电力变压器差动保护方案的研究.docx
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电力变压器差动保护方案的研究
电力变压器差动保护方案的研究
第44卷第10期
2007年10月
叠嚣Vo1.44No.1O
0ctober2007
电力变压器差动保护方案的研究
李家坤,刘娇娇
(武汉大学电气工程学院,湖北武汉430072)
摘要:
对几种电力变压器差动保护方案的原理,优缺点和应用情况进行了分析和评价.
关键词:
变压器;差动保护;励磁涌流
中图分类号:
TM406文献标识码:
B文章编号:
1001—8425(2007)10—0028—05
ResearchonDifferentialProtectiveProgrammes
forPowerTransformer
LIJia-kun,LIUJiao-jiao
(WuhanUniversity,Wuhan430072,China)
Abstract:
Theprinciples,advantages,disadVantagesandapplicationofseveraldifferentia
protectiveprogrammesforpowertransformerareanalyzedandevaluated.
Keywords:
Transformer;Differentialprotection;Magnetizinginrushcurrent
1引言2电流波形特征识别法
变压器差动保护是电力变压器的主保护之一,
差动保护的理论依据是基尔霍夫电流定律.对于在
发电机和线路保护的应用中,差动保护表现出了良
好的选择性,高灵敏度和高速动性.但对于变压器而
言,由于内部磁路的联系,其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.在正常运行时,变压器励磁电流通
常低于额定电流的1%,所以设定差动保护动作值
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,当变压器过励磁运行时,励磁
电流可达到变压器额定电流的水平,将引起差动保
护误动作.在变压器空载合闸或者变压器外部短路
被切除而变压器电压突然恢复时,励磁涌流达到额
定电流的6倍~8倍,可与短路电流相比拟.而励磁
涌流流经电源侧,造成变压器两侧电流的不平衡,从
而在差动回路内产生不平衡电流,导致差动保护误
动作.
为解决由于励磁涌流而使变压器差动保护经常
出现误动作的问题,寻求正确识别变压器内部故障
和励磁涌流的方法,笔者对各种差动保护方案的原
理,优缺点及应用情况进行了分析和评价.
电流波形特征识别法是一种传统的识别法,一
直是人们研究的热点,目前仍然占据差动保护的主
流.该方法是以励磁涌流和内部故障电流波形特征
的差异为依据.已应用于实践的有二次谐波制动原
理,间断角原理,小波变换方法和神经网络方法等.
2.1二次谐波制动原理
二次谐波制动法是计算差动电流中的二次谐波
电流与基波电流的幅值之比,若其值较大,则判定为
涌流,常用的判别式为:
后
式中k一二次谐波电流幅值
d——基波电流幅值
后——二次谐波制动比
二次谐波制动原理比较简单,目前国内外实际
投运的微机变压器保护大都采用该原理.但是,该原
理的变压器差动保护存在以下几个问题.
(1)励磁涌流是暂态电流,不适合用傅里叶级数
的谐波方法.因为对暂态信号而言,傅里叶级数法的
周期延拓将导致错误的结果.
(2)很难选择制动比.
10期李家坤,刘娇娇:
电力变压器差动保护方案的研究29
(3)在变压器内部故障不对称的情况下,尤其
在变压器附近装配无功补偿设备时,会在故障电流
中产生较大的二次谐波分量,使差动保护被迫制
动,直到二次谐波分量衰减后不能动作,从而延迟
了切除故障时间.
(4)随着电网电压等级的提高和系统规模的扩
大以及变压器单机容量的扩大,大型变压器内部严
重故障时,由于谐波使短路电流中的二次谐波含量
增大,有可能使二次谐波制动,引起差动保护延时
动作.
2.2间断角原理
间断角原理『1利用了励磁涌流波形具有较大间
断角的特征,通过检测差流间断角的大小实现鉴别
涌流的目的.
该原理的模拟式保护装置已在电力系统中广
泛应用,但需解决电流互感器引起间断角变形的问
题.当电流互感器饱和时,在涌流的间断区域将产
生反向电流,可能导致涌流间断角消失引起差动保
护误动,而对于内部故障电流,电流互感器饱和将
导致差动电流的间断角增大,从而引起拒动.此外,
用微机实现间断原理时,增加了保护装置的硬件成
本,主要表现在以下两个方面.
