三種電流補償方式在變壓器差動保護中的應用分析

1、摘 要 隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，特別是現(xiàn)代新材料、新工藝的發(fā)展，變壓器容量不斷增大，對變壓器保護的快速性和可靠性也提出了更高的要求。對變壓器內(nèi)部故障及勵磁涌流進行暫態(tài)仿真，有助于分析變壓器的運行狀況，改進現(xiàn)有變壓器保護的性能和發(fā)展新型的變壓保護方案。論文首先綜述了變壓器保護的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，研究了縱差保護的基本原理中不平衡電流產(chǎn)生的原因及消除辦法，分析了勵磁涌流產(chǎn)生的原因，對比研究了勵磁涌流的鑒別方案。變壓器勵磁涌流是引起變壓器差動保護誤動作的主要因素之一，所以識別勵磁涌流以及如何抑制其大小是現(xiàn)在研究變壓器勵磁涌流的關鍵。變壓器差動保護中常用三種電流補償方式分別為：Y電流相位補償方式，Y電流相位補

2、償方式和采用相電流的補償方式。文章對具有Y/接線變壓器差動保護中三種電流補償方式進行了分析比較，研究了單相、兩相和三相產(chǎn)生涌流時各種補償方式識別勵磁涌流的效果，重點分析了變壓器空載合閘時的補償情況，同時利用MATLAB仿真，對三種方式下各相差流中二次諧波含量進行了分析比較，指出相電流補償方式識別勵磁涌流的能力跟另外兩種補償方式相當。同時，分析了差流中基波和二次諧波相位差之間的變化關系，指出附加相位制動不適于在三種電流補償方式中采用，最后提出了一種新的變壓器差動保護TA配置方案來提高勵磁涌流的識別能力。關鍵詞：變壓器差動保護，勵磁涌流，相位補償，二次諧波，附加相位ABSTRACT With th

3、e development of power system, especially with the evolution of the modern material, new crafts and the larger capability of power transformers, the requirement for transformers protection becomes much stricter. Study of the features of inrush and internal faults of the transformers can help to anal

4、yze the transformers operation state, to improve existed protection performance and to develop new protection schemes. This paper firstly summarizes the present and future development trends of transformers protection and then the principle of longitudinal differential protection. Both the cause and

5、 the elimination of the unbalanced current are analyzed. The study and comparison of the excitation inrush current are mainly analyzed. Transformer inrush current is one of the main factorscausing differential transformer malfunction protection. the inrush current identification and how to curb its

6、size is the key of studying transformer inrush current. the three commonly methods for current compensation used in Transformer differential protection were: Y current phase compensation, Y current phase compensation and the use of the Current Phase compensation. This article has analyzed and compar

7、ed the three current compensation methods for transformer differential protection in Y/ wiring, various compensation methods to identify the effects of inrush current with a single-phase, a two-phase or a three-phase producing inrush current, flow at the focus of the compensation when transformer ai

8、r Closing, while using MATLAB simulation, analyzing the second harmonic in the current difference of contents under the three ways, and point out that the capacity of current compensation methods to identify inrush current is equal with two other compensation. At the same time, this paper analyzes t

9、he relations of phase difference change between fundamental and the second harmonic the, and point out that additional braking is unfit for being used in the three-phase current compensation methods. In the end, a new method transformer differential protection TA Configuration is proved to improve t

10、he identification inrush current capacity. KEY WORDS: differential transformer protection, inrush current, phase compensation, the second harmonic, additional phase 目 錄摘 要IABSTRACTII第1章 緒論21.1 課題背景及意義21.2 變壓器保護研究的現(xiàn)狀21.3 本文工作4第2章 變壓器差動保護原理的介紹62.1 引言62.2變壓器差動保護的原理62.3變壓器差動保護不平衡電流分析92.4變壓器差動保護中不平衡電流的克服

11、方法102.5結論12第3章 三種電流補償方式在變壓器差動保護中的應用分析143.1 引言143.2 變壓器勵磁涌流的介紹143.3 三種電流補償方式的介紹183.4三種電流相位補償方式的分析比較203.5 差流中基波和二次諧波相位差分析253.6 變壓器差動保護中CT配置分析273.7 結論27第4章 結論284.1 全文總結284.2 需進一步研究的工作28參 考 文 獻30附 錄32致 謝33第1章 緒論1.1 課題背景及意義電力變壓器是電力系統(tǒng)的重要組成元件之一，它的故障將對供電可靠性和系統(tǒng)的正常運行帶來嚴重的影響。同時，大型變壓器造價昂貴，一旦發(fā)生故障遭到損壞，其檢修難度大、時間長，

12、會造成很大的經(jīng)濟損失。此外，隨著超高壓遠距離輸電線路在系統(tǒng)中越來越多地投入使用，大容量變壓器相應地日益增多，特別是在單臺容量占系統(tǒng)容量比例很大的情況下，故障變壓器的切除，可能給系統(tǒng)造成很大的擾動。因此，在考慮大型變壓器繼電保護的總體配置時，除了保證其安全運行外，還要最大范圍地縮小故障的影響，特別要防止保護裝置誤動作或拒絕動作。近十年來，我國220KV及以上變壓器保護正確動作率一直徘徊在60%一85%之間，遠低于線路保護的正確動作率(99%以上)。如下表所示：表1.1 19992003年變壓器保護正確動作率統(tǒng)計年份19992000200120022003總計動作總次數(shù)20620125221420

13、61079正確動作次數(shù)138151208160158815誤動次數(shù)6749435348260拒動次數(shù)111115正確動作率/%66.9975.1282.5474.7776.21（平均）75.12造成變壓器保護拒動和誤動的原因有多方面，如管理的不足、運行維護不當、設計不合理等，但更主要的是變壓器保護在原理上存在一定的缺陷，其關鍵問題主要有兩個:一是作為變壓器主保護的差動保護在原理上存在不足之處，二是用于識別勵磁涌流的方法不十分準確。因此，要提高變壓器保護的正確動作率，其當務之急是發(fā)現(xiàn)新的保護原理和準確識別勵磁涌流的新方法。通過識別勵磁涌流的特征來減少保護元件的誤動是變壓器差動保護要研究的主要內(nèi)容

