变压器差动保护的研究毕业论文(编辑修改稿)

变压器差动保护的研究毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

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 ：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 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。 陕西理工学院毕业论文 第 5 页 共 49 页 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）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 30176。 ，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 21I sin15176。 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 2ABI 和 2abI 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 3 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 3 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。 陕西理工学院毕业论文 第 6 页 共 49 页 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。 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。 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 90176。 ,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 ф m。 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 + ф m。 这样在经过半个周期后 ,铁芯中的磁通就达到 2ф m。 如果铁芯中还有剩余磁通 ф s,则总磁通将为 2ф m + ф s。 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 陕西理工学院毕业论文 第 7 页 共 49 页 图 变压器的磁化曲线 图 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 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 )s in (  wtUdtd m () 式中α为空载合闸时电源电压的初相角 设变压器在 t=0时空载合闸，加在变压器上的电压为 u = )sin( wtUm () 由磁通不能突变，得到空载合闸的铁芯磁通为 smm wt   c o s)c o s ( () 式中， w 为对应电压 mU 的磁通幅值，我们称 )cos(  wtm 为稳态磁通，将非同期磁通cosm 和剩磁 s 合称为暂态磁通（即非周期分量）。 当 0 时，铁芯中磁通密度最大可达 2 sm  ，铁芯饱和程度很严重，铁芯磁通和励磁涌流的图形分别如下图所示（其中 d 为间断角） 陕西理工学院毕业论文 第 8 页 共 49 页 图 当 0 ，剩磁为 时空载合闸 励磁涌流中 ， 含有大量高次谐波和非周期分量。 除基波和非周期分量外 ， 高次谐波电流以二次谐波为最大。 二次谐波电流是变压器励磁涌流最明显的特征 ， 因为在其他工况下很少有偶次谐波发生。 励磁涌流的 一次波形具有明显的间断角 ， 这也是涌流的一个显著特点。 产生励 磁涌流的主要原因是变压器铁芯的严重饱和使励磁阻抗大幅度降低。 励磁 涌流的大小和衰减速度与合闸瞬间电压的相位、剩磁的大小、方向、电源和变压器的容量等有关。 对于单相变压器， 当电压 为最大 值时合闸，就不会出现励磁涌流，只有正常励磁电流。 而对于三相变压器无论在任何瞬时合闸，至少有两相会出现程度不等的励磁涌流。 当变压器铁心不饱和，即 |Φ (t)|Φ s时，电流 i(t)=0。 当变压器铁心饱和时，变压器铁心在饱和区域的电感 L为常量，即 |Φ(t)| ＞ Φs 时 ，电流 i(t) ＞ 0。 对励磁涌流进行分析的主要目的在于讨论励磁涌流的最大值、最小间断角、最小二次谐波分量和非周期分量的大小，从而分析变压器差动保护的动作情况。 . 变压器励磁涌流的 特点 1） 励磁涌流很大，其中含有大量的直 流分量； 2） 励磁涌流中含有大量的高次谐波，其中以 2次谐波为主，而短路电流中 2次谐波成 分很小。 表 ； 3）励磁涌流的波形有间断角，涌流越大，间断角越小； 4) 励磁涌流的衰减常数与铁芯的饱和程度有关，饱和越深，电抗越小，衰减越快。 一般情 况下，变压器容量越大，衰减的持续时间越长，但总的趋势是涌流的衰减速度往往比短路电流衰减慢一些。 表 变压器内部短路电流和励磁涌流谐波分析结果 谐波分量占基波分量的百分比（ %） 励磁涌流 短路电流 例 1 例 2 例 3 例 4 不饱和 饱和 基波 100 100 100 100 100 100 2 次谐波 36 30 50 23 9 4 3 次谐波 7 4 32 4 次谐波 9 — 7 9 5 次谐波 5 — — — 4 2 直流 66 80 62 73 38 0 陕西理工学院毕业论文 第 9 页 共 49 页 1）使变压器在投运时引发变压器的继电保护装置误动作，变压器的投运频频失败； 2）变压器出线短路故障切除时所产生的电压突增，诱发变压器保护误动，使变压器各侧负荷全部停电； 3）数值很大的励磁涌流会导致变压器及断路器因电动力过大而受损； 4）励磁涌流及其引起的操作过电压会对变压器及断路器等电气设备造成损坏； 5） 励磁涌流中的直流分量导致电流互感器磁路被过度磁化而大幅降低测量精度和继电保护装置的正确动作率； 6）造成电网电压骤升或骤 降，影响其他电气设备正常工作； 7）励磁涌流中的大量谐波对电网电能质量造成严重的污染； 8）引起临近正在运行的变压器产生和应涌流而跳闸 因此，必须对励磁涌流采取相应的措施，把危害降到最低。 本章总结 本章首先介绍了变压器差动保护的基本原理，阐述了差动回路中的不平衡电流对变压器差动保护的影响，以单相变压器为例，分析了变压器励磁涌流的产生机理，并叙述了变压器励磁涌流的特点、危害及怎样减少励磁涌流。 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。 如前所述，变压器差动保护的主要矛盾集中在鉴别励磁涌流和内部故障上。 近十多年来，国内外专家学者致 力于变压器继电保护的研究，提出了多种鉴别励磁涌流的原理与方法， 下面简要的概述一下这些原理与方法。 谐波识别法是通过电流或电压中谐波含量的多少来区分。