畢業(yè)論文-變壓器和應(yīng)涌流識別方法研究及仿真系統(tǒng)設(shè)計

HUNANUNIVERSITY畢業(yè)論文論文題目變壓器和應(yīng)涌流識別方法研究及仿真系統(tǒng)設(shè)計學(xué)生姓名學(xué)生學(xué)號專業(yè)班級學(xué)院名稱電氣與信息工程學(xué)院指導(dǎo)老師學(xué)院院長2015年 5月25日頁緒論1.1課題的背景和意義變壓器是電力系統(tǒng)中的重要設(shè)備，對電能的可靠運輸、靈活分配以及安全使用有著及其重要的作用。變壓器運行的可靠性關(guān)系著整個電力系統(tǒng)的安全。而且電力工業(yè)的發(fā)展，促進(jìn)了變壓器單機(jī)容量的增大，對變壓器繼電保護(hù)技術(shù)提出了更高要求[1]。所以，變壓器保護(hù)裝置的正確可靠動作具有十分重要的意義。若變壓器發(fā)生故障時，保護(hù)裝置拒動或者超出要求時間才動作，可能造成變壓器的損壞甚至燒毀；若變壓器沒有發(fā)生故障時，保護(hù)裝置誤動，又會造成系統(tǒng)供電的中斷。但是長期以來，變壓器保護(hù)的動作正確性一直不高。造成這一現(xiàn)象的原因是復(fù)雜的，但從根本上來說，是變壓器保護(hù)在原理上存在一定缺陷。差動保護(hù)一直是作為變壓器的主保護(hù)，其理論基礎(chǔ)是基爾霍夫電流定律。但是，變壓器差動保護(hù)的正確動作率一直較低。根據(jù)文獻(xiàn)[2]～文獻(xiàn)[8]統(tǒng)計的數(shù)據(jù),2000一2006年,220kV及以上變壓器差動保護(hù)動作總次數(shù)1476次,其中正確動作次數(shù)1193次,不正確動作283次,平均正確動作率80%左右。因為差動保護(hù)能夠靈敏地區(qū)分變壓器區(qū)外故障和區(qū)內(nèi)故障，但當(dāng)變壓器空載投入和外部故障切除后電壓恢復(fù)的時候，可能會出現(xiàn)與內(nèi)部故障電流大小相近的勵磁涌流，從而導(dǎo)致差動保護(hù)誤動。因此，當(dāng)前變壓器保護(hù)的關(guān)鍵問題還是在于勵磁涌流和故障電流的鑒別。但是近年來，出現(xiàn)了多起空投變壓器導(dǎo)致相鄰變壓器差動保護(hù)和誤動現(xiàn)象[9,10]，該現(xiàn)象與變壓器和應(yīng)涌流有關(guān)。在電網(wǎng)中，鄰近的并聯(lián)或串聯(lián)變壓器之間已經(jīng)工作的變壓器由于其他變壓器的合閘，可能會產(chǎn)生涌流,這被稱為和應(yīng)涌流。由于正常運行的變壓器本身并沒有故障，并且誤動發(fā)生在相鄰變壓器空投完成一定時間之后，所以誤動原因更具有隱蔽性。國內(nèi)外許多學(xué)者對和應(yīng)涌流的產(chǎn)生機(jī)理以及它的特性做了一定研究，但目前仍沒有提出一種有效的方法能夠識別和應(yīng)涌流。1.2和應(yīng)涌流國內(nèi)外研究現(xiàn)狀國外在1941年就對和應(yīng)涌流現(xiàn)象進(jìn)行了深入的分析，并提出了二次諧波制動的方法。二次諧波制動方法是通過求差流中二次諧波的含量與基波含量的比值來判別和應(yīng)涌流與故障電流的。一般情況下，故障電流中二次諧波含量比較少，而和應(yīng)涌流中二次諧波含量比較大。二次諧波制動方法的原理簡單明了，也起到了一定的作用，但隨著現(xiàn)代變壓器制造技術(shù)的提高和制造材料的改善，飽和磁通倍數(shù)也降低了，二次諧波分量顯著減小，由此將導(dǎo)致和應(yīng)涌流產(chǎn)生過程中變壓器保護(hù)誤動。國內(nèi)對和應(yīng)涌流的研究主要根據(jù)仿真波形對其特征進(jìn)行分析，找出和應(yīng)涌流的影響因素，例如系統(tǒng)阻抗、空頭變壓器的剩磁、合閘角等，并分析了這些因素對和應(yīng)涌流的影響。也有一些學(xué)者提出了對和應(yīng)涌流的鑒別方法，如時差法、基波幅值增量法等，防止和應(yīng)涌流引起差動保護(hù)誤動作。雖然目前國內(nèi)外對變壓器和應(yīng)涌流已經(jīng)做了一定研究，并提出了一些防范和鑒別措施，但在實際系統(tǒng)中多臺變壓器串并聯(lián)的情況下，仍然沒有有效的措施防止和應(yīng)涌流引起的變壓器保護(hù)誤動作。因此，我們有必要加速對變壓器和應(yīng)涌流問題的研究，提出更為完善有效的鑒別和防止誤動的措施。1.3本文的主要工作針對變壓器和應(yīng)涌流對差動保護(hù)的影響，本文主要做的工作有：1.對變壓器和應(yīng)涌流的產(chǎn)生機(jī)理以及特征進(jìn)行闡述分析。