14、。準確識別勵磁涌流能夠使保護元件更可靠及時動作對電力系統(tǒng)的安全運行將起到很大的幫助作用。1.2 變壓器保護研究的現(xiàn)狀從工程應用的現(xiàn)狀來看，世界上大多數(shù)國家都將縱差動保護作為變壓器主保護的主流配置。差動保護的理論依據(jù)是基爾霍夫電流定律，用于純電路設備時，其性能優(yōu)良，如在發(fā)電機和線路中的差動保護充分體現(xiàn)了差動保護選擇性好、靈敏度高和動作速度快的優(yōu)點。但電力變壓器和電力線路不同，由于電力變壓器采用閉合鐵芯，其實質(zhì)上是一個非線性元件，這種非線性對保護是非常不利的。在變壓器運行條件復雜的情況下，過勵磁時勵磁電流可達額定電流的水平;空載合閘或變壓器外部故障被切除后電壓突然恢復時，勵磁電流的大小有時可與短路

15、電流相比擬，如此大的勵磁涌流可能足以使差動保護誤動作。因此，變壓器差動保護的主要矛盾是如何準確鑒別勵磁涌流和變壓器內(nèi)部故障。勵磁涌流是變壓器特有的電磁現(xiàn)象，正常運行時，變壓器鐵芯工作在不飽和狀態(tài)，其相對導磁率很大，變壓器的勵磁電感也很大，因而其勵磁電流很小，一般不超過變壓器額定電流的3%一5%。當變壓器空載投入時，它將受到一個階躍電壓的作用，該電壓將建立一個工作磁通使變壓器最終能穩(wěn)定運行。在磁通的建立過程中，除非合閘初相角為90°，否則將會產(chǎn)生一個附加的直流磁通，如果同時變壓器鐵芯還存在剩磁，并且剩磁的方向與附加直流磁通的方向一致，則合成后的磁通將會周期性地超越飽和磁通門檻，造成變壓

16、器鐵芯飽和。一旦鐵芯工作特性從不飽和區(qū)進入飽和區(qū)，便會出現(xiàn)數(shù)值很大的勵磁電流，此電流被稱為勵磁涌流，其值最大可達變壓器額定電流的6一8倍。在三相變壓器中，除了合閘初相角外，還有許多因素會對勵磁涌流的波形產(chǎn)生不同程度的影響，如電源電壓的大小、系統(tǒng)等值阻抗的大小和相角、變壓器三相繞組的接線方式和中性點的接地方式、三相鐵芯的結構、鐵芯硅鋼片的組裝工藝水平和鐵芯材料等等。當勵磁涌流經(jīng)過電流互感器流入差動繼電器時，將會造成差動保護誤動作。因此，如何防止勵磁涌流造成差動保護誤動作，是目前變壓器差動保護研究的主要工作之一。根據(jù)對變壓器空載合閘時的模型分析可知，在時變的過程中，合成磁通總是在鐵芯磁化曲線的飽和

17、區(qū)和非飽和區(qū)間來回變化，從而導致了勵磁涌流在非飽和區(qū)出現(xiàn)了間斷角，而在飽和區(qū)出現(xiàn)很大的數(shù)值。從仿真波形上可以看出，空載合閘時的勵磁涌流具有以下特征：1)包含有很大成份的非周期分量，往往使涌流波形偏于時間軸的一側；2)包含有大量的高次諧波，其中以二次諧波為；3)波形之間出現(xiàn)間斷，在一個周期中的間斷角為a。基于上述特點，在變壓器差動保護中采用了許多識別勵磁涌流的方法，歸納起來主要有以下幾個方面:1)諧波識別法，如利用二次諧波對差動保護進行制動；2)波形特征識別法，如間斷角原理、波形對稱原理、波形擬合原理和波形相關性分析等，后幾種方法都是以間斷角為基礎發(fā)展起來的；3)磁通特性識別法，如磁通一電流特性

18、、磁通對電流變化率一一電流特性、電壓一一磁通對電流變化率特性、勵磁電感的時間特性等等；4)等值電路法。目前國內(nèi)外研究對多的對勵磁涌流識別的影響主要在以下幾個方面：a 轉角方式對勵磁涌流識別的影響:對于三相變壓器，由于存在星角轉換的問題，需要對電流進行變換，比較傳統(tǒng)的方式是Y的轉換方式，這種方式由于兩相電流互減，可能產(chǎn)生兩個不利因素：（1） 可能產(chǎn)生對稱性的勵磁涌流（不同想別的間斷電流可能組成較完整的正弦電流），不適合采用分相制動的勵磁涌流閉鎖方式，導致空投到故障變壓器差動保護動作速度下降；(2) 由于兩相電流的互減可能將故障相的故障特征和非故障相的勵磁涌流特征混疊起來，不利于故障特征的提取，導

19、致空投到故障變壓器差動保護動作速度下降；另外一種方式是采用Y的調(diào)整方式，這種調(diào)整方式能在很大程度上保留勵磁涌流和故障電流的分相特征，有利于勵磁涌流分相判據(jù)的實現(xiàn)，可實現(xiàn)投到故障變壓器的快速動；b 分相制動和制動方式的選擇對勵磁涌流識別的影響；分相制動的勵磁涌流判據(jù)由于不受非故障相的勵磁涌流特征的影響，能夠較好的識別空投到故障變壓器的情況，但空投到正常變壓器時的涌流閉鎖能力相對制動方式有所不足，需要采取其他措施來提高躲避勵磁涌流的能力。制動的勵磁涌流判據(jù)雖然具有較強的勵磁涌流閉鎖能力，但在空投到故障變壓器的動作速度偏慢，尤其是空投到匝間故障變壓器，其動作時間可能僅為幾十毫秒，兩者時間差可能達到幾

