CN1710437A - 利用变压器励磁特性判别变压器内部故障的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力系统微机继电保护领域。其技术方案是：设L1，L2为原副边绕组电感，R1，R2为原副边绕组电阻，设变压器绕组端电压u1，流进绕组的电流i1与该变压器互感链之间的关系为：在互感磁链当中i1和i2进行抵消，其差流部分看作是励磁涌流。本发明提高变压器差动保护的动作速度，以更少的时间判别变压器的各种内部故障，降低变压器故障对变压器本体和运行系统的损害，提高电力系统的安全稳定性。

Description

利用变压器励磁特性判别变压器内部故障的方法

技术领域

本发明涉及电力系统微机继电保护领域，更准确地说本发明涉及变压器的励磁涌流和内部故障电流的判别方法。

背景技术

变压器是电力系统中重要的电气设备之一，随着超高压远距离输电系统越来越多地投入运行，大容量变压器日益增多，对变压器保护的可靠性和快速性提出了更高的要求。传统的变压器主保护由于受条件的限制，仅依靠电流量来实现，鉴于电流差动保护原理在众多电气设备上应用的成功，电流差动保护在变压器保护中也得以应用，并发挥了重要的作用。但由于基于电流量的差动保护对于通过磁路耦合的双绕组或多绕组变压器在原理上存在缺陷(即对于非纯电路，基尔霍夫电流定律并不适用)，导致在变压器空载合闸或外部故障切除后电压恢复过程中产生励磁涌流时，会使差动保护误动，因而人们不得不长期致力于解决如何正确识别变压器内部故障电流和励磁涌流的问题。目前在变压器差动保护中使用的各励磁涌流判别原理，都是用电流的特征进行判别，如二次谐波原理，间断角原理，波形对称原理，这三种原理都是采用励磁涌流的某一个数学特征量来区分涌流和故障电流，其特点是不能全面反映励磁涌流的物理特征，只反映了一种表象而不是本质。

发明内容

为了解决上述问题，本发明主要用于解决变压器励磁涌流和内部故障电流的判别问题，提高变压器差动保护的动作速度，以更少的时间判别变压器的各种内部故障，降低变压器故障对变压器本体和运行系统的损害，提高电力系统的安全稳定性。

为了解决以上技术问题，本发明是采取以下的技术方案来实现的：

利用变压器励磁特性判别变压器内部故障的方法，L1，L2为原副边绕组电感，R1，R2为原副边绕组电阻，设变压器绕组端电压u1，流进绕组的电流i1与该变压器互感链之间的关系为：

$U_1-R_1{i}_1-L\frac{{\mathrm{di}}_1}{\mathrm{dt}}=\frac{\mathrm{d\φ}}{\mathrm{dt}}---\left(1\right)$

在互感磁链当中i1和i2进行抵消，其差流部分看作是励磁涌流。

前述的利用变压器励磁特性判别变压器内部故障的方法，其特征在于其中所述的式(1)可变化为其中：

$U_1-R_1{i}_1-L\frac{{\mathrm{di}}_1}{\mathrm{dt}}=M\frac{{\mathrm{di}}_d}{\mathrm{dt}}---\left(2\right)$

id是差动电流即励磁涌流，M为变压器的励磁感抗

实际变压器参数是R1，R2，L1，L2与M差两个数量级以上，为了便于分析主要问题简化计算，忽略R1，L1，R2，L2，或(2)式可简化为：

$M=\frac{U_1}{\frac{{\mathrm{di}}_d}{\mathrm{dt}}}---\left(4\right)$

微机保护采集的是电压和电流，因此将式(4)变化为差分形式：

$M_n=\frac{U_n}{\left(i_{d(n+1)-}{i}_{d(n-1)}\right)/\mathrm{dt}}---\left(5\right)$

其中采样周期dt为常数，如保护装置为每周波48点采样，1/4周波可计算12次M值，如果有连续三次满足

           M_n-M_n+6≥k             (6)

判为励磁涌流，否则判为故障电流。

本发明的工作原理分析如下：

本算法依然是在纵差保护的基础上，利用计算变压器的磁通特性判断变压器是励磁涌状态还是内部故障。

变压器等值电路如图1

L1，L2为原副边绕组电感，R1，R2为原副边绕组电阻，设变压器绕组端电压u1，流进绕组的电流i1与该变压器互感链之间的关系为：

$U_1-R_1{i}_1-L\frac{{\mathrm{di}}_1}{\mathrm{dt}}=\frac{\mathrm{d\φ}}{\mathrm{dt}}---\left(1\right)$

在互感磁链当中i1和i2进行抵消，其差流部分看作是励磁涌流，对图1作进一步简化如图2：

其中：id是差动电流即励磁涌流，M为变压器的励磁感抗

$U_1-R_1{i}_1-L\frac{{\mathrm{di}}_1}{\mathrm{dt}}=M\frac{{\mathrm{di}}_d}{\mathrm{dt}}---\left(2\right)$

实际变压器参数是R1，R2，L1，L2与M差两个数量级以上，为了便于分析主要问题简化计算，忽略R1，L1，R2，L2，或(2)式可简化为：

$M=\frac{U_1}{\frac{{\mathrm{di}}_d}{\mathrm{dt}}}---\left(4\right)$

微机保护采集的是电压和电流，因此将式(4)变化为差分形式：

$M_n=\frac{U_n}{\left(i_{d(n+1)-}{i}_{d(n-1)}\right)/\mathrm{dt}}---\left(5\right)$