2.在MATLAB中建立并聯(lián)變壓器和應(yīng)涌流仿真模型。3.初步分析系統(tǒng)阻抗、變壓器剩磁等因素對變壓器和應(yīng)涌流的影響，并利用仿真模型逐一對其分析得出比較圖，驗證其對和應(yīng)涌流的影響。4.對基波幅值增量法進(jìn)行分析，并用MATLAB對其仿真，驗證其鑒別和應(yīng)涌流與故障電流的可行性。第二章變壓器和應(yīng)涌流產(chǎn)生機(jī)理2.1和應(yīng)涌流現(xiàn)象電力系統(tǒng)中存在很多并聯(lián)或串聯(lián)運行的變壓器和發(fā)電機(jī)變壓器組，空載變壓器在投運過程中會在相鄰的并聯(lián)或串聯(lián)變壓器中產(chǎn)生和應(yīng)涌流，這稱為和應(yīng)涌流現(xiàn)象[11]。和應(yīng)涌流在空載變壓器合閘產(chǎn)生勵磁涌流并持續(xù)一段時間之后才產(chǎn)生，幅值可達(dá)到額定電流的數(shù)倍，偏向于時間軸的一側(cè)，然后逐漸增大，達(dá)到最大值之后再逐漸減小。和應(yīng)涌流出現(xiàn)的時候，并聯(lián)運行的變壓器之間相互作用，使得涌流的衰減過程比單個變壓器合閘時要慢得多。這可能會影響變壓器的差動保護(hù)和后備保護(hù)誤動作。因此，對和應(yīng)涌流進(jìn)行研究分析是必要的。和應(yīng)涌流的產(chǎn)生可大致分為變壓器并聯(lián)和變壓器串聯(lián)兩種情況。下面給出兩臺變壓器在兩種情況下的電氣連接圖。圖2.1（a）并聯(lián)變壓器電氣連接圖圖2.1（b）串聯(lián)變壓器電氣連接圖圖2.1（a）為兩臺變壓器并聯(lián)電路圖，T1為運行變壓器，T2為空載變壓器。當(dāng)T2合閘后，T1中會產(chǎn)生和應(yīng)涌流。圖2.1（b）為兩臺變壓器串聯(lián)電路圖，當(dāng)末端變壓器T2空載合閘時，靠近系統(tǒng)側(cè)的運行變壓器T1中會產(chǎn)生和應(yīng)涌流。2.2和應(yīng)涌流仿真模型利用MATLAB/SIMULINK建立如圖2-2所示兩臺三相并聯(lián)變壓器產(chǎn)生和應(yīng)涌流的模型。MATLAB提供的變壓器的主要參數(shù)有：額定容量、頻率、電壓、繞組接線方式、電阻及漏感、鐵芯的飽和特性等。對變壓器的仿真參數(shù)設(shè)置如下：運行變壓器T1與空載變壓器參數(shù)一致，皆為：額定容量20MVA，頻率50Hz，額定電壓（10.5/）KV/（35/）KV，高壓和低壓繞組的電阻和漏電感相同：分別為0.002和0.08，激磁電阻為500，鐵芯飽和特性：0,0;0.0024,1.2;1.0,1.52。另外，系統(tǒng)電阻與電抗分別為1和0.01.圖2.2并聯(lián)變壓器和應(yīng)涌流仿真模型由此仿真模型可得到和應(yīng)涌流的波形，如圖2.3.圖2.3（a）A相和應(yīng)涌流圖2.3（b）B相和應(yīng)涌流圖2.3（c）C相和應(yīng)涌流2.3變壓器和應(yīng)涌流產(chǎn)生機(jī)理2.3.1并聯(lián)變壓器和應(yīng)涌流產(chǎn)生機(jī)理圖2.4為兩臺并聯(lián)運行變壓器等值電路圖。在圖2.4中，設(shè)系統(tǒng)電壓為Us,電阻為Rs,電感為Ls，變壓器T1的原邊等效電阻為R1，電感為L1，變壓器T2的原邊等效電阻為R2，電感為L2。兩個變壓器的公共節(jié)點為B。設(shè)系統(tǒng)電流為Is,流過變壓器T1的電流為I1，流過變壓器T2的電流為I2。其中，Is=I1+I2.圖2.4并聯(lián)變壓器等值電路圖2.3.1.1和應(yīng)涌流發(fā)生階段如圖2.4所示，在T2合閘之前，T1正常運行，顯然有I1=0.T2合閘后，T1還未飽和時，I1仍等于零，這時，Is=I2。對變壓器T1列電壓平衡方程：（2.1）對于一個周期，兩邊積分得：（2.2）為正弦電壓源，一個周期的積分為零。為勵磁涌流，。則根據(jù)上式可簡化得：（2.3）從上式可知，T1磁鏈的變化主要是由T2中的電流在系統(tǒng)電阻上一個周期的積分所決定的。T1每個周期的磁鏈增量為：（2.4）為了討論方便，假設(shè)T2中的勵磁涌流方向為正。由上式2-4可以看出，T1每個周期的增量為負(fù)，即T1的磁鏈往反方向增加，磁鏈逐漸飽和。T1在未飽和前，電流可近似認(rèn)為是0。由于磁鏈中有交流分量在作用，在中的非周期分量還未使變壓器飽和前，周期中已經(jīng)開始有部分時間段的瞬時磁鏈大于飽和點使變壓器飽和了。因此周期中在磁鏈峰值時會出現(xiàn)和應(yīng)涌流，并存在間斷角。