20、十倍。此外，現(xiàn)場有錄波數(shù)據(jù)表明，制動勵磁涌流判據(jù)可能在區(qū)外轉區(qū)內(nèi)故障情況下誤閉鎖差動保護。這些差電流中含有大量的諧波成分，導致裝置誤判為勵磁涌流情況。變壓器勵磁涌流的大小與變壓器合閘相角、剩磁大小、磁飽和程度等因素有關。1.3 本文工作對于常規(guī)的三相電力變壓器，由于繞組接線組別不同造成高低壓側線電流存在相位差，從而引起變壓器差動保護回路中產(chǎn)生較大的不平衡電流，因此必須在計算差流前進行電流相位的調(diào)整。以國內(nèi)通常采用的Y0,d11接線的變壓器為例，差動保護中普遍采用兩種不同的電流相位補償方法：一種是將Y側電流通過算法轉換為與側電流相對應，稱為Y電流相位補償方式，另一種是在Y0側減去零序電流，同時將

21、側電流通過算法轉換為與Y側電流相對應，稱為Y電流相位補償方式。另外，現(xiàn)在很多文獻都提到采用未經(jīng)任何變換的相電流來進行二次諧波閉鎖。如何盡可能真實的反映涌流大小已成為提高差動保護可靠動作率的關鍵因素。本文將以國內(nèi)普遍采用的Y0,d11接線的變壓器為例，對具有Y/接線變壓器差動保護中三種電流補償方式進行了分析比較，研究了單相、兩相和三相產(chǎn)生涌流時各種補償方式識別勵磁涌流的效果，重點分析了變壓器空載合閘時的補償情況，利用MATLAB仿真，對三種方式下各相差流中二次諧波含量進行了分析比較。同時，分析了差流中基波和二次諧波相位差之間的變化關系，最后提出了一種新的變壓器差動保護TA配置方案來提高勵磁涌流的

22、識別能力。本文的主要工作：（1）變壓器差動保護原理介紹（2）三種電流相位補償方式介紹（3）三種電流相位補償方式分析比較（4）差流中基波和二次諧波相位差分析（5）根據(jù)變壓器差動保護中配置分析提出新的提高識別勵磁涌流能力的方法。第2章 變壓器差動保護原理的介紹2.1 引言眾所周知，縱差保護是一切電氣主設備的主保護，它靈敏度高、選擇性好，在變壓器保護上運用較為成功。它可以用來反映變壓器繞組的相間短路故障、中性點接地側繞組的接地故障以及引出線的相間短路故障、中性點接地側引出線的接地故障。但是變壓器縱差保護一直存在勵磁涌流難以鑒定的問題，雖然已經(jīng)有幾種較為有效的閉鎖方案，又因為超高壓輸電線路長度的增加、

23、靜止無功補償容量的增大以及變壓器硅鋼片工藝的改進、磁化特性的改善等因素，變壓器縱差保護的固有原理性矛盾更加突出。縱差保護還受到互感器采集不平衡電流的影響，在本章將研究縱差保護的基本原理、不平衡電流的產(chǎn)生及克服方案。2.2變壓器差動保護的原理圖2-1 雙繞組變壓器縱差保護的原理接線首先以如圖(2-1)所示的雙繞組單相變壓器為例介紹縱差動保護的基本原理。，為變壓器兩側的一次電流，為相應的電流互感器二次電流。，的參考方向為母線指向變壓器，電流互感器的正極性(標*號者為正極性)置于靠近母線的一側；的參考方向為變壓器指向母線，電流互感器的正極性置于靠近變壓器的一側。將電流互感器不同極性的端子相連接。差動

24、繼電器則并聯(lián)在電流互感器的二次端子上。流入差動繼電器了-的電流為 =- (2-1)稱為差電流。最基本的差動繼電器就是一個過流繼電器，電流超過動作電時繼電器即動作。因此縱差動保護的動作判據(jù)為> (2-2)式中為縱差動保護的動作電流也稱動作門檻值。=-為差電流的有效值。設變壓器的變比為 =/，忽略變壓器的損耗，正常運行和區(qū)外故障時有=。式(2-1)可進一步表示為= (2-3) 式中，、分別為兩側電流互感器的變化。若選則電流互感器的變化，使之滿足= （2-4）這樣式（2-3）就變?yōu)?（2-5）根據(jù)式(2-5)，正常運行和變壓器外部故障時，差電流為零，保護不會動作；變壓器內(nèi)部(包括變壓器與電流互

25、感器之間的引線)任何一點故障時，相當于變壓器內(nèi)部多了一個故障支路，流入差動繼電器的差電流等于故障點電流(折算到電流互感器二次側)，只要故障電流大于差動繼電器的門檻值，差動保護就會迅速動作。由此可見，縱差動保護不但能夠正確區(qū)分區(qū)內(nèi)外故障，而且不需要與其它元件保護配合，可以無延時地切除各種區(qū)內(nèi)故障，因而被廣泛地用作變壓器的主保護。式(2-4)是縱差動保護中電流互感器變比選擇的依據(jù)。 (a) 原理接線圖 （b） 電流矢量圖圖2-2 三相雙繞組變壓器縱差動保護的原理接線和電流矢量圖實際電力系統(tǒng)都是三相變壓器(或三相變壓器組)，并且通常采用Y/11的接線方式，如圖2-2(a)所示。這樣的接線方式造成了變

