变压器保护差动保护毕业设计.docx
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变压器保护差动保护毕业设计
变压器主保护——差动保护设计
第1章：
变压器保护概述
随着电力系统的出现，继电保护技术就相伴而生。
与当代新兴科学技术相比，电力系统继电保护是相当古老了，然而电力系统继电保护作为一门综合性科学又总是充满青春活力，处于蓬勃发展中。
之所以如此，是因为它特别注重理论与实践并重，与基础理论、新理论、新技术的发展紧密联系在一起，同时也与电力系统的运行和发展息息相关。
电力系统自身的发展是促进继电保护发展的内因，是继电保护发展的源泉和动力，而相关新理论、新技术、新材料的发展是促进继电保护发展的外因，是电力系统继电保护发展的客观条件和技术基础。
1.1国内外变压器差动保护研究发展现状
随着超高压、远距离输电在电力系统中的应用越来越广泛，大容量变压器的应用日益增多，对变压器保护的可靠性、快速性提出了更高的要求。
电力变压器在空载合闸投入电网或外部故障切除后电压恢复时会产生数值很大的励磁涌流，同时波形严重畸变，容易造成差动保护误动作，直接影响到变压器保护的可靠性。
差动保护一直是电力变压器的主保护，其理论根据是基尔霍夫电流定律，对于纯电路设备，差动保护无懈可击。
但是对于变压器而言，由于内部磁路的联系，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。
当前变压器差动保护的主要矛盾仍然集中在励磁涌流和内部故障电流的鉴别上。
近十多年来，国内外许多学者致力于变压器继电保护的研究，提出了不少判别励磁涌流的新原理和新方法。
1.2课题内容及意义
根据以上的分析及对目前应解决问题的研究，得到本课题所作研究的目的：
运用小波原理，探求新的励磁涌流与内部故障判别方法。
其意义在于通过研究新判据，尝试以小波分析方案完善目前的励磁涌流判据，提高差动保护的可靠性。
1.3设计电站的原始资料（地区电网系统接线图）
第2章：
变压器的继电保护介绍
2.1变压器原理介绍
变压器主要是用来输变电的，变压器能量传递是通过电磁感应而实现的，所以分析变压器电磁关系要根据有关电和磁的规律。
每台变压器必须有电路和磁路，而电路和磁路又是电场和磁场的简化，但是在遇到一些细致的问题时，我们还是必须要用场的方法来解决。
一般变压器的电路是由绕组构成，而磁路是指定的磁通所通过的部分。
（1）电路分析:
对于普通电力变压器，就是指那些单相、三相、双绕组和三绕组电力变压器，由于他们绕组的联结方式不同，所以绕组电流，线电流，相电流的计算公式都是不一样的。
但都可以用表达式
来表示。
其中K是比率系数，P是额定容量，
是额定电压。
而绕组的匝数取决于铁心心柱截面的大小。
因为当铁心采用某一牌号硅钢片以后，磁密B基本上是一个变化范围很小的量;而且在某一相电压作用下，绕组每匝电势
与该绕组匝数W的乘积也是一个常量，所以铁心柱截面A大时，绕组每匝电势
也大，则该绕组匝数减小。
既然绕组的匝数完全取决于每匝电势
，当f=50Hz时，
，根据每匝电势和外加电压我们就可以计算出各绕组的匝数。
当发生匝间短路时，绕组匝数
将变小，电势E也将变小，而电流分量将增大，引起变压器差动保护动作。
（2）磁路分析
铁心是变压器的磁路，变压器是由电能输入侧，即一次绕组侧励磁的。
在一次与二次绕组间建立起交变磁通的电流，称为励磁电流或磁化电流。
具有磁性铁心的变压器，交变磁通大部分在铁心中流通，该磁通叫做主磁通。
双绕组变压器负载时的磁式方程为
（2-1）
或
（2-2）
将上式改写为:
（2-3）
式中，
—次电流的负载分量。
由上式可以看出，一次电流乃是励磁电流
与一次电流负载分量IAHT的矢量和，
等于运用一二次匝数比折算的二次电流，并取负号，即
（2-4）
