完整版变压器差动保护的研究毕业设计.docx

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完整版变压器差动保护的研究毕业设计

毕业论文

变压器差动保护的研究

[摘要]电力变压器作为联系不同电压等级网络的设备，是电力系统中非常重要的元件。

长期以来电力变压器一直只采用差动保护作为内部故障的主保护。

因此，差动保护的可靠性和安全性对变压器保护来说最为关键。

其中励磁涌流的识别一直是研究的热点，国内外许多研究人员做了大量工作，也取得了许多成果。

由于变压器励磁涌流受变压器铁心剩磁、饱和磁密、系统阻抗、接线方式、铁心结构、合闸初相角等因素影响，所以这些方法都不能保证百分之百的可靠性，鉴别励磁涌流的问题成为制约变压器差动保护能否正确和灵敏动作的瓶颈。

本文研究了变压器产生励磁涌流的机理，分析了几种鉴别励磁涌流方法的优缺点。

针对二次谐波制动原理存在着不着之处，提出了基于等效瞬时电感鉴别励磁涌流的方法并用MATLABSIMULINK建立了仿真模型，对变压器在不同合闸角、不同剩磁的情况下进行了大量仿真。

仿真结果表明基于等效瞬时电感鉴别励磁涌流的方法能够有效鉴别变压器的内部故障和励磁涌流，具有一定的实用价值。

[关键词]变压器差动保护MATLABSIMULINK励磁涌流等效瞬时电感仿真

Expioitationtransformerdifferentialprotection

LiXin

（Grade06Class3,MajorElectricengineering，ElectricengineeringandautomationDept.，ShaanxiUniversityofTechnology，Hanzhong723003，Shaanxi）

Tutor：

YangLinxia

Abstract：

Powertransformersasveryimportantelementsinpowersystemrequireveryreliableprotectionadoptedasmainprotectionagainstinnerfaultoftransformerforalongtime,sinceit.Identificationofinrushcurrentakeyproblemtoberesolved.Manyresearcheresthisaspect.Becausetheinrushcurrentoftransformerisinfluencedbymanyfactorssuchasresidualfluxofironcore,saturationfluxdensity,systemimpedance,modeofconnection,ironcorestructure,closingangleandsoon,butalloftheproposedmethodscan’tmakesure100%reliability,Identificationofinrushcurrentisthemostcriticalfactorthatlimitsdifferentialprotectionoperation.Inthisthesis,themechanismofinrushcurrentoccurringintransformeriswellresearched,theadvantagesanddisadvantagesofseveralmethodsforcheckinginrushcurrentarediscussed.Basedonequivalentinstantaneousinductancetodiscriminatebetweeninternalfaultcurrentandinrushcurrentisputforwardinthisthesis.AnumericsimulationmodelisbuiltwiththesimulationsoftwareSIMULIINKbasedonMATLAB,numeroussimulationsarecarriedoutonanconnectedtransformerwithdifferentswitching-onangleandremanentflux.Thesimulationresultsshowthattheproposedmethodbasedonequivalentinstantaneousinductancepossessescertainpracticabilityandcandistinguishinternalfaultcurrentfrominrushcurrenteffectively.

Keywords：

powertransformerdifferentialprotectionMATLABSIMULINKinrushcurrentequivalentinstantaneousinductancesimulation

1.绪论

1.1选题意义

随着我国经济建设的长足发展，对电力行业的精确要求日益提升。

电力工业作为国家经济发展的先行军，必须为经济建设提供强大的开拓力和坚固的后盾支持。

变压器利用电磁感应原理把一种电压的交流电能转变为频率相同的另一种电压的交流电能，在电力系统中，需要用变压器将电压升级进行远距离传输，以降低线路损耗，当电能到达用户区后，再采用不同等级的变压器将电能降压使用，因此，变压器的正常运行对保持系统的稳定性与安全有着特殊的意义。

