（电力系统及其自动化专业论文）变压器快速保护新原理.pdf

a b s t r a c t p o w e rt r a n s f o r m e r sa sv e r yi m p o r t a n te l e m e n t si np o w e rs y s t e mr e q u i r ev e r y r e l i a b l ep r o t e c t i o n 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 na d o p t e da sm a i np r o t e c t i o n a g a i n s ti n n e rf a u l to f t r a n s f o r m e rf o ral o n gt i m e ，s i n c ei th a sh i 【业r e l i a b i l i t ya n dh i 曲 s e n s i t i v i t y , w h i c ha r em o s ti m p o r t a n tf o rt r a n s f o r m e rp r o t e c t i o n b u tt h e r ea r es o m e p r o b l e m st r o u b l i n gd i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o n ：i d e n t i f i c a t i o no fi n r u s hc u r r e n tf r o ms h o r t c i r c u i tc u r r e n t ；u n b a l a n c ec u r r e n ti nd i f f e r e n t i a lc i r c u i tw h e no u t s i d es h o r tc i r c u i t h a p p e n s ；m a k es u r ed i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o nd e v i c ew o n tr e a l o p e r a t ei np r o c e s so f v o l t a g er e c o v e r i n ga f t e rc u t t i n go f fo u t s i d es h o r tc i r c u i t ；m a k es b r em a t t h es a t u r a t i o n o fc tw o n ti n f l u e n c et h eo p e r a t i o no fd i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o n i d e n t i f i c a t i o no fi n r u s h c u r r e n th a sb e e na k e yp r o b l e mt ob er e s o l v e d m a n yr e s e a r c h e r sh a v ed o n ea 1 0 to f w o r ko nt h i sa s p e c t b e c a u s et h ei n r u s hc u r r e n to f t r a n s f o r m e ri si n f l u e n c e db ym a n y f a c t o r ss u c ha sr e s i d u a lf l u xo fi r o nc o r e ，s a t u r a t i o nf l u xd e n s i t y , s y s t e mi m p e d a n c e ， m o d eo fc o n n e c t i o n ，i r o nc o r es t r u c t u r e ，c l o s i n ga n g l ea n ds oo n ，b u ta l lo ft h e p r o p o s e dm e t h o d sc a n tm a k es u r e1 0 0 r e l i a b i l i t y i d e n t i f i c a t i o no fi n r u s hc u r r e n ti s t h em o s tc r i t i c a lf a c t o rt h a tl i m i t sd i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o no p e r a t i o n t h i sp a p e rp r o p o s e san e wc r i t e r i o nf o rd i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o n c o m p a r e dw i t h t h ee x i