榆家梁煤矿主变压器励磁涌流识别技术研究(1).pdf

目录 Ⅰ 目录 1 绪论 ................................................................................................................................ 1 1.1 选题背景及意义 ................................................................................................. 1 1.2 研究现状与发展趋势 ......................................................................................... 3 1.2.1 变压器励磁涌流识别与抑制技术 ........................................................... 4 1.2.2 电流互感器饱和对变压器保护的影响 ................................................... 5 1.2.3 外部故障切除后涌流的研究 ................................................................... 6 1.3 本文主要工作 ..................................................................................................... 7 2 变压器保护与励磁涌流识别技术 ................................................................................ 8 2.1 变压器励磁涌流简介 .......................................................................................... 8 2.2 变压器纵差保护构成 ....................................................................................... 15 2.2.1 变压器差流 ............................................................................................. 15 2.2.2 变压器纵差保护 ..................................................................................... 16 2.3 变压器励磁涌流识别与抑制技术 .................................................................... 20 2.3.1 励磁涌流识别 ......................................................................................... 20 2.3.2 励磁涌流抑制 ......................................................................................... 25 2.4 本章小结 ........................................................................................................... 27 3 榆家梁煤矿主变压器励磁涌流仿真计算分析研究 .................................................. 29 3.1 变压器励磁涌流数学模型 ............................................................................... 29 3.2 榆家梁煤矿简介 ................................................................................................ 31 3.2.1 矿井简介 ................................................................................................. 31 3.2.2 生产系统 ................................................................................................. 32 3.2.3 主变压器供电系统 ................................................................................. 34 3.3 变压器励磁涌流影响因素分析 ....................................................................... 35 3.3.1 系统阻抗对励磁涌流影响仿真 ............................................................ 36 3.3.2 合闸角对励磁涌流影响仿真 ................................................................ 38 3.3.3 剩磁对励磁涌流影响仿真 .................................................................... 40 3.4 本章小结 ........................................................................................................... 