变压器差动保护论文

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 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1904年提出的[1]，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[2]。

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，国内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。

电气主设备内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。

但是作为变压器内部故障的主保护，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(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，这就是说变压器内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内部短路，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 国内外变压器差动保护研究发展现状1.2.1综述随着超高压、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[3]。

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。

1.2.2 励磁涌流判别原理的研究现状(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内部故障电流波形特征的差异为依据，文献[4-9]介绍了己运用于实践的几种方法：有二次谐波制动原理和间断角原理[4]，新近提出的有采样值差动原理[5]、波形对称原理[6]，波形叠加原理[7]、波形相关性分析法[8]和波形拟合法[9]。

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范畴。

(2)谐波识别法文献“[10][11]”详细介绍了谐波识别法的原理及运用，该方法是通过电流或电压中谐波含量的多少来区分内部故障和励磁涌流。

主要有利用二次谐波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内部故障，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[12,13]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: 是基于变压器在不和变压器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idi的关系是否落在空载磁化的互感磁链ψ之间的关系曲线，通过比较ψ与di曲线上故障时或涌曲线附近来判断是否为励磁涌流;三是分析比较ψ-d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)等值电路法[14]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内外故障。

(5)功率法[10][11]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内部故障、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内部故障。

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内、外部故障的功能，可以作为独立保护使用。

(6)基于模糊逻辑的多判据法[15]该方法弥补了严格依照精确定量判别涌流的不足，避免了“一票否决”，真正做到了“集思广益”，体现了智能化特点，提高识别励磁涌流的正确性和可靠性。

图1. 1 表示模糊多判据识别励磁涌流逻辑框图。

图1.1 模糊多判据识别励磁涌流逻辑框图其中，从2,1μμ…n μ是各涌流识别方法的隶属函数，2,1γγ…n γ是各识别函数的权，通过模糊变换可得到一个总的隶属度来综合各判据，总的隶属度μ为n n ...μγμγμγμ++=2211 （1-1）其中， 121=++n ...γγγ （1-2） 文献[16]提出了二次谐波制动原理、波形对称原理、功率差动原理、低电压原理的模糊多判据励磁涌流识别算法。

这种方法只是变压器励磁涌流识别中的一个新探索，目前有很多问题难以解决，如模糊逻辑中隶属函数与权重应当如何选择。

这个问题的回答建立在原有认识的基础上，而且需要技术人员对问题有较深入的认识。

所以，该方法仍需要科研工作者进行深入而细致的研究。

(7)其它文献[17]介绍了基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，而在变压器内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内部故障和正常、外部故障、励磁涌流情况的判据。

文献[18]介绍了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。

1.2.3 变压器保护发展趋势电力系统飞速发展对继电保护不断提出新要求，电子技术、计算机技术与通信技术的迅猛发展又为继电保护技术的发展不断地注入了新活力。

随着数字技术的发展、微型计算机和微处理器的出现，为继电保护数字化开辟了广阔前景。

20世纪90年代中后期人工智能以及网络技术的飞速发展，出现了以微机和光传输技术为特征的全数字控制智能保护系统，以此为标志，微机继电保护技术呈现出网络化，智能化，以及保护、控制、测量和数据通信一体化的发展趋势。

从上世纪80年代至今，国内外学者相继把模糊理论、人工神经网络、自适应理论、专家系统等智能理论应用到电力系统中，并取得了辉煌的成就。

1.2.3.1模糊理论在继电保护中的应用模糊理论的核心思想是利用数学手段仿效人脑思维，对复杂事物进行模糊度量，模糊识别，模糊推理，模糊控制和模糊决策。

在电力系统继电保护中，应用模糊数学不是要是使得输出的跳闸命令变得含含糊信息更加有效的进行综合决策，从而得出更加精确和符合实际情况的输出。

1.2.3.2专家系统在继电保护中的应用专家系统是人工智能领域中的一个重要分支，它在各个学科中都得到广泛的应用，由于继电保护对实时性要求高，这限制了专家系统的应用范围。

目前的专家系统主要应用于对实时性要求不高的场合，如继电保护整定、协调，高阻接地故障检测，故障定位，故障诊断。

1.2.3.3人工神经网络在继电保护中的应用人工神经网络(ANN)的应用是目前继电保护领域文献发表最多的方向之一。

人工神经网络是由很多神经元广泛互连而成的网络，信息存储体现在神经元之间的连接权上，存储区与操作区合二为一，ANN具有高度并行计算能力以及相当强的自适应性、鲁棒性和容错性。

利用ANN的并行计算能力，可以实时实现常规保护难以做到的最优算法;利用ANN的并行处理和近似推理，可以实现对电力系统运行方式和故障类型的准确诊断和识别:利用ANN的高度容错能力可以使得继电保护具有更高的可靠性。

1.2.3.4自适应技术在继电保护中的应用自适应继电保护是一种根据电力系统运行方式和故障状态的变化而实时改变保护性能、特性或整定值的保护。