于是，变压器的磁场可以看作两个部分，一是由励磁磁势
建立;二是由其和等于零的二次电流和一次电流负载分量的磁势
所建立的。
这个由合成磁势所建立的磁场，按照全电流定律，不可能包含与变压器的两个绕组都铰链的磁通，仅可能包含与一个绕组逐次或完全铰链的磁通。
这个磁场，就叫做变压器的漏磁场。
如果变压器在空载和负载时，一次绕组端所施加的电压是相等的，则变压器的空载电流和负载时的励磁电流二者在大小、相位与波形上相差很小。
由公式
（2-5）
式中
—外加电压V;
—由主磁通产生的电势V;
—次绕组的阻抗压降V。
2.2电力变压器的故障类型、异常工作情况
电力变压器是电力系统普遍使用的重要电气设备。
它的安全运行直接关系到电力系统供电和稳定运行，特别是大容量电力变压器一旦因故障而损坏，造成的损失就更大。
因此必须针对电力变压器的故障和异常工作情况，根据其容量和重要程度，装设动作可靠、性能良好的继电保护装置。
2.2.1变压器的故障类型
变压器故障包括变压器油箱内部故障和油箱外部故障。
变压器油箱内部故障包括绕组的相间短路、匝间短路和中性点接地系统侧的接地短路。
这些故障由于短路电流产生的高温电弧不仅烧坏绕组绝缘和铁芯，而且将绝缘材料和变压器油分解产生大量气体，使变压器油箱局部变形，甚至引起爆炸。
变压器油箱外部故障主要是变压器绝缘套管和引出线上发生的相间短路和接地短路。
2.2.2变压器的异常工作情况
变压器的异常工作情况由外部短路引起的过电流、过负荷；油箱漏油造成的油面降低或冷却系统故障引起的油温升高；外部接地短路引起的中性点过电压；过电压或系统频率降低引起的过励磁等。
2.3变压器继电保护方式
变压器保护的任务就是反应上述故障和异常工作情况，通过断路器切除故障变压器或发出信号采取措施消除异常情况，并能作为相邻元件（如母线、线路）的后备保护。
根据有关规定，变压器应该装设以下继电保护装置。
（1）反应变压器油箱内部各种短路故障和油面降低的瓦斯保护。
对容量在0.4MVA及以上油浸式变压器应该装设瓦斯保护。
（2）反应变压器绕组或引出线相间短路、中性点直接接地系统侧绕组或引出线的单相接地以及绕组匝间短路的纵差动保护。
对6.3MVA及以上厂用工作变压器和并列运行的变压器，10MVA及以上厂用备用变压器和单独运行的变压器以及2MVA及以上用电流速断保护灵敏系数不能满足要求的变压器，应装设纵差保护。
对高压侧电压为330kV以上的变压器，可以装设双重差动保护。
（3）反应变压器外部相间短路并作为瓦斯保护和纵差动保护后备的过电流保护。
当过电流保护灵敏系数不满足要求时，可采用低电压和复合电压起动的过电流保护、复序电流保护、低阻抗保护等。
（4）反应中性点直接接地系统中变压器外部接地短路的零序电流保护。
该保护同时作为变压器内部接地的后备保护。
对于中性点可接地或不接地运行地变压器需增设零序过电压保护。
（5）反应变压器对称过负荷地过负荷保护。
（6）反应高压测电压为500KV的变压器由于工作磁通量密度过高引起过励磁的过励磁保护。
2.4变压器保护的基本要求
对变压器保护的基本要求有三个方面:
（1）在变压器发生故障时应将它与所有的电源断开；
（2）在母线或其它变压器相连的元件发生故障，而故障元件由于某种原因（保护拒动或断路器失灵等）其本身短路器未能断开情况下，应使变压器与故障部分分开；
（3）当变压器过负荷、油面降低、油温过高时，应发出报警信号；
对于变压器本身和各侧引线、套管的故障，为了限制故障扩大，通常采用电流速断、差动及重气体保护，快速将变压器的电源切断。
第3章变压器差动保护
3.1国内外差动保护综述
迄今为止，差动保护己经广泛的应用于变压器保护当中，并且微机型保护已其巨大的优越性被广大用户所认可，所以微机变压器差动保护迎来一个快速发展的春天。
根据有关文献本文大致将差动保护目前的情况叙述如下。
目前，各个继电器生产厂家都将二次谐波制动原理作为主要的涌流闭锁方案。
