电力变压器保护论文开题报告

关于变压器的保护措施分析论文

摘要：文章分析了换流变压器的特点以及超高压直流输电的各种运行工况对换流变压器保护带来的影响。提出了换流变压器保护的总体设计思想。

关键词：换流变压器 保护 分析

0 引言

超高压直流输电由于其特有的优点，越来越广范的得到应用。这些优点包括：不须考虑稳定问题；线路故障恢复能力较强；调节作用利于交流系统的稳定；减少互联交流系统的短路容量；超过一定距离建设投资更经济等。换流变压器是直流输电系统中必不可少的重要设备。它可以提供相位差为30°的12脉波交流电压，降低交流侧谐波电流；作为交流系统和直流系统的电气隔离，提供阀的换相电抗；通过换流变压器可以在较大范围内调节交流电压，以使直流系统运行在最优的状态等。

1 换流变压器的特点

1.1 短路阻抗 直流输电中阀的换相过程实际上就是两相短路，为了将换向过程中的电流限制在一定范围内，换流变压器的短路阻抗要大于一般变压器。短路阻抗过大，会使换流变压器二次侧故障时短路电流较一般变压器小，因此保护配置与整定要在这方面予以考虑。

1.2 直流偏磁 当直流系统在使用大地回线的情况下，在一些运行工况下会有直流电流流入大地，如双极不平衡运行，单极大地回线方式等，使地电位发生变化，造成直流电流流入变压器原边绕组，使换流变压器发生直流偏磁，工作点偏移。如果此直流电流过大，会导致换流变压器铁心饱和，同时损耗和温升也将增加。因此，要配置相应的保护防止这种情况下对换流变压器造成的损坏。

1.3 谐波 由于换流器的非线性，在交流和直流系统中将出现谐波电压和电流。对于换流变压器，主要会流过特征谐波电流，即p*n+1次谐波电流（p为脉波数，n为任意正整数）。在运行中，谐波电流会使换流变压器损耗和温升增加，产生局部过热，发出高频噪声，还会使交流电网中的发电机和电容器过热，对通讯设备产生干扰。这些谐波电流应加以考虑，以免对保护装置造成影响。

1.4 调压分接头 为了使直流系统运行在最优的工况，减少交流系统电压扰动对直流系统的影响，换流变压器都具有较大范围的利用分接头调整电压的功能。例如：三峡到常州工程三峡侧换流变压器档位范围+25/-5，每档调节范围1.25%。因此保护设计时要考虑分接头调整带来的影响，如正常运行时变比的变化等。

1.5 直流系统的特殊运行工况 由于直流控制系统的特殊调节作用，使换流变压器遇到的运行工况以及故障情况不同于普通变压器。这些不同主要包括以下几点：

1.5.1 直流系统的故障相当于换流变压器的区外故障，一般短路电流都不会太大。对于整流侧，穿越换流变的'电流会增大，但由于直流控制保护系统的快速作用，很快会减小。对于逆变侧，直流系统的故障会造成直流电流无法传变至交流侧，反而会使穿越电流减小。

1.5.2 对于换流变压器保护来说，直流系统造成的最严酷的区外故障为整流侧的阀短路故障，相当于换流变出口的两相或三相短路故障。但由于直流保护的干预，实际只会出现半个周波的两相短路。对于逆变侧，由于触发角很大，阀短路时流过换流变压器的电流较整流侧小很多。

1.5.3 换流变压器发生区内故障时，直流系统一般不会提供短路电流。这是由直流控制系统的作用造成的。在整流侧，功率由交流侧转换至直流侧，换流变压器的故障只会造成这种转换的停止，而不会使功率反向，因此直流侧不会提供短路电流；在逆变侧，当故障轻微换相可以正常进行时，由于直流系统的定电流控制特性，直流侧不会提供额外的短路电流。如果故障严重，必然造成换相无法进行（交流电压降低），直流侧更不会提供短路电流。

1.5.4 由于直流控制系统快速的调节作用，在需要的时候，可以快速的将功率传输由一个方向反至另一个方向，对于换流变压器来说，就会出现快速的潮流反向。

1.5.5 换流变压器保护区内发生接地故障时，实际造成了阀的短路。由于阀的单向导电性，故障电流半周电流大，半周电流小，导致差电流中含有较大的二次谐波。

1.5.6 对于逆变侧的换流变压器的区内故障，往往会导致换相失败的发生，从而在穿越电流电流中产生很大的谐波，但差电流（即提供给故障点的电流）仍主要为工频分量。

1.5.7 由于换流变压器的特殊运行方式以及较大的漏抗（作为换相电抗），二次侧故障一般不会造成各侧TA的饱和，即使饱和造成保护的“误动作”也是正确的（换流变的区外即阀的区内故障，都会造成直流的停运）。但对于一个半开关的接线方式，交流系统区外故障时高压侧TA存在饱和的可能。。这种情况下的误动作是不可接受的，必须防止。