26、壓器兩側一次電流的相位不一致。以A相為例，有=。正常運行或區(qū)外故障時、，與、是同相的，但超前30°，如圖2-2（b）所示，若仍用單相變壓器的接線方式，兩側一次電流的相位差將導致繼電器中產(chǎn)生很大的差電流。要通過改變縱差保護的二次接線方式來消除這個電流。解決的方法實際上就是將引入差動繼電器的Y側的電流也用兩相電流差的方法，即 （2-6）式中、是流入三個差動繼電器的差電流。這樣就可以消除兩側電流相位不一致的影響。由于Y側采用了兩相電流差，相當于變壓器的變比增加了十倍，因此電流互感器變比的選擇應該滿足 （2-7）為了滿足式(2-6)，變壓器兩側電流互感器采取不同的接線方式，如圖2-2（a）所

27、示。側采用Y/Y-12的接線方式，將各相電流直接接入差動繼電器內(nèi);Y側采用Y/-11的接線方式，將兩相電流差接入差動繼電器內(nèi)。模擬式的差動保護都是采用圖2-2(a)的方式，而對于數(shù)字式差動保護，也可以將Y側的三相電流直接接入保護裝置內(nèi)，由計算機的軟件實現(xiàn)式(2-6)的功能，以簡化接線。圖2-3 三繞組變壓器總差動保護原理接線電力系統(tǒng)中常常采用三繞組變壓器。三繞組變壓器的縱差動保護原理與雙繞組變壓器是一樣的。圖2-3所示的是Y/Y/-11接線方式三繞組單相變壓器縱差動保護的接線圖，接入縱差動繼電器的差電流為 （2-8） 變壓器各側電流互感器的接線方式和變比的選擇也要參照Y/-11雙繞組變壓器的方

28、式進行調(diào)整，即側互感器用Y接線方式；兩個Y側互感器則采用接線方式。設變壓器的1-3側和2-3側的變比為和，考慮到正常運行和區(qū)外故障時變壓器各側電流滿足+=0，電流互感器變比的選擇應該滿足 (2-9)事實上，外部發(fā)生短路故障時，因為外部短路電流大，特別是暫態(tài)過程中含有非周期分量電流，使電流互感器的勵磁電流急劇增大，而呈飽和狀態(tài)使得變壓器兩側互感器的傳變特性很難保持一致，而出現(xiàn)較大的不平衡電流。因此采用帶制動特性的原理，外部短路電流越大，制動電流也越大，繼電器能夠可靠制動。一般地運用縱差保護原理能可靠地區(qū)分區(qū)內(nèi)外故障，并有相當高的靈敏度，這也是電力系統(tǒng)主元件往往采用縱差保護的原因。但對變壓器來說情

29、況有一些特殊性，在變壓器合閘時，在變壓器的一側產(chǎn)生很大的電流，使得空載電流增加到正常狀態(tài)的68倍，形成所謂的勵磁涌流，勵磁涌流屬于正常工況下的電流，保護裝置不應動作，但它卻是差電流，因此在變壓器保護中必須鑒別出勵磁涌流的狀況，防止在這種情況下保護誤動，這是變壓器保護的重點和難點所在。另外，由于縱差保護的構成原理是基于比較變壓器各側電流的大小和相位，受變壓器各側電流互感器以及諸多因素影響，變壓器在正常運行和外部故障時，其動差保護回路中有不平衡電流，使縱差保護處于不利的工作條件下。為保證變壓器縱差保護的正確靈敏動作，必須對其回路中的不平衡電流進行分析，找出產(chǎn)生的原因，采取措施予以消除。2.3變壓器

30、差動保護不平衡電流分析2.3.1 穩(wěn)態(tài)情況下的不平衡電流變壓器在正常運行時縱差保護回路中不平衡電流主要是由電流互感器、變壓器接線方式及變壓器帶負荷調(diào)壓引起。1) 由電流互感器計算變比與實際變比不同而產(chǎn)生。正常運行時變壓器各側電流的大小是不相等的。為了滿足正常運行或外部短路時流入繼電器差動回路的電流為零，則應使高、低壓兩側流入繼電器的電流相等，即高、低側電流互感器變比的比值應等于變壓器的變比。但是，實際上由于電流互感器的變比都是根據(jù)產(chǎn)品目錄選取的標準變比，而變壓器的變比是一定的，因此上述條件是不能得到滿足的，因而會產(chǎn)生不平衡電流。2) 由變壓器兩側電流相位不同而產(chǎn)生。變壓器常常采用兩側電流的相位

31、相差30°的接線方式(對雙繞組變壓器而言)。此時，如果兩側的電流互感器仍采用通常的接線方式(即均采用形接線方式)，則二次電流由于相位不同，也會在縱差保護回路產(chǎn)生不平衡電流。3) 由變壓器兩側電流互感器型號不同而產(chǎn)生。電流互感器是一個帶鐵心的元件，在變換電流的過程中，需要一定的勵磁電流，所以一次電流和二次電流的關系為: (2-10)當變壓器兩側電流互感器的型號不同時，它們的飽和特性、勵磁電流等也就不同，即使兩側電流互感器的變比符合要求，流入差動繼電器的差電流為： (2-11)差電流也不會為零，即在正常運行或外部短路時，會有不平衡電流流入差動繼電器。4)由變壓器帶負荷調(diào)整分接頭產(chǎn)生。在電

32、力系統(tǒng)中，經(jīng)常采用有載調(diào)壓變壓器，在變壓器帶負荷運行時利用改變變壓器的分接頭位置來調(diào)整系統(tǒng)的運行電壓。改變變壓器的分接頭位置，實際上就是改變變壓器的變比。如果縱差保護已經(jīng)按某一運行方式下的變壓器變比調(diào)整好，則當變壓器帶負荷調(diào)壓時，其變比會改變，此時，縱差保護就得重新進行調(diào)整才能滿足要求，但這在運行中是不可能的。因此，變壓器分接頭位置的改變，就會在差動繼電器中產(chǎn)生不平衡電流，它與電壓調(diào)節(jié)范圍有關，也隨一次電流的增大而增大，可表示為: (2-12)2.3.2 暫態(tài)情況下的不平衡電流1)由變壓器勵磁涌流產(chǎn)生變壓器的勵磁電流僅流經(jīng)變壓器接通電源的某一側，對差動回路來說，勵磁電流的存在就相當于變壓器內(nèi)部