隨著T1磁鏈向反方向逐漸增大，和應(yīng)涌流也逐漸增大，間斷角逐漸減小。2.3.1.2和應(yīng)涌流發(fā)展階段當(dāng)T1中產(chǎn)生和應(yīng)涌流之后，，。則磁鏈的變化由和共同決定。所以這時，（2.5）因為和在幅值上是相反的，假設(shè)幅值為正，那么幅值為負(fù)，所以的出現(xiàn)使反向增加的速度變慢，趨勢變緩。直到一個周期中，與在系統(tǒng)電阻上的壓降剛好抵消時，=0。這時，T1的磁鏈反向增加到最大值。由于勵磁涌流與和應(yīng)涌流存在間斷角，而且偏向于時間軸的一側(cè)，所以和中都含有非周期分量。設(shè)與分別為電流與的非周期分量，為的非周期分量，?？梢缘玫剑海?.6）由于的值相對于來說是很小的，所以可以近似地認(rèn)為。變壓器T1的磁鏈變化量也可簡化認(rèn)為：（2.7）而隨著T1磁鏈的負(fù)向累積，和應(yīng)涌流也逐漸增大。而隨著的增大與的減小，兩個反方向的涌流共同作用使得的非周期分量減小到零附近。的衰減作用幾乎沒有，T1只能靠來衰減。則每個周期T1的磁鏈變化量可表示為：（2.8）由于為負(fù)方向，所以變號，即為正，這說明變壓器T1的磁通逐漸減小。這時電流達(dá)到正負(fù)半周對稱的情況，與此同時達(dá)到最大值，隨后開始逐漸緩慢減小。2.3.2串聯(lián)變壓器和應(yīng)涌流產(chǎn)生機(jī)理串聯(lián)運行變壓器的和應(yīng)涌流產(chǎn)生機(jī)理與并聯(lián)運行的和應(yīng)涌流的產(chǎn)生機(jī)理是相似的，但同時又有其自身的特點存在。圖2.5為串聯(lián)運行變壓器的等值電路圖。圖2.5串聯(lián)變壓器等值電路圖與并聯(lián)變壓器類似，設(shè)系統(tǒng)電壓為Us,電阻為Rs,電感為Ls，變壓器T1的原邊等效電阻為R1，電感為L1，變壓器T2的原邊等效電阻為R2，電感為L2。設(shè)系統(tǒng)電流為Is,流過變壓器T1的電流為I1，流過變壓器T2的電流為I2。其中，Is=I1+I2.在開關(guān)閉合之前，只有空載變壓器T1的勵磁電流流經(jīng)系統(tǒng)。開關(guān)合閘時，空載變壓器T2中會產(chǎn)生勵磁涌流，勵磁涌流的非周期分量流經(jīng)系統(tǒng)阻抗產(chǎn)生的電壓降造成變壓器T1的原邊母線電壓發(fā)生偏移，逐漸導(dǎo)致變壓器T1的鐵芯磁通偏移。當(dāng)偏移磁通使T1鐵芯在偏移一側(cè)發(fā)生飽和時，變壓器T1中將產(chǎn)生和應(yīng)涌流。具體過程的解釋如下：開關(guān)閉合之前，只有空載變壓器T1的勵磁電流流經(jīng)系統(tǒng)，即。當(dāng)開關(guān)閉合時，變壓器T2產(chǎn)生的勵磁涌流流經(jīng)變壓器T1的副邊線圈，在變壓器T1的原邊線圈中產(chǎn)生相對應(yīng)的涌流，為變壓器T2的勵磁涌流折算到變壓器T1電源側(cè)的電流。電流與疊加成總電流，即?？傠娏髁鹘?jīng)系統(tǒng)電阻和變壓器T1的原邊線圈。所以，變壓器T1每個周期的磁通變化量為：（2.9）合閘前期，涌流中存在著很大的非周期分量，則為對稱的空載勵磁電流。所以變壓器T1每個周期都會存在磁通的變化，這使得變壓器T1的工作磁通產(chǎn)生偏移。從而使變壓器T1從初始穩(wěn)態(tài)階段進(jìn)入飽和階段，勵磁電流也在飽和的一側(cè)逐漸變大，形成和應(yīng)涌流。因為的方向與變壓器T2磁通飽和的方向相反，與T2磁通下降的方向一致，電流與反向，所以當(dāng)電流增加到某一時刻時，會出現(xiàn)(2.10)即=0。此時，和應(yīng)涌流達(dá)到最大值。之后，電流的波形開始變得對稱，變壓器T1每個周期磁通變化量的符號相反，和應(yīng)涌流慢慢衰減。涌流的衰減速度只由變壓器T2每個周期的磁通變化量決定，的表達(dá)式如下：（2.11）或者表示為：（2.12）上式中的表示的是變壓器T1的副邊線圈電阻?？梢钥闯?，當(dāng)式（2.10）成立時，式（2.12）幾分鐘的前兩項和為零，變壓器T2的磁通變化量由流經(jīng)變壓器T1副邊線圈電阻以及連接變壓器T1和T2的原邊電阻所產(chǎn)生的電壓降所決定。而變壓器T1的原邊電阻在和應(yīng)涌流期間對變壓器T2中的勵磁涌流的衰減沒有作用。2.4和應(yīng)涌流對涌流衰減速度的影響和應(yīng)涌流的出現(xiàn)，會造成涌流的衰減速度比單個變壓器中的涌流衰減速度慢的多。和應(yīng)涌流產(chǎn)生后，變壓器T1與變壓器T2的磁通變化量分別為：（2.13）（2.14）在和應(yīng)涌流剛產(chǎn)生的初級階段，電流很小。