和应涌流条件下变压器差动保护动作特性分析毕业论文说明书(编辑修改稿)

和应涌流条件下变压器差动保护动作特性分析毕业论文说明书(编辑修改稿)内容摘要：

I239。 = I2/ n ，则当正常运行或变压器外部故障时，有下TA式成立 () 2139。 239。 1TAII忽略变压器的损耗，正常运行和区外故障时一次电流的关系为 I +n I =0,根据2T1式()，正常运行和变压器外部故障时，差动电流为零，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，相当于变压器内部多了一个故障支路，流入差动继电器的差动电流等于故障点电流（变换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。 因此，式（）变为变压器纵差动保护中电流互感器变比选择的依据。 由此可见，变压器差动保护的保护范围是变压器各侧电流互感器所包围的区域，理想情况下，当且仅当该区域发生短路故障时，继电保护才动作，而正常运行或区外故障时保护可靠不动作。 但实际上变压器差动保护由于其自身的特点，在实现时需要考虑差动回路中存在不平衡电流的问题：(1)电流互感器不同型产生的不平衡电流。 变压器有两个及更多电压等级,构成差动保护所用的电流互感器的额定参数各不相同，它们的饱和特性和励磁电流（归算到同一侧）也都是不同的。 因此，在变压器的差动保护中将引起较大的稳态不平衡电流。 在外部短路时，这种不平衡电流可能会很大。 (2)由于电流互感器选用的是定型产品，而定型产品的变比都是标准化的，7这就会出现电流互感器的计算变比与实际变比不完全相符的问题，以至在差动回路中产生不平衡电流。 (3)电力系统中常用带负荷调整变压器分接头的方法来调整系统的电压。 调整分接头实际上就是改变变压器的变比，其结果必将破坏电流互感器二次电流的平衡关系，产生了新的不平衡电流。 (4)变压器两侧三相的接线方式不尽相同，所以其两侧的电流相位也可能不一致，从而产生不平衡电流。 (5)变压器的励磁电流（励磁涌流）产生的不平衡电流。 因此，变压器差动保护的动作判据为 ()max1bpjniI式中： I jbpmax为差动保护的最大不平衡电流。 上述变压器差动保护中不平衡电流的第一项可通过合适的差动保护整定值来躲开；对微机保护来说，第二、三、四项不平衡电流可通过合适的软件设置来消除其影响。 而最后一项，即励磁电流是不能通过物理手段或整定值消去的。 这是因为变压器差动保护的范围不仅包含变压器各侧的绕组，还包含变压器的铁芯，即变压器差动保护内不仅有电路还有磁路，这就违反了差动保护的理论依据—基尔霍夫电流定律。 假设被保护的变压器有 n 个绕组和一个公共铁芯，即有 n条电路和一条公共磁路，则有： Ii=Ie,其中 Ii为流入变压器各端子的1ni电流相量，I e为变压器的励磁电流。 如果认为其它不平衡电流已经有效的消除或躲开，那么 Ie就成了变压器差动回路中的不平衡电流，即流入变压器的各端子电流相量之和等于变压器的励磁电流。 当变压器及所在的系统正常运行时，励磁电流很小，一般不超过变压器额定电流的 3%~5%，外部故障时，由于电压降低，励磁电流也相应减小，其影响就更小。 因此，正常励磁电流引起的不平衡电流影响不大，可以忽略不计。 但是当变压器空载投入和外部故障切除后电压恢复时，可能会出现很大的暂态励磁电流，其值可达额定电流的 6~8 倍，而且持续时间长。 因此，励磁涌流将在差动回路中引起很大的不平衡电流，可能导致变压器差动保护误动跳闸或延迟动作。 2．3 变压器差动保护发展现状差动保护是变压器内部故障的主保护，差动保护原理的提出是建立在严格的基尔霍夫电流定律（KCL）基础上的，差动保护在线路和发电机上应用的比8较成功，因为它们严格满足 KCL 定律，但是作为变压器内部故障的主保护，差动保护面临着新的问题。 从电路上看变压器一次绕组和二次绕组并非是一个节点，变压器差动保护原理是建立在变压器稳态磁路平衡基础上的，是差动保护原理的一种拓展，在暂态过程中这种平衡关系将被打破，只有等到暂态过程结束后，这种原先的平衡关系才能重新建立。 因此需要检测这种暂态过程，避免变压器差动保护在此暂态过程中的误动。 无论是传统的模拟式保护，还是目前普遍应用的数字式保护，变压器差动保护在实施中主要需要解决两个问题：一是鉴别励磁涌流和故障电流；二是区分外部故障和内部故障。 长期的运行经验表明，变压器差动保护在一定程度上能够较好地区分内部故障和外部故障，但在励磁涌流和故障电流的鉴别上还存在一定的不足。 因此当前变压器差动保护的主要矛盾仍然集中在励磁涌流和故障电流的鉴别上。 