數(shù)字變壓器差動保護(hù)原理

第八講：數(shù)字變壓器差動保護(hù)原理東南大學(xué)電氣工程系袁宇波2004.11變壓器發(fā)生的各種故障類型油箱內(nèi)部故障各相繞組之間的相間短路單相繞組部分線匝之間的匝間短路單相繞組或引出線通過外殼發(fā)生的單相接地故障油箱外部故障引出線的相間短路絕緣套管閃絡(luò)或破壞引出線通過外殼發(fā)生的單相接地短路變壓器不正常工作狀態(tài)外部短路或過負(fù)荷，過電流油箱漏油造成油面降低變壓器中性點接地外加電壓過高或頻率降低，過勵磁等

應(yīng)裝設(shè)的繼電保護(hù)裝置

瓦斯保護(hù)，防御變壓器油箱內(nèi)各種短路故障和油面降低，重瓦斯跳閘，輕瓦斯信號

縱差動保護(hù)和電流速斷保護(hù)防御變壓器繞組和引出線的多相短路、大接地電流系統(tǒng)側(cè)繞組和引出線的單相接地短路及繞組匝間短路相間短路的后備保護(hù)。作為（1）(2)的后備過電流保護(hù)復(fù)合電壓起動的過電流保護(hù)負(fù)序過電流零序電流保護(hù)：防御大接地電流系統(tǒng)中變壓器外部接地短路過負(fù)荷保護(hù)：防御變壓器對稱過負(fù)荷過勵磁保護(hù)：防御變壓器過勵磁變壓器本體保護(hù)變壓器非電量的本體主保護(hù)有反映變壓器油箱內(nèi)部故障的溫度、油位、油流、氣流等的本體重瓦斯、有載調(diào)壓重瓦斯和壓力釋放。三個本體保護(hù)的安開關(guān)量光隔輸入的方法引入微機(jī)保護(hù)的輸入端，來實現(xiàn)保護(hù)的出口跳閘與發(fā)信。發(fā)信的輕瓦斯僅作為遙信開關(guān)量由微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采集。內(nèi)容介紹差動保護(hù)原理變壓器星三角變換問題完全消除零序不完全消除零序變壓器勵磁涌流問題空載合閘涌流恢復(fù)性涌流和應(yīng)涌流TA飽和問題外部故障下的TA暫態(tài)飽和外部故障切除條件下的TA局部暫態(tài)飽和影響因素數(shù)字變壓器差動保護(hù)的構(gòu)成差動保護(hù)原理正常內(nèi)部故障因此可以將KCL定義為動作量，當(dāng)認(rèn)為是區(qū)內(nèi)故障，差動保護(hù)動作提高差動保護(hù)的靈敏度將動作邊界整定在不平衡電流曲線之上，不平衡電流隨著外部故障電流的增大而增大動作電流制動電流（區(qū)外故障穿越性電流）定義變壓器不平衡電流的來源1.計算變比與實際變比不一致產(chǎn)生的不平衡電流

2.由變壓器帶負(fù)荷調(diào)節(jié)分接頭而產(chǎn)生的不平衡電流

3.電流互感器傳變誤差產(chǎn)生的不平衡電流

Y/delta變換造成的固有相位差4、變壓器勵磁涌流（空載合閘涌流、外部故障切除涌流，和應(yīng)涌流。。。）變壓器差動保護(hù)的原理性問題星三角變換問題勵磁涌流識別問題TA飽和問題變壓器差動保護(hù)不同于發(fā)電機(jī)差動保護(hù)相同安-匝原理

星三角變換問題Y/delta變壓器在正常運行時一次側(cè)和二次側(cè)就有固定的30度相位差，如何解決？通過TA的變比和連接方式進(jìn)行校正在裝置中進(jìn)行幅值和相位的校正通過TA的變比和連接方式進(jìn)行校正在裝置內(nèi)部進(jìn)行幅值和相位校正1：完全消除零序2：不完全消除零序1：完全消除零序電流向高壓二次側(cè)歸算，是一種相間差動保護(hù)，變壓器差動保護(hù)不反映零序分量2：不完全消除零序電流向高壓二次側(cè)歸算往二次側(cè)電流最大一側(cè)進(jìn)行歸算，準(zhǔn)確度更高不完全消除零序的優(yōu)點可以提高區(qū)內(nèi)接地故障的靈敏度ABB采用的方法基波差動電流的計算流過電力變壓器原邊，付邊（及第三邊）的電流，引入一“公分母”則可在數(shù)字式繼電器中互相進(jìn)行比較?！肮帜浮蓖ǔ殡娏ψ儔浩鞯母哆?。若付邊作為基準(zhǔn)邊，那么原邊電流（以及第三邊電流）須始終換算（折算）到付邊，它們的相位也須考慮到。RET521的差動保護(hù)算法以付邊為基準(zhǔn)邊。

