完整版和应涌流条件下变压器差动保护动作特性分析毕业设计说明书.docx

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摘要

随着越来越多的超高压远距离输电线路在我国的建成和运行，大容量变压器的应用也日益增多。

电力变压器在电力系统输电和配电各个环节中广泛使用，因此也就对变压器保护的可靠性和速断性提出了更高的要求。

差动保护是变压器的主保护，变压器在空载合闸或外部故障切除后恢复供电时，差动回路会流入励磁涌流，若差动保护不能识别并躲过此电流，就会发生误动。

因此，励磁涌流的识别一直也是国内外继电保护工作者的研究热点。

励磁涌流一直是影响变压器差动保护正确动作的原因之一，本文从励磁涌流的机理以及特征出发，研究了励磁涌流对变压器差动保护的影响。

论文最后以两单相变压器并联运行为例，利用励磁涌流偏向时间轴一侧的特点，解释了和应涌流的产生机理及其变化特点，指出和应涌流产生的本质原因是由于合闸变压器励磁涌流流过系统电阻使得其它变压器工作母线电压偏移，导致铁心饱和造成的。

文中初步分析了各种因素对和应涌流的影响，讨论了和应涌流对变压器保护的危害，并在此基础上提出了相应的防范措施。

关键词：

励磁涌流，变压器，和应涌流，MATLAB仿真

Abstract

AsEHVpowernetworkisdevelopingrapidly,largecapacitypowertransformersareusedwidelyinthetransmissionsystemanddistributionsystem.Therefore,highperformanceandhighreliabilityofpowertransformerprotectionarerequiredurgently.Atpresent,themainprotectionofinternalfaultsofthepowertransformeristhedifferentialprotection.Whentheunloadedpowertransformerisswitchedonthepowersystemorintheprocessthatafault,outsidetheprotectedzone,iscleared,themagnetizinginrushcurrentwillususllyproduced.Thedifferentialprotectionrelayswillmaloperate.Soitisstillaresearchfocusforrelayingresearchersintheworld.

Inrushcurrenthasbeenoneofthereasonwhichinfectsthecorrectoperationofthetransformerdifferentialprotection,thenweresearchhowtheinrushcurrentinfluencethetransformerdifferentialprotectionbasedonmechanismofinrushcurrent,theeffectsofcurrentcompensation.

Basedontheanalysisofsympatheticinrushinoperatingtransformers,theprincipleandcharacteristicsofsympatheticinrushareexplained.Itisshownthattheinrushcurrentcausedbytheenergizedtransformerrunningacrossthesystemresistanceresultsinthedeviationofvoltageinthecommonnodewhichleadtothesaturationofthecoreofthetransformeristhemainreasonforthesympatheticinrushontheadjacenttransformer.Thentheinfluenceontransformerprotectioncausedbysympatheticinrusharediscussed.Finally,severalcountermeasuretosympatheticinrushareproposed.

Keywords:

inrushcurrent,transformer,sympatheticinrushresulting,MATLABSimulation

第一章绪论

1．1本课题的背景知识及其研究本课题的意义

在电力系统中广泛的用变压器来升高或降低电压。

变压器是电力系统中不可缺少的重要电器设备。

它的故障将对供电可靠性和系统安全运行带来严重的影响，同时大容量的电力变压器也是十分贵重的设备。

因此应根据变压器容量等级和重要程度装设性能良好、动作良好的继电保护装置，以防止变压器大型事故的发生。

近年来，我国220KV变压器的正确动作率相对于线路保护正确率99%的标准还处在比较低的水平，一直徘徊在70-80%之间。

变压器保护误动作情况时有发生，给发电、送电和用电三方都带来了很大的直接和间接损失造成这一结果的原因有管理的不足，有当前工作人员的素质问题（设计、制造、整定调试、运行维护诸方面的失误），但更主要的是电力变压器继电保护在技术上的缺陷。

电流差动保护建立在基尔霍夫电流定律的基础上，具有另好的选择性，不但能够正确区分区内外故障，而且不需要与其他元件的保护配合，可以无时限的灵敏快速的切除区内各种故障，所以这种保护被广泛的应用在了线路及其变压器的主保护。

但是，对于变压器而言，由于其内部靠磁路联系，本质上不再满足基尔霍夫电流定律，变压器励磁电流成了差动保护不平衡电流的一种来源，这也是变压器发生误动作的主要原因之一。