隨著變壓器T1磁通的不斷增大，和應(yīng)涌流也在不斷增大，而則迅速增大。隨著的負(fù)向變大，和電流迅速降低到零附近，的衰減作用也減小到幾乎為零，這使得兩臺變壓器只能靠各自的電阻來衰減偏磁。又因為和的值比較小，因此涌流的衰減速度要變慢很多。2.5變壓器和應(yīng)涌流的特點用MATLAB/SIMULINK仿真出勵磁涌流與和應(yīng)涌流波形，如圖2.6所示。時間軸上側(cè)紅色線表示的是勵磁涌流，時間軸下側(cè)藍(lán)色線表示的是和應(yīng)涌流。圖2.6勵磁涌流與和應(yīng)涌流波形對比根據(jù)上述理論分析以及圖2.6的仿真波形可以知道，和應(yīng)涌流的出現(xiàn)主要與系統(tǒng)電阻有關(guān)?？蛰d變壓器投入產(chǎn)生勵磁涌流，從而引起系統(tǒng)電阻上的電壓降，導(dǎo)致公共點上的電壓發(fā)生非周期偏移，使得正常運行的變壓器的鐵芯飽和，最終產(chǎn)生和應(yīng)涌流。我們也可以得出結(jié)論，變壓器和應(yīng)涌流具有以下幾種特征：（1）和應(yīng)涌流在空載變壓器合閘產(chǎn)生勵磁涌流之后的一段時間才出現(xiàn)，且分為暫態(tài)增大階段與穩(wěn)定衰減階段，其峰值先在幾個周期內(nèi)迅速增大，然后慢慢減小。當(dāng)空載變壓器T2的鐵芯正向飽和時，正常運行的變壓器T1的鐵芯趨于反向飽和。所以，空載變壓器合閘中的勵磁涌流與運行變壓器中的和應(yīng)涌流方向相反。當(dāng)勵磁涌流幅值較高處于峰值附近時，母線電壓值會比較低，這時和應(yīng)涌流不出現(xiàn)即產(chǎn)生間斷。而當(dāng)勵磁涌流處于幅值較低即間斷期時，母線電壓值比較高，這時會出現(xiàn)和應(yīng)涌流。所以，勵磁涌流與和應(yīng)涌流是交替產(chǎn)生的。（4）在相同的初始合閘條件下，有和應(yīng)作用相較于無和應(yīng)作用，使得變壓器勵磁涌流的衰減變慢，持續(xù)時間變長。（5）和應(yīng)涌流中，非周期分量衰減地非常緩慢，這很容易引起電流互感器的暫態(tài)飽和，可能導(dǎo)致在空載變壓器合閘較長時間以后運行變壓器差動保護(hù)誤動作。（6）和應(yīng)涌流出現(xiàn)后，因為其與勵磁涌流方向相反且交替出現(xiàn)，而且涌流幅值增大、衰減緩慢，對變壓器過流保護(hù)會造成不利影響。同時，中性點接地的變壓器零序電流也會增大并且持續(xù)時間延長，這容易造成變壓器零序電流保護(hù)誤動作。（7）和應(yīng)涌流會造成并列運行變壓器的上級電流基波幅值增大、衰減變慢，不利于上級線路設(shè)備的后備保護(hù)。通過以上的介紹和分析可以知道，和應(yīng)涌流的產(chǎn)生與許多因素有關(guān)，其危害是隱蔽和廣泛的，由和應(yīng)涌流所引起的差動保護(hù)誤動問題正逐漸引起人們的關(guān)注。因此，進(jìn)一步開展對變壓器和應(yīng)涌流問題的全面研究，盡快提出可靠的和應(yīng)涌流識別判據(jù)和完善的防范措施是緊迫而重要的任務(wù)。2.6本章小結(jié)本章首先介紹了和應(yīng)涌流產(chǎn)生的兩種情況，即變壓器并聯(lián)運行和變壓器串聯(lián)運行，并通過對變壓器磁鏈變化的分析，分別闡明了兩種情況下的和應(yīng)涌流產(chǎn)生機(jī)理。利用MATLAB/SIMULINK對其中一種情況（變壓器并聯(lián)）進(jìn)行波形仿真，對比和應(yīng)涌流與勵磁涌流的波形特征，總結(jié)出和應(yīng)涌流的特點。得出了系統(tǒng)電阻上的電壓降是和應(yīng)涌流產(chǎn)生的主要原因，并初步分析了和應(yīng)涌流對于變壓器差動保護(hù)和后備保護(hù)的影響，為以下章節(jié)的介紹和分析提供了理論基礎(chǔ)。和應(yīng)涌流的影響因素在分析了并聯(lián)變壓器和串聯(lián)變壓器和應(yīng)涌流產(chǎn)生機(jī)理后，接下來通過MATLAB/SIMULINK仿真進(jìn)一步分析模型中系統(tǒng)阻抗、空載變壓器剩磁及合閘角等參數(shù)對運行變壓器和應(yīng)涌流的幅值和飽和速度的影響。3.1系統(tǒng)電阻對和應(yīng)涌流的影響系統(tǒng)電阻對和應(yīng)涌流的幅值及衰減速度都有影響，而影響的程度取決于系統(tǒng)電阻在整個回路中所占的比重。比重越大,則越容易產(chǎn)生和應(yīng)涌流,且和應(yīng)涌流的衰減速度也越慢。和應(yīng)涌流的產(chǎn)生過程，實際是空載變壓器合閘后產(chǎn)生的暫態(tài)磁通重新分配到其他變壓器中去的過程。