其次是间断角原理以及近来兴起的模糊识别原理。
特别是当电力部规程要求220KV以上电压等级的变压器保护都必须配备不同原理的差动保护之后，间断角原理和模糊识别原理发展较为迅速，并且在实践中得到较多的运用和改善。
总之，这三种原理的差动保护己经可以称它们为主流，不管是国内还是国外的设备都可以提供这三种原理的保护。
这三种原理从本质上来看是相同的，都是基于波形识别的原理。
随着计算机水平的发展，CPU等主要芯片运算速度和精度的提高，必将会使得这三种原理的保护日趋完善和可靠。
但是这三种原理都有其固有的瑕疵。
因为它们都是基于对励磁涌流的一种基本认识:
含有祸次谐波、存在波形间断、波形偏向时间的上半轴等等。
而对于励磁涌流的这种认识虽然得到目前的公认，但精确的量化却很难做到，所以具体到保护的判据，则存在某种经验的数据，所以也带来误动的可能。
同时，以上三种算法非常依赖于计算的精度，所以对计算的采样要求较高，特别是对于间断角原理。
同时这种依赖于波形识别（特别是影响波形的不确定因素较多）的原理也存在灵敏度不满足要求的问题，例如对于匝间短路。
计算机技术以及数学学科的发展为新的保护原理的具体应用和实现打下了坚实的物质基础。
归纳起来主要有以下几种:
（1）变压器特殊运行状态及内部短路计算和数学仿真研究
（2）具有虚拟三次谐波励磁涌流判别技术
（3）基于回路方程算法的差动保护
（4）基于电感倒数等效电路的的差动保护
（5）基于励磁电抗（电感）数值大小的空载合闸涌流判据
（6）小波变换在差动保护中的应用
（7）基于参数辨识的差动保护
（8）基于磁制动方案
（9）等值电路参数鉴别法
目前，这几种保护的方法尚在理论研究阶段，它们的突破将为变压器的保护开创新的天地。
差动保护目前主要有如下几种方式:
（1）比率制动式差动保护
（2）标积制动式差动保护
（3）其它类型的差动保护:
比如零序差动、分侧差动保护、不完全差动保护、差动速断保护等。
（4）基于比率制动式差动保护原理对于高电阻故障（即低故障电流）不灵敏，美国Mcclee:
等提出新的△差动继电器方法，即将制动电流及差动电流中的故障前电流除出，这种保护在高阻故障时灵敏度较高。
3.2变压器的差动保护
3.2.1变压器差动保护的基本原理
对于构成理想变压器模型，差动保护在原理上只能反映被保护设备内部短路电流
，而不管外部有多严重。
（a）两相变压器原理图（b）三相变压器原理图
图3-1变压器差动保护的原理接线
由于变压器高压测和低压测的额定电流不同，因此，为了保证纵差动保护的正确工作，就必须适当选择两侧电流互感器的变化，使得在正常运行和外部故障时，两个二次电流相等。
例如图3-1（a）中，应使
或
（3-1）
式中
—高压测电流互感器的变比；
—低压测电流互感器的变比；
—变压器的变比（即高，低压测额定电压之比）。
当被保护设备发生短路（横向故障）时，有
为流向保护设备的端电流向量，如同图3-1图所示。
差动保护就反应了这个内部短路电流
保证此保护的明确选择性，快速性和高度灵敏性，当然也失去了对相邻元件的远后备保护功能。
3.2.2.变压器差动回路不平衡电流的分类
变压器的纵差动保护需要躲开差动回路中的不平衡电流。
现对其不平衡电流产生进行分类讨论：
（1）由变压器励磁涌流
所产生的不平衡电流
变压器的励磁电流
：
仅流经变压器的某一侧，因此，通过电流互感器反应到差动回路中不能被平衡，在正常运行情况下，此电流很小，一般不超过额定电流的2～10%。
在外部故障时，由于电压降低，励磁电流减小，它的影响更小。
但是当变压器空载投入和外部故障切除后电压恢复时，则可能出现数值很大的励磁涌流。
其数值最大可达额定电流的6～8倍，同时包含有大量的非周期分量和高次谐波分量。
励磁涌流的大小和衰减时间，与外加电压的相位、铁心中剩磁的大小和方向、电源容量的大小、回路的阻抗以及变压器容量的大小和铁心性质等有关系。
