电力变压器差动保护方法研究

第一章绪论

1.1 课题研究背景及意义

随着我国经济建设和电力工业的迅速发展，电网的结构与系统变得日益庞大与复杂。当系统发生故障时，如果处理不当，局部的微小故障极有可能波及更大范围网络，甚至导致全局性的停电大事故，造成巨大的经济损失和不良的社会影响。大电网的复杂性使故障情况变得比以往任何时候所面对的情况更加难于处理，不仅对电力系统继电保护原理提出了新的挑战同时也对其可靠性提出了更高的要求。

变压器是电力系统中最重要的也是最昂贵的电气设备之一，是发电厂与电力用户之间输送电能与分配电能的中间环节，担负着输变电的重要任务。变压器设备一旦因发生故障而遭到破坏，其检修难度大、检修时间较长，经济损失和社会影响大，必将会对供电的可靠性和系统的正常运行带来严重影响。为了减少停电带来的损失，要求运行维护人员能够迅速准确地判别故障元件与故障性质，及时处理故障、在最短时间内恢复系统的连续稳定运行。

据统计，1999 年我国运行中的220kV 变压器有2526 台，330kV 变压器有102台，500kV 变压器223 台。到2002 年底，我国运行中的220kV 变压器达到3229 台，330kV 变压器有122 台，500kV 变压器有295 台，增长势头迅猛。然而多年来电力系统变压器保护的正确动作率却大大低于发电机和线路保护的正确动作率。以2007 年为例，全国继电保护的运行情况是:200kV 及以上母线保护装置正确动作率达

96.72%；100MW 及以上发电机保护装置正确动作率为99.74%；220kV 及以上变压器保护装置正确动作率仅为96.49%。变压器继电保护正确动作率较低的现状引起电力行业相关领域从业人员的极大关注。

由表 1.1 中统计数据我们可以看出，虽然我国大型变压器保护正确动作状况整体呈逐年上升趋势，但其正确率依然相对偏低，需要进一步得到改善。

差动保护作为电力变压器的主保护，其理论依据是基尔霍夫电流定律，即在变压器发生内部故障的情况下，差电流与正常运行情况比较是增加的。对于一般电路设备，差动保护原理具有选择性好、灵敏度高和动作迅速的优点，因而得到了广泛的运用。但是，对于变压器而言，由于变压器铁芯非线性磁化特性的影响，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主要来源之一。正常运行情况下，励磁涌流一般不超过额定电流的2%-10%，在外部故障时，由于电压降低，励磁电流减少，其影响将更小。所以适当设定差动保护动作值仍可准确区分变压器内部故障与外部故障。但是当变压器空载投入或外部故障切除后电压恢复时，则出现的励磁涌流可高达额定电流的6-8 倍[1]。虽然励磁涌流对变压器本体的直接危害并不大，但对于传统的差动保护来说，由于其无法有效鉴别出差动回路中通过的到底是励磁涌流还是故障电流，最终会导致保护误动或者拒动影响供电的安全稳定性。因此必须通过研究采用一些新的判断依据来更进一步提高变压器保护动作的准确率。

1.2 本文的主要工作

本文在掌握了变压器差动保护的基本原理基础上，讨论了现有的典型变压器励磁涌流的产生及其特点，综述了目前工程上应用比较成熟的几种鉴别励磁涌流的方法。同时把小波变换理论引入变压器保护中，提出了一种利用小波变换识别变压器励磁涌流和内部故障电流的方法。所得出的结论希望对变压器保护的研究和发展有所帮助。针对上述问题，利用MATLAB/SIMULINK建立了变压器仿真模型。对变压器的保护研究做了大量的仿真，得出一些有用的结论是本文的目的和主要工作。

第二章 变压器纵差保护的原理及励磁涌流的分析

2.1 变压器纵差保护的基本原理及不平衡电流的产生

纵差保护在发电机上的应用比较简单，但是作为变压器内部故障的主保护，纵差保护将有许多特点和困难。变压器具有两个或更多个电压等级，构成纵差保护所用电流互感器的额定参数各不相同，由此产生的纵差保护不平衡电流将比发电机的大得多，纵差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

∑==n i i 10.，即各流入电流之和必等于各流出电流之和，其中I i 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

∑=>N I Ii 10，但是实际上在外部发生短路时还存在一个不平衡电流，所以纵差保护的动作判据应改写为：

∑=>=n I Ijbp cd Ij Ii 1

max .. （2.1）

式中Ij.cd ——差动回路的差动电流 I jbp.max ——纵差保护的最大不平衡电流

对于双绕组和三绕组变压器，实现纵差保护的原理接线如图2-1 所示。以双绕组变压器为例说明纵差保护原理。由于变压器高压侧和低压侧的额定电流不同，因此为了保证纵差保护的正确工作，就必须适当选择两侧电流互感器的变比，使得在正常运行和外部故障时两个二次电流相等。例如在图2-1(a)中应使：

2

2I I ''=' (2-2) 或 B l l n I I n n ='''=1

112 （2-3） 式中：1l n —高压侧电流互感器的变比；

2l n —低压侧电流互感器的变比；

B n —变压器的变比；

1

I ' —变压器高压侧一次电流； 1I '' —变压器低压侧一次电流；

2

I '' — 低压侧电流互感器二次电流。 2

I ' —高压侧电流互感器二次电流。

(a)双绕组变压器原理接线图

（b ）三绕组变压器原理接线图

图2-1 纵差保护的原理接线图

纵差保护动作判据用下式表示：

22I I I ≥''-' (2-4) 式中：0I —纵差保护动作整定电流。

当变压器正常运行及外部故障时, 22I I ''≈' ,即：02

2≈''-'I I 此时差电流小于动作整定电流，保护不动作。当变压器内部故障时，继电器反应两侧电流之和，此时差电流大于动作整定电流。保护动作对于纵差保护动作判据中的0I ，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max ,jpb I 整定，这时0I 数值较大，如图2-2 中直线1

+

⨯

•I d •••

⨯2

•I '2•I 1•I '1•I '

2'1••+I I KD

I d

+

1•I '

1•I 3•I '

3•I 2

•I '

2•I