(1)需要较高的采样率以准确测量间断角,对
CPU的计算速度提出了更高的要求.
(2)励磁涌流在间断处的电流非常小,几乎接
近于0,而A/D转换芯片在0点附近转换误差最
大,因此,需要选用高分辨率的A/D转换芯片.
2.3小波变换法
小波变换在时域和频域中具有表征信号局部
特征的能力,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的
缺点,可以准确地提取信号的特征.
目前,小波变换在差动保护方面的应用研究较
为深入,但一直以来主要集中在高次谐波检测回和
奇异点检测『3】.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时
刻,退饱和时刻或故障发生时刻.如果差动电流的
高频细节突变周期性出现,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
变而产生的第二类间断点,奇异点与励磁涌流间断
角对应.该方法还存在以下问题.
(1)就微机保护而言,获得高频分量需要提高
采样频率,从而增加了技术难度和硬件成本.
(2)受到系统谐波的影响时,能否经受住环境高
频噪声考验,有待进一步研究.
(3)如何正确检测模值还是一个难题.
2.4神经网络方法
人工神经网络(ANN)应用于变压器内部故障和
励磁涌流的判别,主要是利用ANN优秀的模式识别
能力进行电流波形识别.设计ANN时要经历如下几
个过程.
(1)ANN类型的确定.
(2)输入和输出层中各节点数目的确定.
(3)隐含层及其节点数需多次试凑确定.
(4)传递函数的选择.
(5)训练样本的获取.
(6)数据预处理.
(7)训练.
(8)对已训练好的神经网络进行测试.
该方法存在以下几个问题.
(1)由于设计ANN过程需反复进行,若在训练
过程中或检验时不能满足要求,那么网络结构及各
种参数都需要调整并重新训练,所以训练神经网络
是一件非常复杂烦琐的事.
(2)训练时需要大量的样本数据,其获取和预处
理的工作量相当大,而且仍很难保证训练样本集的
完备性,从而出现误判.
3磁通特性识别法
利用内部故障和励磁涌流时变压器磁链一差流
/,-ia曲线的差别,文献[5】提出了励磁涌流的磁通特
性识别法.
变压器发生励磁涌流时,一i曲线即为变压器
的空载磁化曲线;发生内部故障时,,/,-i曲线将偏离
磁化曲线,且故障越严重偏离越严重.具体判据是:
如果,/,-i位于磁化曲线之上,则该不平衡电流为励
磁涌流,否则为内部故障电流.
该判据虽然理论上可行,但实际上由于受到变
压器剩磁的影响,在励磁涌流情况下计算得到的
ia将偏离磁化曲线,从而导致误判.
文献[5】又对上述方法进行了改进,采用,/,-ia曲
线斜率d~b/di百分励磁涌流和内部故障电流的方
法.如图1所示,变压器正常运行于铁心未饱和时,
dd//did数值较大且为常数;铁心饱和时,d~b/did数值
较小;发生励磁涌流时,铁心交替饱和,dq,/dia将在
大值与小值间周期变化;而内部故障时dq,/di数值
较小且为常数.
为利用此特征,建立一个自动计数器(>O)
30壹醢嚣第44卷
d,d
区2(铁心未饱和)
区1(内部故障或铁心饱和)
图1变压器的dw/df平面
Fig?
1pIaneofttansformer
若aq,/a~d位于区域l内,则k自动增加l,若d~/did
位于区域2内,则k自动减l;其他情况下k值不
变.对于变压器内部故障状态,k呈单调增加,而励
磁涌流时k将从不大于1个阈值.因此可以确定一
个阈值尼一,从而得到下述判据.ko≥尼为内部故
障;尼尼一为励磁涌流.
该方法计及了励磁涌流时变压器铁心饱和深
入到励磁涌流的产生源,因而实现了判别励磁涌流
的目的,具有一定的先进性,但仍然存在如下不足.
(1)需要用到变压器的实际磁化曲线及漏抗参
数,这些参数若测量不准或者发生变化,是否对励
磁涌流的鉴别产生影响尚需研究.
(2)确定区域l和区域2较困难.
(3)由于磁滞效应,磁化曲线并不是直线而是
回线,并且尼一需要通过试验确定.