其安全运行关系到整个电力系统能否连续稳定的工作。

同时，大型变压器造价昂贵，一旦发生变故遭到损坏，其检修难度大、时间长会造成很大的经济损失。

变压器的损坏轻者意味着与之相连的输电线路无法正常工作，造成区域性停电；重者有可能使整个变电站断电，影响系统功率平衡，引起大面积停电。

因此,在考虑大型变压器继电保护的总体配置时，除了保证其安全运行外，还要最大范围地缩小故障的影响，特别要防止保护装置误动作或拒绝动作。

差动保护方式应为变压器的主要保护。

它应属较可靠的一种保护方式，它的故障将会给电力系统的正常供电和安全运行带来严重的后果，为此应根据变压器在运行中可能发生故障的类型装设必要的和可靠的保护。

变压器保护在原理上存在一定的缺陷，其关键问题主要有两个:

一是作为变压器主保护的差动保护在原理上存在不足之处，二是用于识别励磁涌流的方法不十分准确。

因此，要提高变压器保护的正确动作率，其当务之急是发现新的保护原理和准确识别励磁涌流的新方法。

变压器常用的保护有过电流保护、电流速断保护、瓦斯保护等，它们各有优点和不足之处，过电流保护动作时限较长，切除故障不迅速；电流速断保护由于“死区”的影响使保护范围受到限制；瓦斯保护只能反映变压器的内部故障，而不能反映外部端子以上的故障。

变压器差动保护正是为了解决这一问题而设计的。

差动保护是变压器的主保护，差动保护是利用故障时产生的不平衡电流来动作，保护灵敏度很高，动作迅速。

二次谐波制动一直是变压器差动保护的主保护，但是，随着电力系统规模的扩大，二次谐波制动原理由于其本身的缺陷，面临着许多问题。

可能会导致变压器的差动保护误动作或延迟动作，已适应不了大型变压器差动保护的要求，必须探索新的鉴别励磁涌流的方法。

1.2变压器差动保护的发展状况

近年来，我国继电保护技术发展相当迅速，未来继电保护的发展趋势是向计算机化，网络化及保护、控制、测量、数据通信一体化智能化发展。

变压器差动保护中，解决涌流制动问题是一个关键。

为满足电力系统不断发展的需要，近十多年国内外学者对变压器保护的原理从各方面进行了深入的研究和试验，提出了多种不同的方案。

其中大多数进行的动摸试验和仿真证明具有较高的灵敏度和可靠性，但离微机保护的实现还有一段距离。

而原来已用于实际的一些方法随着电力系统的发展也面临着新的考验。

因此，为适应未来电力系统的发展要求，尽快研制出新原理的微机变压器保护已成为一个非常现实和迫切的要求。

1.2.1差动保护的研究现状

从应用的进程上来看，保护新原理的应用可能经历三个阶段：

第一阶段，由于保护新原理不受励磁涌流的影响，因此可以作为变压器差动保护励磁涌流识别方法进行应用，这也是很多新原理研究的出发点；第二阶段，新原理保护与差动保护配合使用，由于差动保护作为变压器主保护已经历了几十年的考验和完善，因此二者结合使用，可以取长补短。

第三阶段，新原理保护取代差动保护，这是保护新原理研究的目标。

为了保证变压器安全、可靠地运行，电力工作者不断深入分析其运行特性，，研究新原理、新方法提高变压器保护的性能，对其理论探讨与装置研制一直在不断进行。

而随着计算机与网络技术的迅猛发展，高性能的微处理器芯片层出不穷，微机变压器保护装置的性能不断得到改善，整个微机保护系统正向集成化，人工智能化，网络化，保护、控制、测量、数据通信一体化，标准化方向发展。