以Yd1接線為例子Idif_a(i)=Ia(i)–[IA(i)–IC(i)]*(n1/n2)(相L1)Idif_b(i)=Ib(i)–[IB(i)–IA(i)]*(n1/n2)(相L2)Idif_c(i)=Ic(i)–[IC(i)–IB(i)]*(n1/n2)(相L3)

ABB采用的方法（雙繞組）Ia“*n2=IA*n1變壓器a相鐵芯柱上安-匝相等歸算到低壓側(cè)Ic“*n2=IC*n1變壓器c相鐵芯柱上安-匝相等

Ia"=IA*(n1/n2)不能測量的電流可表示成能測量Ic"=IC*(n1/n2)端電流的函數(shù)

Ia=Ia"–Ic"=(IA–IC)*(n1/n2)不能測量的Ia"和Ic"現(xiàn)被除去Idif_a=Ia–(IA–IC)*(n1/n2)a相差動電流表達(dá)式Idif_a=Ia–(IA–IC)*(Ur1/sqrt(3))/Ur2匝比通常由額定電壓獲取

變壓器勵磁涌流問題空載合閘涌流外部故障切除涌流和應(yīng)涌流單相變壓器勵磁涌流產(chǎn)生的機(jī)理假設(shè)條件

變壓器勵磁涌流的基本原理及其特點

變壓器勵磁涌流是變壓器鐵芯飽和所致

單相變壓器勵磁涌流分析

假設(shè)條件：

(1)合閘電源為無窮大，合閘時母線電壓不變化；

(2)合閘回路電阻不考慮；

(3)忽略漏抗壓降；

(4)鐵芯的磁特性處理為兩段折線，不考慮磁滯回線的影響。單相涌流的解析分析（磁鏈）設(shè)單相變壓器合閘電源電壓為： 其中：為電壓合閘角 假設(shè)變壓器一次繞組匝數(shù)N=1，變壓器空載合閘的過程方程如下：

由上式以及可得：

其中：為空載合閘前的鐵芯剩磁；為對應(yīng)于的穩(wěn)態(tài)磁通的幅值，。

勵磁涌流產(chǎn)生的圖解分析等效分析勵磁涌流表達(dá)式

單相變壓器勵磁涌流的表達(dá)式為：

其中：為合閘回路的基波電抗。 由上式可見，單相變壓器勵磁涌流主要與如下因素有關(guān)： （1）系統(tǒng)電壓；（2）合閘初相角；（3）剩磁的大小和方向；（4）飽和磁通的大小空載合閘變壓器涌流波形

下圖為由動模試驗得到的單相變壓器勵磁涌流的波形，可見勵磁涌流間斷且含有較大的二次諧波分量。

涌流的間斷角

當(dāng)變壓器空投或區(qū)外故障切除電壓恢復(fù)正常的過程中，由于磁通不能突變，磁通中出現(xiàn)了非周期性的暫態(tài)分量，與鐵芯剩磁一起使變壓器鐵芯飽和，同時由于電壓是交變的，因而在一個周波內(nèi)變壓器鐵芯周期性地進(jìn)入飽和區(qū)和退出飽和區(qū)。因此，涌流的波形存在間斷角，單相變壓器勵磁涌流的間斷角大小為：變壓器勵磁涌流的特點：（1）有很大的峰值；（2）含有大量的偶次諧波分量，其中以二次諧波最為顯著；（3）單相變壓器勵磁涌流中認(rèn)為必有直流分量，對三相變壓器而言，往往三相中有一相涌流沒有直流分量－－對稱涌流；（4）無論單向涌流還是對稱涌流都有間斷角。三相變壓器涌流特點

三相變壓器差動保護(hù)的二次電流相位調(diào)整通常采用星形向三角形變換來調(diào)整差流平衡，這樣從電流互感器二次側(cè)流入差動保護(hù)的電流實際上是變壓器一次側(cè)的兩相電流之差。因此，研究三相變壓器縱差保護(hù)應(yīng)對兩相電流之差的特征進(jìn)行分析。 由于差關(guān)系的存在，三相變壓器勵磁涌流中可能出現(xiàn)對稱涌流。 三相涌流波形