文献【10】利用变压器磁通特性研究如何构成差
动保护时,避开了不容易求得的漏感参数,避开了
区域l和区域2之间的模糊性,提出了一种新方
法.该方案基于电压与电流微分比值的原理,将变
压器磁链方程u-LTdi=芈进行变换,得到:
":
(£+掣)
由于漏感£一般较小,可近似认为L=0,上式即
变为:
.dg,di
设磁化曲线的斜率为k,即
尼:
芈:
"(芈)一
(1)
变压器正常空载投入和内部故障时的一id关
系如图2所示.
由图2之中的一i的关系曲线可知,对应于变
压器正常时的折线1和2,在变压器铁心未饱和时,
}.
O
图2ld励磁特性曲线
Fig.2excitationcharacteristiccurves
掣在一个很大值和一个很小值之间变化.对应于o
变压器内部故障时的直线3,近似于一个常数
o
且数值很小.由此可见,通过观察芈的大小和变化o
可识别变压器处于正常状还是故障状态,但求掣o
需要知道变压器铁心的磁化曲线,是很难实现的.但
是由式
(1)可知,"和掣比值与"和芈比值是相o【J
等的,而且"和芈是很容易得到的,故可用"和o
芈的比值得到尼值,由k值的变化来确定变压器o
的运行状态.该方案有以下优点.
(1)该方案构成原理简单,数据采集方便,计算
量小,判据清楚,并具有较高的实用价值.
(2)无需知道具体变压器的磁化曲线及漏感参
数,因此构成的保护装置简单方便.
(3)利用比值原理根据比值系数的大小和变化
趋势来判断变压器的状态,内部故障和正常合闸分
界线很明显.但该方案的原理忽略了漏感£的大
小,是否对励磁涌流的鉴别产生不利的影响还需做
进一步的研究和证明.
4基于变压器回路方程的算法
该方法基于变压器一次侧,二次侧的互感磁链
平衡方程与一次侧和二次侧电压关于电流和互感磁
链的方程,消去互感磁链,得到只包含一次侧,二次
侧电压和电流的线性模型.
该模型不直接反映变压器铁心磁通的非线性,
只表达变压器一次和二次绕组漏感(Z,Z),电阻(n,
/'2),电压(",U2)及电流(i,i)问的关系.以单相变压
第10期李家坤,刘娇娇:
电力变压器差动保护方案的研究31
器为例,设变比为1,其表达式为:
2+rlz+f2
(2)
当变压器无故障时,式
(2)恒成立,而内部故障
时,式
(2)不再成立,定义~-----ILl—2一rlil+zl一r2i2一
(】
z:
则当ll>or时,变压器为内部故障.(】
当变压器在正常运行时,励磁涌流,过励磁或
外部短路时,绕组漏感和电阻为常数,而在内部故
障时就会发生变化.因此,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,变压
器保护的参数辨识法[61就是基于此原理.
该方法不同于前述几种方法,摆脱了励磁涌流
和过励磁电流的困扰,其原理简单,但是在实践中
还存在如下困难.
(1)变压器一,二次绕组漏电感极难准确获得,
导致整定困难.
(2)对于具体变压器需要大量试验以确定制动
阈值,其应用前景取决于理论上的进一步突破.
5差有功率法和瞬时功率法
文献[7]提出了一种基于有功功率差动的变压
器主保护新原理,该原理通过计算变压器内部消耗
的有功功率来区分励磁涌流和内部故障.其基本原
理是:
正常运行时变压器消耗有功非常小,励磁涌
流时由于绕组存在储能,第1个周期流人变压器的
有功较大,但是第2个周期之后,变压器消耗的有
功都非常小,当变压器绝缘损坏时,电弧放电发热
将消耗大量的有功.所以通过检测变压器消耗有功
的大小,即差有功功率可判别变压器是否发生内部
故障.
差有功率法的判据为:
如果W(£)>孝,则为内部
故障.
对于单相双绕组变压器有:
1rf
(£)=I(ulil+uziz-rl一r)d£
式中,.,u2,i,i2~r.,r分别是变压器一,二次绕组的
瞬时电压,电流和电阻.
差有功率法不再受限制于励磁涌流波形特征
的鉴别中,从物理机理出发综合考虑电压和电流信
息,是一种全新的方案,但是存在以下不足.
(1)该方案仍然无法回避励磁涌流带来的不利
影响,需要避开涌流时变压器第1周期的充电过
程,使判别延时.