33、故障時的短路電流。因此，它必然給縱差保護的正確工作帶來不利影響。正常情況下，變壓器的勵磁電流很小，通常只有變壓器額定電流的3%6%或更小，故縱差保護回路的不平衡電流也很小。在外部短路時由于系統(tǒng)電壓降低，勵磁電流也將減小。因此，在正常運行和外部短路時勵磁電流對縱差保護的影響常常可忽略不計。但是，在電壓突然增加的特殊情況下，比如變壓器在空載投入和外部故障切除后恢復供電的情況下，則可能出現(xiàn)很大的勵磁電流，這種暫態(tài)過程中出現(xiàn)的變壓器勵磁電流通常稱勵磁涌流。2)由變壓器外部故障暫態(tài)穿越性短路電流產(chǎn)生縱差保護是瞬動保護，它是在一次系統(tǒng)短路暫態(tài)過程中發(fā)出跳閘脈沖。因此，必須考慮外部故障暫態(tài)過程的不平衡電流對

34、它的影響。在變壓器外部故障的暫態(tài)過程中，一次系統(tǒng)的短路電流含有非周期分量，它對時間的變化率很小，很難變換到二次側，而主要成為互感器的勵磁電流，從而使互感器的鐵心更加飽和。本來按10%誤差曲線選擇的電流互感器在變壓器穩(wěn)態(tài)外部短路時，就會處于飽和狀態(tài)，再加上非周期分量的作用，則鐵心將嚴重飽和。因而，電流互感器的二次電流的誤差更大，暫態(tài)過程中的不平衡電流也將更大。2.4變壓器差動保護中不平衡電流的克服方法從上面的分析可知，構成縱差保護時，如不采取適當?shù)拇胧?，流入差動繼電器的不平衡電流將很大，按躲開變壓器外部故障時出現(xiàn)的最大不平衡電流整定的縱差保護定值也將很大，保護的靈敏度會很低。若再考慮勵磁涌流的影

35、響，保護將無法工作。因此，如何克服不平衡電流，并消除它對保護的影響，提高保護的靈敏度，就成為縱差保護的中心問題。1)由電流互感器變比產(chǎn)生的不平衡電流的克服方法對于由電流互感器計算變比與實際變比不同而產(chǎn)生的不平衡電流可采用2種方法來克服:一是采用自耦變流器進行補償。通常在變壓器一側電流互感器(對三繞組變壓器應在兩側)裝設自耦變流器，將LH輸出端接到變流器的輸入端，當改變自耦變流器的變比時，可以使變流器的輸出電流等于未裝設變流器的LH的二次電流，從而使流入差動繼電器的電流為零或接近為零。二是利用中間變流器的平衡線圈進行磁補償。通常在中間變流器的鐵心上繞有主線圈即差動線圈，接入差動電流，另外還繞一個

36、平衡線圈和一個二次線圈，接入二次電流較小的一側。適當選擇平衡線圈的匝數(shù)，使平衡線圈產(chǎn)生的磁勢能完全抵消差動線圈產(chǎn)生的磁勢，則在二次線圈里就不會感應電勢，因而差動繼電器中也沒有電流流過。采用這種方法時，按公式計算出的平衡線圈的匝數(shù)一般不是整數(shù)，但實際上平衡線圈只能按整數(shù)進行選擇，因此還會有一殘余的不平衡電流存在，這在進行縱差保護定值整定計算時應該予以考慮。目前微機繼電保護已被廣泛應用，對于變壓器縱差保護中由電流互感器計算變比與實際變比不同而產(chǎn)生的不平衡電流可以通過軟件補償，也可采用在模數(shù)變換(VFC)板上直接調(diào)整變壓器各側電流的硬件調(diào)整平衡系數(shù)的方法，把各側的額定電流都調(diào)整到保護裝置的額定工作電

37、流(5A或1A)，這類似于整流型保護調(diào)整平衡繞組的方法。2)由變壓器兩側電流相位不同而產(chǎn)生的不平衡電流的克服方法對于由變壓器兩側電流相位不同而產(chǎn)生的不平衡電流可以通過改變LH接線方式的方法(也稱相位補償法)來克服。對于變壓器Y形接線側，其LH采用形接線，而變壓器形接線側，其LH采用Y形接線，則兩側LH二次側輸出電流相位剛好同相。但當LH采用上述連接方式后，在LH接成形側的差動一臂中，電流又增大了3倍，此時為保證在正常運行及外部故障情況下差動回路中沒有電流，就必須將該側LH的變比擴大3倍，以減小二次電流，使之與另一側的電流相等，故此時選擇LH變比的條件是: (2-13)在采用微機保護的變壓器中，

38、變壓器各側LH均可接成Y形，因相位不同而產(chǎn)生的不平衡電流可以通過軟件進行相位校正。3)由電流互感器型號不同和由變壓器帶負荷調(diào)整分接頭而產(chǎn)生的不平衡電流的克服方法該不平衡電流均可在變壓器縱差保護定值整定計算中予以考慮。在穩(wěn)態(tài)情況下，為整定變壓器縱差保護所采用的最大不平衡電流可由下式確定: (2-14)式中:tx為LH的同型系數(shù)，當LH型號相同時取0.5，不同時取1.0；U為變壓器帶負荷調(diào)壓引起的相對誤差，一般采用變壓器調(diào)壓范圍的一半；fza為平衡線圈整定匝數(shù)與計算匝數(shù)不等而產(chǎn)生的相對誤差。4)由變壓器外部故障暫態(tài)穿越性短路電流產(chǎn)生的不平衡電流的克服方法在變壓器外部故障的暫態(tài)過程中，使縱差保護產(chǎn)生

