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1、西安交通大学硕士学位论文 Yn/接线变压器零序纵差保护原理的研究 张军民 2010年6月分类号 TM772 密级 UDC 学号 3107161027 西安交通大学硕士学位论文 Yn/接线变压器零序纵差保护原理的研究 张军民 2010年6月5Yn/接线变压器零序纵差保护原理的研究学位申请人: 张军民 指导教师: 索南加乐 教授 学科专业: 电气工程 学位类别: 工 学 2010年6月51硕士学位论文Yn/接线变压器零序纵差保护原理的研究申请人:张军民学科专业:电气工程指导教师:索南加乐教授2010年6月Study of Zero-Sequence Current Differential Pro
2、tection for Transformer with Y-Delta ConnectionA thesis submitted toXian Jiaotong Universityin partial fulfillment of the requirementfor the degree ofMaster of Engineering ScienceByZhang Junmin(Electrical Engineering)Supervisor: Prof. Suonan JialeJune 2010摘要论文题目:Yn/接线变压器零序纵差保护原理的研究学科专业:电力系统及其自动化申请人:
3、张军民指导教师:索南加乐教授摘 要作为电力系统中重要的电气主设备之一,变压器在整个电力系统中的地位不言而喻,其是否能够安全运行也将直接影响着电力系统的安全运行。随着电力系统的发展,变压器容量越来越大、电压等级越来越高、造价越来越贵,如果变压器保护不能快速而可靠的动作,在故障时,必将带来经济上的重大损失。因此,现代电力系统对电力变压器保护提出了很高的要求,研究和探索动作速度快、可靠性和灵敏性高的变压器保护新原理就显得十分必要。 本研究得到国家自然科学基金(编号:50907048,编号:50677051)资助。本文以提高变压器保护性能为目标,以Yn/接线变压器为研究对象,提出了基于零序电流差动原理
4、的变压器保护方案,以变压器各侧零序电流构成零序电流纵差保护。针对目前Yn/变压器在典型的电流互感器配置方案下侧绕组零序电流无法测量的情况,本文通过零序等值电路计算得到侧绕组中的零序环流。由于零差保护是基于故障分量的纵差保护原理,制动电流中去掉了负荷电流的影响,对于轻微匝间短路故障,零序差动保护较常规差动保护灵敏度更高。另外,保护能够可靠区分区内外故障,且在绕组内部发生单相接地短路时灵敏度不会降低。文中对TA饱和以及励磁涌流对零序差动保护的影响进行了理论分析,结果表明零序差动保护受TA饱和影响较大,而受励磁涌流的影响较小,不会由于励磁涌流的影响而产生误动。PSCAD仿真以及动模数据均验证了零序电
5、流差动保护的可靠性和灵敏度。通过变压器各种故障情况下零序纵差保护和传统保护性能的比较表明:零序电流纵差保护在外部故障时可靠不动作,在单相接地和小匝间短路时可靠动作,灵敏度较常规差动保护更高。另外仿真了励磁涌流情况下零序差动保护的动作情况,结果表明,零差保护不会由于励磁涌流而误动。关 键 词:变压器保护;Y-Delta绕组;零序电流纵差保护;励磁涌流论文类型:应用研究ABSTRACTTitle: Study of Zero-Sequence Current Differential Protection for Transformer with Y-Delta Connection Specia
6、lity:Electrical EngineeringApplicant:Zhang JunminSupervisor:Prof. Suonan JialeABSTRACTAs one of the major electric apparatuses in power system, transformer plays an important role in power transmission system. If fault occurs during operation, the security and stability of power system would be grea
7、tly affected. With the development of modern power system, large capacity EHV/UHV transformers have evolved to meet the increasing need of power system. On one hand, modern transformers are vital and expensive. On the other hand, if modern transformers were damaged by faults, it would need a long ti