s t e d c r i t e r i o n s ，t h i s c r i t e r i o nh a sg r e a ti m p r o v e m e n to nr e l i a b i l i t ya n d s e n s i t i v i t y t os o l v et h ep r o b l e mt h a td i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o nm a ym a l - o p e r a t ew h e na f a u l t e dt r a n s f o r m e rc l o s i n go n t os y s t e mo ra f t e rc u t t i n go f fo u ts i d e f a u l t ，a n i m p e d a n c er e l a yi sa d d e di nt h i sc r i t e r i o n i d e n t i f i c a t i o no fi n r u s hc u r r e n ti sr e p l a c e d b yi m p e d a n c er e l a 弘s os o m ew r o n go p e r a t i o nc a u s e db yw r o n gr e s u l to fd e t e c t i o no f i n r u s hc u r r e n ti se l i m i n a t e d t h i sp r i n c i p l eh a sg r e a ts e n s i t i v i t yt oi n n e rf a u l ta n d g r e a tb r a k ea b i l i t yt oo u t s i d ef a u l t i td o e s n tr e f l e c tt oi n r u s hc u r r e n tb u tc a nr e f l e c tt o f a u l tw h e nc l o s i n go n t os y s t e m i nt h i sp a p e r , s o m es i m u l a t i o n so ft r a n s f o r m e ra r ed o n ew h e nn o l o a dc l o s i n g u n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n sb yu s i n gh 哪l a b r e s u l t so f t h es i m u l a t i o n sa l s op r o v e d t h ep d o r i t yo f t h i sp r i n c i p l e k e yw o r d s ：p o w e rt r a n s f o r m e r , d i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o n ，i n r u s hc u r r e n t ， i m p e d a n c er e l a y 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘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了谢意。 学位论文作者签名： ) 弼 签字日期： 2 彳年2 月? 孑日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘盔盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤壅盘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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 江j 虱剽 签字日期：乃彳年2 月2 影日 签字日期：知名年2 月2 寥日 导师签名： 简亥銮 签字日期：乳阳占年a 月路日 第一章绪论 1 1 变压器保护概况 第一章绪论 电力变压器作为联系不同电压等级网络的设备，是电力系统中非常重要的 元件。电力变压器的安全运行关系到整个电力系统供电的可靠性。每年由于变 压器故障带来的国民经济损失都十分巨大。同时随着变压器电压等级和容量的 提高，变压器本身也越来越贵重。因此变压器保护显得尤为重要，如何能够快 速准确的切除变压器故障，使损失降低到最小，同时又要保证有足够的可靠性， 就成了变压器保护的主要问题。 经过长期的发展，变压器保护的种类不断丰富，理论不断成熟。变压器保 护有瓦斯保护、纵差动保护和电流速断保护、反映相间短路故障的后备保护、 变压器接地保护、过负荷保护、过励磁保护和一些非电量保护。 差动保护作为变压器保护的主保护，最为重要。它可以反映变压器绕组的 相间短路故障、绕组的匝间短路故障、中性点接地侧绕组的接地故障以及引出 线的相间短路故障、中性点接地侧引出线的接地故障等。