（2）由变压器两侧电流相位不同而产生的不平衡电流
由于变压器常采用Y/△—11的接线方式，因此，其两侧电流相位差30°。
为了消除这种不平衡电流的影响，通常都是将变压器星形侧的三个电流互感器接成三角形，而将变压器三角形侧的三个电流互感器接成星形，并适当考虑联接方式后即可把二次电流的相位校正过来。
但是电路互感器采用上述联接方式后，在互感器接成△侧的差动一臂中，电流又增大
倍。
此时为保证正常运行及外部故障情况下差动回路中应没有电流，就必须将该侧电流互感器的变比加大
倍，以减小二
次电流，使之与另一侧的电流相等，故此时选择变比的条件
（3）由计算变比与实际变比不同而产生的不平衡电流
由于两侧的电流互感器都是根据产品目录选择标准变比，而变压器
的变比是一定的，因此，三者的关系很难满足
的要求，此时差动回路中将有电流流过。
当采用具有速饱和铁心的差动继电器时，通常利用它的平衡线圈
来消除此差动电流的影响。
（4）由两侧电流互感器型号不同而产生的不平衡电流
由于两侧电流互感器的型号不同，它的饱和特性、励磁电流也不同，因此，在差动回路中所产生的不平衡电流也就较大。
此时应采用电流互感器的同型系数
。
（5）由变压器带负荷调整分接头而产生的不平衡电流
带负荷调整变压器的分接头，是电力系统中采用带负荷调压的变压器来调整电压的方法，实际上改变分接头就是改变变压器的变比，如果差动保护已经按照某一变比调整号，则当分接头改换时，就会产生一个新的不平衡电流流入差动回路。
此时不可能再重新选择平衡线线圈匝数的方法来消除这个不平衡电流，这是因为变压器的分接头经常在改变，而差动保护的电流回路在带电的情况下是不能进行操作的。
因此，对由此产生的不平衡电流，应在纵差动保护的整定值中给予考虑。
总括看来，上述2,3项可以选择互感器二次线圈使其降到最低。
但是1,4，5各项不平衡电流，实际上是不可能消除的，因此，变压器的纵差动保护必须躲开这些不平衡电流的影响。
由于在满足选择性的同时，还要求保护内部故障时有足够的灵敏性，这就是构成变压器差动保护的主要困难。
根据上述分析，在稳定情况下，为整定变压器纵差动保护所采用的最大不平衡电流
（3-2）
式中10%—电流互感器容许的最大相对误差;
——电流互感器的同型系数，取为1;
—由带负荷调压所引起的相对误差，如果电流互感器二次电流在相当于被调节变压器额定抽头的情况下处于平衡时，则△U等于电压调整范围的一半;
—由于所采用的互感器变比或平衡线圈的匝数与计算值不同时，所引起的相对误差;
—保护范围外部最大短路电流归算到二次侧的值。
3.3各种变压器主保护的讨论
如前所述，在讨论变压器内部故障主保护的时候，应该首先注意变压器差动保护不平衡电流大，较易误动;同时注意流出电流对变压器小匝数匝间短路时差动保护灵敏度的影响。
此外还应该注意空载合闸时励磁涌流对变压器差动保护的误动、带有匝间短路的变压器在空载合闸时差动保护的延缓动作以及过励磁情况下的变压器差动保护动作行为。
（1）比率制动式差动保护
采用这一原理的差动保护，既能在外部短路时有可靠的制动作用，又能在内部短路时有较高的灵敏度。
但是它对内部短路时的流出电流适应能力较差，对励磁涌流和过励磁也需采取特殊措施。
比率制动特性的原理在数字保护上的改进，主要体现在它的动作电流不是固定不变的，它随着外部短路电流的增大而增大，所以能保证区外故障不误动，同时对内部短路又有较高的灵敏度。
对于双绕组变压器，具有如图3-2中的折线，相应的动作判据为
图3-2二折线比例制动特性图3-3三折线比例制动特性
〉
当
<
（3-3）
>
+
当
（3-4）
式中
为比率制动纵差动保护制动系数。
，iop.0为最小动作电流，
为最小制动电流。
它的动作特性如图3-3，它有三个部分组成：
无制动区，比率制动区和速饱和区。
当制动电流小于拐点电流
的时候，动作电流为常数起动电流