1.5.8 在阀未解锁前，当阀侧交流连线存在接地故障时，并不产生接地电流，也不会对变压器造成损害。但如此时不发现故障，阀一解锁后，就会造成阀的短路。因此要设置保护检测这种情况下的接地故障。

2 换流变压器的保护措施

2.1 保护的配置原则 为了保证既可靠又安全，在既简单又经济的情况下，可以这样配置换流变压器保护：每台换流变压器保护装设两台保护装置，每台保护装置的电源、输入独立，每台装置的输出都可以到达断路器的两个跳闸线圈以及直流控制的两个系统。每台装置采取措施防止自身误动作，而靠两装置的或出口防止故障情况下的拒动作。 2.2 保护的配置及原理 为了避免换流站特有的谐波对保护的影响，保护装置应从硬件和软件上采取措施，使保护只针对工频分量。

主保护包括稳态比率差动、差动速断、工频变化量比率差动、零序比率差动、过激磁保护。后备保护包括过流、零序过流、过电压、零序过压、饱和保护。

2.2.1 稳态比率差动保护 由于变比和联接组的不同，电力变压器在运行时，各侧电流大小及相位也不同。在构成继电器前必须消除这些影响。换流变压器的TA一般装在各侧绕组上，因此原、副边绕组电流相位相同，因此只需要对变比的影响进行补偿。以下的叙述的前提均为已消除了变压器各侧幅值和相位的差异。

稳态比例差动保护用来区分感受到的差流是由于内部故障还是不平衡输出（特别是外部故障时）引起。装置采用初始带制动的变斜率比率制动特性，稳态比率差动元件由低值比率差动（灵敏）和高值比率差动（不灵敏）两个元件构成。为了保证区内故障的快速切除，只有低值比率差动元件（灵敏）设有TA饱和判据，高值比率差动元件（不灵敏）不设TA饱和判据。

对于换流变压器分接头调整造成的差动电流不平衡，可用三种方法来解决：一是通过整定值躲开；二是利用浮动门槛自适应调整；三是利用分接头位置来调整。方法一、二简单实用，三实现起来复杂。

2.2.2 工频变化量比率差动保护 装置中依次按相判别，当满足 一定条件时，工频变化量比率差动动作。工频变化量比率差动保护经过涌流判别元件、过激磁闭锁元件闭锁后出口。

由于工频变化量比率差动的制动系数可取较高的数值，其本身的特性抗区外故障时TA的暂态和稳态饱和能力较强。工频变化量比率差动元件提高了装置在变压器正常运行时内部发生轻微匝间故障的灵敏度。且工频变化量比率差动保护不会受换流变压器分接头调整造成的差动电流不平衡的影响。

2.2.3 后备保护 后备保护包括过流、零序过流、过电压、零序过压、饱和保护。

3 小结

分析换流变压器与交流系统的主变压器比较所具有特点，阐述了这些特点以及直流输电的各种特殊运行工况对换流变压器保护带来的影响，并提出了相应的保护方案。

变压器 开题报告

变压器是利用电磁感应的原理来改变交流电压的装置，主要构件是初级线圈、次级线圈和铁芯(磁芯)，是利用电磁感应原理制成的静止用电器。

1 、国内外对变压器差动保护的研究现状

变压器常有的保护有过电流保护、电流速断保护、瓦斯保护等。但他们有一些不足之处，过电流保护动作时限比较长，切除故障不迅速;电流速断保护由于“死区”的影响使保护范围受到限制;瓦斯保护只反映变压器的内部故障，但不反映外部故障。而变压器差动保护就是为了解决这问题的。

差动保护分为纵差动保护和横差动保护，纵差动保护用于单回路，横差动保护用于双回路。变压器差动保护是纵差保护。变压器差动保护是根据基尔霍夫定律产生的，保护原理简单，易实现，是变压器的主保护之一。一般容量在6.3mva以上应装设纵差动保护，差动保护是利用故障时产生的不平衡电流来动作，保护灵敏度很高，动作迅速。经过许多人的研究，变压器差动保护已经得到很好的发展，保护的正确动作率有了很大的提高。

由于变压器自身的原因、互感器的误差、保护装置等方面的因素，造成变压器不平衡电流，它是引起差动保护误动作的一个重要原因。为了解决这个问题，现在的差动保护装置都采用比率动作曲线，传统的基于ct变压器比率制动曲线，由于ct饱和等因素，斜率一般都较大，曲线较高，改用ect后，由于ect不饱和且具有良好的线性，因此比率制动作曲线不需要制定太高，甚至可以指定成水平线。