近十多年来，国内外学者一直致力于变压器继电保护的研究，提出了许多判别励磁涌流的新原理和新方法。 2．3．1 变压器差动保护几种判别原理简述1. 二次谐波制动原理二次谐波制动原理，国外在七十年代就提出了，并于八十年代开始投入实际应用中。 试验表明，励磁涌流中含有的谐波分量中，二次谐波分量最高。 对单相变压器而言，谐波分量可以达到 20%以上，而三相变压器，也必然有一项或者两相可以达到 20%。 因此该判别方法由此将差动电流中的二次谐波分量 Id2和基波分量 Id1的比值 K 作为鉴别故障电流和励磁涌流的依据。 表达式为：Id2/Id1K式中：I dI d2分别是差流中的基波和二次谐波幅值；K—二次谐波制动系数，常取值为 ~。 二次谐波制动法简单，软硬件设计也较容易。 另外，因为经过 CT 传变以后的二次涌流中，偶次谐波的比例会有所增大，所以用这种方法有利于保证差动保护在励磁涌流中不误动。 由于以上的原因，二次谐波制动是目前为止在变压器微机保护中应用最广泛的励磁涌流判别方法。 Siemens、ABB 和 GE 公司都研制生产了采用该判据的变压器保护装置。 但是随着电力系统电压等级的提高以及单台变压器容量的增大，采用二次谐波制动原理的变压器保护在实际运行中，却不得不面临以下的问题：9(1)在微机保护中广泛使用基于傅氏级数的谐波分析方法，从严格意义上讲，该方法只适用于稳态交流分量的分析，而励磁涌流是暂态电流，其中含有较大的衰减直流分量，将衰减的直流分量在时间轴上截断并进行周期延拓，会导致产生离散的幅度谱，混叠到周期信号的频谱中，影响二次谐波分量的大小，甚至导致误判。 (2)二次谐波制动比常取为 15%—17%，但是，随着电网电压等级的提高和规模的扩大以及变压器单台容量的增大，大型变压器内部严重故障时，由于谐波使短路电流中谐波含量增加，基于二次谐波制动原理的差动保护延时动作，特别是对变压器端部接长线的情况更是如此；另外，15%—17%的制动比是按照一般饱和磁通为 倍额定磁通幅值时合闸涌流的大小来考虑的。 但现代变压器的饱和磁通倍数经常在 到 甚至更低，在此情况下涌流的最小二次谐波含量有可能低至 10%以下，从而导致变压器差动保护误动。 二次谐波制动比应该如何选择才更科学。 (3)对于二次谐波制动原理，通常采用一相制动三相的方案，即三相差流中有一相差流的二次谐波含量超过定值就闭锁整个差动保护，可以保证保护在励磁涌流情况的不误动和内部故障情况下的正确动作。 然而对于带有潜在内部故障的三相变压器，如绕组发生匝间短路，当变压器空载合闸时，一相为故障电流，另两相为励磁涌流，其结果是差动保护被二次谐波制动而不能快速动作，由于大型变压器励磁涌流衰减较慢，导致差动保护被长时间闭锁。 即使采用综合相制动方案，也会存在一定的延时。 2. 间断角闭锁原理 间断角闭锁原理的变压器差动保护率先由我国于 60 年代提出并制成样机 [14]，其模拟式保护装置已经得到广泛应用。 间断角闭锁原理是利用励磁涌流波形具有较大的间断而短路电流波形连续变化不间断的特征作为鉴别判据。 该方法简单直接，但它是以精确测量间断角为基础，如遇到 TA 暂态饱和传变会使涌流二次侧间断角发生畸变，有时会消失，必须采取某些措施来恢复间断角，但这却增加了保护硬件的复杂性；同时间断角原理还要受到采样率、采样精度的影响及硬件的限制，因此该原理在实际数字差动保护中的应用效果并不十分的理想。 间断角闭锁原理的变压器差动保护采用如下判据：当差流的间断角大于10650时，判别为励磁涌流，此时立即闭锁比率差动继电器，以防止其在变压器空载合闸和外部故障切除电压恢复过程中误动；当间断角小于 650且波宽大于1400时，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。 间断角闭锁原理的变压器差动保护与二次谐波制动原理的差动保护相比，有如下显著特点：（1）一般采用按相闭锁的方式，某一相符合间断角涌流闭锁条件则闭锁该相比率差动元件，在变压器各种内部故障时能迅速动作于跳闸；（2）具备较高的抗变压器过励磁能力，只有在过励磁倍数达到 倍以上时，比率差动保护才有可能误动，所以一般不需要附设变压器过励磁时差动保护的闭锁判据。 而二次谐波制动的比率差动保护必须附设其他过励磁闭锁判据（如五次谐波制动判据）。 用数字技术来实现间断角闭锁原理时有两个难点：一个是准确测量间断角的问题；另一个是 TA 传变引起的间断角波形变形的问题。 间断角闭锁原理对采样率的要求较高，一般为了准确测量间断角，采样率至少为 72点/周，如此高的采样率对硬件提出了更高的要求。 