与大家讨论电力变压器保护的现状与发展

zbjiao · 发表于 2008-9-15 22:59:46

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与大家讨论电力变压器保护的现状与发展

norika命题作文，胡乱写了一些，抛砖引玉，大家一起讨论

电力变压器保护的正确动作率一直比较低，虽然近几年逐年提高，但是仍然不能与线路保护的性能相比拟，来自现场的意见是近几年变压器保护的问题不多，正确动作率不高的原因可能来源于变压器数量不能与线路相比，另外就是一些不明原因的动作也被归咎于变压器保护。但是变压器保护在原理上存在客观的缺陷确是不争的事实。

1. 差动保护及其在变压器及输电线路上的应用

差动保护是基于KCL的，KCL在电路理论被表述为流入某一节点或者闭合曲面的电流必然与流出这一节点和闭合曲面的电流相等。这一原理适用于所有的线性的集中参数的元件，如芯片、变压器同侧的绕组、发电机的绕组等。但是对于输电线路和变压器在应用的时候必须考虑其分布参数特性以及铁芯的非线性特性。对于输电线路而言，长线电容效应使得存在对地/相间的电容电流，对于变压器非线性铁芯使得在某些状态下（饱和）励磁电流不能忽略，这些都给差动保护的应用带来了很多的问题。

对于输电线路差动保护，由于对地电容参数（近似）已知，可以通过输电线路的电压计算（估算）对地或者相间电容电流，从而使得KCL仍然近似成立，因此电流差动保护在输电线路上的应用取得了一定的成功，现在越来越被现场运行人员所接受，其可以通过抬高定值，进行电容电流补偿等方法应用于长距离输电线路。

对于电力变压器，如果能进行分侧的绕组差动（一般情况下，我们称之为分侧差动，对自耦变压器可能是分侧零序差动），则差动原理可以很好的保护匝地、以及相间故障，但是由于匝间故障对于差动保护为纵向故障，KCL仍然成立，所以分侧差动不能够保护匝间故障。但是，由于在现有的电力变压器尤其是220kV和 110kV的变压器上安装绕组CT几乎是不可能的，因此分侧差动并不是被广泛应用的差动保护原理。现在应用最为广泛的差动保护原理是带比率制动特性的电流纵差保护。

在变压器正常运行时，由于励磁电流很小，变压器纵差保护近似满足KCL，纵差保护是能够正确区分变压器正常运行（外部故障）和内部故障这两个状态的。但是，不幸的是，变压器除了这两个状态之外，还有一个状态是铁芯饱和，若由于电压升高或频率降低造成的变压器铁芯工作点下降，危害变压器的安全，则现有的过激磁保护会跳闸切除变压器。但是，更为不幸的是，对于变压器还有一种饱和，并不是稳态的，仅仅是暂态的，且不危害变压器安全的铁芯饱和，若这种情况下切除变压器，将不利于电力系统的稳定和供电的可靠性。

几代变压器保护工作者，都在和变压器铁芯的这种暂态的饱和进行斗争，斗争的结果就是各种各样的励磁涌流识别算法。

2. 励磁涌流识别算法及其局限性

所有变压器的纵差保护都配有励磁涌流识别（闭锁）判据。现在广为采用的包括：二次谐波制动、间断角原理、波形对称原理、波形相关原理等。还有包罗万象的新方法，具有代表性的有：基于小波变换的原理、基于数学形态学的原理、基于模糊理论的原理、基于支持向量机的原理、基于神经网络和人工智能的原理等等，不胜枚举。