另外，励磁涌流也是在研究变压器差动保护是不可避免的问题，这个问题通过加励磁涌流闭锁来消除，经过大量研究，现在主要闭锁原理有以下几种：

二次谐波闭锁原理，利用励磁涌流时存在大量的二次谐波，而非励磁涌流时二次谐波很小的原理，形成了二次谐波闭锁，在实际中使用最多的方法之一。但是，随着电力系统的发展，这种方法出现了越来越大的问题，突出的表现就是由于电力系统各种电容的影响，变压器内部故障下二次谐波含量可能变得很高，但在励磁涌流时二次谐波又可能变得很低(当变压器饱和磁通较低时)，所以这种方法需要进一步改进。

间断角原理和波形对称原理，是观察励磁涌流波形，发现涌流存在很小波变化方法。此方法解决了傅里叶算法不能完全提出暂态信号的特征的'缺点，适合于电力系统的暂态分析。由于需要较高的采样率，装置的硬件成本变高，同时，电力系统正常情况下也存在高次谐波可能影响判断，所以此方法也需要发展完善。

神经网络方法以及模糊控制理论等识别方法是比较新兴的方法。神经网络方法过程比较繁琐，需要大量的数据，但它充分发挥了人脑计算能力强、自学能力强、容错性、自适应性等优点，

是研究和发展的一个重要方向。模糊控制理论是将多个输入量及相关的保护判据给予不同的置信度，通过模糊理论得到最终的跳闸决策，提高了判断的准确性。间断角原理是一种清晰、直观、抗过励磁能力强的方法，但需配置相应的a/d芯片级cpu，提高了硬件成本，同时观擦波形可以发现励磁涌流还存在非对称性，因此形成波形对称原理。它比间断角原理更易实现，但在对称涌流时无法判别，因此，这两种方法都需要大量实验来确定，实现比较复杂。 差有功法、磁通判别法及基于变压器模型的判别法，利用了电流信号和电压信号，比只使用电流信号更有优势。差有功功率的理论基础是：变压器故障时主要增加有功功率，而其他情况下主要增加无功功率。磁通判别法的理论基础是：非内部故障时，变压器运行在正常的磁化曲线上;而故障时偏离磁化曲线运行。基于变压器模型的判别方法是根据变压器模型得出的变压器恒等式，在故障时恒等式关系不成立，而判别故障与否，可利用电流、电压信号计算出变压器的漏感、电阻以及励磁阻抗，利用他们的变化与否判断是否涌流，这三种方法都是从物理机理出发，原理简单，准确性高，但受多方面因素影响，整定较困难，还有待进一步研究。

目前，针对电力变压器励磁涌流的判别，国内外学者提出了许多新原理和新方法，但这些方法都由不足之处且还处在实验阶段，需要进一步验证才能采用。实际中最多的还是二次谐波检测，这种检测方法会在变压器空载合闸时出现差动保护动作或是在发生内部故障时出现保护拒动的情况。因此，需要进一步探索快速、准确的区分变压器励磁涌流和内部故障电流的新方法，提高变压器差动保护的性能。

国外早在1941年就有和应涌流现象的报导。当时在查找变压器差动保护误动原因过程中，发现较大暂态激励电流不仅出现在刚合闸的变压器中，也出现在已并网运行的变压器中。通过现场波形记录、实验测试和电流表达式的数学推导对合应涌流现象进行了深入的分析，并讨论了和应涌流对变压器差动保护及过电流保护的影响。saied通过数值仿真一台变压器空投充电，另外一台空载、负荷或有并联电容器的变压器正在并联运行时，两台变压器的电流、磁链和公共连接点的电压变化，对影响和应涌流的部分因素进行分析。bronzeado h s等通过仿真分析并联和串联变压器两种系统结构形式，指出空投一台变压器时，励磁涌流在系统与变压器间产生了一种暂态和应作用，不仅使空投变压器的励磁涌流的幅值和持续时间发生变化，而且在运行变压器中将产生和应涌流，结果导致运行变压器差动保护误动和长时间的谐波过电压。随着变压器线圈中的电阻值减小，和应涌流现象将增多。王怀智等通过对220kv系统中两台主变的空投试验再次说明了和应涌流的存在，并指出了它对变压器差动保护的影响。试验记录表明采用二次谐波“或”门制动可防止和应涌流导致差动保护误动。