在這一過程中，系統(tǒng)電阻起著快速分配暫態(tài)磁通的重要作用，它的大小決定了重新分配的速度。如果系統(tǒng)電阻越大，那么變壓器T1達(dá)到飽和的速度也就越快，即和應(yīng)涌流出現(xiàn)及達(dá)到飽和的速度越快。如果系統(tǒng)電阻過小，可能變壓器T1中的磁鏈還未累積到飽和值，勵磁涌流就已經(jīng)開始衰減，在這種情況下不會出現(xiàn)和應(yīng)涌流。當(dāng)完成分配后，即和應(yīng)涌流幅值達(dá)到最大值后，系統(tǒng)電阻對和應(yīng)涌流的衰減影響很小。而在小系統(tǒng)中，由于變壓器容量小，一般認(rèn)為涌流倍數(shù)大、衰減快。但是小系統(tǒng)中，系統(tǒng)電阻較大，所占比重也較大，而系統(tǒng)電阻對和應(yīng)涌流的衰減幾乎不起作用，所以和應(yīng)涌流的衰減速度會很慢，很可能導(dǎo)致差動保護(hù)誤動。所以，小系統(tǒng)中的和應(yīng)涌流更應(yīng)當(dāng)重視。圖3-1為在同一模型中系統(tǒng)電阻不同的情況下和應(yīng)涌流的產(chǎn)生情況。通過波形的對比，可以看出，系統(tǒng)電阻為10Ω時和應(yīng)涌流出現(xiàn)的時刻比系統(tǒng)電阻為2Ω時要早，且更快達(dá)到幅值最大值即飽和點，而衰減速度兩者無明顯差別。這也驗證了我們上述的分析。圖3.1系統(tǒng)電阻分別為2Ω與10Ω時的涌流波形3.2系統(tǒng)電抗對和應(yīng)涌流的影響在勵磁涌流的作用下，系統(tǒng)電阻會使母線電壓偏移而系統(tǒng)電抗不會，因此，系統(tǒng)電抗不是和應(yīng)涌流產(chǎn)生的決定因素，但它會影響和應(yīng)涌流產(chǎn)生速度的快慢。與系統(tǒng)電阻的作用相反，系統(tǒng)電抗越大，和應(yīng)涌流出現(xiàn)及達(dá)到幅值最大值點的速度越慢，其幅值峰值越小。而相對來說系統(tǒng)電抗比起變壓器短路電抗要小，因此，單純增大系統(tǒng)電抗其實并不會對和應(yīng)涌流峰值的降低以及和應(yīng)涌流的衰減速度有明顯作用。圖3-2是在同一模型中系統(tǒng)電抗不同的情況下和應(yīng)涌流的產(chǎn)生情況。通過波形的對比，可以看出，系統(tǒng)電抗越小，和應(yīng)涌流出現(xiàn)的時刻越早且越快達(dá)到幅值最大值點即飽和點，和應(yīng)涌流的幅值也越大，而衰減速度無明顯差別。驗證了上述分析。圖3.2系統(tǒng)電抗分別為0.01H與0.001H時的涌流波形3.3空載變壓器剩磁對和應(yīng)涌流的影響由第二章的原理可知,變壓器空載投入時剩磁的大小會對勵磁涌流產(chǎn)生影響,因此，變壓器剩磁也影響和應(yīng)涌流。保持空載變壓器T2的合閘時刻不變，改變T2的初始磁鏈。如果逐漸使剩磁正向增加，那么變壓器T2的磁鏈會隨之正向增加，相應(yīng)地勵磁涌流的幅值也會朝正向增加，導(dǎo)致和應(yīng)涌流更快產(chǎn)生，而且和應(yīng)涌流的幅值往負(fù)方向加大。如果逐漸使剩磁往負(fù)向增加，那么變壓器T2的磁鏈也隨之負(fù)向增加（即減小），相應(yīng)地勵磁涌流的幅值也會朝負(fù)向增加，和應(yīng)涌流更快出現(xiàn)，而且和應(yīng)涌流的幅值往正方向增加。這也就是說，當(dāng)合閘角一定時，空載合閘變壓器的剩磁越大，其勵磁涌流將越大，也會越快產(chǎn)生和應(yīng)涌流，而且和應(yīng)涌流的幅值也將越大，越快達(dá)到幅值最大值即飽和點。圖3-3為在同一模型中空載變壓器T2初始剩磁不同的情況下和應(yīng)涌流的產(chǎn)生情況。通過波形對比，可以看出，剩磁正向越大，和應(yīng)涌流的幅值也就越大，和應(yīng)涌流的出現(xiàn)時刻越早且越快達(dá)到幅值最大點。同樣，剩磁負(fù)向越大，和應(yīng)涌流的幅值也越大，和應(yīng)涌流的出現(xiàn)時刻越早且越快達(dá)到幅值最大點。圖3.3變壓器T2剩磁分別為0、0.6、-0.6時的涌流波形3.4空載變壓器T2的合閘角對和應(yīng)涌流的影響我們知道，變壓器鐵芯中的磁通滯后于外加電壓90°是勵磁涌流產(chǎn)生的根本原因。因此，如果空載變壓器正好在電壓瞬時值u=0的時候合閘接通電路，則鐵芯中的磁通應(yīng)為。假設(shè)鐵芯中剩磁為零，而磁通不能突變，則需要出現(xiàn)一個幅值為的非周期分量的磁通，使其正好抵消，仍維持初始磁通為零不變。在這種情況下，經(jīng)過半個周期后，鐵芯中的磁通就達(dá)到。如果鐵心中原本就有剩磁，設(shè)其為，那么總磁通將為+。