变压器保护在进入数字微机时代后，利用微机强大的运算和处理能力，新的励磁涌流鉴别方法不断被提出，在国内外形成研究热潮。

间断角原理从分析励磁涌流波形本质出发，为励磁涌流的鉴别提供了新思路，沿着这个思路，波形比较法、波形对称法和积分型波形对称法相继被提出。

现在使用的微机变压器保护中识别励磁涌流的方法也主要是：

二次谐波闭锁、间断角闭锁、波形对称原理等。

实践表明，在过去的几十年间，上述原理基本上能达到继电保护要求。

然而，随着电力系统以及变压器制造技术的日益发展，利用涌流特征的各种判据在实用中均遇到一些无法协调的矛盾。

1.2.2变压器差动保护的发展趋势

尽管从差动保护作为变压器的主保护那一天起，正确识别励磁涌流就成为变压器差动保护所需要解决的重要问题，但是在没有完善的新原理可以取代差动保护前，必须不断提高变压器差动保护励磁涌流识别能力。

由于变压器差动继电保护系统将辨认励磁涌流为变压器内部故障电流，而可能引起继电器的误动作，故必须设法区分。

长期以来变压器主保护动作正确率相对偏低，变压器差动保护及其相应的辅助判据需要改善。

近年来，新器件，新技术的应用为变压器的保护研究与发展提供了一个广阔的天地。

数字信号处理器的出现，不但可以提高微机保护数据采样与计算的速度和精度，甚至可能改变往常微机保护装置的设计思想，使得复杂的算法得以在保护装置中实现。

现代数学工具开始越来越多的融入到变压器保护的研究领域，一方面为传统的变压器保护方法提供了更有效地工具，另一方面，采用多个信息量，可提高变压器保护智能化程度，改善可靠性和适应性。

随着新的传感元件与测量元件的出现,故障诊断与预测充分利用各种现代数学分析手段对变压器的各个运行状态量进行监测与分析，越来越融入到变压器保护中。

它实质上是传统变压器保护中电量与非电量保护的一个扩展，它的研究与发展，为变压器的研究与发展提供了一个新的思路。

1.3变压器差动保护研究的主要内容

差动保护一直以来都是电力变压器的主保护，其最关键也是最困难的问题是如何防止变压器励磁涌流所导致的差动保护误动作。

但差动保护应用于变压器时，效果并不是很理想。

这是因为差动保护的理论依据是基尔霍夫电流定理，所以对纯电路设备如发电机、线路等的差动保护无懈可击，但对变压器而言，其内部是通过磁路耦合来联系的，并不是纯电路结构，因此基尔霍夫电流定理本质上已不再适用，变压器的励磁电流成了差动保护不平衡电流的一种来源。

然而，变压器正常运行时，其励磁电流一般为额定电流的3%～5%，可以忽略不计，通过整定适当的门槛值，差动保护就可以准确区分变压器的内部故障与外部故障。

但当变压器空载合闸或外部故障切除后端电压突然恢复时，励磁涌流很大，如果没有别的保护措施，这么大的不平衡电流必然导致差动保护误动作。

因此，进一步研究变压器差动保护的误动机理，探索快速、准确的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。

通过对电力变压器差动保护电路进行分析,找出常见的不平衡电流产生的原因,并提出了一些措施,提高变压器差动保护的正确动作率,确保变压器的安全运行。

变压器差动保护中,解决涌流制动问题是一个关键。

2.变压器的差动保护

变压器是电力系统中的一种重要设备，分布于系统各不同电压阶层。

在电力系统中广泛使用变压器来升压或降压。

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，同时大容量的变压器也是非常贵重的设备。

因此，应根据变压器容量等级和重要程度，装设性能良好、动作可靠的继电保护装置。

2.1变压器差动保护的基本原理

变压器差动保护主要是用来反应变压器绕组、引出线及套管上的各种短路故障，是变压器的主保护。

差动保护装置,可用来保护变压器线圈内部及其引出线上发生的相间短路和接在大电流接地电网上变压器的单相接地故障。

为了实现上述保护，电力变压器的两侧都装设电流互感器。

由于变压器具有两个或更多个电压等级，因此，为了保证差动保护的正确工作，就须适当选择两侧电流互感器的变比。

差动保护是利用比较被保护元件各端电流的幅值和相位的原理构成的，根据KCL基本定理，即当被保护设备无故障时：

恒有=0，即各流入电流值和必等于各流出电流之和，其中为流向被保护设备各端子的电流；当被保护设备内部发生故障时，短路点成为一个新的端子，此时有＞0，但是实际上在外部发生短路时还存在一个不平衡电流，所以差动保护的动作判据应改写为：