因此差动保护的可靠 性和安全性是变压器安全连续运行的关键。 1 2 影响差动保护动作正确性的因素及解决方法1 1 】1 2 i p ) 1 7 i 8 差动保护是建立在基尔霍夫电流定律上的，在设备正常运行或者外部故障 时，理想状态下流入差动回路的电流为零，差动保护装置不动作；在内部故障 时，差动回路的电流不为零，保护将动作，也就是说差动电流的大小是动作或 不动作的关键。在实际运行时即使变压器无故障，差动回路中也会存在不平衡 电流，可能会引起差动保护的误动作。此电流称为不平衡电流，其来源有以下 几种 由电流互感器引起： 1 ) 由于电流互感器的变比和接线方式不同产生。因为变压器原副边有多个 第一章绪论 电压等级，构成差动保护的电流互感器的额定参数不同，产生的二次电流的误 差也就不同。由于变压器通常为y 连接，二次侧就需要反交换，这样带来了 幅值和相位的误差。 2 ) t a 饱和产生。电流互感器一般按额定负荷考虑的容量选的都比较小。 这样在变压器区外故障而一次侧电流非周期分量比较大时，如果各侧电流互感 器的磁化特性不一样，易引起两侧的电流互感器饱和程度不同而产生暂态不平 衡电流。另外当变压器一次侧交流电流增大到一定值，电流互感器的铁芯会发 生稳态饱和，产生稳态不平衡电流。 3 ) 变压器在负荷情况下分接头调整使得电流互感器的实际变比与额定变比 不同而产生不平衡电流。 4 ) 励磁涌流产生。现代大型变压器正常运行时的额定磁通为饱和磁通的 1 1 1 2 倍，一般情况下变压器工作基本在线性区域，变压器铁芯未饱和，所需 的励磁电流非常小，大约为额定电流的1 左右。在铁芯饱和时所需励磁电流非 常大，且磁通不能突变。这样在变压器空载合闸或者外部故障切除后电压恢复 期间就会产生很大的励磁涌流，能够达到额定电流的6 8 倍，引起保护误动作， 这个原因是困扰差动保护的主要原因，很多工作都是就此展开的。 5 ) 过励磁情况。在变压器稳态过励磁时，同样由于变压器铁芯的非线性， 引起变压器二次侧电流不完全随一次侧电流的变化而变化，产生不平衡电流。 由于不平衡电流来源的多样性，只能减小不平衡电流，完全消除不平衡电 流是不可能的。相对来说，减小由电流互感器引起的稳态不平衡电流要容易些。 采用微机保护通过软件进行对电流的幅值和相位调整，可以便由电流互感器变 比不同和接线方式不同引起的不平衡电流降到很小，另外通过采用具有折线比 率制动特性的差动保护算法，故障分量比率差动算法等，能够进一步限制了由 电流互感器引起的不平衡电流的影响。由接线方式不同引起的不平衡电流问题 已经得到较好的解决。互感器饱和情况，可以通过选择合适的型式，例如在5 0 0 k v 系统中选用带小气隙的t p y 级电流互感器来克服暂态饱和对保护的影响。随着 技术的不断进步，近年来出现的光电流互感器更具有频带宽、精度高、动态范 围大等优点，可以完全克服原有的电力互感器暂态饱和或稳态饱和的影响。目 前影响变压器可靠性的最大的问题就是励磁涌流的影响。 第一章绪论 1 3 目前的识别励磁涌流的方法及存在的问剧埔l 【3 0 l 变压器保护动作的正确率只有6 0 7 0 左右【4 】，与线路保护的9 0 以上 的正确动作率相比要低的多，主要原因就是在于励磁涌流的影响。励磁涌流的 幅值大且衰减慢并含有大量非周期分量；波形呈间断特性；含有明显的二次谐 波和偶次谐波。针对这些特点识别励磁涌流的方法有： 1 ) 二次谐波制动。当二次谐波含量超过一定范围时闭锁差动保护，由于判 据简单获得了广泛的应用，目前比较成熟。它的缺点是容易使内部故障时延迟 动作。 2 ) 偶次谐波电流制动【1 1 。同二次谐波制动方法类似。 3 ) 判别电流间断角识别励磁涌流【刎。当间断角在一定范围内判别为励磁涌 流，闭锁差动保护。使用这种方法的差动保护能够快速切除合闸于内部故障， 但对采样频率要求较高。 4 ) 半波叠加制动。 5 ) 检测波形对称系数识别励磁涌流f 4 】 5 1 【3 1 1 。在不同的间断角下波形对称系 数是不同的，当系数大于某一定值时判定为励磁涌流。 6 ) 模糊多判据原理识别励磁涌涮3 0 】。根据现有识别励磁涌流的多种方法， 综合各自的优点，利用模糊集合理论将各判据模糊化后进行的多判据综合模糊 化，从而提高识别励磁涌流的正确性和可靠性。 7 ) 用小波变换识别励励磁涌涮1 8 】【3 0 1 。利用不同于傅氏变换的数学工具小波 变换对电流波形进行处理，识别励磁涌流。小波变换具有时频局域化的特性， 在处理高频信号比傅氏变换更有优势。 上面介绍的方法前五种都是利用励磁涌流的波形特征来判别。后两种方法 是把一些相关数学工具引入到变压器保护里面来，其基础仍然是励磁涌流的波 形特征。目前这些识别励磁涌流的方法中存在的问题主要有 1 ) 由于影响励磁涌流的因素很多以及合闸时间的不确定，励磁涌流波形呈 现随机性，而上述的方法并不严格，不能够1 0 0 的检测到励磁涌流，很容易发 生误检或漏检。 2 ) 近年来超高压电力系统中，由于长输电线分布电容及串补电容的影响， 使某些故障电流中的二次谐波含量也很大；对某些大型变压器，铁芯材料的改 第一章绪论 进以及变压器铁芯的工作磁通更接近饱和磁通【6 】，使得励磁涌流中的二次谐波含 量降低等。 