這時的總磁通很大，會使變壓器鐵芯發(fā)生飽和，從而產(chǎn)生勵磁涌流。另一種特殊情況，如果空載變壓器正好在電壓瞬時值為最大值即時合閘接通電路，則鐵芯中的磁通剛好為剩磁，不會出現(xiàn)非周期分量的磁通，四分之一個周期后鐵芯中的磁通達(dá)到最大值，此時不會使變壓器鐵芯發(fā)生飽和，也就不會出現(xiàn)勵磁涌流，而是只有正常的勵磁電流。而空載變壓器T2中的勵磁涌流在系統(tǒng)電阻上的壓降使運行變壓器T1發(fā)生鐵心飽和是和應(yīng)涌流產(chǎn)生的根本原因，所以，在T2不產(chǎn)生勵磁涌流或勵磁涌流很小不足以使T1鐵心飽和時就不會產(chǎn)生和應(yīng)涌流。即若空載變壓器正好在電壓瞬時值為最大值時合閘，運行變壓器中不會產(chǎn)生和應(yīng)涌流。利用MATLAB/SIMULINK對在空載變壓器剩磁為零的情況下合閘角不同時的涌流波形進(jìn)行仿真。由于實際仿真時的一些偏差，合閘角的選取與理論值也存在大約15°的一個偏差，所以分別將理論上的0°、90°、180°改為15°、105°、195°，分別作為電壓正向過零、電壓在峰值附近、電壓負(fù)向過零時的情況。由圖3.4看出，在電壓在正向過零時，勵磁涌流為正，和應(yīng)涌流為負(fù)。而負(fù)向過零時，勵磁涌流為負(fù)，和應(yīng)涌流為正。當(dāng)電壓在峰值附近時，勵磁涌流幅值相對減小至三分之一，這時變壓器T2中不會有和應(yīng)涌流出現(xiàn)。理想情況下如果在電壓峰值時合閘，變壓器T2中的勵磁涌流與變壓器T1中的和應(yīng)涌流都不會產(chǎn)生。圖3.4剩磁為零的變壓器T2分別在電壓正向過零、電壓正向峰值附近、電壓負(fù)向過零時的涌流波形3.5本章小結(jié)本章就和應(yīng)涌流的幾個主要的影響因素作分析：系統(tǒng)電阻、系統(tǒng)電抗、空載變壓器剩磁以及空載變壓器合閘角等。先從理論上分析各個因素對和應(yīng)涌流的產(chǎn)生、大小及衰減的影響，然后利用MATLAB/SIMULINK做仿真波形對比。在同一模型中，維持其他參數(shù)不變，僅改變某一參數(shù)，得到其不同的波形。通過波形的對比，驗證其理論分析的正確，從而確定其因素對和應(yīng)涌流的影響。和應(yīng)涌流對變壓器保護(hù)的影響4.1和應(yīng)涌流對差動保護(hù)的影響差動保護(hù)作為變壓器的主保護(hù)，具有動作原理簡單、靈敏度高的優(yōu)點，但在實際運行中常會出現(xiàn)一些誤動。為了防止勵磁涌流引起的保護(hù)誤動,在實際應(yīng)用中我們采用了二次諧波制動判據(jù)、間斷角原理判據(jù)等方法來實現(xiàn)變壓器閉鎖。這些方法能夠很好解決勵磁涌流的影響，但變壓器保護(hù)仍具有一定程度的誤動作。這是否是因為和應(yīng)涌流的影響，我們可以從以下幾個方面進(jìn)行分析：根據(jù)圖2.4和圖2.5兩臺變壓器并聯(lián)和兩臺變壓器串聯(lián)的等值電路圖可知，合閘變壓器T2與單臺變壓器合閘時一樣，只有一側(cè)有電流，其差動電流為自身的勵磁涌流。而對于運行變壓器T1來說，這兩種情況是不相同的。兩臺變壓器并聯(lián)時，差動電流制動電流兩臺變壓器串聯(lián)時，差動電流為制動電流為從上面的式子可以看出，運行變壓器，無論并聯(lián)還是串聯(lián)，其差動電流是一樣的，都是自身的勵磁電流，而制動電流是不同的，這是因為電流與方向相反且交替出現(xiàn)，因此，串聯(lián)時的制動電流要比并聯(lián)時大得多。這從變壓器差動保護(hù)原理上來說對保護(hù)是有利的。2.和應(yīng)涌流中的二次諧波含量與基波分量并不是在相同的時刻達(dá)到最大。當(dāng)和應(yīng)涌流的幅值達(dá)到最大值時，其二次諧波含量并沒有達(dá)到最大，而是在其衰減的過程中逐漸增大而達(dá)到最大值。因此，當(dāng)空載變壓器在剩磁與合閘角一定時，可能出現(xiàn)差流中的基波分量大于差動電流的整定值,而二次諧波含量又小于諧波制動系數(shù)比的情況，從而可能導(dǎo)致變壓器差動保護(hù)誤動。3.通過對和應(yīng)涌流的產(chǎn)生機(jī)理和仿真分析可以知道，和應(yīng)涌流中含有較大的非周期衰減分量，而且其衰減速度是非常緩慢的，容易使電流互感器發(fā)生飽和。當(dāng)運行變壓器T1工作在帶負(fù)荷情況下時，電流互感器一次側(cè)的電流為工頻負(fù)荷電流與和應(yīng)涌流之和，電流互感器的磁滯特性變?yōu)榫植看艤丨h(huán)，所以鐵芯容易發(fā)生局部暫態(tài)飽和。