39、不平衡電流的主要原因是一次系統(tǒng)的短路電流所包含的非周期分量，為消除它對變壓器縱差保護的影響，廣泛采用具有不同特性的差動繼電器。a 采用帶速飽和變流器和帶加強型速飽和變流器的差動繼電器。采用帶速飽和變流器的差動繼電器是克服暫態(tài)過程中非周期分量影響的有效方法之一。根據(jù)速飽和變流器的磁化曲線可以看出，周期分量很容易通過速飽和變流器變換到二次側，而非周期分量不容易通過速飽和變流器變換到二次側。因此，當一次線圈中通過暫態(tài)不平衡電流時，它在二次側感應的電勢很小，此時流入差動繼電器的電流很小，差動繼電器不會動作。加強型速飽和變流器是由一個帶有2個短路線圈的速飽和變流器和1個作為執(zhí)行元件的電流繼電器組成。速飽

40、和變流器的磁導體是一個三柱鐵心，2個短路線圈分別繞在中間柱和左側邊柱上，其極性的連接是使它們所產(chǎn)生的磁通在鐵心柱中同方向相加，使變流器更容易飽和，從而使分周期分量更不容易通過變流器變換到二次側，加強了繼電器避越非周期分量的作用。b 采用具有磁力制動特性的差動繼電器。這種差動繼電器是在速飽和變流器的基礎上，增加一組制動線圈，利用外部故障時的短路電流來實現(xiàn)制動，使繼電器的起動電流隨制動電流的增加而增加，它能可靠地躲開變壓器外部短路時的不平衡電流，并提高變壓器內(nèi)部故障時的靈敏度。具有磁力制動特性的差動繼電器的主要元件是一個三鐵心柱的速飽和變流器，它共有6個線圈，即:2個制動線圈、1個工作線圈、1個平

41、衡線圈、2個二次線圈。其中制動線圈通常接于變壓器無電源一側或小電源一側的差動臂上，工作線圈接于差動回路中。當制動線圈中沒有電流時，能使執(zhí)行元件動作的工作線圈中的電流為繼電器的最小啟動電流。當制動線圈中有電流后，它將在鐵心的2個邊柱上產(chǎn)生磁通，使鐵心飽和，導磁率下降。此時要使執(zhí)行元件動作，必須增大工作線圈中的電流，因此，繼電器的啟動電流隨著制動電流的增大而增大。通過正確的定值整定，可以使繼電器的實際啟動電流不論在任何大小的外部短路電流的作用下均大于相應的不平衡電流，使變壓器縱差保護能可靠躲過變壓器外部短路時的不平衡電流。這種具有制動特性的差動繼電器雖然整定計算和調(diào)試都比較復雜，但由于它的優(yōu)點顯著

42、，在變壓器的縱差保護中得到了廣泛的應用。2.5結論在本章中簡要介紹了縱差保護的基本原理，詳細介紹了影響縱差保護的不平衡電流產(chǎn)生的主要原因，以及解決不平衡電流的部分方法。由于勵磁涌流產(chǎn)生的不平衡電流仍然是縱差保護的重點。勵磁涌流的影響導致縱差保護方案的設計也不盡相同，具體將在第三章進行分析。第3章 三種電流補償方式在變壓器差動保護中的應用分析3.1 引言近年來，我國的超高壓、大容量電力變壓器不斷投產(chǎn)，遠距離輸電系統(tǒng)越來越多地建成、運行，電力工業(yè)已有了可喜的發(fā)展。但是，國內(nèi)變壓器保護的發(fā)展卻遠遠落后，其保護正確動作率長期偏低。造成這一結果的原因有管理上的不足，有當前工作人員的素質(zhì)問題(設計、制造、

43、整定調(diào)試、運行維護諸方面的失誤)，但最主要的是由于電力變壓器繼電保護技術上的缺陷?？v差保護一直是電力變壓器的主保護，其理論根據(jù)是基爾霍夫電流定律，對于純電路設備，縱差保護無懈可擊。所以，在發(fā)電機和線路保護的應用中，縱差保護寫下了輝煌的一頁，充分體現(xiàn)了縱差保護的明確選擇性、高靈敏度和高速動性。但是，對于變壓器而言，由于內(nèi)部磁路的聯(lián)系，本質(zhì)上不再滿足基爾霍夫電流定律，變壓器勵磁電流成了縱差保護不平衡電流的一種來源。然而，大型電力變壓器正常運行時的勵磁電流通常低于額定電流的1%，所以適當設定縱差保護動作值仍可準確區(qū)分變壓器內(nèi)部故障與外部故障。但是，電力變壓器運行條件復雜，過勵磁時勵磁電流可達額定電流

44、的水平，空載合閘或者變壓器外部短路被突然切除而端電壓突然恢復時，暫態(tài)勵磁電流(即勵磁涌流)的大小有時可與短路電流相比擬。這樣大的不平衡電流必然導致縱差保護誤動，為此，變壓器縱差保護的主要矛盾一直集中在準確鑒別勵磁涌流和內(nèi)部故障電流上。圍繞這一主題，世界各國的科技工作者先后提出了許多方法，但仍不能很好地滿足當前電力變壓器保護的需求可靠(不拒動)、安全(不誤動)及快的動作速度。文中對各種判別方法的原理、優(yōu)缺點、技術關鍵及研究和應用現(xiàn)狀進行了較詳細的分析與客觀評價，對比研究后給出了今后勵磁涌流判別方法的發(fā)展方向。對于常規(guī)的三相電力變壓器，由于繞組接線組別不同造成高低壓側線電流存在相位差，從而引起變壓