我们把这些原理梳理一下，这些原理的本质和出发点都很简单——励磁涌流时差动电流的波形，与故障电流的波形不一样，那好，我们通过比较波形来判断是不是发生了涌流。应该承认，这种思路是简单和正确的，那么下面一个关键的问题呢，就是如何选择特征，即你用什么特征来判断是涌流。一个有经验的工程师说，OK，我用眼睛就能看。那么对于产品开发者来说呢，这样是不行的，我必须提取各种数值上的明显的特征，比如二次谐波的大小，比如间断角的大小等等。但是，二次谐波是不是励磁涌流的充要条件呢？显然不是，流入励磁回路的衰减直流分量也可以分解出二次谐波啊，励磁涌流时二次谐波含量也可能不高啊。那么我们需要一个阈值，那么问题来了，如何确定这个阈值呢？苏联人有一个方法、中国人有一个方法、欧洲人美国人也有一套方法，谁得对呢？我说服不了你，你也说服不了我。为什么呢？大家的都是经验值，变压器的结构不同，铁芯工作点不同，都造成这个值的不同，这样就麻烦了，没有一个规定的值。经过了这么多年的研究和经验，现在国内的观点就是二次谐波含量作为励磁涌流的识别判据，而这不可能从根本上杜绝空投时的误动和故障时的拒动。

那好，其他的原理会不会解决这个问题呢。其实思考一下就会发现，一样不可能，因为上面所列的所有原理都是利用波形的特征，所以都不可避免的导致一些情况的误动和拒动。

难道励磁涌流的识别就没有办法了吗？答案显然是否定的，分析以上原理的局限性，都是因为所选取的特征不合适，那么励磁涌流、铁芯饱和最本质的特征是什么呢？——工作点进入饱和区

3. 基于磁通的励磁涌流识别方法

工作点进入饱和区，在等效电路中表现为励磁阻抗的变化（变小），能否利用励磁阻抗来识别励磁涌流呢？

显然是可以的，现在南自动750系列的保护中就已经采用了这种磁通制动的保护原理，磁通制动是一种统称，其实质就是通过引入电压量，励磁励磁阻抗，并通过励磁阻抗在铁芯饱和时数值变小来识别励磁涌流。显然，这个方法不存在整定不明确的问题，励磁涌流出现时，阻抗交替变化。外部故障和内部故障时，阻抗都是平稳值，励磁涌流的特征明显，应该有很好的应用前景。

但是问题来了，变电站二次回路中电压回路是最不稳定的，很容易受到各种干扰而发生问题，TV断线等故障也经常发生，做为快速跳闸的主保护，若发生TV断线，那后果是不堪设想的，即使TV未发生故障，但是由于各种干扰产生一定的角度或者幅值的误差，也可能导致误判。另外，220kV、110kV变压器大多带有三角形绕组，装在线路上的TA无法测量绕组电流，主要是三角形侧的环流未知，必然对基于磁通的励磁涌流识别原理的应用带来很多的实际问题。

因此，基于磁通的励磁涌流识别方法现在是继电保护的研究热点，大家都在努力解决这个问题。国内的清华、华电、东南等高校都在这方面有所建树。

4. 变压器主保护面临的问题

显然，上面提高的可靠性问题是变压器主保护面临的最大的也是最主要的问题，主要表现在，励磁涌流的误动问题，以及空投内部故障的延时动作问题。

另外，内部小匝间故障的保护问题也是困扰变压器保护的一个很大的问题，变压器不同于输电线路，一旦小匝间故障发展成严重故障，可能导致绕组和铁芯的烧毁，最严重的情况可能导致返厂重新掉芯。

我认为的另一个问题，就是主保护原理的双重化问题，即虽然现有的变压器都配有两套保护，但是普遍的情况是这两套保护都是电流差动保护，唯一不同的是一套保护的励磁涌流采用二次谐波制动识别，另一套保护的励磁涌流采用间断角或者其他原理，从以上的分析，这实质上并不是两套不同原理的主保护，因此主保护存在着较大的隐患。而现在又确实是没有什么新的成熟的原理可用。

5. 可能的解决途径

（1）研究开发不同于差动保护的新原理，比如最近流行的基于变压器T型等效电路的保护新原理，这一方面已经有了很好的成果。（2）继续钻研，深入分析铁芯饱和的特征，提取励磁涌流在波形上的充要特征，开发高性能的励磁涌流识别方法。（3）考虑改变运行方式和TA,TV配置方式，考虑EPT,ECT的特性，开发下一代的保护新原理。（4）充分重视并考虑新的传感和检测技术，提高瓦斯保护等非电气量保护的性能，充分发挥其作用。