8、me and great effort to repair them, for which, great economic benefits would be lost. Considering the serious consequence caused by faults in transformer, the researches for new transformer protection scheme with high performance, such as speed, reliability and sensibility, is in demand.These works
9、are supported by the National Natural Science Foundation of China(No: 50907048, NO: 50677051).In order to increase performance of transformer protection , based on the transformer with Yn/ connection, a differential protection method based on zero-sequence current is proposed in this paper. The prot
10、ection scheme is constructed by using the zero-sequence current of each sides.Though the zero-sequence current of the side can not be measured under the typical configuration of TA, we can calculate the zero-sequence current in the Delta side by the zero-sequence equivalent circuit. As the zero-sequ
11、ence differential protection is based on fault component , the load currents is removed from the restrain current. So the zero-sequence differential protection has the higher sensitive to earthing fault and small inter-turn fault.To analysis the Influence of TA saturation and inrush current on zero-
12、sequence differential protection, the results show that the Influence of TA saturation on zero-sequence differential is obvious, while less affected by the inrush current. The protection will not misoperate because of the inrush current. The simulation results using PSCAD/EMTDC and the dynamic simul
13、ation datas verifies the reliability and sensitivity of Zero-sequence current differential protection. Through the transformer under various fault conditions and zero-sequence differential protection performance comparison shows that the traditional protection: zero sequence current differential pro
14、tection is not reliable in the external fault movement, in the single-phase earth and small turn to turn short-circuit action when the reliable and sensitive than conventional higher differential protection. Another simulation of the inrush current under zero-sequence differential protection cases,
15、the results indicate that the zero differential protection will not malfunction because the inrush current.KEY WORDS: Transformer Protection;Y-Delta Connection;Zero-sequence Current Differential Protection;Inrush Current TYPE OF THESIS: Application Research目录绪论目 录1 绪论41.1 引言41.2 课题的背景及意义41.3 变压器差动保护