这些都使故障电流与励磁涌流的波形差异特征逐渐缩小，原有的理论也不 尽适合这些情况。很有可能出现判断错误的情况。现有的差动保护通常是在检 测到励磁涌流后将差动保护闭锁，待励磁涌流消失后再投入。这样就有可能发 生下面的情况：变压器无故障空载合闸时，如果产生的励磁涌流没有被检测到， 差动保护就不会被闭锁，差动保护可能把励磁涌流判别为故障，跳开断路器， 导致合闸失败；或者变压器空载合闸于故障时，如果差动保护被闭锁，这样故 障的变压器就不能快速切除，有可能使故障延时切除导致故障扩大，造成变压 器损坏。变压器外部故障切除时电压恢复期间存在同样的问题，此时由于负荷 电流的影响，识别励磁涌流更困难。因此进一步探索新的保护原理，提高变压 器保护的准确性和可靠性是十分必要的。 1 4 本文的主要研究工作 针对上述问题，本文提出了一种新的差动保护原理并利用此差动保护与阻 抗继电器相结合实现变压器主保护。这种原理不受励磁涌流影响，并且在发生 内部故障时有较商的灵敏度，外部故障时能够可靠不动作。阻抗继电器与差动 保护互为补充。阻抗继电器作为变压器空载合闸或外部故障切除电压恢复期间 的保护。因为不需要识别励磁涌流，所以就不会出现误判的现象，较好的解决 了困扰变压器保护的难题，从仿真上来看这种方法是可行性的，可靠的。 本文的章节安排如下： 第一章绪论 第二章变压器差动保护新判据 第三章变压器励磁涌流与阻抗继电器 第四章变压器故障仿真及新保护原理验证 第五章基于i n t e l 9 6 单片机的微机保护装置的开发 第六章结论 第二章变压器差动保护新判据 第二章变压器差动保护新判据 本章从介绍差动保护原理、接线方式、常用判据等入手，综合分析了原有 纵差动判据的缺点，并进行了改进，提出了一个新的差动保护判据。可以看出 本判据在处理如电流互感器饱和、过激磁等问题上都有良好的表现。 2 1 变压器纵差动保护原理1 1 卅【刎 电力变压器可能发生的内部故障包括：各侧绕组的相间短路故障，中性点 直接接地的变压器的单相接地短路，绕组的匝间短路等。变压器内部的各种短 路都将产生电弧，引起主绝缘烧毁，绝缘油分解，内部油压增大，有可能引起 油箱爆炸起火。因此，对变压器内部故障应尽快切除。 纵差动保护是变压器的电气主保护，由于变压器在电力系统中占有重要地 位，纵差动保护必须满足如下要求： 1 ) 能反应保护区内各种相间和接地短路故障； 2 ) 动作速度快，一般动作时间不能大于3 0 r r 蛾 3 ) 在变压器空载合闸或外部故障切除后电压恢复期间产生励磁涌流时不应 误动作； 4 ) 在变压器过励磁时，纵差动保护不应该动作； 5 ) 发生外部故障时电流互感器饱和应可靠不动作； 6 ) 保护区内故障时，电流互感器饱和，纵差动保护不应拒动或延时动作； 7 ) 保护区内发生短路故障，在短路电流中含有谐波分量时，纵差动保护不 应拒动或延时动作。 图2 1 给出了变压器纵差动保护单相接线图，规定变压器两侧电流l 、厶 流入变压器的方向为其正方向。理想情况下，当变压器正常运行或发生外部故 障时，t 与t 反相位，有l + 丘。= o 。若电流互感器t a l 、t a 2 变比、相位补 偿选择合理，l = l + 丘= 0 ，差动继电器k d 不动作；当变压器发生内部短路 第二章变压器差动保护新判据 故障时，l 。与t 。同相位( 假设变压器两侧都有电源) ，有厶= l + t = 丘，k d 动作，将变压器切除。 图2 1 变压器纵差动保护单相接线 为使纵差动保护发挥应有的性能，在接线上应注意如下几点： 1 ) 由于变压器采用y n ，d 接线的关系，变压器两侧电流间存在相位移，为 保证正常运行或外部短路故障时t 与t 有反相关系，必须进行相位校正； 2 ) 在满足了外部故障时t 与t 的反相关系，还应注意到变压器两侧t a 变 比的不同，为保证外部故障时差动继电器电流尽量小，阪i 应与k l 相等，因此 需要幅值校正； 3 ) y n 侧保护区外接地故障时，零序电流仅在变压器一侧流通，流过电流 互感器t a ，对于微机保护，三相电流直接进入保护装置，为保证纵差动保护不 动作，丘电流中应扣除相应的零序电流分量。 4 ) 设置零序差动保护以灵敏的切除区内单相接地故障 5 ) 在中性点经放电问隙接地的变压器应正确设置和整定零序电流保护和过 电压保护。 2 2 纵差动保护接线 2 2 1 常规纵差动保护接线2 l y n ，d l l 联结变压器接线如图2 - 2 所示。 第二章变压器差动保护新判据 t a l 霹 图2 2 常规纵差动保护接线( y n ，d l l 接线) 其中y 侧电流互感器t a 2 可以接成三角形，与变压器d 侧绕组接线相同；d 侧电流互感器t a l 可以接成星形，与变压器y 侧绕组接线相同。显然通过这种 接线变压器两边的电流相位得到了校正。又因为变压器d 侧无论保护区内还是 区外故障都不会流通零序电流，所以t 、厶、之中不会流通零序电流，同时 电流互感器在y n 侧接成三角形，零序电流不会通过互感器传n - - 次侧，l 、 j 。、厶中也不包含零序电流，这样变压器差动回路中的零序电流也被去掉。幅 值调整可以通过变压器两侧选用不同变比的电流互感器来完成。 2 2 2 数宇式纵差动保护接线 对于数字式纵差动保护接线同样有相位调整和幅值调整的问题，同时也要 扣除进入差动回路的零序电流分量。