2 研究的背景、目的及意义电力变压器是发电厂和变电站中的主要电气设备，它的安全运行与否直接关系到系统能否稳定正常地工作。随着电力容量及电压等级的增加，变压器造价越来越昂贵，如果因故障遭到破坏，其检修度大，检修时间长，经济损失惨重。因此要有一个安全、可靠、灵敏的变压器保护方案，这一直是国内外电力系统学者们研究的热点。变压器差动保护的关键问题是如何鉴别励磁涌流和内部故障，国内外许多专家和学者对此进行了大量的研究，也取得了很多有益的成果。

近些年来，在操作过程中引起的多次变压器差动保护误动情况引起广泛注意。2003年11月7日华能井冈山电厂发生一起机组非计划停运故障，在合#2主变出口断路器的过程中，#2主变差动保护动作导致#1发电机与系统解列停运，后查明是由于和应涌流导致变压器差动保护误动引起的。目前由于电网分层分区级大容量变压器的逐步投运，局部电网结构发生了根本性的变化，电力系统中和应涌流引起变压器差动保护误动的事故不断增加，因此和应涌流问题引起人们的关注。

和应涌流与合闸励磁涌流特征不完全相同，运行变压器本身没有故障，方向与空投变压器相反，和应涌流的峰值是先增大后减小，峰值出现的时刻与相邻变压器交相呼应，并且误动发

生在相邻变压器空投完成一段时间后，持续很长时间都不衰减，易导致电流互感器暂态饱和，误动原因更具有隐蔽性。前人的研究工作针对空载合闸或外部故障切除后电压恢复时变压器本身励磁涌流的产生机理、波形特征与变化特点进行的，而对并联或串联运行中变压器的和应涌流对变压器差动保护的影响分析并不多。因此有必要对和应涌流的产生机理和特点进行深入研究，揭示其本质，进而提出可行的措施，消除隐患，提高供电可靠性。

综述资料

变压器保护的发展历史，1931年r·e·cordray提出出比率差动的变压器保护标志着差动保护为变压器主保护时代的到来，1941年，c·d·hayward首次提出了利用谐波制动的差动保护，1958年，r.l.sharp和w.e.glassburn提出了利用二次谐波鉴别变压器励磁涌流的方法，并在模拟式保护中加以实现，同时还提出差动加速的方案，以差动加速、比率差动、二次谐波制动来构成整个谐波制动式保护的主体，延续至今。微机变压器保护的研究开始于60年代末70年代初。1969年，rockerfeller首次提出数字式变压器保护的概念，揭开了数字式变压器保护研究的序幕，之后o.p.malik和degens研究了变压器保护的数字处理和数字滤波分析;1972年，skyes发表了计算机变压器谐波制动方案，使得微机变压器保护的发展向前迈进。近年来，出现了数字信号处理器dsp，不仅提高了微机保护数据采样与计算的速度和精度，甚至改变了微机保护装置的设计方案，在保护装置中实现复杂的算法。

电力变压器是电力系统中最重要的电气主设备之一，作为电能的传输枢纽。大型变压器结构复杂、造价昂贵，一旦发生故障损坏，维修工作难度大，经济上损失重大。近年来，随着电力系统的发展，电压等级的升高，大容量变压器的应用不断增多。大容量变压器采用纠结式绕组，易于产生匝间短路，因此，故障率相对较高。为了保障变压器安全、可靠地运行，电力工作者不断深入分析其运行特性，研究新原理与方法，提高变压器保护的性能。针对差动保护中的励磁涌流问题，国内外积极研究各种方法予以解决，例如,二次谐波制动、间断角、电压制动、磁通特性原理和等值电路法等。还有一些新兴学科和方法运用到变压器的保护中进行研究。随着计算机及网络技术的迅速发展，高性能的微处理器芯片的不断产生，微机变压器保护装置的性能不断得到改善，整个微机保护系统正向集成化，人工智能化，网络化，保护、控制、测量、数据通信一体化，标准化方向发展。

3 论文的主要研究内容

1 对变压器差动保护的基本原理进行阐述，分析了可能引起差动保护继电器误动作的原因，并简单介绍了一些防范措施。

2 对变压器励磁涌流的产生机理及其性质进行分析和研究，综述了变压器差动保护的现状和发展趋势。研究了变压器励磁涌流的各种鉴别方法，并对其进行分析和评价。提出了消除产生励磁涌流，实现对励磁涌流的抑制方法。

3 利用励磁涌流偏向时间轴一侧的特点，解释了和应涌流的产生机理及其变化特点，指出和应涌流产生的本质原因是由于合闸变压器励磁涌流流过系统电阻使得其他变压器工作母线电压偏移，导致铁芯饱和造成的。讨论了和应涌流对变压器差动保护的危害并提出相应的一些防范措施。