43 4 榆家梁煤矿主变压器励磁涌流改进识别技术研究 ................................................... 44 4.1 归一化理论简介 ............................................................................................... 44 4.2 变压器励磁涌流识别方法 ............................................................................... 44 4.3 算例分析 ........................................................................................................... 47 目录 Ⅱ 4.3.1 变压器励磁涌流识别方法 .................................................................... 48 4.3.2 归一化的励磁涌流识别方法 ................................................................ 50 4.4 本章小结 ........................................................................................................... 51 5 总结与展望 .................................................................................................................. 52 5.1 总结 ................................................................................................................... 52 5.2 展望 ................................................................................................................... 52 致谢 .................................................................................................................................. 53 参考文献 .......................................................................................................................... 54 攻读硕士学位期间获得的学术成果 .............................................................................. 59 附录 .................................................................................................................................. 60 1 绪论 1 1 绪论 1.1 选题背景及意义 从电力系统出现之初，就包含发电机、输电线路、变压器、负荷等设备，其中，变 压器是实现电压等级转换的一个非常重要的电气设备。电力系统作为一个大型的有机互 联的统一整体，其中的任何设备故障，都可能导致电力系统发生停电事故，造成不必要 的经济和社会损失。作为电力系统中不同电压等级连接枢纽的重要电气设备，变压器的 安全稳定运行对整个电力系统的安全来说，发挥着至关重要的作用[1]。在电网的实际运 行过程中，会发生不同类型的故障，根据电气设备划分，主要可以划分为电气设备故障 和输电线路故障；按照短路故障类型划分，包括两种类型，分别为接地短路和相间短路。 一旦发生上述故障，后果较轻的可能会引起小范围停电事故，严重的可能发生大电网的 停电事故。这是因为发生故障时，系统电流幅值会急剧升高到很大的值，电流幅值远远 大于正常运行时的电流幅值，而如此大的故障电流，必然会对电气设备造成不可逆的损 坏，影响设备性能、缩短设备寿命，甚至可能引起设备烧毁；对于电网中的输电线路等 电气设备，大幅值的电流可能导致设备严重发热，破坏设备的绝缘性能，缩短设备的使 用寿命，甚至导致设备直接废弃，短路电流通过其他设备非故障非故障设备时，产生 较大的电动力和热量，使其绝缘材料遭到破坏，从而大大的缩短设备使用年限；电力系 统中其它局部地区的电压幅值急剧大幅度的下降，将严重影响电力用户的正常工作和生 产；在世界各国电网的运行历史上，就发生过不止一次的大停电事故，都是跟电网故障 有关，根据历次大停电事故的统计结果可知，每次大停电事故造成的经济社会损失都十 分巨大[2,3]。 根据电力系统的运行状态，可以把电力系统划分为两种类型，分别是正常运行状态 和非正常运行状态。其中，后者是指电网中的电气设备没有故障，但整个系统的正常运 行却遭到各种干扰的破坏，这种情况下电网运行在不正常工作状态。最为常见的就是过 负荷运行[4]。 电力系统一旦发生故障或不正常状态，只需几毫秒就会波及其他的线路和非故障设 备，甚至引起系统内其它的故障。如果不及时将故障区域切除，很可能会危机电力系统 的安全稳定，甚至可能很快将故障范围扩大，引起更多的事故，造成更大的经济损失。 为了将这种损失降低到最小化，必须要能够快速识别故障，并进行有选择性的切除，保 证电力系统其他非故障区域的安全运行。另外，由于电力系统故障发生和传播的时间极 短，都是毫秒级，因此，切除故障的时间必须要快，而这样短的时间，单纯依靠人来操 作是不现实的，必须要采用自动化保护系统。