[ 本帖最后由 norika 于 2008-9-21 08:23 编辑 ]

lanbinghe · 发表于 2018-4-3 10:49:27

其实现有的关于励磁涌流方面的研究都把识别复杂化，对于实际应用来说，以简单和快为主，所以实际应用还是以二次谐波和波形对称这些简单原理为主

lirui885 · 发表于 2008-9-16 08:09:58

一看楼主就是对此深有研究，谢谢了，学习先！

norika · 发表于 2008-9-21 08:49:28

不错的文章，zbjiao毕竟是搞变压器保护出身，牢牢抓住了目前变压器保护最主要的问题-励磁涌流识别问题进行综述讨论，全篇没有与主题无关的内容，非常感谢您一直以来对论坛继保区的支持。本文应该堪称论坛讨论帖的典范开篇。

在拜完本文之后，我尚有一些疑问，希望zbjiao指教。顺便说明一下，由于本人的方向并非研究变压器保护，所以问的问题可能很简单，希望不要见笑

1 在第一节zbjiao提到了比率制动差动，从朱声石和王维检老师的书上来看，标积制动式纵差保护在制动系数K的整定上更好，能够提高内部短路时保护的灵敏度，2本书对此都进行了详细介绍。那么为什么现在广泛使用的是比率制动式纵差原理，而不是标积制动式呢？还是说，标积制动式差动应该是属于比率制动差动的范畴，只不过是进行了修正？

2 文中详细提到的引入电压量，基于励磁阻抗的励磁涌流识别方法，是不是和王维检老师书中137页（第二版）的第六种新型算法类似？我个人觉得好像123页的第一种新型算法，就是基于回路方程的算法才是从根本上解决励磁涌流的途径，毕竟这种算法是对变压器从根本上进行最彻底的分析，当然这种算法的难点是绕组漏感的计算。

3 如果zbjiao有空余的时间，希望能补充一下关于和应涌流的讨论内容

[ 本帖最后由 norika 于 2008-9-21 08:50 编辑 ]

DQLL · 发表于 2008-10-1 11:02:56

不错不错，研究得还很深入。学习了！

aaa2040040 · 发表于 2008-10-2 16:02:50

不错，我是搞保护的新手，长见识了

yuanzhen · 发表于 2008-10-8 13:42:46

传统的差动保护降低了变压器内部单相接地故障保护的灵敏度，对于中性点有效接地的变压器，要装设零序差动保护来提高灵敏度。另外，国内的好多保护在后备过流中没有考虑励磁涌流和过激磁的问题，可以将谐波闭锁引入到过流保护中。
要从新原理角度突破变压器保护，怎样正确建立变压器的电磁模型，怎样工程实用的计算变压器内部故障是理论基础，这需要一线的实践资料、一线的产品信息和有志者的深入研究，共同努力！

liangzf · 发表于 2008-10-10 12:41:04

分析得很深入，把变压器励磁涌流的判别方法做了实质性的解释。我的认识是提高了不少。

njymgl · 发表于 2008-10-11 11:04:33

变压器差动保护用的电流互感器问题一直都是一个比较头疼的问题，导致许多保护算法在实践中效果不理想。

yuanzhen · 发表于 2008-10-11 11:48:18

其实主要就是变压器的差动构成回路含有励磁回路，电磁耦合现象严重。从本质上并不符合差动保护的电气基础。
对于CT饱和问题，是差动保护要克服的一个基本问题，无论变压器的，还是线路机组的。
怎样能将电磁解耦，或者引入磁路保护，可能是发展变压器保护的一个方向。

muzhao510 · 发表于 2008-10-12 15:39:19

各位的分析很好，让我这个刚入门的新手学到很多，谢谢
大家共同提高

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