16、研究现状41.3.1 变压器保护发展历程41.3.2 励磁涌流的识别方法41.3.3 变压器过励磁41.4 变压器保护面临的主要问题和发展趋势41.4.1 现有保护面临的主要问题41.4.2 变压器保护技术的发展方向41.5 本文的主要工作42 变压器保护原理42.1 变压器差动保护的基本原理42.1.1 变压器差动保护原理42.1.2 变压器差动保护的接线方式42.1.3 变压器差动保护中的不平衡电流及相应解决方法42.1.4 不同制动原理的变压器差动保护判据42.2 基于变压器等效电路参数的保护原理42.2.1 基于漏电感参数计算的变压器保护原理42.2.2 基于磁通特性的原理42.3 本
17、章小结43 Yn/接线变压器的零序纵差保护原理43.1 引言43.2 Yn/接线变压器的零序纵差保护原理43.2.1 保护原理43.2.2 零序电流计算43.2.3 区内故障时漏抗变化对保护性能的影响43.2.4 零序差动保护动作判据43.3 变压器零序差动保护的整定分析43.3.1 启动门槛43.3.2 制动系数43.3.3 拐点电流43.4 制动系数对保护性能的影响43.4.1 外部故障43.4.2 内部故障43.5 变压器保护实现方案43.5.1 起动元件43.5.2 差流速断保护43.5.3 励磁涌流识别判据43.5.4 相差动保护判据43.5.5 零序差动保护判据43.6本章小结44
18、 零序差动保护仿真验证44.1 差动保护仿真模型44.2 变压器内部故障仿真结果44.2.1 变压器Yn侧匝间短路44.2.2 变压器Yn侧内部单相接地短路44.3 变压器外部故障仿真结果44.3.1 变压器Yn侧外部单相接地44.3.2 变压器Yn侧外部两相接地短路44.4 本章小结45 TA饱和以及励磁涌流对零序差动保护的影响45.1 引言45.2 TA饱和对零序差动保护的影响45.2.1 TA饱和对常规电流差动保护的影响45.2.2 TA饱和对零序电流差动保护的影响45.3 励磁涌流对零序差动保护的影响45.3.1 励磁涌流对常规差动保护的影响45.3.2 励磁涌流对零序差动保护的影响4
19、5.3.3 励磁涌流情况下零序差动保护仿真45.4 本章小结46 结论4参考文献4致 谢4攻读学位期间取得的研究成果4声明CONTENTS绪论CONTENTS1 Preface1 1.1 Foreword1 1.2 Background and Significance1 1.3 Reseach Overview of Transformer Primary Protection21.3.1 Development of Transformer Primary Protection21.3.2 Inrush Current Identification Methods31.3.3 Transf
20、ormer Overexcitation5 1.4 Problems and Development of Transformer Primary Protection51.5.1 Problems51.5.2 Development of Transformer Protection6 1.5 Main works in the dissertation62 Principles of Transformer Differential Protection8 2.1 Basic Principles of Differential Protection8 2.1.1 Basic Princi
21、ple of Transformer Differential Protection8 2.1.2 Connection Modes of Differential Protection9 2.1.3 Unbalanced Current of Differential Protection for Transformer and Measures to Eliminate its Effect11 2.1.4 Differential Protection Criterions based on Different Restraint Characteristic13 2.2 Protect
22、ion Principle based on Transformers Parameters162.2.1 Protection Principle based on Leakage Inductance Parameter 162.2.2 Protection principle based on Flux characteristics17 2.3 Summary173 Zero-sequence Differential Protection Principle for Transformer with Y-DELTA Connection 18 3.1 Foreword18 3.2 Z
23、ero-sequence Differential Protection Principle for Transformer with Y-DELTA18 3.2.1 Protection Principle183.2.2 Calculation of Zero Sequence Current203.2.3 Influence of the Variation of Leakage Reactance Whlie Internal Fault Occurs on Protection Performance21 3.2.4 Zero-sequence Differential Protect