一种方法是按常规差动保护接线，如图2 2 所示；另一种方式是根据微机保护软件计算的灵活性，由软件进行相位调整和 电流平衡调整。由于两侧电流互感器都接成星形，容易明确区分涌流和故障的 特征，加快保护动作速度，图2 3 所示的结线在微机保护中应用很普遍。 一 图2 - 3 微机型纵差保护接线 第二章变压器差动保护新判据 具体的相位校正、幅值校正和扣除零序电流的算法不再叙述。由于电流互感 器是按标准变比生产，变压器变比也是固定的，因此常规纵差动保护由于互感 器变比的不同引起的不平衡电流比较大，而数字式差动保护可以通过改变算法 将不平衡电流降到很小。变压器微机保护各侧电流互感器采用星形接线，不仅 可明确区分励磁涌流和短路故障，有利于加快保护的动作速度，而且也有利于 电流互感器二次回路断线的判别。 2 3 实施纵差动保护遇到的问题 实施变压器纵差动保护，除应满足继电保护的要求外，应解决好如下几个问 题。 1 ) 正确识别励磁涌流和内部短路故障时的短路电流。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流过， 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，差动回路通过的是很大的短路电流，应正确识别励磁涌流和短路电流。 2 ) 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问的矛 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、调压变压 器分接头的改变、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动作，动作电流应高于区外短路故 障的最大不平衡电流，这势必要影响内部短路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误动，又要 在内部短路故障时保证一定的灵敏度。 3 ) 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的误差增大，导致差动回路不平衡电流 增大，变压器纵差动保护在这种情况下不应误动作。 4 ) 电流互感器饱和不应影响纵差动保护的正确动作。特别是在保护区外短 路故障时，一侧电流互感器的饱和导致差动回路电流增大，若不采取措施，很 容易使差动保护误动作。 第二章变压器差动保护新判据 此外，变压器内部短路故障时一侧电流流出以及内部短路故障时二次谐波 含量较高等也会对纵差动保护带来影响。通常的纵差动保护通常包括以下几个 部分。 图2 4 电力变压器纵差动保护方框图 2 4 变压器保护常用的差动保护判据 目前变压器差动保护采用比较多的差动保护判据有两折线比率制动特性， 三折线比率制动特性、变斜率制动特性等。比率制动通常由动作量和制动量两 部分组成。动作量保证变压器在内部故障时可靠动作，制动量保证变压器在外 部故障时不会误动作。若继电器的动作电流k 、制动电流k 以下式表示 0 = + l i ( 2 - 1 ) k = 寺( 川+ m， ( 2 - 2 ) 两折线比率制动特性可表示为 l ( ) 【0 + s ( l 一)( k ) ( 2 一两 ( 2 4 ) 式中s b c 制动段斜率，即s = t g a 。 如图2 5 所示，特性曲线由直线段a b 、b c 组成，特性的上方为动作区， 下方为制动区动作特性应在不平衡电流曲线上并有一定裕度称为最小动 第二章变压器差动保护新判据 作电流，称为拐点电流一称为最大区外短路电流。 k 。 图2 5 两折线比率制动特性 2 5 变压器保护新差动保护判据 本文提出一种新的变压器差动保护原理，这种原理与已有的原理不同之处是 采用了两侧电流互为制动的方法而不是采用专门的制动量。如图2 - 1 所示的变压 器单相差动原理接线，假设二次侧电流已经按照上面介绍的方法进行过相位变 换和幅值变换，零序分量也已经去掉，新判据如下： l(足l+kcos矿)sm(2-3) l(kl+置气cos伊)sn(2-4) 式中：l 为变压器m 侧接入差回路的二次电流( 已进行过幅值相位调整) 厶为变压器n 侧接入差回路的二次电流( 己进行过幅值相位调整) 矿为t 和t 间相位夹角 、足为比例系数，可整定的正数，足。 茁 s 。、s 。为定值，可整定的正数，可以选的相同，也可以不同 只有两个判据都满足，保护才能动作出口。各电流的正方向如图所示，均 为从母线指向变压器为正。变压器运行中发生区外短路时二次电流t 和t 理论 第二章变压器差动保护新判据 上大小相等，相位差缈= 1 8 0 。不论区外故障发生在变压器左侧( j m 变负) 或 右侧( t 变负) ，判据都不满足，保护都不会动作。只有在内部故障时，j m 和氕 两电流方向接近，口小于9 0 。，条件才能满足。这种判据既符合差动原理又利 用两侧电流的相位关系实现制动，使得灵敏度和可靠性都得到增强。 定值s 。，& 主要是为了防止在正常运行负荷很小时，由于两端不平衡电流 的出现或者由于谐波或干扰可能会出现l ，t 同时为正，使判据两边都大于零， 而导致误动作。s 。、s 。