱 差動保護在變壓器內(nèi)部故障時靈敏度將會很低。一般要通過其它措施來防止勵磁 涌流引起縱差動保護的洪動。兇此變壓器差動保護的主要矛盾集中在鑒別勵磁涌 流和內(nèi)部故障上。近i 多年來，國內(nèi)外許多學(xué)者致力于研究判別勵磁涌流的原理 和方法，已經(jīng)運用于實踐以及新近提出的答另0 法中具有代表性的有以下三類： 2 1 1 波形特征識別法 波形特征識別法就是根據(jù)變壓器在勵磁涌流和內(nèi)部故障時差流波形所具有 的不同特征來區(qū)分是內(nèi)部故障還是勵磁涌流的方法。主要有兩種：一種是1 4 j 斷角原 理；另一種是差動電流峰一峰間距判別法。 1 0 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章變壓器差動保護基本原理 ( 1 ) 間斷角原理 間斷角原理是基于勵磁涌流波形中有較大的間斷這個特征實現(xiàn)其鑒別的。一 般采用的判據(jù)：間斷角6 5 0 ，波寬1 4 0 。當(dāng)差流的間斷角大于6 5 。時，判別為勵磁 涌流；當(dāng)間斷角小于6 5 。且波寬大于1 4 0 。時，則判別為可能不是勵磁涌流，并短時 開放出口比率差動繼電器。 間斷角原理有如下優(yōu)點：利用了勵磁涌流明顯的波形特征，能清楚地區(qū)分內(nèi)部 故障和勵磁涌流；采用分相涌流判別方法在變壓器內(nèi)部故障時能迅速跳閘；具有一 定的抗過勵磁的能力。 ( 2 ) 差動電流峰一峰間距判別法 變壓器保護中的差流可由如圖2 3 所示的三種典型波形表示。 0 l d l 1 訖 y、。 v fi t l 1 j a 八 。 幾v _ o t ? 心。 i| | r t “、 l 割2 3 變壓器差流典型波形 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 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章變壓器差動保護基本原理 變壓器內(nèi)部故障時，電流互感器飽和，差流波形如圖2 _ 3 ( a ) 所示，相繼的差 流波峰間距約為1 2 周波左右。勵磁涌流峰一峰間距約為1 4 周波和1 個周波， 如圖2 3 ( b ) 、( c ) 。因此將差流峰一峰間距為l 2 周波左右、前一個峰值是后一個 峰值的7 5 一1 2 5 ，而且符號相反的狀態(tài)判為故障情況，將差流峰一峰間距為l 4 或1 周波判為勵磁涌流。 2 】2 諧波識別法 諧波識別法是通過電流或電壓中諧波含量的多少來區(qū)分內(nèi)部故障和勵磁涌 流?？梢苑譃閮煞N：一是利用二次諧波電流鑒別勵磁涌流；二是通過分析變壓器端 電壓中的諧波分量而形成的電壓制動式保護。 ( 1 ) 二次諧波電流鑒別勵磁涌流 分析表明，勵磁涌流中含有較大的_ 次諧波分量，通過計算差動電流中的二 次諧波電流與基波電流的幅值之比可判別是否存在勵磁涌流。當(dāng)出現(xiàn)勵磁涌流時 應(yīng)有，。l k + ，d 2 ，式中，l l k + ，d 2 分別為差流中基波和二次諧波電流模值；k 是二次諧波制動比，可以調(diào)整。 ( 2 ) 諧波電壓鑒別勵磁涌流的方法 當(dāng)變壓器因勵磁涌流出現(xiàn)嚴(yán)重飽和時，端電壓會發(fā)生嚴(yán)重畸變，其中包含較 大的諧波分量，呵以用來鑒別勵磁涌流，其原理足： 如果變壓器的三相電壓滿足t k 。或e 。 r 。 則判為勵磁涌流，保護閉鎖 式中： k 是變壓器端電壓的基波分量幅值； v t h 和瓦分別為門坎值： t s u m 稱為“m o n i t o r ”是為克服在涌流時端電壓畸變引起電壓v 的下降導(dǎo)致 過勵磁狀況的內(nèi)部故障，諧波分量可以用于制動或閉鎖繼電器動作。諧波制動 閉鎖方法在涌流和過勵磁很嚴(yán)重的情形下保證了差動保護的安全性。 2 1 3 磁通特性鑒別法 利用磁通量鑒別勵磁涌流。 1 2 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章變壓器差動保護基本原理 方案1 ：以圖2 4 所示的雙繞組單相變壓器為例說明保護的原理和算法。 v 1 r 1 l 1 一，一一 i 、。、 善，則 為內(nèi)部故障：若，則慨( ，) l ，它不允許制動，當(dāng)差動電流幅值 超過設(shè)定差動速斷動作值m i 。) ，差動電流不經(jīng)濾波電路，直接采用差動電流的 全波幅值作為動作量，保護將無延時的動作。 下面這個圖形為在不同設(shè)定值時的制動曲線。見圖2 9 曲線 p i n ，( ) s ( ) j 2 。1 。