45、器差動保護回路中產(chǎn)生較大的不平衡電流，因此必須在計算差流前進行電流相位的調(diào)整。以國內(nèi)通常采用的Y0,d11接線的變壓器為例，差動保護中普遍采用兩種不同的電流相位補償方法：一種是將Y側電流通過算法轉換為與側電流相對應，稱為Y電流相位補償方式，另一種是在Y0側減去零序電流，同時將側電流通過算法轉換為與Y側電流相對應，稱為Y電流相位補償方式。另外，現(xiàn)在很多文獻都提到采用未經(jīng)任何變換的相電流來進行二次諧波閉鎖。如何盡可能真實的反映涌流大小已成為提高差動保護可靠動作率的關鍵因素。本文將以國內(nèi)普遍采用的Y0,d11接線的變壓器為例，通過詳細分析涌流情況，分析比較三種方式識別涌流的能力，并對差流中基波和二次

46、諧波相位差進行詳細討論，提出了在變壓器三角形側適當進行CT配置從而提高識別勵磁涌流能力的思想。3.2 變壓器勵磁涌流的介紹3.2.1 勵磁涌流的產(chǎn)生及特點電力變壓器正常運行時，用于建立磁場的勵磁電流很小，通常只占到其額定電流的38%，對于大型變壓器甚至不到1%。變壓器在空載合閘或外部故障切除后恢復供電時，由于變壓器剩磁的存在以及磁通的暫態(tài)特性，通過鐵心的磁通量超過飽和磁通，造成變壓器鐵心的飽和，致使勵磁電流顯著增加而產(chǎn)生勵磁涌流。由于變壓器鐵芯飽和的非線性 ,變壓器空載合閘時、區(qū)外故障切除再恢復等狀態(tài)下可能產(chǎn)生與短路電流可比擬的暫態(tài)勵磁涌流。由于剩磁等因素影響 ,勵磁電流中可能有直流分量 ,它

47、保護偏于時間軸的一側 ,勵磁電流偏于時間軸一側的這一特點使磁通對勵磁電流變化的磁滯回線不與坐標原點相對稱 ,因此 ,勵磁阻抗在勵磁電流正、負半周是不對稱的 ,這就意味著勵磁電流含有一定分量的偶次諧波分量。但若沒有直流分量 ,磁通中隨勵磁電流變化的磁滯回線對坐標原點相對稱 ,即使勵磁進入飽和區(qū) ,勵磁電流的波形也因出現(xiàn)一定分量的奇次諧波分量而發(fā)生畸變。勵磁涌流是導致變壓器電流差動保護誤動作的主要因素。一般而言，變壓器勵磁涌流具有以下幾個顯著特征：1）勵磁涌流數(shù)值很大，最大可達變壓器額定電流的68倍；2）勵磁涌流包含有很大成分的非周期分量，波形呈尖頂波形且偏于時間軸的一側；3）勵磁涌流包含有大量的

48、高次諧波，而以二次諧波為主；4）勵磁涌流相鄰波形是不連續(xù)的，因而波形之間出現(xiàn)了間斷角。由于勵磁涌流的存在，使變壓器差動回路產(chǎn)生很大的不平衡電流，常常導致縱差保護的誤動作，給變壓器縱差保護的實現(xiàn)帶來困難。3.2.2 勵磁涌流對變壓器差動保護的影響由前面的分析可知，變壓器差動保護出現(xiàn)不平衡電流的原因是多方面的，而其中以變壓器空載合閘時或者當外部短路故障被切除后電壓恢復時所產(chǎn)生的勵磁涌流的影響最為嚴重。這是由于一方面勵磁涌流的大小將達到變壓器額定電流的幾倍甚至近十倍；另一方面勵磁涌流只流過變壓器的電源側，而負荷側因開路并沒有電流。勵磁涌流將流入縱差保護的差動回路，若差動保護不能夠躲過這一電流，它就會

49、誤動作。因此，當前變壓器差動保護的核心問題是如何正確地識別勵磁涌流和內(nèi)部故障電流。由于變壓器保護的重要性和勵磁涌流的復雜性，促使了對勵磁涌流問題的不斷研究。目前已有多種識別勵磁涌流的方法。利用變壓器的電流量識別勵磁涌流與內(nèi)部故障電流的傳統(tǒng)方案有二次諧波制動原理和間斷角閉鎖原理。二次諧波制動原理的變壓器差動保護，往往采用或門制動方式，即某一相電流的二次諧波含量超過門檻值，就閉鎖三相。這種方式帶來的問題是合閘于內(nèi)部故障時，差動保護因健全相的涌流制動而拒動或長延時動作。另一方面，在超高壓電力系統(tǒng)中，由于長輸電線（或電纜）分布電容以及串補電容的影響，某些故障電流中的二次諧波含量也很大，使得采用二次諧波

50、制動原理的保護長延時出口。間斷角原理的優(yōu)點是能夠快速切除合閘于內(nèi)部故障。但是，在電流互感器（TA）因飽和使傳變間斷角消失的情況下，必須采取某些措施來恢復間斷角，增加了保護的復雜性。同時由于TA特性的非線性，要精確恢復間斷角存在困難。近年來，國內(nèi)外學者提出了很多同時利用變壓器的電流量和電壓量鑒別勵磁涌流的新原理和新方法，如磁通特性鑒別法、等值電路參數(shù)鑒別法等，這些原理需要對變壓器的某些參數(shù)作人為的假設，其應用前景取決于理論上的進一步突破。因此，進一步探索快速、準確地區(qū)分變壓器勵磁涌流和內(nèi)部故障電流的新原理，對提高變壓器差動保護的性能是十分必要的。3.2.3 幾種鑒別勵磁涌流的原理及其缺陷3.2.