涌流间断角处电流非常小，几乎接近于零，而 A/D 转换芯片正好在零点附近的转换误差最大，需要高分辨率的 A/D 转换芯片。 另外更为严重的是，涌流一般偏向于时间轴的一侧，经 TA饱和传变后，由于反向电流的作用会使间断角消失，虽然可以采取一定的恢复措施，但由于变压器铁芯磁特性的非线性，要准确恢复间断角是很困难的。 3. 小波变换方法 20 世纪 80 年代后期发展起来的小波变换在时、频两域都具有表征信号局部特征的能力，被誉为分析信号的数学显微镜，非常适合于非平稳信号的分析，克服了傅里叶变换只能适应稳态或准稳态信号分析、时域完全无局部性的缺点，可以准确地提取信号的特征。 所以，小波变换的出现立刻引起了科技界时、频分析方法的新革命，当然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，就前仆后继地涌现出一大批从事励磁涌流判别的科研人员，都试图通过小波变换彻底解决 100 年前留给我们的技术难题—变压器励磁涌流与内部故障的判别。 目前，小波变换在此方面的应用研究如火如荼，但一直以来主要集中于高次谐波检测和奇异点检测，此外并未发现大的突破。 实际上，两者都是间断角原理的一种推广，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、退饱和时刻或故障发生时刻。 若差流的高频细11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原理，检测的是差流状态突变而产生的第 2 类间断点，奇异点与涌流间断角相对应。 但是，对微机保护来讲，获得高频分量势必需要提高采样频率，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，能否经受住环境高频噪声的考验，有待进一步研究。 另外，如何正确检测模值也是一个难题。 4. 波形对称原理波形对称原理是对变压器的电流波形进行分析的一种方法。 即，首先将流入继电器的差流进行微分，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。 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导数的波宽及间断角的分析，但是它比间断角原理容易实现，克服了间断角原理对微机硬件要求太高的缺点。 该方法的作者对其进行了仿真实验和动模实验，验证了其有效性，至于能否得到实际应用，尚需时间检验。 5. 等值电路法这类方法将变压器整体看成一个阻抗，通过测量端电压和端电流计算变压器的等效阻抗或者等效导纳，通过阻抗或者导纳的变化来鉴别励磁涌流。 变压器用在励磁涌流时，变压器的励磁阻抗急剧变化，而在正常运行或者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电流，算法不需要变压器参数和系统参数。 在正常情况下，变压器的励磁电流很小，对于现代大型变压器，通常要小于 1%变压器额定电流，因此，当变压器运行在磁化曲线的线性段时，励磁阻抗很大，一般以变压器额定电压和电流为基准的励磁阻抗 Zm100。 当变压器空投或区外故障切除，电压恢复正常的过程中，由于磁通不能突变，磁通中出现了非周期性的暂态分量，与铁芯剩磁一起使变压器铁芯饱和，同时由于电压是交变的，因而在一个周波内变压器铁芯周期性地进入饱和区和退出饱和区，当进入饱和区时，励磁电流的瞬时值很大，可能达到变压器额定电流的 5~10 倍甚至更大，而退出饱和区时，只有正常的励磁电流，其瞬时值很小，在涌流的间断角区内，Z m则变的相当大，因此在励磁涌流时期，Z m的最大值与最小值可能相12差几百倍甚至上千倍。 通过检测这种剧烈变化就可以进行励磁涌流的鉴别。 参考文献中提出了一种基于变压器导纳型等值电路中检测对地导纳参数变化来鉴别变压器内外部故障的方法。 原文作者在解析分析和实验观测的基础上得到如下结论：（1）铁芯线圈的漏抗近似相等，此时在变压器导纳型等值电路中，各节点的互导纳几乎与变压器的铁芯饱和无关；（2）铁芯未饱和时，各节点的对地导纳几乎为零。 当铁芯饱和时，对地导纳又与空心变压器的对地导纳几乎一致，且是一不等于零的常数。 与上述两个结论对应的有：（1）内部匝间短路时，故障绕组的对地导纳是该绕组短路匝数的一个非线性函数，且随内部故障匝数的增大而变大。 非故障绕组的导纳与故障匝数无关，仍为一接近于零的常数。 （2）涌流时高压侧绕组的对地导纳和低压侧的对地导纳都大于零，而中压侧对地导纳接近于零或略小于零（3）各绕组的互导纳与铁芯的。