( ) 1 5 05 0 1 o 2 51 02 o 圖2 9曲線1 與曲線2 的比較 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 微機差動保護的實現(xiàn) ( 1 ) 硬件 為了微機差動保護得以實現(xiàn)，在硬件配置上要能及時、準(zhǔn)確反映當(dāng)變壓器發(fā) 生內(nèi)部故障時變壓器油溫、油位、線圈溫度、j 玉力以及互感器輸出信號等的變化， 并能自動完成信號調(diào)理和信號比較，從而實現(xiàn)差動保護的啟動與否。 其硬件系統(tǒng)如圖2 1 0 所示。 1 8 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章變壓器差動保護基本原理 圖2 1 0 微機差動保護硬什原理框圖 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 ) 軟件 以具有三折線比率制動特性的差動繼電保護算法作為判斷變壓器是否有故 障的算法，以變壓器差動電流二次諧波分量和基波分量的比值作為變壓器勵磁涌 流閉鎖判斷的根據(jù)，以差動電流五次諧波分量和基波分量比率作為在過勵磁而無 害情況下制動的判據(jù)，但是當(dāng)高過壓時，五次諧波分量和基波分量的比率增大的 情況1 二，自動取消閉鎖。同時微機保護模塊無需捅入互感器以保護二繞組變壓器 一對變壓器高壓側(cè)和地壓側(cè)接線組作數(shù)字化矢量匹配。同時，c t 具有寬范圍的校 正系數(shù)，通過數(shù)字化設(shè)定作精確校正。同時具有可編程控制器輸入為瓦斯繼電器、 油溫傳感器和變壓器的輔助裝置傳感器提供接，發(fā)出報警或跳閘信號。微機保 護模塊具有內(nèi)部故障記錄器記錄被測電流的波形。 2 3 差動保護用電流互感器 保t f 變壓器安全穩(wěn)定運行是電力系統(tǒng)最匿要的任務(wù)之一，作為主保護的差動 保護的可靠穩(wěn)定運行義是變壓器安全穩(wěn)定運行的核心。而差動保護能臺可靠運行 則須以電流互感器參數(shù)的合理選擇及實際特性的1 f 確校核為前提，如果電流互感 器在事故狀態(tài)下無法將一次電流i f 確地轉(zhuǎn)變?yōu)開 次電流，保護裝置動作的j f 確性 1 0 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文 第- - 章變壓器差動保護基本原理 就無法得到保證。 2 3 1 電流互感器參數(shù)選擇 ( 1 ) 一、二次額定電流的選擇 保護用的電流互感器p 級和t p 級兩種，p 級為一般保護用的電流互感器。它 們一次額定電流選擇的原則是： 大于所在回路可能出現(xiàn)的最大負(fù)荷電流： 能滿足實際系統(tǒng)中故障時的短時熱穩(wěn)定和動穩(wěn)定的要求： 選取的電流值應(yīng)與( ；b1 2 0 8 推薦的標(biāo)準(zhǔn)值相一致。 標(biāo)準(zhǔn)的t a 二次額定電流為1 a 或5 a ，實際中6 6 k v 系統(tǒng)的t a 二次 額定電流采用5 a 廠總變壓器2 5 m v a ，6 6 k v 側(cè)的電流互感器變比為3 0 0 5 。 ( 2 ) 額定輸出容量的選擇 g b l 2 0 8 規(guī)定的額定輸出的標(biāo)準(zhǔn)容量為：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 ) 。一般情況下，保護用c t 的輸出容量按下式計算： s o = 焉( k 。z ，+ k 乙+ z p ( 2 1 2 ) 式中： s o - - t a 的實際輸出容量，v a ； l 。- - t a 的二次額定電流，a ； k 。一t a 接線系數(shù)： z ，一繼電器線圈阻抗，q ： k 。一連接導(dǎo)線的接線系數(shù)； z ，一連接導(dǎo)線的阻抗，q ； 乙一接觸電阻，q 。 ( 3 ) 準(zhǔn)確限值系數(shù)的選擇 額定準(zhǔn)確限值一次電流，。為t a 能滿足復(fù)合誤差要求的最大一次電流值，準(zhǔn) 確限值系數(shù)k 為額定準(zhǔn)確限值次電流與額定一次電流，。之比。在選擇t a 的 準(zhǔn)確限值系數(shù)時要同時考慮系統(tǒng)的短路電流和保護類型，對于變壓器差動保護， 選擇變壓器各側(cè)t a 的準(zhǔn)確限值系數(shù)k 時要進行短路電流計算，求得最大對稱 短路電流值，、。，和最大短路電流倍數(shù)k 。，要求各側(cè)t a 的k k 。 2 n 一 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章變壓器差動保護基本原理 由于t a 名牌上所標(biāo)的準(zhǔn)確限值系數(shù)足，是在額定負(fù)載下確定的，當(dāng)實際負(fù) 載發(fā)生變化時，準(zhǔn)確限值系數(shù)瓦。也將發(fā)生變化，因此，實際準(zhǔn)確限值系數(shù)瓦。 需進行估算，估算方式為： k 。= 足。( & + s 。) “墨。+ e ) ( 2 1 3 ) 式中