；当制动电流大于拐点电流的时候，动作电流随制动电流的增长而沿着一条直线增长;当动作电流大于差动速断电流时，反应了故障情况严重，保护将无延时地动作出口。
在讨论变压器内部故障主保护地时候，首先应该注意变压器差动保护地不平衡电流较大，较易误动：
同时需要注意流出电流对变压器轻微匝间短路时差动保护灵敏度地影响。
区外故障的时候继电器的差流并非为零，差动回路存在稳态不平衡电流和暂态不平衡电流，在无制动区，差动回路以消除固定误差为主，动作电流很小:
对于制动区，因TA感受的电流超过了额定电流，致使误差随外部短路电流增加的很快，不平衡电流增大，误差电流随着区外故障电流的增加而增加，动作特性是一条比率制动直线。
由分析可以得出结论:
对于有流出电流的情况，二折线比率制动特性的差动保护，灵敏度相对低，当变压器内部轻微匝间短路时有可能拒动。
具有三折线比率制动特性的差动保护兼顾了变压器外部严重短路的可靠性和内部轻微短路存在流出电流的灵敏度，其动作判据为:
当
当
当
（3-5）
其中K1，K2分别为第二、第三段折线的斜率（常数），
为第二个折点的制动电流。
三折线比率制动差动保护具有很好的可靠性和灵敏度，但它的动作特性必须由三段组成，动作判据比较复杂。
从图3-2和图3-3中可以看出非线性制动特性的要求，但是它们都是由分段直线近似构成的。
由于双曲线均己有开始上升慢，后来上升快的特点，比较适合用来实现非线性制动特性。
双曲线型制动差式差动保护的判据为:
（3-6）
其中
可为常数，
为双曲线定点的纵坐标。
用双曲线制动特性去拟合三折线比率制动特性时，令
可得
（3-7）
计算表明，由于特别重视严重外部短路条件下的可靠性，当
越大时，两种折线制动特性越接近:
当
小于0.51m时，双曲线制动特性具有较高的可靠性和较低的灵敏度。
（2）标积制动式差动保护
定义两绕组电流I1,I2，的正方向均是流入变压器，并令
。
的相角差为
，即
∠
差动电流
制动电流
当
时（3-8）
当
<0时（3-9）
当变压器正常运行或外部短路时，
和
的相角差
。
有
-90°≤
≤90°
则
>0，有制动电流
，有效防止误动。
当变压器纵差动区内短路（包括相间、匝间短路和中性点接地一侧的接地短路），如有
270°>
>90°
则
<0，令制动电流
，保护灵敏动作
在很大的外部短路电流下，TA可能饱和，二次电流幅值减小，比率制动式纵差动保护的不平衡电流急剧增大而制动电流反而减小，可能造成误动。
但是标积制动式纵差动保护在很大的外部短路电流作用下，特别是暂态非周期分量电流的影响，两侧TA的传变特性可能相差较大，出现幅值很大的暂态不平衡电流，但是两侧二次电流的相角差别不致太大，纵差动可靠不误动。
（3）变压器分侧差动保护
由于变压器差动保护区内包含着原副方绕组间的磁涡合，从而有一些励磁涌流，过励磁等引起误动的特殊问题，这就启发我们将一个双绕组变压器分解看作两个被保护对象，对与每一绕组内部短路保护就完全等同与发电机一相定子绕组的相间短路保护，从而非常简单，与空载合闸涌流、过励磁电流完全无关，因为这些电流对分侧差动保护而言是穿越性电流。
（4）差动速断保护
变压器差动保护原理复杂，装置中常用到各种滤波环节，使保护动作速度比较慢。
为了取得在严重的内部短路时有高速的保护，一般在比率制动式或标积制动式差动保护的基础上，利用原有装置中的差动电流
，不经滤波电路，直接采用差动电流的全波幅值作为动作量，没有制动量，这就是差动速断保护。
差动速断保护的动作电流应按变压器空载合闸、有最大励磁涌流
时不误动作为整定原则。
对于大型变压器，还应考虑外部短路时可靠不误动。
所有这些保护都是根据变压器内部一些特征量而提出的，他们都是以差动保护为基础，但是差动原理应用与变压器保护却遇到了越来越多的困难，如前所述，差动保护的最基本概念是当被保护设备完好时，不管外部系统发生何种短路或是扰动，恒有