＞（2.1）

式中——差动回路的差动电流

——差动保护的最大不平衡电流

图2.1是双绕组、三绕组变压器差动保护的原理接线图。

以双绕组变压器为例说明差动保护原理。

由于变压器高压侧和低压侧的额定电流不同，因此为了保证差动保护的正确动作，就必须适当选择两侧电流互感器的变比，使得在变压器正常运行或外部故障时两个电流相等。

正常运行或外部故障时，差动继电器中的电流等于两侧电流互感器的二次电流之差，欲使这种情况下流过继电器的电流基本为零，则应恰当选择两侧电流互感器的变比。

在图2.1中当满足条件：

（2.2）

或（2.3）

式中：

——变压器高压侧一次电流；

——变压器低压侧一次电流；

——高压侧电流互感器的二次电流，单位为安培；

——低压侧电流互感器的二次电流，单位为安培；

——高压侧电流互感器的变比；

——低压侧电流互感器的变比

——变压器的变比。

图2.1双绕组变压器接线图

图2.2三绕组变压器接线图

差动保护动作判据用下式表示：

≥（2.4）

式中:

——差送保护动作整定电流

流入继电器的电流为0，此时差电流小于动作整定电流，继电器不动作。

如果变压器外部故障时，电流和都增加，继电器仍不动作，可见差动保护对互感器外的电路不能起到保护作用。

而当变压器内部故障时，变压器副边的电流互感器无电流流过，继电器反应两侧电流之和，此时,差动电流大于动作整定电流。

使继电器瞬时动作。

保护动作对于差动保护动作判据中的,要按躲过外部短路时最大短路电流对应的最大不平衡电流整定，这时数值较大，如图2.3中直线1所示，直线以下为制动区，直线以上为动作区。

如果内部短路电流较小，则差动电流的值小于最大不平衡电流，该点处于直线1以下（制动区），保护不动作，这时保护的灵敏度不能满足要求。

由于变压器差动保护的不平衡电流随一次穿越电流的增大而增大，因此，利用该穿越电流产生制动作用使动作电流随制动电流而变化，这样在任何内部短路情况下动作电流都大于相应的不平衡电流，同时又具有较高的灵敏度。

基于此，人们提出带有制动特性的差动保护，如图2.3：

曲线所示曲线以上为动作区，曲线以下为制动区。

动作特性曲线2与直线1相比，图中阴影部分能够正确动作。

图2.3差动保护动作曲线

事实上，外部发生短路故障时，因为外部短路电流大，特别是暂态过程中含有非周期分量电流，使电流互感器的励磁电流急剧增大，而呈饱和状态使得变压器两侧互感器的传变特性很难保持一致，而出现较大的不平衡电流。

因此采用带制动特性的原理，外部短路电流较大，制动电流也越大，继电器能够可靠制动。

一般运用差动保护原理能可靠的区分内外故障，并有相当高的灵敏度，这也是电力系统主元件往往采用差动保护的原因。

由于差动保护的构成原理是基于比较变压器各侧电流的大小和相位，受变压器各侧电流互感器以及诸多因素影响，变压器在正常运行和外部故障时，其差动保护回路中有不平衡电流，使差动保护处于不利的工作条件下。

由上分析可知,双绕组变压器在其两侧装设电流互感器。

当两侧电流互感器的同极性在同一方向，则将两侧电流互感器不同极性的二次端子相连接（如果同极性端子均置于靠近母线一侧，二次侧为同极相连），差动继电器的工作线圈并联在电流互感器的二次端子上。