圖為動模試驗得到的三相變壓器勵磁涌流的波形，其中：a、c為單向涌流的波形，b為對稱涌流的波形。圖動模試驗得到的三相勵磁涌流的波形

三角側(cè)繞組內(nèi)有環(huán)流（零序涌流）不經(jīng)過星三角變換，差流中也有對稱涌流！ABC兩種不同轉(zhuǎn)角方式比較近年來，變壓器差動保護(hù)在空載合閘時出現(xiàn)了一些新的誤動現(xiàn)象，變壓器某一相的差動電流出現(xiàn)了內(nèi)部故障相類似的特征。由于△環(huán)流的影響，會導(dǎo)致Y0側(cè)線電流中出現(xiàn)對稱性涌流。從躲空載合閘涌流的角度分析，基于Y0側(cè)相電流差（）的差動轉(zhuǎn)角方式二次諧波含量損失不會很大；而基于Y0側(cè)消零序電流的（）可能在某些空投情況下某一相的二次諧波特征消失，空載合閘時該相二次諧波無法制動引起差動保護(hù)誤動，因此本文提出該原理不適宜采用分相二次諧波制動原理的觀點供同行商榷。

涌流助增現(xiàn)象相間差動方式減零序方法涌流中的二次諧波分析工業(yè)試驗中的三相涌流仿真與實際誤動分析勵磁涌流對變壓器差動保護(hù)的影響

差動保護(hù)的理論基礎(chǔ)是KCL定律

當(dāng)被保護(hù)設(shè)備是變壓器時，當(dāng)變壓器空載合閘或外部故障切除電壓恢復(fù)時，有：

由于勵磁涌流的數(shù)值很大，可以與故障電流相比擬，因此如果不采取一定的措施，必將導(dǎo)致差動保護(hù)誤動作。故需要正確識別出勵磁涌流，并在涌流情況下閉鎖差動保護(hù)。典型的涌流識別方法介紹1二次諧波制動原理判據(jù)：“或”門制動方式缺陷：合閘于內(nèi)部故障時的出口延時問題加速判據(jù)：如低電壓加速典型的涌流識別方法介紹2間斷角閉鎖原理（1）涌流的間斷角特征：典型的涌流識別方法介紹（2）判據(jù)：

當(dāng)差流的間斷角大于65度時，判別為勵磁涌流；當(dāng)間斷角小于65度且波寬大于140度時，則判別為可能不是勵磁涌流。（3）局限性：

a.要求很高的采樣率－》對硬件的要求較高；

b.CT傳變的影響－反向電流。典型的涌流識別方法介紹波形對稱原理(1)基本思想：比較微分電流的前后半波的對稱性來識別涌流。(2)判據(jù)：(3)波形對稱原理的本質(zhì)：偶次諧波分量/基波與基次諧波典型的涌流識別方法介紹應(yīng)用最新的數(shù)學(xué)工具識別涌流的方法

a.用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識別涌流； 樣本的獲取、計算速度的問題

b.利用小波分析是識別涌流； 處理速度的問題－》硬件的要求高

c.利用模糊貼近度和模糊多判據(jù)識別涌流。差動動作邏輯內(nèi)部故障變壓器差動保護(hù)動作軌跡外部故障變壓器差動保護(hù)動作軌跡變壓器外部故障切除恢復(fù)性涌流近年來，變壓器差動保護(hù)出現(xiàn)區(qū)外故障切除后誤動的報道。但長期以來，變壓器區(qū)外故障切除后的電壓恢復(fù)過程被認(rèn)為與變壓器的空載合閘一致，實際上，變壓器在外部故障切除后的電磁暫態(tài)過程有其自身的特點。變壓器經(jīng)歷外部故障切除擾動可以按故障電流是否流經(jīng)變壓器來劃分成兩種情況：一種是短路故障時故障電流不流過變壓器，另一種是故障電流流過變壓器。外部故障切除示意圖切除越快，恢復(fù)涌流產(chǎn)生的可能性越小；切除越慢，恢復(fù)涌流產(chǎn)生的越大。因此對于超高壓電網(wǎng)，故障切除快，電壓支撐強(qiáng)，恢復(fù)涌流很難產(chǎn)生；變壓器區(qū)外發(fā)生故障

故障傳遞剩磁變壓器外部故障期間鐵芯磁鏈變壓器區(qū)外故障被切除和應(yīng)涌流產(chǎn)生的機(jī)理分析一次和應(yīng)涌流事故舉例一次和應(yīng)涌流事故舉例（另例）長時間非周期分量的作用引起TA局部暫態(tài)飽和TA飽和問題近年來保護(hù)動作統(tǒng)計表明數(shù)字變壓器差動保護(hù)的動作準(zhǔn)確率偏低，除了和變壓器勵磁涌流有關(guān)外，另外一個重要的因素就是電流互感器的飽和問題。引起TA飽和的主要因素外部故障電流引起的TA暫態(tài)飽和