51、3.1 電流波形特征識別法電流波形特征識別法一直是人們研究的熱點，目前仍占據(jù)主流。該方法以勵磁涌流和內(nèi)部故障電流波形特征的差異為依據(jù)己運用于實踐的有二次諧波制動原理和間斷角原理。新近提出的有采樣值差動原理、波形對稱原理、波形疊加原理、波形相關性分析法和波形擬合法，其中采樣值差動原理是間斷角原理的衍生，波形對稱原理是間斷角原理的改進，而波形疊加原理波形相關性分析法和波形擬合法則是波形對稱原理的衍生或改進。另外隨著人們研究領域的逐步擴大，研究層次的逐漸加深，產(chǎn)生的若干新興學科也為判別勵磁涌流提供了新的手段，其中有代表性的是神經(jīng)網(wǎng)絡和小波變換。然而就目前發(fā)表的文獻看，這些新興手段也只是局限于對電流波

52、形進行一些簡單的加工，所以仍屬于電流波形特征識別法的范疇。1） 二次諧波制動原理二次諧波制動法是計算差流中的二次諧波分量。若其值較大則判定為涌流二次諧波制動原理簡單明了，有多年的運行經(jīng)驗。目前國內(nèi)外實際投入運行的微機變壓器保護大都采用該原理。但是采用二次諧波制動原理的變壓器保護面臨著以下幾個問題:a勵磁涌流是暫態(tài)電流，不適合用傅里葉級數(shù)的諧波分析方法.因為對于暫態(tài)信號而言，傅里葉級數(shù)法的周期延拓將導致錯誤的結果。b很難適當選擇制動比K.美國西屋公司的制動比為7.0%一7.5%，但ABB取10%，我國和大部分國家則取巧%一20%。誰更科學較難評判。c現(xiàn)代變壓器磁特性的變化，使得涌流時二次諧波含量

53、低，導致誤動;而大容量變壓器，遠距離輸電的發(fā)展，使得內(nèi)部故障時暫態(tài)電流產(chǎn)生較大的二次諧波，導致拒動。2） 間斷角原理間斷角原理利用了涌流波形有較大間斷角的特征，通過檢測差流間斷角的大小實現(xiàn)鑒別涌流的目的。該原理的模擬式保護裝置已得到應用，但面臨著因電流互感器傳變引起的間斷角變形問題。當電流互感器飽和時，在涌流的間斷角區(qū)域將產(chǎn)生反向電流，電流互感器飽和越嚴重則反向電流越大，最終使得涌流間斷角消失。對于內(nèi)部故障電流而言，電流互感器飽和將導致差流的間斷角增大，而且電流互感器飽和越嚴重，其差流間斷角越大。前者將使得變壓器發(fā)生涌流時差動保護誤動，后者將使得變壓器內(nèi)部故障時差動保護拒動。此外，用微機實現(xiàn)間

54、斷角原理時硬件成本高。主要表現(xiàn)在以下幾個方面:a 需要較高的采樣率以準確測量間斷角。結果對CUP:的計算速度提出了更高的要求。b 涌流間斷角處的電流非常小，幾乎接近于O。而A/D轉換芯片正好在零點附近的轉換誤差最大。因此，需要高分辨率的AD/轉換芯片。3） 波形對稱原理波形對稱原理是利用差電流導數(shù)的前半波與后半波進行對稱比較。根據(jù)比較的結果去判斷是否發(fā)生了勵磁涌流。該原理基于對勵磁涌流導數(shù)波寬及間斷角的分析，是間斷角原理的推廣，且比間斷角原理容易實現(xiàn)。但是涌流波形與許多因素有關，具有不確定性、多樣性，如果州直取得太大，保護可能誤動;而故障電流也并非總是正弦波。實際系統(tǒng)中必須考慮故障情況的多樣性

55、和故障波形的復雜性。當系統(tǒng)有分布電容較大的電纜線路存在時，故障波形中就含有大量的諧波，此時如果比較閾值選得太小，保護就有可能拒動，而且電流互感器飽和必將引起差流變形。.2 小波變換法20世紀80年代后期發(fā)展起來的小波變換在時、頻兩域都具有表征信號局部特征的能力，被譽為分析信號的數(shù)學顯微鏡，非常適合于非平穩(wěn)信號的分析，克服了傅里葉變換只能適應穩(wěn)態(tài)或準穩(wěn)態(tài)信號分析、時域完全無局部性的缺點，可以準確地提取信號的特征。所以，小波變換的出現(xiàn)立刻引起了科技界時、頻分析方法的新革命，當然也為勵磁涌流和內(nèi)部故障電流的判別帶來了福音。自從小波變換的妙用被繼電保護工作者認識以來，就前仆后繼地涌現(xiàn)出一大批從事勵磁涌

56、流判別的科研人員，都試圖通過小波變換徹底解決100年前留給我們的技術難題變壓器勵磁涌流與內(nèi)部故障的判別。目前，小波變換在此方面的應用研究如火如茶，但一直以來主要集中于高次諧波檢測和奇異點檢測。此外并未發(fā)現(xiàn)大的突破。實際上，兩者都是間斷角原理的一種推廣，高頻檢測反映的是差流狀態(tài)突變產(chǎn)生的高次諧波，高頻細節(jié)出現(xiàn)的位置對應于變壓器飽和、退飽和時刻或故障發(fā)生時刻。若差流的高頻細節(jié)突變周期出現(xiàn)，則為勵磁涌流;若出現(xiàn)一次后便很快衰減為0，則為內(nèi)部故障。奇異點檢測利用了小波變換模極大值原理，檢測的是差流狀態(tài)突變而產(chǎn)生的第2類間斷點，奇異點與涌流間斷角相對應。但是，對微機保護來講，獲得高頻分量勢必需要提高采樣頻率，從而增加了技術難度和成本，而且可能會受到系統(tǒng)諧波的影響，能否經(jīng)受住環(huán)境高頻噪聲的考驗，有待進一步研究。另外，如何正確檢測模值亦是一個難題。神經(jīng)網(wǎng)絡方法人工神經(jīng)