在正常运行或外部故障时，两侧的二次电流大小相等方向相反，在继电器中电流等于零，因此差动保护不动作。

然而，由于变压器实际运行中引起的种种不平衡电流，使得差动继电器的动作电流增大，从而降低了保护的灵敏度，因此，减少不平衡电流及其对保护的影响，就成为实现变压器差动保护的主要问题。

为此，应分析不平衡电流的产生原因，并讨论减少其对保护影响的措施。

2.2差动保护中不平衡电流产生的原因

由于差动保护的构成原理是基于比较变压器各侧电流的大小和相位，受变压器各侧电流互感器以及诸多因素影响，变压器在正常运行和外部故障时，其差动回路中有不平衡电流，使差动保护处于不利的工作条件下。

为保证变压器差动保护的正确灵敏动作，必须对其回路中的不平衡电流进行分析，找出原因，采取措施予以消除。

不平衡电流的产生原因有稳态和暂态两方面　

1.稳态情况下的不平衡电流

1）变压器正常运行时由励磁电流引起的不平衡电流

变压器正常运行时，励磁电流为额定电流的3%～5%。

当外部短路时，由于变压器电压降低，此时的励磁电流更小，因此，在整定计算中可以不考虑。

2）变压器各侧电流相位不同引起的不平衡电流

电力系统中常采用Y，d11接线方式，因此，变压器两侧的相位差为30°，如果两侧电流互感器采用相同的接线方式，即使两侧电流数值相等，也会产生2sin15°的不平衡电流。

因此，必须补偿由于两侧电流相位不同而引起的不平衡电流。

具体方法是将Y,d11接线的变压器星形接线侧的电流互感器接成三角形接线，三角形接线侧的电流互感器接成星形接线，这样可以使两侧电流互感器二次连接臂上的电流和相位一致，按该方法接线进行相位补偿后，高压侧保护臂中电流比该侧互感器二次侧电流大倍，为使正常负荷时两侧保护臂中电流接近相等，故高压侧电流互感器变比应增大倍。

在实际接线中，必须严格注意变压器与两侧电流互感器的极性要求，为防止发生差动继电器的电流相互接错，极性接反现象，在变压器的差动保护投入之前要做接线检查，在运行后，如测量不平衡电流值过大不合理时，应在变压器带负载时测量互感器一、二次侧电流相位关系以判别接线是否正确。

3）电流互感器计算变比与实际变比不同

变压器高、低压两侧电流的大小是不相等的。

为要满足正常运行或外部短路时流入继电器差动回路中的电流为零，则应使高、低压侧流入继电器的电流相等，则高、低压侧电流互感器变比的比值应等于变压器的变比。

但实际上由于电流互感器在制造上的标准化，往往选出的是与计算变比相接近且较大的标准变比的电流互感器，这样由于变比的标准化使得其实际变比与计算变比不一致，从而产生不平衡电流

4）变压器各侧电流互感器型号不同

由于变压器各侧电压等级和额定电流不同，所以变压器各侧的电流互感器型号不同，它们的饱和特性不同、励磁电流（归算至同一级）也就不同，从而在差动回路中产生较大的不平衡电流。