然而，大型电力变压器正常运行时的励磁电流通常低于额定电流的1%，所以适当整定差动保护门槛值仍可准确区分变压器内部故障与外部故障。

但是，电力变压器运行条件复杂，过励磁时励磁电流可达额定电流的水平，空载合闸或者变压器外部故障被突然切除后端电压突然恢复时，暂态励磁电流（即励磁涌流）的大小有时可与短路电流相比拟，这样大的不平衡电流必然导致差动保护误动，所以变压器纵差保护面临的最严重问题就是励磁涌流。

过去和现在有关变压器励磁涌流的研究主要集中在如何防止空投变压器本身励磁涌流引起纵差保护误动的问题上。

大量研究工作已揭示单台变压器励磁涌流的产生机理、波形特征和变化特点，同时提出多种鉴别励磁涌流方法和防止励磁涌流引起误动的措施，在实际应用中主要有二次谐波制动判据、间断角原理判剧和波形对称判剧等，但这些方法都有其不足之处。

因此，进一步研究和分析空载合闸励磁涌流的特性，并在此基础上探索快速、准确地区分变压器励磁涌流和内部故障电流的新方法以提高变压器差动保护的性能，是十分必要的。

和应涌流是指在电网中邻近的并联或串联变压器之间，已经工作的变压器由于其他变压器的合闸也可能会产生涌流的现象，该涌流在合闸变压器涌流持续一段时间后才产生，偏向时间轴的另一侧，然后逐渐增大，达到最大值后又逐渐衰减。

近些年来，出现了多起由于和应涌流引起的空投变压器导致相邻变压器或发电机差动保护和后备保护误动的现象。

在产生和应涌流的过程中可能出现二次谐波不大，间断角消失等现象，造成运行变压器的涌流闭锁判据失效，导致运行变压器差动保护误动作。

由于运行变压器本身没有故障，并且误动是发生在相邻变压器空投完成较长的一段时间之后，所以很难查明误动原因，误动原因更具有隐蔽性。

虽然和应涌流问题正逐渐引起继电保护界的重视，但对其发生和发展的过程、影响因素的分析以及产生危害的原因还不是很清楚和完善。

这就迫使我们有必要全面研究变压器和应涌流的产生机理、性质特点、影响因素，细致分析危害原因，提出完善的防范措施，实现变压器在和应涌流下能够安全稳定地运行。

1．2本文的主要研究工作

（1）对变压器差动保护的的工作原理，及其背景知识与发展现状进行了分析与介绍。

（2）介绍了变压器励磁涌流的产生机理及特点。

（3）利用MATLAB软件对励磁涌流进行了建模仿真实验。

（4）介绍了和应涌流现象产生的机理及其特点，利用MATLAB软件对和应涌流进行了仿真实验，讨论了和应涌流对变压器差动保护和后备保护的危害，并在此基础上提出了相应的防范措施。

第二章变压器差动保护分析

2．1变压器的故障类型和不正正常工作状态

在电力系统中广泛的用变压器来升高或降低电压。

变压器是电力系统不可缺少的重要电气设备。

它的故障将对供电可靠性和系统安全运行带来严重的影响，同时大容量的电力变压器也是十分贵重的设备。

因此应根据变压器容量登记和重要程度装设性能良好、动作可靠的继电保护装置。

变压器的故障可分为油箱外和油箱内两种故障。

油箱外的鼓掌，主要是套管和引出线上发生相同短路以及接地短路。

油箱内的故障包括绕组的相间短路、匝间短路、接地短路以及铁芯的烧损等。

油箱内故障时产生的电弧，不仅会损坏饶素的绝缘、烧毁铁芯，而且由于绝缘材料和变压器油因受热分解而产生大量的气体，有可能引起变压器油箱的爆炸。

对于变压器发生的各种故障，保护装置应能锦葵的放变压器切除。

时间表明，变压器套管和因出线上的相间短路、接地短路、绕组的匝间短路是比较常见的故障形式：

而变压器油箱内发生相间短路的情况比较少。

变压器的不正常运行状态主要有：

变压器外部短路引起的过电流，负荷长时间超过额定容量引起的过负荷，风扇故障或漏油等原因引起冷却能力的下降等。

这些不正常运行状态回使绕组和铁芯过热。

此外，对于中性点不接地运行的星形界限变压器，外部接地短路时有可能造成变压器中性点过电压，威胁变压器的绝缘；大容量变压器在过电压或低频率等异常运行工况下回使变压器过励磁，引起铁芯和其他金属构件的过热。

