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1、电力变压器轻微匝间故障保护策略1 绪论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 变压器差动保护的发展简述电流差动保护原理是由C H Merz和B.Price在
2、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
3、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60万KW及以下容量水、火发电机变压器组全套微机保护。随后，国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（
4、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
5、性点直接接地系统）经高阻接地的单相短路，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部短路，可见变压器差动保护要比发电机等其他元件差动保护复杂得多。1.2 励磁涌流判别原理的研究现状随着超高压、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
6、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部故障电流的鉴别上。近十多年来，国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）电流波形特征识别法电流波形特征识别法一直是人们研究的热点，目前仍占据主流。该方法以励磁涌流和部故障电流波形特征的差异为依据。己运用于实践的方法有：二次谐波制
7、动原理和间断角原理，新近提出的有采样值差动原理、波形对称原理，波形叠加原理、波形相关性分析法和波形拟合法。其中，采样值差动原理是间断角原理的衍生，波形对称原理是间断角原理的改进，而波形叠加原理、波形相关性分析法和波形拟合法则是波形对称原理的衍生或改进。另外，随着科学研究领域的逐步扩大，研究层次的逐渐加深，产生的若干新兴学科也为判别励磁涌流提供了新的手段，其中有代表性的是神经网络和小波变换。然而，就目前发表的文献看，这些新兴手段也只是局限于对电流波形进行一些简单的加工，所以仍属于电流波形特征识别法的畴。2）谐波识别法该方法是通过电流或电压中谐波含量的多少来区分部故障和励磁涌流。主要有利用二次谐波
8、电流和分析变压器端电压中的谐波分量两种鉴别励磁涌流的方法即二次谐波制动和电压制动。大多数变压器差动继电器利用差动电流的谐波分量区分不同于励磁涌流和过励状况的部故障，谐波分量可以用于制动或闭锁继电器动作。3）磁通特性识别法磁通特性识别法是考虑利用磁通量，综合运用变压器的电压和电流进行励磁涌流判别的方法。目前主要有三种磁制动方案： 是基于变压器在不同工况下的励磁特性曲线建立故障判别区;二是建立差动电流id和变压器的互感磁链之间的关系曲线，通过比较与的关系是否落在空载磁化曲线附近来判断是否为励磁涌流;三是分析比较-曲线上故障时或涌流时的切线斜率与半周波前对应的切线斜率的值，相等则为故障。4）等值电路
9、法该方法是基于变压器导纳型等值电路的励磁涌流判别方法，通过检测对地导纳参数变化来鉴别变压器外故障。5）功率法第一种：对故障状态下系统正负序网络模型进行分析，由变压器两端电流电压计算出两侧正负序功率，根据正负序功率方向的不同，快速、准确地区分变压器的部故障、外部故障和励磁涌流。第二种：先根据电流电压计算出变压器两端功率值，并计算出两者之差，用求得的有功功率差额W(r)来判别励磁涌流和变压器部故障。该方法的优点是第一没有让励磁涌流成为动作的因素，故在励磁涌流判别方面有较大的优势。第二与以往的励磁涌流判据相比，功率差动保护的功能更为全面具有区分变压器、外部故障的功能，可以作为独立保护使用。6）其它基
10、于参数辨识的变压器差动保护：该方法无需鉴别励磁涌流，通过建立变压器的线性模型，而模型无需涉及变压器铁心的非线性关系和磁滞效应。当变压器绕组漏感和电阻在正常运行、外部故障及励磁涌流时不发生变化，而在变压器部故障时要发生变化。根据这一特性，可把变压器绕组的漏感和电阻值是否发生变化作为区分变压器部故障和正常、外部故障、励磁涌流情况的判据。基于励磁阻抗变化的变压器励磁涌流判别方法：在励磁涌流出现时，变压器的励磁阻抗急剧变化，而在正常运行或故障时励磁阻抗基本不变这一特征来区分变压器励磁涌流和短路故障.因而不需要变压器参数和系统参数。1.3 存在的问题众所周知，影响变压器差动保护动作正确与否的关键是保护装
11、置能否正确区分励磁涌流和部故障。有关励磁涌流的分析一直以来都是焦点，意义重大。主要应解决的主要问题有：（1）正确识别励磁涌流和部故障时的短路电流。变压器空载合闸或外部短路故障切除电压突然恢复时，变压器有很大的励磁电流即励磁涌流通过，因该励磁涌流仅在变压器的侧流通，故流入差动回路。变压器部短路故障时，差动回路流入的是很大的短路电流。显然，作为纵差动保护，励磁涌流作用下不应动作，短路电流作用下保护应可靠动作。（2）外部短路故障切除电压突然恢复的暂态过程中，应保证纵差动保护不发生误动作。应当注意在这个暂态过程中，一方面变压器存在励磁涌流，励磁涌流的非周期分量将使一侧电流互感器（励磁涌流仅在变压器一侧
12、流通）的误差特别是角误差增大;另一方面变压器负荷电流的存在。这两方面的因素导致差动回路不平衡电流的增大，变压器微机差动保护这种情况下不应误动。（3）应解决好区外短路故障时差动回路中的不平衡电流和保护灵敏度之间的矛盾。区外短路故障时，由于纵差动保护各侧电流互感器变比不匹配、有载调压变压器抽头的改变、电流互感器误差特别是暂态误差的影响，差动回路中流过数值不小的不平衡电流，为保证纵差动保护不误动，动作电流应高于区外短路故障时的最大不平衡电流，这势必要影响到部故障时保护的灵敏度。作为纵差动保护，既要保证区外短路故障差动回路流过最大不平衡电流时不发生误动作，又要在部短路故障时保证一定的灵敏度。2 变压器
13、差动保护2.1 变压器的差动保护2.1.1 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1(a)中，应使： 或 式中为高压测电流互感器的变比；为低压测电流互感器的变比；为变压器的变比（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
14、1所示。差动保护就反应了这个部短路电流，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。2.1.2 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210%。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68
15、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
16、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