(2)由于涌流时负载损耗很难精确计算,空载损
耗增加,整定不容易.
(3)变压器外部故障时流过变压器的较大穿越
电流使变压器消耗较大的有功,差有功率法带来的
影响不容忽视.
文献[8]在文献[7]的基础上引入了瞬时功率的
概念,直接利用变压器两侧电压和电流的采样值计
算出三相差瞬时功率并对其进行频谱分析,根据变
压器在不同状态下三相差瞬时功率所表现出的频谱
特性差异来识别励磁涌流和内部故障电流.
该方案从能量守恒的角度出发,弥补了电流差
动保护在理论上的不足,同时合理利用了瞬时功率
与有功功率之间的联系,具有一定的优越性.
但励磁涌流时变压器的负载损耗和空载损耗并
不小,而少匝数短路时形成的负载损耗也不大,单纯
利用有功损耗难以区分.因此该方案需利用瞬时功
率幅频特性中直流分量与基频分量的比值来识别,
在实现上增加了难度.目前该方案处于理论研究中.
6基于模糊逻辑的多判据法
文献[9]提出的基于模糊逻辑的多判据法,在励
磁涌流识别法的基础上,借助于模糊逻辑隶属度和
权重的概念,综合了二次谐波制动原理波形特征识
别法,磁通特性识别法和低电压判据的优点,利用模
糊集合理论提出了一种多判据法.该方法体现了智
能化特点.
目前该方法只是变压器差动保护中识别励磁涌
流的一个新探索,还有许多问题难以解决.一是模糊
逻辑中隶属函数与权重应当如何选择?
二是该方案
需要技术人员对该原理有较深入的认识.因此该方
法仍需科研工作者进行深入的研究.
7结论
电力变压器差动保护方案很多,大多数方案是建
立在如何识别励磁涌流及内部故障上,但都有不够完
善的地方,远不能满足电力变压器继电保护的要求.
主要原因是由于变压器发生励磁涌流时磁路发生饱
和,这时变压器是一个非线性时变系统,其电压和电
流并不是线性关系,而是两个相互独立的变量.
变压器差动保护的发展趋势遵循两种思路:
一是
避开励磁涌流的问题,应用电压和电流两个状态变量
来表述变压器的运行状态;二是直接面对励磁涌流,
寻求判别励磁涌流和内部故障电流的方法.而这两种
思路都必须借助于完善的硬件条件和软件措施.
妻压嚣嘉卷
参考文献:
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56—62.
收稿日期:
2007—06—01
作者简介:
李家坤(1969一),男,湖北监利人,武汉大学电气工程学院副教授,主要从事电力系统及其自动化方向的教学与研
究工作;
刘娇娇(1984一),女,广西恭城人,武汉大学电气工程学院助理讲师,主要从事电力系统及其自动化方向的教学
与研究工作.
(上接第24页)
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二.,<''=
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(a)(b)
图11换位放大图
Fig.11Amplificationtranspositiondiagram
(1)经过上述的分析,图2中四种情况的换位
均为完全换位,但是从换位处表面不高线角度考
虑,应优先选用图2b和图2d两种方式.但这两种
方式因中间一列少一根导线,因此除换位处外,其
余处需用垫条垫平.
参考文献:
(2)有时在实际计算换位间隔
P时经常有不为整数的情况,当有
少数余格时,可将其加到首末两端
换位间隔内,此时首末换位间隔略
大于P/2,但不能相差太大,这对
完全换位影响不大,甚至由于两端
换位间隔略大于P/2,正好弥补了
由于端部漏磁感应电势的减小,而
且对完全换位没有影响,这是允许
的.
【1】路长柏,朱英浩.电力变压器计算(修订本)【M】.哈尔
滨:
黑龙江科学技术出版社,1990.
【2]章名涛.电机学【M】.北京:
科学出版社,1997.
收稿日期:
2007—07-02
作者简介:
杨柏俊(1933一),男,辽宁沈阳人,青岛青波变压器股份有限公司高级技术顾问,长期从事变压器设计工作;
冯斌(1968一),男,黑龙江哈尔滨人,青岛青波变压器股份有限公司总工程师,长期从事变压器设计和技术领
导工作;
苏成勇(1969一),男,江苏盐城人,江苏中联电气股份有限公司副总经理,长期从事变压器设计工作.
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- 电力变压器 差动 保护 方案 研究