24、ion Criterion233.3 Setting analysis of Zero-sequence Differential Protection24 3.3.1 Startup Threshold24 3.3.2 Restrain Coefficient24 3.3.3 Knee Current243.4 Influence of Restrain Coefficient on Protection Performance24 3.4.1 External Fault24 3.4.2 Internal Fault25 3.5 Scheme of Zero-sequence Differ
25、ential Protection25 3.5.1 Starting Element 26 3.5.2 Over-Differential-Current Protection27 3.5.3 Criteria to Identify Inrush Current27 3.5.4 Differential Protection Criterion27 3.5.5 Zero-sequence Differential Protection Criterion283.6 Summary284 Simulation of Zero-sequence Differential Protection29
26、 4.1 Simulation Model29 4.2 Simulation Results of Internal Fault294.2.1 Small Inter-turn Fault304.2.2 Single Phase Internal Earthing Fault32 4.3 Simulation Results of External Fault354.3.1 Single Phase External Earthing Fault354.3.2 Phase-to-phase External Earthing Fault36 4.4 Summary385 Influence o
27、f TA Saturation and Inrush Current on Zero-sequence Differential Protection39 5.1 Forword39 5.2 Influence of TA saturation on Zero-sequence Differential Protection395.2.1 Influence of TA saturation on differential protection395.2.2 Influence of TA saturation on Zero-sequence Differential Protection4
28、1 5.3 Influence of Inrush Current on Zero-sequence Differential Protection425.3.1 Influence of Inrush Current on Differential Protection425.3.2 Influence of Inrush Current on Zero-sequence Differential Protection435.3.3 Simulation Under Inrush Current44 5.4 Summary446 Conlusions45Acknowledgements46R
29、eferences47Achievements51Declaration5 TA饱和以及励磁涌流对零序差动保护的影响1 绪论1.1 引言近几年,随着国家经济的发展电力工业也取得了很大的进展。由于超高压和直流输电技术的成熟,全国电网互联已经是大势所趋。联网后电网结构更加复杂,系统发生故障时,如果继电保护不能正确动作,局部的弱故障也有可能引发大面积的停电事故1。所以目前对继电保护提出了更高的要求,要保证保护在区外故障时不误动,区内故障时能够快速、可靠地动作,及时的切除故障。电力变压器是电力系统中的重要的电气设备,它直接影响到电力系统能否安全稳定的运行。随着不断增加的电力系统容量和电压等级,变压器容
30、量在不断增加,变压器价格也越来越昂贵,如若故障时保护不能正确动作而导致变压器损坏,由于其检修时间长,检修难度大,将给电力系统带来严重的经济损失。而由于变压器的特殊问题,从目前的数据统计来看,变压器保护比线路保护和发电机保护的动作准确率低得多,而且有时会出现原因不明的误动。寻求一个安全、可靠、灵敏的变压器保护方案,以提高变压器保护的正确动作率,减少由于变压器故障所造成的损失,一直是国内外研究人员的焦点。1.2 课题的背景及意义改革开放以来,我国经济发展速度惊人,而电力事业也伴着经济发展的步伐有了大力的发展,不论是装机容量还是电网结构和20年前甚至10年前相比都有了很大的变化。近年来特高压项目和直