（3-10）
对发电机、电动机、电抗器、电容器、母线等电气设备均成立，但是对变压器却不成立，因为对于n个绕组的变压器在正常运行或外部短路时有
（3-11）
正常情况或是外部短路时，对于大型变压器而言，就非常接近发电机等主设备差动保护实际条件。
但是当无故障的变压器空载合闸或是切除外部短路时，或者过电压或是过励磁，情况就不一样了。
为防止误动有二次谐波和五次谐波制动等方案。
但是由于众多因素的影响，二次和五次谐波电流的大小很难确切定量，从而造成误动。
从物理概念上讲变压器差动保护范围内，不仅包含电路，而且包含非线性的铁芯磁路，造成当变压器本身无故障、空载合闸或仅有异常情况时，差动保护具有很大的差动电流。
目前为了探索更好的变压器保护原理，又提出如下变压器微机主保护。
①基于回路方程算法的变压器微机型主保护
②基于电感倒数等效电路的变压器微机型主保护
③模糊逻辑在变压器差动保护中的初步应用
④小波变换在变压器差动保护中的应用研究
⑤基于励磁电抗数值大小的空载合闸涌流判据
另外为了分析变压器内部短路的状况，又提出了变压器内部短路计算的基本方法以及电感参数的计算
最后瓦斯保护也是变压器油箱内故障的一种主要保护，特别是铁芯故障。
但是当电气故障时瓦斯保护反应较迟。
瓦斯保护的运行实践说明，误动作率较高，当前主要问题仍是提高可靠性。
第4章短路电流的计算
4.1短路计算基本说明及步骤
短路计算是保护整定计算和电气设备选择校验的重要依据，本次短路计算采用正序等效定则和运算曲线法，利用短路计算程序完成。
短路计算步骤如下：
4.1.1短路计算程序运行前的准备工作
①首先根据设计要求确定所需的短路点数量及具体位置
根据需要共设2个短路点d1~d2，具体位置如下图所示：
图4.1-1短路点设置图
②针对所计算的地区电网在最小运行方式下的支路及节点进行编号，形成最小网络拓扑图（由于比率制动型差动保护仅仅在校验灵敏度时需要计算最小短路电流，因此只考虑最小运行方式。
最小运行方式仅仅考虑电源的最小方式，不考虑电网中环网断开的情况）
节点编号顺序：
先短路节点，后其它节点，所有电源节点作为参考节点0；支路编号顺序：
先电源支路（水电,火电,有限系统,无限系统），后其它支路。
（所有短路点皆为节点，除此以外若任一短路点短路时，某点将出现短路电流分支，则该点也为节点；任一短路点短路时都不会流过短路电流的支路可不编入网络拓扑图，例如负荷支路）。
网络拓扑图如下图所示（因差动保护校验灵敏度时要考虑变压器单侧电源供电时内部短路的最小短路电流情况，因此高压侧分别按火电厂单独供电和系统单独供电两种情况考虑，最后选取其中较小者）：
a.主变T2高压侧只有火电电源F火情况b.主变T2高压侧只有系统电源Sxi情况
图4.1-2短路计算网络拓扑图
4.1.2短路计算程序运行步骤
（只计算最小运行方式，但要分别计算以上两种拓扑图的情况）
①运行“输入系统参数模块”
*输入网络拓扑参数
*输入系统基本参数
*输入支路原始参数
②运行“支路正、负序电抗计算模块”
③运行“短路电流计算模块”
从工程需要出发，对系统最小运行方式下的三相短路、两相短路进行计算，计算出短路发生后0s和4s各支路的短路电流和母线残余电压（有名值为归算到短路点电压等级下的数据，短路电流数值为三相中最大短路电流值）。
整定计算中，所有主保护皆采用0s的短路计算结果；所有的后备保护皆采用4s的短路计算结果。
短路计算参数输入时，各等级电压值按平均电压输入（例如110kV等级输入115kV，10kV等级输入10.5kV，6kV等级输入6.3kV）；发电电源的负序参数若未给出，输入时可按正序参数输入。
4.2短路计算结果
根据整定计算要求列出所需的短路计算结果如下：
表4.2-1支
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