按躲过最大不平衡电流时的情况来整定，在l 、t 都比 较小时使保护不能动作。t 、t 超过一定幅值后，才能动作。 本判据不受空载合闸时的励磁涌流的影响。例如，当从m 侧空载合闸时m 侧的励磁涌流比较大，m 侧判据满足；n 侧由于电流为零，判据不满足，保护不 会误动作。这样就避免了传统变压器保护在变压器投入时由于励磁涌流未被检 测到，差动保护没有被闭锁，受涌流的影响而误动。 为了防止外部故障切除时产生的励磁涌流使保护误动，可以在检出外部故 障切除时的一段时间内将差动保护闭锁。 这种判据既符合差动原理又结合了方向比较实现制动，使得灵敏度和可靠性 都得到增强。下面分析一下不同因素对本判据的影响。 2 5 1 电流互感器饱和对判据的影响 区外短路故障时，若一侧电流互感器出现饱和，会导致差动回路中不平衡电 流增大，使差动保护误动作。电流互感器的饱和特性分为稳态饱和特性和暂态 饱和特性。 稳态饱和特性是指，在稳态情况下，一次交流电流增大使总磁通超过磁化 曲线线性部分使铁芯饱和时的特性。图2 6 给出了铁芯的磁滞回线。显然，当铁 芯工作点沿6 1 ，3 - - * 4 变化时，= 等很大，相应的电流互感器的励磁电抗以 m 很大，励磁电流f 。很小，跟随变化；当铁芯工作点沿1 2 ，2 3 ，4 5 ，5 d 一6 变化时，j 产兰兰l a h 很小，石。也很小，几乎全部流入励磁支路，不跟随变化。 图2 7 给出了l ；与的波形关系，其中实线是铁芯饱和较为严重的情况， 虚线是铁芯轻度饱和的情况。稳态饱和时，的波形特点如下： 第二章变压器差动保护新判据 1 ) 电流的饱和点1 、4 必在半周期最大值前，越大，提前越多。 2 ) 波形失真，幅值降低，过零点提前，波形缺损，伴随谐波出现。并且 当过大，铁芯愈加饱和时，该特点更为明显。 b 。+ 屯 3 一 万1 o h 一， 图2 - 6 互感器铁芯的磁滞回线 图2 7 互感器两侧一- 2 、r 的波形 暂态饱和特性是由一次电流的非周期分量引起。非周期分量电流越大、衰减 时间越长，暂态饱和问题越严重。与稳态饱和相比，暂态饱和对保护的影响更 大。除了选取合适的电流互感器型号外，本判据也可以通过以下方式减少互感 器饱和对保护的影响，防止误动作的发生。 1 ) 改变s 值的大小。可以通过改变判据2 - 3 、2 - 4 中s 。、s 。值的大小使制 动范围扩大，达到防t a 饱和的目的。s 。、s 。越大，相应的差动动作电流越大。 为有效抗外部短路故障电流互感器暂态、稳态饱和带来的影响，同时使区内短 路故障时保护快速动作，也可在动作区内设置高定值制动的动作区。将公式2 3 、 2 - 4 中的s 。、s 。分别用s 二、s ：来替代 l ( 置l + 足z c o s 矿) s ：，当l 或l l ( 2 - 5 ) ( 置墨+ x 气c o s 尹) s 二，当l 或l ( 2 - 6 ) l 为过渡到高制动的最小电流值。 其中s s 。，s s 。s 二、s ：是按躲开外部故障电流很大时电流互感器出现 严重不平衡电流整定。内部故障满足判据2 5 和2 - 6 时，差动保护可快速动作。 2 ) 改变量7 、鬈。值大小。区外故障时电流互感器出现饱和时通常在电流互 感器容量或变比选的较小的一侧。因为是外部故障，两侧的电流都比较大，所 第二章变压器差动保护新判据 以可以通过设置两侧电流的比例系数，使k 。k 的值在( 1 ，+ 一) 范围内取较 大值，这样两个判据式中至少有一个制动量较大，不会误动，从而达到抗电流 互感器饱和的目的。 3 ) 为快速切除保护区内严重故障，防止因电流互感器饱和引起纵差动保护 延时动作，可以另外加设差动电流速断保护，差动电流速断保护的定值一般都 比较大，可躲过励磁涌流，因差动电流速断动作迅速，也可从时间上赶在电流 互感器饱和之前动作。 2 5 2 过激磁对判据的影响 由图2 8 可见，变压器过激磁铁芯进入饱和后，励磁电流随过励磁倍数的 增大非线性增加，且波形极不正弦，含有大量谐波分量，但不含非周期分量电 流和偶次谐波分量电流。因此过励磁时的电流与励磁涌流有本质的区别。不能 靠励磁涌流识别来闭锁保护。于是过励磁时变压器纵差动保护可能误动。例如， 对大型变压器有如下的典型数据【2 】：过励磁倍数n = 1 2 5 ，t 3 3 、1 4 3 时，励磁 电流的均方根值分别为额定电流的1 0 、5 0 、1 0 0 。 过励磁时，励磁电流含有较大的3 次谐波和5 次谐波，下图给出了过励磁 ( 过电压即导致过励磁) 时励磁电流幅值及谐波分量的变化情况： l l ， ， 厂 、 l m 、 _ 7 、，。， ， ， ， ， ， ， x iq 、l i 1 9 01 1 01 2 0 1 3 01 4 0 1 5 01 6 0 旦( ) “ 图2 8 过励磁时励磁电流及其谐波分析 1 ) 当过电压在1 2 1 4 时，励磁电流约为额定电流厶的1 0 5 0 ，对 于反映差动电流大小的纵差动保护可能误动作；对于反映差动电流基波分量的 纵差动保护，影响较小，仍有发生误动作的可能。 第二章变压器差动保护新判据 2 ) 过电压时，励磁电流中的3 次和5 次谐波十分明显，当过电压在1 1 5 1 2 0 时，5 次谐波最大，可达基波分量的5 0 ；过电压再增大时，5 次谐波与 基波的比值开始明显下降。