31、流输电项目已经在部分地区投入运行,电网互联程度越来越大,结构越来越复杂,从而导致电网的运行情况也越来越复杂,这就对电网安全稳定运行有了更高的要求。尤其对于继电保护来说,如果在系统故障或者异常运行情况下,保护不能正确判别,那么将有可能带来巨大的经济损失,这就要求继电保护工作者与时俱进,继续探讨和研究能适应电力系统发展的保护原理和方案。变压器在电网中用于电能传输,其广泛存在于各级电网中,它的安全稳定运行决定着整个电力系统能否安全运行,特别是在超高压及特高压网络中,很多大容量变压器投入使用,由于其结构复杂,造价昂贵,维修困难,一旦因为故障而遭到破坏,电力系统必将蒙受重大损失。因此,研究和探索安全可靠
32、、灵敏性高、动作时间短的变压器保护新原理是十分必要的。根据数据统计2-9显示,我国220KV及以上电压等级的变压器保护正确动作率远低于线路保护和发电机保护。表1.1给出了20002006年220kV及以上变压器保护运行的统计情况。表 11 20002006年220kV及以上变压器保护动作情况统计年度动作总次数正确动作次数不正确动作次数正确动作率误动拒动200020115149175.1200125220843182.5200221416053174.8200320615749076.2200425320052179.1200522819730186.4200617216210094.2总计15
33、261235286580.9从表 1的统计数据可以看出,变压器保护的正确动作率随着我国继电保护工作者的不断努力在逐年提高,但是和发电机保护和线路保护98.2%和99.3%的正确动作率相比,20002006年近7年平均80.9%的变压器保护的正确动作率仍然过低。这一差距的存在,主要是由于变压器的内部结构不同于线路和发电机,变压器内部不仅包含电路,还包含有磁路,其内部短路故障机理相对复杂,目前为止还没有被继电保护工作者所透彻了解。所以,研究开发新的算法,提出新的变压器保护原理,从根本上提高变压器保护的可靠性和安全性,无疑具有重要的实际意义。1.3 变压器差动保护研究现状1.3.1 变压器保护发展历
34、程1931年R.E.Cordray提出的比率差动变压器保护原理10,标志着变压器以差动保护作为主保护时代的到来。由于电流差动保护原理简单、选择性好、可靠性高,可以无延时的切除区内各种故障,所以其在变压器保护中的应用非常成功。但是由于变压器内部磁路的影响,如何将变压器的励磁涌流与内部故障电流区分开来,一直是差动保护所必须面对的主要问题。1941年,C.D.Hayward提出了利用谐波制动的差动保护11,利用励磁涌流中谐波含量进行判别,此举对差动保护性能有了质的提高。谐波制动式保护的主体方案就是以差动加速、比率差动、二次谐波制动构成,目前电力系统中变压器主保护多采用此方案。在60年代末70年代初,
35、随着微机的大规模应用,变压器保护进入了数字微机时代。利用微机强大的运算和处理能力,从励磁涌流的波形本质出发,提出了包括间断角原理、波形比较法、波形对称法和积分型波形对称法等很多新的励磁涌流鉴别方法,为励磁涌流的鉴别提供了新思路。目前采用的变压器微机保护中识别励磁涌流的方法主要是:二次谐波闭锁、间断角闭锁、波形对称原理等。随着电力系统的发展以及变压器本身材料的不断变化,常规的利用励磁涌流波形特征的各种判据在目前均面临着一系列的问题。一方面,在高压电力系统中,由于补偿电容或长线分布电容、电流互感器(TA)饱和等因素的影响,内部故障时差流中的二次谐波分量显著增大,如果采用以前的二次谐波制动原理,会导
36、致保护误闭锁和延时动作。另一方面,现代大型变压器多采用冷轧硅钢片,铁芯本身饱和磁密较低而剩磁较小,使得变压器发生励磁涌流时,其二次谐波含量和间断角均明显变小,有可能会导致保护误动。90年代后,数字信号处理器DSP的出现,使得微机保护数据采样与计算的速度和精度都有了飞跃的提高,这就使得很多更复杂的算法得以在保护装置中实现12。模糊控制,神经网络,专家系统,小波分析等越来越多的数学工具进入到变压器保护的研究领域,这些方法的引入与发展,为变压器保护的研究提供了一个新的思路。1.3.2 励磁涌流的识别方法差动保护的理论基础是基尔霍夫电流定律,对于发电机、线路而言,由于保护对象仅包含电路,其内部没有故障
37、时,各个端子的电流相量和恒为零。而对变压器而言,其内部除了电路外,还有磁路的联系,励磁支路中的电流是差动保护不平衡电流,在原理上是无法躲过的。在正常的情况下,由于此电流很小,其对保护的影响我们可以忽略,但是当变压器铁芯在空载合闸或外部故障切除后恢复电压的过程中,铁芯极度饱和,励磁电流急剧增大,有可能导致保护的误动,给电力系统带来巨大损失。所以变压器差动保护的最关键的问题就是如何将励磁涌流和故障电流区分开来,这也是变压器保护的主要研究热点13。目前常用的励磁涌流识别方法主要有以下几种:1) 二次谐波制动原理因为变压器励磁电流中含有大量的二次谐波分量,所以可以采用二次谐波制动原理识别励磁涌流14。
38、首先计算差动电流中的二次谐波含量,当二次谐波含量大于制动系数时,保护装置判断为励磁涌流,闭锁差动继电器,待二次谐波含量降低后再进行变压器是否存在故障的判定。二次谐波制动原理简单明了,但是仍存在着以下问题:a. 如果变压器在空载合闸前已经有故障发生,合闸后非故障相中为励磁涌流,故障相中为故障电流,当采用三相或门制动的方案时,差动保护由于非故障相中二次谐波含量而闭锁,保护必须待二次谐波慢慢消失后方可动作,保护动作时间过长。b. 二次谐波制动系数的设定一直存在争议,比如美国西屋公司取制动比为7.0%7.5%,ABB公司取10%,我国则取15%20%15。但是随着电压等级的提高、变压器容量的增大以及铁