变压器处于不正常运行状态时，继电保护应根据其严重程度，发出告警信号，使运行人员即使发现并采取相应的措施，，以确保变压器的安全。

变压器油箱内故障时，除了变压器各侧电流、电压变化外，油箱内的油、气、温度等非电量也会发生。

因此，变压器保护分电量保护和非电量保护两种。

非电量保护装设在变压器内部。

线路保护中采用的许多保护如过流保护、纵差动保护等在变压器的电量保护中部有应用，但在配置上有区别。

2．2变压器差动保护

2．2．1变压器纵差动保护的发展简史

电流差动保护原理是由C.H.Merz和B.Price在1904年提出的，其理论基础是基尔霍夫电流定律，它是电力变压器的主保护，也是各种电气元件使用最广泛的一种保护方式。

自上世纪70年代微处理器的出现，元件保护进入到微机保护时代。

国外在70年代即对变压器个别保护的计算机实现开展研究。

80年代国外开始研制发电机及变压器整套微机保护。

1989年波兰Korbasiewcz发表了发电机变压器组微机保护系统。

1990年印度Verma等也发表了变压器全套微机保护的研究成果。

到90年代见到正式商业产品，如Siemens及ABB公司均已有微机发变组全套保护。

我国微机元件保护的研制，是从80年代开始的。

1987年在我国首先研制成微机式发电机失磁保护系统，在此基础上于1989年开发研制成发电机全套微机保护，并于1994年研制成我国第一套适用于60万kw及以下容量水、火发电变压器组全套微机保护。

随后，国内又研制成用于水轮机发电机变压器组的微机保护，1988年后有多家研制成了变压器微机保护。

电气主设备内部故障的主保护方案之一是差动保护，差动保护在发电机上的应用比较简单。

作为变压器主保护，对其要求有两方面，即防止外部短路时不平衡电流及防止励磁涌流所致的误动作。

但是作为变压器内部故障的主保护，差动保护将有许多特点和困难，变压器具有两个及更多个电压等级，构成差动保护所用电流互感器的额定参数各不相同，由此产生的差动保护不平衡电流将比发电机的大得多。

变压器每相原副边电流之差（正常运行时的励磁电流）将作为变压器差动保护不平衡电流的一种来源，特别是当变压器过励磁运行时，励磁电流可达变压器额定电流的水平，势必引起差动保护误动作。

更有甚者，在空载变压器突然合闸时，或者变压器外部短路被切除而变压器端电压突然恢复时，暂态励磁电流（即励磁涌流）的大小可与短路电流相比拟，在这样大的不平衡电流下，要求差动保护不误动，是一个相当复杂困难的技术问题。

正常运行中的变压器，根据电力系统的要求，需要调节分接头，这又将增大变压器差动保护的不平衡电流；变压器差动保护应能反应高、低压绕组的匝间短路，而匝间短路时虽然短路环流中电流很大，但流入差动保护的电流可能不大；变压器差动保护还应能反应高压侧（中性点直接接地系统）经高电阻接地的单相短路，此时故障电流也较小；当变压器绕组匝间短路时，变压器仍带有负荷，这就是说变压器内部短路时被保护设备仍有流出电流，影响保护的灵敏动作。

综上所述，将差动保护用于变压器，一方面由于各种因素产生较大或很大的不平衡电流，另一方面又要求能反应具有流出电流性质的轻微内部短路，可见变压器差动保护要比发电机等其它元件差动保护复杂得多。

2．2．2变压器差动保护的基本原理

下图所示为双绕组单相变压器纵差动保护的原理接线图:

图2-1双绕组变压器差动保护单相原理接线图

I1、I2分别为变压器依次侧和二次侧的一次电流，参考方向为母线指向变压器：

I1'、I2'为相应的电流互感器二次电流。

流入差动继电器KD的差动电流为

（2.1）

纵差动保护的动作判据为

I≥I（2.2）

式中，I为纵差动保护的动作电流；I=为差动电流的有效值。

设变压器的变比为nB=U1/U2，若选择两侧电流互感器的变比，使之满足

（2.3）

式中，n，n分别表示LH1，LH2的变比（LH1指高压侧，LH2指低压侧）；n—变压器的变比。

则由I2=nI1知，式（2.3）可进一步表示为：

（2.4）

由I1'=I1/n，I2'=I2/n，则当正常运行或变压器外部故障时，有下式成立

（2.5）

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+nI=0,根据式（2.5），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（2.4）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，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

（2.6）

式中：

Ijbpmax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电流相量，Ie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/Id1>K

式中：

Id1、Id2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0.15~0.20。

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：

（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1.4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1.2到1.3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650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1.26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