3 次谐波与基波的比值明显高于5 次谐波与基波的比 值。 虽然过励磁时励磁电流中含有明显的3 次谐波和5 次谐波，但因变压器内 部短路故障电流互感器饱和时同样会有明显的3 次谐波，因此不宜用3 次谐波 电流来判别过励磁，可以采用5 次谐波电流来克服过励磁对纵差动保护的影响。 由上分析可见，当判据的制动区s 整定的比较小时，为防止过励磁时的误 ， 动作，可采用5 次谐波闭锁，其整定值一般整定为之譬= _ 3 5 ，这样当过电压( 过 “l 励磁) 在1 0 5 1 4 范围内时，纵差动保护被闭锁，过电压倍数超过1 4 时， ， 三譬 ( q ，。 中。 r ? o n 0 l s o 图3 1 变压器铁芯图3 - - 2 变压器铁芯励磁特性 电力变压器铁芯励磁呈非线性特性，正常运行时，铁芯磁通不饱和，铁芯 励磁特性近似一直线，需要的励磁电流很小，一般不超过额定电流的3 5 。 当投入空载变压器或外部故障切除后的的电压恢复时，随着电流瞬时值的变化， 在每个周期内，铁芯时而饱和( 电流大时) ，时而退出饱和( 电流过零附近) ， 铁芯呈现严重的非线性，使电流波形畸变，包含非周期分量和各种高次谐波。 第三章变压器励磁涌流与阻抗继电器 电源侧出现很大的励磁涌流，其基波最大值可能达到变压器额定电流的6 8 倍。 经过变换后的励磁涌流流入差动继电器，可能造成保护误动。 假设电源内阻抗为零，不计合闸回路电阻和衰减非周期分量。设合闸侧电 源电压 “= 【，屑s i n ( 耐+ a )( 3 - 1 ) 式中口为空载合闸时电源的初相角，当二次侧开路的空载变压器突然合闸到 电压为的无穷大系统上时，忽略变压器漏抗压降，并令变压器一次侧绕组匝数 n = l ，则有 万d o = 玑s i n ( a * + 口) ( 3 - 2 ) 即 o = 一= 苎c o s ( 丘蟮+ 口) + c ( 3 3 ) 式中积分常数c 由合闸初瞬间( t = 0 ) 的铁心剩磁o ，决定，鄄 c = 睾c o s a r + o ，( 3 - 4 ) 国 因此空载合闸的铁芯磁通为 = 一o 。c o s ( o , t + a ) + o 。c o s 口+ m ，( 3 5 ) 式中。= 巩国为对应电压的磁通幅值，在额定工况下m 。= 中。合闸 角度口一定的时候，o 的最大值在c o s ( m r + a 1 = 一l 也即国f + 口= 万时达到， 中一= o 。+ 。c o s a + o ，当口一o 时中一= 2 0 。+ 中，。最小值在c o s ( f + 口) = 1 也 即研+ 口= 2 j r 时达到，西自= - - 0 ，+ m 。c o s 口+ c i ) ，。图3 3 、3 - 4 给出了变压器 正常运行和u = 0 时合闸，变压器磁通随电压的变化曲线。 舻 “ 俩瓜 k( 3 7 ) 其中l 为二次谐波的幅值，为基波的幅值，k 为二次谐波与基波的幅值比 值的整定值，通常取0 1 5 o 2 0 左右。长期运行经验表明变压器三相励磁涌流中 二次谐波并非同时达到此整定值，故一般采用“或”门制动的方式，即三相中 有一相二次谐波含量超过此定值就闭锁差动保护，二次谐波制动原理的差动保 护以其原理简单、实用方便得到了广泛的应用，并一直延续到了微机保护中。 3 2 2 间断角原理f 5 】瑚l 间断角原理在集成电路中就已经得到了应用。它是基于励磁电流波形有较 大的间断角这一特性来区分励磁涌流和故障的。短路电流波形连续，正半周、 负半周的波宽为1 8 0 。，波形间断角b 几乎为0 。励磁涌流波形如图3 - 5 、 3 6 所示，其中图3 - 5 为对称性励磁涌流，波形不连续，出现间断，在最严重情 况下有 ， 先。= 1 2 0 。，b 面= 5 0 8 。 图3 - 6 为非对称性涌流，波形偏于时间轴一次，波形同样不连续出现间断， 最严重情况有 巳。- - - - - 15 5 4 。，岛m - - - - 8 0 。 显然，检测差动回路电流波形的& ，只可判别出是否为励磁电流，通常取 第三章变压器励磁涌流与阻抗继电器 气。= 1 4 0 。、b 。= 6 5 。，i l p 岛 6 5 。判为励磁涌流，0 j 1 4 0 。判为内 部故障时的短路电流。 分析和实践表明，在y ，d l l 或y n ，d l l 接线的变压器励磁涌流中，差动 回路中有一相电流呈对称性涌流，另两相呈非对称性涌流，其中一相为正极性， 另一相为负极性。与二次谐波制动原理相比，间断角原理利用了励磁涌流明显 的波形特征，空载合闸时能清楚的区分励磁涌流和内部故障；采用按相涌流判 别方法，在变压器内部故障时能迅速跳闸。 采用微机实现间断角原理有两个难点，一个是测量间断角的问题，另一个 就是电流互感器传变引起间断角波形畸变的问题。另外对微机保护的硬件要求 比较高。 3 2 3 波形对称原理【3 伽1 3 1 l 波形对称原理也是提取励磁涌流的波形特征，它是将微分后差流波形的前 半周和后半周进行对称性比较。设微分差流的前半周上某一点的值为f o ) ，其导 巾下 数为f 7 ( f ) 。后半周对应点的值为附+ ，其导数为f ( f + 寺) ，定义波形对称判据 式为： k ( 3 8 ) 式中k 为不对称度。