39、芯材料的改进,有可能存在三相励磁涌流的二次谐波含量均小于15%的情况,此时二次谐波制动判据失效,保护误动。c. 随着电力系统的发展、超高压远距离输电线路对地电容的增大、变压器容量的增大以及静止无功补偿的大容量电容器的广泛使用,在故障时,差动电流中二次谐波含量增加,如果某一相二次谐波含量大于制动比时,二次谐波衰减后差动保护才能动作,保护动作时间过长16。2) 间断角原理通过对励磁涌流的波形特征分析可以,励磁涌流内部会出现间断角,这不同于变压器内部故障时稳态差电流为正弦波的特征。所以可以利用间断角特征来鉴别励磁涌流和故障电流17。如果检测到差电流波形中有间断角,则将差动保护闭锁。相比于二次谐波制动
40、原理,间断角识别原理的优点是其利用励磁涌流的波形特征,可以有效准确地区分励磁涌流和故障电流,另外,由于其采用按相闭锁的方法,在变压器合闸于内部故障时,能够快速动作。然而在实际运行中,间断角原理也存在以下缺点:a. 由于电流互感器饱和的影响,导致二次侧测得的励磁涌流在间断区出现了相当大的反向涌流,间断角消失,此时应想办法恢复间断角。b. 微机保护中,间断角的检测需要较高的采样率,这对微机的性能有了更高的要求。3) 波形对称原理和变压器内部故障电流不同,励磁涌流的波形在一个周期内前后半周是不对称的,由此提出了波形对称原理。在微机中通过差电流导数的前半波与后半波进行对称比较的结果去判断是否发生了励磁
41、涌流18-20。该原理从波形特征出发,是间断角原理的推广,但是比间断角原理更容易实现。考虑到实际运行情况的复杂性,该方法受高次谐波和电流互感器传变性能的影响比较大,有可能导致保护误判。4) 小波变换原理上世纪八十年代后期兴起的小波分析是一种新型时频变换理论,它通过给待处理信号加上一个自适应时频窗口,按照信号频率大小调节窗口大小,能够保证信号中获得更有用而准确的信息,这是它与传统的傅立叶变换最大的不同。因为励磁涌流和内部故障电流经小波变换后第3尺度上小波变化的模极大值特征是完全不同的,由此可以采用小波变换来识别励磁涌流21-23。该方法本质也是间断角原理的推广,但是由于其不需要检测间断角,所以可
42、以定性的判别励磁涌流和故障电流。小波变换在用微机实现时,采样频率要求较高,增加了技术难度和成本,另外需要涉及3层小波分解,计算量大,算法复杂,在变压器差动保护中能否适合投入应用还需要进一步的研究探索。5) 神经网络方法在继电保护领域中人工神经网络(ANN)的应用是目前很活跃的方向之一。常规保护由于现有方法计算能力问题,不能做到最优,而ANN的强大的并行计算能力,有效的改善了这一问题;而人工神经网络的高度容错性让继电保护可靠性更高。利用BP型前馈神经网络作为励磁涌流鉴别模块,通过识别电流波形来区分励磁涌流和故障电流24就是人工神经网络在变压器保护中具体应用案例,通过和传统差动算法的比较,可以发现
43、该方法在电流互感器饱和的情况下保护性能不会降低。人工神经网络最大的缺点就是需要大量的训练样本,其获取和预处理的工作量太大,并且保证训练样本的遍历性和完备性也是相当困难的。另一方面,人工神经网络隐含层的节点数目对算法性能的影响很大,训练过程需要反复进行,若在训练过程或检验时不能满足要求,那么网络结构及其各种参数都需要重新调整,然后再次进行训练,可见,训练神经网络是一件非常烦琐的事。基于人工神经网络的励磁涌流识别方法在实用化方面还有大量的工作需要完成。6) 数学形态学原理数学形态学是以集合论和积分几何学为基础发展起来的一门对物体形态处理的学科。数学形态学基于腐蚀和膨胀两种基本运算,并进一步拓展为开
44、运算和闭运算。开运算和闭运算具有滤波的功能,其在励磁涌流识别中的应用,就是将两种形态算子利用不同的组合方式进行组合,进而构造出不同形式的形态滤波器,提取出明显的波形特征,通过励磁涌流波形特征来识别25-27。该方法本质上仍然是利用励磁涌流存在间断角这一特征,虽然在变压器空载合闸于内部故障时能够快速切除故障,但是数学形态学算法复杂,整定困难,现场应用起来还很困难。1.3.3 变压器过励磁不同于变压器空载合闸时引起的励磁涌流,变压器过电压时,铁芯也有可能饱和,励磁电流会大大增加,这个现象称为变压器的过励磁。和励磁涌流类似,过励磁情况下的励磁电流也有可能引起保护的误动。过励磁时变压器发生铁芯饱和,此
45、时的励磁电流没有间断,这是不同于励磁涌流的,所以上述各种励磁涌流鉴别方法不能区别过励磁情况下的励磁电流与故障电流。但是在过励磁时,变压器励磁电流中的五次谐波分量非常丰富,由此可以利用五次谐波制动的方法防止保护误动,其具体原理与二次谐波制动原理相同28-29。1.4 变压器保护面临的主要问题和发展趋势1.4.1 现有保护面临的主要问题1) 内部弱故障能否保证灵敏度匝间短路是严重的变压器内部故障,作为匝间短路的故障相电流,它具有内部短路电流的特征,纵差保护应该动作。但是当短路匝数较少时,虽然短路绕组中的环流很大,但是反映到变压器各侧的故障电流并不大,甚至比负荷电流还小。变压器在额定负荷运行时发生轻微匝间短路故障(3%以下匝短路)时,由于制动电流中包含变压器负荷电流,常规差动保护没有足够灵敏度检出此类故障30-31。单相接地短路的灵敏度问题也是变压器保护必须面对的问题。对于Yn/连接的变压器,为保证发生外部单相接地短路时纵差保护不误动,保护中通过软件计算滤除高压侧零序电流,这就
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