其中采样周期dt为常数，如保护装置为每周波48点采样，1/4周波可计算12次M值，如果有连续三次满足

           M_n-M_n+6≥k             (6)

判为励磁涌流，否则判为故障电流。

采用本方法的变压器差动保护装置在北京电科院750kV变压器动模模型和华中科技大学的电力系统试验中心上做了动态模拟实验，完全满足电力系统大型变压器保护的要求。采用本方法的变压器差动保护有如下优点：

1、在变压器区内各种类型故障动作时间基本小于10ms(包括继电器动作时间)；

2、外部故障、CT饱和可靠制动；

3、变压器各侧的空冲涌流、合应涌流均可靠制动；

4、匝间故障的灵敏度高，变压器匝间大于1.5％的故障时可靠动作；

5、对于空合于变压器区内故障时相较于其它各种保护原理的差动保护具有明显的优越性；

6、对电力系统的暂态过程和电力系统的电磁干扰有较强的抑制作用。

变压器的高低压侧是通过电磁联系的，故仅在电源的一侧存在励磁电流，这励磁电流将全部流入差动回路。在正常运行情况下，其值很小，小于变压器额定电流的3％。当变压器空载合闸时，会出现励磁涌流，在电压为0时刻合闸时，变压器铁芯中的磁通急剧增大，使铁芯瞬间饱和，这时出现数值很大的冲击励磁电流(可达5-10倍)。实际情况下，现场遇到这么大的涌流机会较小。

为考虑空载合闸的最严重条件，同时有利于简化分析工作，假设电源内阻抗为0，不计合闸回路电阻，见图3：

合闸大电源电压为    U＝UmSin(ωt+α)

当二次侧开路的空载变压器突然合到电压为U的无穷大系统上，忽略变压器漏抗压降，设变压器的变比为1∶1，则有

dΦ/dt＝UmSin(ωt+α)

即Φ＝-Um*UmωCos(ωt+α)/ω+C

    ＝Um[Cosα-Cos(ωt+α)-(Bs-Br)/Bm]/ωL≥0

ωL合闸回路的基波电抗

由以上公式可以看出当α＝0时有最大的暂态磁通，因此α＝0时，产生最大涌流峰值(对单相变压器)。

在通常的励磁涌流中含有大量的非周期分量和高次谐波，因此励磁涌流不是标准的正弦波。励磁涌流的大小与合闸瞬间的电压相位、铁芯剩磁大小和方向、电源容量、变压器容量及铁芯材料等因数有关。

当变压器铁心磁通超过铁心励磁曲线的拐点后，变压器产生励磁涌流。本方法通过判别变压器铁心工作点是否超过励磁曲线的拐点来确定变压器的差流是故障电流还是励磁涌流。

附图说明

图1是双绕组单相变压器模型

图2双绕组单相变压器的简化等值电路

图3是双绕组1∶1单相变压器简化等值电路

图4是是750kV变压器系统接线图

具体实施方式

实施例一

如图4所示：对750kV变压器系统，T1变压器为被保护变压器；通过对15TA、16TA、11TA和10TA测量变压器各侧的电流，通过14TV、15TV和16TV测量变压器各侧电压，设I₁₅、I₁₆、I₁₁、I₁₀为变压器的各侧电流，U₁₄、U₁₅、U₁₆为变压器的各侧电压，则

                  Id＝I₁₅+I₁₆+I₁₁+I₁₀；

                  Un＝(U₁₄+U₁₅+U₁₆)/3；

连续计算12次，代入公式 $M_n=\frac{U_n}{\left(i_{d(n+1)-}{i}_{d(n-1)}\right)/\mathrm{dt}},$ 计算出励磁电抗M1-M12；将M1-M12代入M_n-M_n+6≥k，如果有连续三次满足则将变压器电流判为励磁涌流，否则判为故障电流。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (2)

1、利用变压器励磁特性判别变压器内部故障的方法，L1，L2为原副边绕组电感，R1，R2为原副边绕组电阻，设变压器绕组端电压u1，流进绕组的电流i1与该变压器互感链之间的关系为：

$U_1-R_1{i}_1-L\frac{{\mathrm{di}}_1}{\mathrm{dt}}=\frac{\mathrm{d\φ}}{\mathrm{dt}}---\left(1\right)$

在互感磁链当中i1和i2进行抵消，其差流部分看作是励磁涌流。

2、根据权利要求1所述的利用变压器励磁特性判别变压器内部故障的方法，其特征在于其中所述的式(1)可变化为其中：

$U_1-R_1{i}_1-L\frac{{\mathrm{di}}_1}{\mathrm{dt}}=M\frac{{\mathrm{di}}_d}{\mathrm{dt}}---\left(2\right)$

id是差动电流即励磁涌流，M为变压器的励磁感抗

实际变压器参数是R1，R2，L1，L2与M差两个数量级以上，忽略R1，L1，R2，L2，或(2)式可简化为：

$M=\frac{U_1}{\frac{{\mathrm{di}}_d}{\mathrm{dt}}}---\left(4\right)$

微机保护采集的是电压和电流，因此将式(4)变化为差分形式：

$M_n=\frac{U_n}{\left(i_{d(n+1)-}{i}_{d(n-1)}\right)/\mathrm{dt}}---\left(5\right)$

其中采样周期dt为常数，如保护装置为每周波48点采样，1/4周波可计算12次M值，如果有连续三次满足

           M_n-M_n+6≥k                 (6)

判为励磁涌流，否则判为故障电流。

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