這時電流互感器的一次側(cè)電流與二次側(cè)電流之間會存在一定的相角差，從而抵消了一部分二次諧波，使二次諧波含量減小，容易導(dǎo)致二次諧波制動保護(hù)誤動。而在運行變壓器T1空載的情況下，沒有負(fù)載工頻電流，互感器只傳遞變壓器和應(yīng)涌流，鐵芯局部暫態(tài)飽和的情況不會出現(xiàn)。即使發(fā)生飽和，由于差動電流中二次諧波含量比較大，所以二次諧波制動的差動保護(hù)也不會發(fā)生誤動。因此我們可以得出結(jié)論，和應(yīng)涌流本身并不會直接導(dǎo)致變壓器差動保護(hù)誤動作，其實是因為和應(yīng)涌流中衰減緩慢持續(xù)時間長非周期分量，它會引起電流互感器的鐵芯發(fā)生局部暫態(tài)飽和，這才是差動保護(hù)誤動的主要原因。4.2和應(yīng)涌流對變壓器零序電流保護(hù)的影響在中性點直接接地的電網(wǎng)中，變壓器需要裝設(shè)零序電流保護(hù)，將其作為變壓器的主保護(hù)，并且在相鄰元件接地短路故障時也可作為后備保護(hù)。零序電流保護(hù)的整定電流比較低，因為一般單臺變壓器勵磁涌流產(chǎn)生的零序電流，其衰減速度的比較快，持續(xù)時間比較短，可以通過延時環(huán)節(jié)躲過，避免造成零序保護(hù)誤動。但是當(dāng)有空載變壓器投入在相鄰變壓器中產(chǎn)生和應(yīng)涌流時，零序保護(hù)會受到和應(yīng)涌流的不利影響，可能發(fā)生誤動作。1.如果運行變壓器T1的中性點接地，那么無論空載變壓器T2合閘時中性點是否接地，只要有和應(yīng)涌流產(chǎn)生，就都會產(chǎn)生零序電流。因為在這種情況下變壓器一般不是三相對稱性的飽和,所以每一相涌流的大小是不一致的,從而會產(chǎn)生零序電流。2.與勵磁涌流類似，和應(yīng)涌流也會影響零序電流的衰減速度，使其比單臺變壓器時的零序電流的衰減變慢許多。而持續(xù)較長時間的零序電流可能會造成變壓器零序電流保護(hù)誤動作。3.當(dāng)兩臺變壓器都為/△接法時,根據(jù)零序等效電路可以知道,這個時候的零序電流能夠貫穿兩臺變壓器，形成一個回路相互影響。兩個零序電流的方向是一樣的，但不重疊，因此是交錯在一起的，所以在總的零序電流波形圖中一個周波會出現(xiàn)兩次波峰和兩次波谷。顯然,零序電流的二次諧波含量比較高,而且當(dāng)有電流耦合時其含量會更高。但是零序電流基波含量在有電流耦合時反而會降低。4.3和應(yīng)涌流對變壓器過流保護(hù)的影響變壓器過流保護(hù)，一般用于反映變壓器外部短路故障產(chǎn)生的過電流，其電流門檻值按躲過最大負(fù)荷電流整定，根據(jù)逐級配合設(shè)置時間整定值。變壓器過流保護(hù)對單臺變壓器的勵磁涌流有制動作用，其勵磁涌流雖然幅值大但衰減快，可以靠時間躲過勵磁涌流。但對于多臺變壓器并聯(lián)或串聯(lián)的情況，由于和應(yīng)涌流的影響過電流保護(hù)將失去其制動作用。1.由于變壓器和應(yīng)涌流的幅值很大，甚至可以達(dá)到變壓器額定電流的6～10倍，因此對于過電流保護(hù)而言，僅僅通過提高電流整定值是難以躲過和應(yīng)涌流的。2.當(dāng)空載變壓器合閘使相鄰的串聯(lián)或并聯(lián)變壓器產(chǎn)生和應(yīng)涌流后，勵磁涌流與和應(yīng)涌流相互影響、共同作用，其衰減速度要比單臺變壓器涌流的衰減速度慢的多，衰減時間可以持續(xù)數(shù)分鐘，因此靠延長時間整定值也很難躲過和應(yīng)涌流。顯然，和應(yīng)涌流具有幅值大和衰減緩慢衰減時間長的特點，單純的過電流保護(hù)并不能躲過和應(yīng)涌流的影響，可能會造成變壓器保護(hù)誤動作。4.4和應(yīng)涌流的防范措施通過上述分析我們可以得出結(jié)論：和應(yīng)涌流中的非周期分量衰減緩慢，其長期作用會造成電流互感器發(fā)生暫態(tài)飽和以及差動電流中的二次諧波含量降低，這才是變壓器差動保護(hù)誤動作的主要原因。另外，在變壓器實際運行中，除了會對差動保護(hù)有影響，和應(yīng)涌流還可能會造成變壓器零序電流保護(hù)和過電流保護(hù)的誤動作，因此有必要采取相應(yīng)的防范措施。1.為避免和應(yīng)涌流中非周期分量造成的電流互感器暫態(tài)飽和，我們可以在差動保護(hù)裝置中增加電流互感器局部暫態(tài)飽和判據(jù)。2.變壓器差動保護(hù)一般采用二次諧波比率制動特性，其門檻值較小。而變壓器空載合閘時產(chǎn)生的和應(yīng)涌流可能會大于其變壓器差動保護(hù)動作值，造成差動保護(hù)誤動作。