连续比较半个周期的采样点，若恒成立，定义为对称； 下 否则为不对称。假定i ( f ) 与f o + 勺方向相反，则称为方向对称；相同则称为方 z 向不对称。方向不对称的波形不满足式( 3 - 8 ) 。对故障电流，判据恒成立；对 励磁涌流波形，约有1 4 周期以上的点不满足式( 3 8 ) 。波形对称原理是用不 对称度k 来区分故障和涌流。 从数字滤波的角度来分析，波形对称判据的构成实质上是差分后差电流中 偶次谐波的瞬时值( 分子) 与奇次谐波包括基波分量( 分母) 的瞬时值相比。 按判据的动作条件，输入电流中的偶次谐波为动作量，奇次谐波为制动量。与 第三章变压器励磁涌流与阻抗继电器 二次谐波制动原理相比，波形对称判据充分利用了二次谐波以上的偶次谐波分 量，提高了保护躲励磁涌流误动的能力。但该原理在实用中所面临的问题是不 对称度k 的整定依据不清晰。 波形对称原理利用短路电流波形基本对称而励磁涌流一般不对称的特点， 其表现形式有基于瞬时值，也有的采用积分模型，但它们的判据k 值一般不相等。 也有基于波形对称原理的变压器励磁涌流识别的方法，该方法利用相似系数的 基本概念，对差分后的采样电流进行分析和处理，通过比较差分电流波形的前 半波和后半波的对称度来区分变压器内部故障电流和励磁涌流，这种方法识别 快速、动作可靠抗干扰能力比较强。 3 2 4 基于小波变换的方法1 3 川 小波分析是近年来迅速发展起来的新兴数学方法。f o u r i e r 变换是一种纯频 域的分析方法，它无法反映局部时域特征在局部频域中的对应特征。对于具有 突变性质的、非稳定变化的信号，小波变换分析方法具有多分辨分析和时频局 部化特征。特别适合于边缘和峰值突变信号的处理与特征抽取。变压器励磁涌 流信号就属于上述的奇异信号。 小波理论在涌流识别方面的应用之一就是基于波形识别法的判别。对于励 磁涌流和故障电流波形采用d a u b e c h i e s 5 次小波作为母小波，在其小波分解尺度 1 的基础上，利用小波包变换进行分析。得到涌流波形与各种故障电流小波包变 换结果之间的奇异度大小方面的显著差异：涌流波形的变换结果呈现出明显的 奇异性。而各类故障波形的变换相当平缓。由此而构成判据。 用小波变换局部极大值测量间断角是小波变换的又一种新方法。该方法将 间断角的起止时刻近似看作信号边缘跳跃。采用反对称小波对暂态波形作小波 变换。得出信号边缘跳跃点在对应同一位置( x ) 的所有尺度( 2 j ) 上。都产生 相应的局部极大值，并且这些局部极大值在相邻的尺度上保持相同的符号，从 小尺度( s = 2 j 小) 到大尺度( s - - - - 2 j 大) 传递。此方法只测量间断角两侧( 边缘) 对应的局部极大值位置。因此有效地解决了由于随机噪声干扰造成a d 在零点 附近误差较大的问题。提高了测量精度且计算量较小。 还有其他一些利用小波变化的例子，不再论述。小波变换在继电保护研究 领域中有着独特的优势。不过也要认识到小波分析理论只是一种识别和提取原 第三章变压器励磁涌流与阻抗继电器 物理系统在不同状态下差别的数学工具。如果脱离了客观物理现象应用小波理 论是不科学的。另外，小波变换的计算量较传统的傅氏分析等方法增加了很多。 由此在保护算法的实时性能否得到满足的问题上仍需探讨。 3 2 5 基于变压器回路方程的算法 该方法基于变压器原副边的互感磁链平衡方程与原、副边电压关于电流、 互感磁链的方程，消去互感磁链，得到只包含原副边电压、电流的线性模型。 该模型不直接反映变压器铁芯磁通的非线性，只表达了变压器原副绕组漏感 ( 厶。、岛，) 、电阻( 吒、r 2 ) 、电压( q 、“2 ) 和电流( 、i 2 ) 间的关系， 以单相变压器为例有如下表达式( 为简明起见，设变比为1 ) ； 铲”，鲁+ r 2 如屹等( 3 - 9 ) 据此，引出两条思路： 1 ) 当变压器无故障时( i e 常运行、空载合闸、外部故障及其切除) ，式( 3 9 ) 恒等，而内部故障时式( 3 9 ) 不再成立。定义 仁圹旷r t i i - ，鲁一蜴吨鲁( 3 - l o ) 则当h 口时，变压器为内部故障，口为阈值。 2 ) 变压器在正常运行、励磁涌流、过励磁或外部短路时，绕组漏感和电阻为 恒定不变的常值，而在内部故障时却要发生变化。基于这一特性，可将绕组漏 感和电阻是否发生变化作为区分变压器内部故障的判据，为此产生了变压器保 护的参数辨识法。 该方法完全摆脱了励磁涌流和过励磁电流的困扰，实现了与差动保护迥然不 同的变压器主保护，构思新颖，原理简明。但实践中存在如下困难：变压器原、 副边绕组漏电感极难准确获得，目前尚无可行的测取方法，导致整定困难。 3 2 6 人工神经网络技术在涌流识别中的应用【1 2 】 人工神经网络是采用计算系统模拟人脑神经细胞的结构和功能，并将其应 用于工程和其他领域。它具有高度神经计算能力、极强的自适应性、容错性及 自学习能力等特点。神经网络式保护程序建立的一般过程包括： 第三章变压器励磁涌流与阻抗继电器 1 ) 神经网络输入层中节点数目和性质的确定； 2 ) 隐含层和输出层节点个数的确定； 3 ) 训练样本的确定； 4 ) 对该人工神经网络进行训练； 5 ) 对己训练过的神经网络进行检验。 神经网络在涌流识别中的应用，从原理的分布来看，主要有下面的模型，