5）变压器带负荷调节分接头

变压器带负荷调节分接头是电力系统中电压调整的一种方法，改变分接头就是改变变压器的变比。

在整定计算中，差动保护只能按照某一变比整定，选择恰当的平衡线圈减小或消除不平衡电流的影响。

当差动保护投入运行后，在调压抽头改变时一般不可能对差动保护的电流回路重新操作，因此又会出现新的不平衡电流，不平衡电流与调压范围有关。

2.暂态情况下的不平衡电流

暂态情况下的不平衡电流是由变压器励磁涌流产生，变压器的励磁电流仅流经变压器接通电源的某一侧，对差动回路来说，励磁电流的存在就相当于变压器内部故障时的短路电流。

因此，它必然给纵差保护的正确工作带来不利影响。

正常情况下，变压器的励磁电流很小，故纵差保护回路的不平衡电流也很小。

在外部短路时，由于系统电压降低，励磁电流也将减小。

因此，在正常运行和外部短路时励磁电流对纵差保护的影响常常可忽略不计。

但是，在电压突然增加的特殊情况下，比如变压器在空载投入和外部故障切除后恢复供电的情况下，

则可能出现很大的励磁电流，这种暂态过程中出现的变压器励磁电流通常称励磁涌流。

变压器的励磁涌流就是一种暂态电流,对差动保护回路不平衡电流的影响更大。

2.3变压器的励磁涌流

变压器差动保护继电器的正确选型、设计和整定，都与变压器励磁电流有关。

变压器的励磁电流是只流入变压器接通电源一侧绕组的，对差动保护回路来说励磁电流的存在就相当于变压器内部故障时的短路电流。

因此，它必然给差动保护的正确工作带来影响。

从变压器原边看进去，变压器的励磁回路相当于一个非线性电感。

当变压器及所在系统正常运行时，铁芯未饱和，相对导磁率较大，从原边看进去变压器的励磁回路相当于一个带铁芯的电感线圈，变压器绕组的电感也很大，因此励磁电流很小，通常只有变压器额定电流3%～6%或更小，可忽略不计。

在外部短路时，由于系统电压下降，励磁电流也将减小，它产生的影响就更小。

因此，在稳态情况下励磁电流对差动保护的影响常常可忽略不计。

但是，在电压突然增加的特殊情况下，例如在空载投入变压器或外部故障切除后恢复供电时，一旦铁芯饱和后，其相对磁导率接近于1，从变压器原方看进去，励磁回路相当于一个空心线圈，变压器的回路电感降低，可能产生很大的励磁电流，其数值可达额定电流的6～8倍。

这种暂态过程中出现的变压器励磁电流通常称为励磁涌流。

由于励磁涌流的存在常常导致差动保护误动作，给变压器差动保护的实现带来困难。

为此，应讨论变压器励磁涌流产生的原因和它的特点，并从中找到克服励磁涌流对差动保护影响的方法。

2.3.1励磁涌流产生的原因

变压器励磁涌流的产生根源是:

变压器一侧的电压突然增大（△U）,电压突变量与剩磁同相叠加造成变压器铁芯饱和所引起的。

变压器空载合闸时,合闸侧电压突然升高；外部故障切除后,切除故障侧电压突然升高,这两种情况下均可能出现很大的励磁涌流。

具体过程为:

在稳态工作情况下,变压器铁芯中的磁通应滞后于外加电压90°,如果空载合闸时,正好在电压瞬时值u=0时接通电路,则铁芯中应该具有磁通-фm。

但是由于铁芯中的磁通不能突变,因此将出现一个非周期分量的磁通,其幅值为+фm。

这样在经过半个周期后,铁芯中的磁通就达到2фm。

如果铁芯中还有剩余磁通фs,则总磁通将为2фm+фs。

此时变压器的铁芯严重饱和,励磁电流将剧烈增大,最大可达额定电流的6～8倍。

这种励磁电流就称为变压器的励磁涌流。

电力系统中的变压器主要是三相变压器，但可以把对单相变压器的分析作为分析三相变压器的基础。

图2.4为一实际变压器的磁化曲线

图2.4变压器的磁化曲线

图2.4中为磁化曲线，A点为饱和磁通，直线AB为过A点向实际磁化曲线饱和区域所作的切线。

为分析方便，不考虑非周期分量衰减，并将铁心磁化曲线简化为图2.4所示的两段折线OAB。

变压器空载合闸于工频无穷大电源，

电压与磁通之间的关系为

（2.5）

式中α为空载合闸时电源电压的初相角