因此，在不影響保證差動保護(hù)靈敏度的情況下，適當(dāng)?shù)靥岣卟顒颖Ｗo(hù)整定值可以降低和應(yīng)涌流導(dǎo)致的差動保護(hù)誤動作的可能性。3.在設(shè)備運行操作上，可以使空載變壓器合閘前中性點不接地，使其只出現(xiàn)勵磁涌流而沒有和應(yīng)涌流。然而，如果T2中性點不接地，將可能會產(chǎn)生過電壓，為了避免這種情況，還需要在變壓器不接地中性點上裝設(shè)間隙保護(hù)設(shè)備，防止過電壓導(dǎo)致變壓器鐵芯或絕緣損壞。4.以上這些防范措施并不能從根本上避免和應(yīng)涌流造成的差動保護(hù)誤動。因為差動保護(hù)原理本身就存在缺陷。所以要真正解決這一難題，我們需要尋求另外的更為可靠的變壓器保護(hù)原理。4.5本章小結(jié)本章逐一分析了和應(yīng)涌流的產(chǎn)生對變壓器差動保護(hù)及零序電流保護(hù)、過電流保護(hù)的影響，并提出了相應(yīng)的防范措施。但這并不能從根本上避免變壓器保護(hù)誤動，因此我們需要采取一種更加有效的和應(yīng)涌流識別方法，從而引出下章的基波幅值增量法。基于基波幅值增量的和應(yīng)涌流識別方法5.1基波幅值增量法的原理和應(yīng)涌流的產(chǎn)生總的來說可以分為兩個階段：暫態(tài)增長階段和穩(wěn)態(tài)衰減階段。相應(yīng)地，和應(yīng)涌流的幅值先逐漸增長到最大值，然后再緩慢減小。其基波分量的變化規(guī)律也是相同的，先逐漸增大然后緩慢減小，如圖5.1所示。相比而言，圖5.2中的勵磁涌流波形是持續(xù)衰減的，相應(yīng)地其基波分量也是持續(xù)減小的。圖5.3中反映的是變壓器發(fā)生內(nèi)部故障時的故障電流，含有較大的非周期分量，但其基波分量近似保持不變。圖5.1和應(yīng)涌流波形及其基波幅值波形圖5.2勵磁涌流波形及其基波幅值波形圖5.3故障電流波形及其基波幅值波形通過上述分析和波形對比，我們可以得出結(jié)論：根據(jù)變壓器差動電流的基波幅值的變化過程可以有效識別和應(yīng)涌流。定義差動電流的基波幅值增量為，其表達(dá)式為：(5.1)上式中，表示電流的基波幅值，、分別表示第n點、n?N點的電流基波幅值(n>N，N為每個周期的采樣點數(shù))。實際上就是指任意一段周期時間內(nèi)，最末一點相對于最前一點的幅值增量。另外，為了盡量避免非周期分量的影響，我們采用差分全周傅氏算法來計算電流的基波幅值?；ǚ翟隽糠从沉瞬顒与娏骰ǚ档淖兓?guī)律。給定一個適當(dāng)?shù)拈T檻值，對于和應(yīng)涌流，在其暫態(tài)增大階段時，穩(wěn)定衰減階段時。而對于勵磁涌流來說，它滿足。而故障電流則滿足。根據(jù)這三種的不同，我們可以提出基波幅值增量判據(jù)：（5.2）式5.2可準(zhǔn)確識別和應(yīng)涌流、勵磁涌流、故障電流，而門檻值需要考慮實際變壓器的情況以及該判據(jù)的具體應(yīng)用情況。5.2具體方案基波幅值增量法判別故障電流、勵磁涌流與和應(yīng)涌流的具體方案如下：計算差流的基波幅值增量，當(dāng)且持續(xù)一段時間后判斷為和應(yīng)涌流。若且持續(xù)一段時間，判斷為勵磁涌流。若一直有，則判斷為故障電流。另外，需要注意的是，當(dāng)采用全周傅氏算法時，數(shù)據(jù)應(yīng)至少從第三個周期才開始統(tǒng)計。不過由于和應(yīng)涌流的暫態(tài)增長過程比較長，所以舍去前兩個周期并不會影響數(shù)據(jù)的可靠性。當(dāng)根據(jù)基波幅值增量法判斷電流為和應(yīng)涌流后，我們需要采取有效措施制動，從而避免差動保護(hù)誤動。但同時也要保證在這期間的內(nèi)部故障能夠被快速識別，發(fā)生內(nèi)部故障時繼電保護(hù)能夠可靠跳閘。當(dāng)和應(yīng)涌流基波幅值增量衰減到零附近時，我們需要對和應(yīng)涌流的總幅值進(jìn)行測量。當(dāng)和應(yīng)涌流低于門檻值時，說明和應(yīng)涌流已經(jīng)衰減到較小值，不會造成差動保護(hù)誤動了。這時我們可以去掉強(qiáng)制制動，恢復(fù)變壓器的差動保護(hù)。5.3仿真驗證為了驗證基波幅值增量法識別和應(yīng)涌流的有效性，下面利用利用MATLAB/SIMULINK建立圖2.2所示的變壓器并聯(lián)和應(yīng)涌流仿真模型。將仿真出的和應(yīng)涌流、勵磁涌流、故障電流波形進(jìn)行分析。當(dāng)變壓器T1正常運行時，將空載變壓器T2在t=0.1s合閘投入，根據(jù)兩臺變壓器涌流計算出的基波幅值增量如圖5.4所示，每個周期（0.02s）采樣100個點，橫坐標(biāo)為采樣點個數(shù)。如圖5.