所以，必须在电力设备上安装相应的自动 西安科技大学工程硕士学位论文 2 化保护装置。 电力系统继电保护装置已经在电力系统中成功应用多年，在世界各国的电力系统安 全运行中发挥了重要作用，取得了很好的效果，主要功能包括以下几个方面[5-9] （1） 当电力系统运行状态为故障或者非正常运行时， 继电保护系统能够快速、 准确、 有选择性地识别出系统的故障位置或元件，并及时把故障部分从电力系统中切除，保证 电力系统其他非故障部分不受故障的干扰，将故障或者非正常运行对电网的不利影响降 到最低。 （2）根据系统的运行状态变化，发出相应的信号，提醒电网运行维护人员采取相应 的措施，并根据系统运行状态发出不同类型的信号，为维护人员采取措施提供一定的参 考。 （3）电力系统一般会配置多套保护装置，提高电网的安全运行水平。不同的保护装 置之间既相互独立，又相互配合，共同构成整个电力系统的安全屏障，保护整个电力系 统的安全运行。另外，这些保护装置还可以设置一些参数，避免停电事故的发生。 综上所述，电力系统继电保护装置是整个电力系统安全运行的重要保障，在电力系 统安全运行的过程中，发挥着至关重要的作用。 目前，虽然变压器保护相关规定比较规范化和标准化，但是实际运行中仍存在变压 器保护装置发生误判误动的现象，对变压器运行不利。变压器的继电保护系统是变压器 能够安全稳定运行的一个非常重要的保障，变压器主保护一般采用基于电流差动保护， 即根据测量得到的变压器中流过的电流来判断是否发生故障，当电流大于某一阈值时， 保护动作。变压器本身制造材料的特性，决定了变压器磁通与电流之间的关系是非线性 的。当磁通增大到一定程度时，变压器饱和[10,11]。因此，变压器磁通的很小的变化量都 会导致变压器电流发生非常大的变化，且随着变压器励磁磁通的增加，其电流会急剧增 大。这一现象被称为励磁涌流。尤其当变压器空充的时候，在变压器内部会产生非常大 的过电流，远远大于正常工作电流，这就是励磁涌流。如此大的电流，很容易造成变压 器主保护误动[12]。 煤炭是我国目前最主要的能源基础，在我国的能源供应中占比很高，对我国发展发 挥着至关重要的作用。煤矿的安全是煤矿生产的前提，煤矿生产也是安全第一，每次煤 矿发生事故，都会造成不同程度的人员伤亡。变压器是煤矿供电系统的重要组成部分， 是保证煤矿电力安全的重要设备，一旦发生故障，对煤矿的运行非常不利，甚至可能造 成人员伤亡。必须要保证煤矿变压器的安全运行。 从上面的介绍可知，变压器发生励磁涌流或者故障的时候，电流幅值会非常大，远 远超过正常电流幅值，因此研究变压器励磁涌流的特点及其识别技术，防止变压器继电 保护装置发生误动，对于变压器的安全运行至关重要。目前，变压器励磁涌流识别方法 应用较广泛的是基于二次谐波制动，但该方法存在一些无法克服的明显缺陷，虽然经过 1 绪论 3 多年的研究，但目前仍没有得到非常好的解决方法[13,14]。另外，变压器是煤矿的重要供 电设备，一旦变压器发生故障，煤矿安全生产必然受到影响，煤矿安全大于天。因此， 研究变压器励磁涌流特性及其识别技术，提高煤矿主变压器的安全运行，保证煤矿安全 生产，具有重要的工程应用价值与理论研究意义。 1.2 研究现状与发展趋势 鉴于变压器在电力系统中的重要作用，电力系统保护一般装设多重保护系统，共同 保障变压器的安全运行。差动保护是最重要的，一般为变压器主保护，对电力系统运行 的安全性、可靠性具有重大的现实意义。 变压器主保护差动保护的数学原理是基尔霍夫电流定律，即根据流入流出变压器的 电流之和是否为零来判断变压器的运行。该保护系统不仅用在变压器保护上，也是发电 机、输电线路等重要电气设备的主要保护系统之一[15,16]。变压器不同侧之间并没有直接 的电气连接关系，没有任何电路存在，而是通过磁路进行连接的。正常运行情况下，变 压器的磁路会保持平衡，变压器能够保持正常运行。但故障条件下，变压器磁路平衡被 破坏。根据这个原理，变压器保护系统如果能够检测识别出该过程中出现的变量，将能 够提高变压器的可靠水平[17]。现代电力系统中，电力变压器实际多年运行经验导致变压 器中配备了多种保护装置，虽然进行了多种改进，但每种保护都有其自身的缺陷，导致 现在变压器差动保护仍然有误动的现象，而造成变压器误动的主要原因之一就是励磁涌 流。这是因为变压器差动保护的原理基础是判断电流幅值大小，没有对其他特性进行判 断，因此存在非常大的缺陷[18,19]。由上述内容可知，变压器励磁涌流、故障电流都会对 其差动保护系统造成不良影响[20]，为了提高变压器保护系统动作的可靠性，必须研究二 者之间的差异，防止保护误动。 长期以来，鉴于变压器运行中保护系统存在的各种问题，对电力变压器继电保护新 技术的研究与探索从未停止过，各国专家学者通过多年的研究，提出了许多变压器保护 方法和理论，为提高变压器运行水平发挥了重要作用[21,22]。在这些学者提出的理论中， 比较有代表性的主要包括波形对称原理、波形相关原理、二次谐波制动原理、间断角原 理等。在这些理论中，间断角原理、波形对称原理和二次谐波原理是三种得到了广泛的 技术。另外，近些年得益于计算机技术的飞速发展，微机保护在电力变压器继电保护中 也得到了越来越多的应用[23-25]。 虽然各国科研人员对变压器励磁涌流识别技术进行了广泛而深入的研究，但鉴于变 压器制作材料自身特性，变压器励磁涌流识别技术并没有得到非常好的解决，变压器励 磁涌流导致的保护误动仍然在发生。国内各省电网中，也不乏变压器励磁涌流导致变压 器误动的事件。煤矿供电主变压器的重要性使得励磁涌流现象更加重要，更加需要研究 其对继电保护的影响。但是差动保护仍然是变压器非常重要的保护方式，因此，研究煤 西安科技大学工程硕士学位论文 4 矿主变压器励磁涌流识别，提高差动保护的安全性，是非常迫切的工作。在继续使用差 动保护的情况下，不少专家、学者纷纷提出了很多的励磁涌流识别方法。通过对差动保 护、励磁涌流原理和特性的进一步的分析，建立相应的模型，结合新理论，希望能提出 解决当前电力变压器差动保护中的故障电流和励磁涌流问题的新方法。通过使用这一方 法，使电力变压器差动保护对电力系统的安全性、可靠性能上升到一个新的阶段。 1.2.1 变压器励磁涌流识别与抑制技术 虽然变压器励磁涌流识别技术仍存在一些问题，但得益于计算机、控制技术等新型 技术的快速发展，尤其是计算机技术，大大促进了变压器励磁涌流识别技术的发展。在 实际中也取得了很好的应用效果。在电力变压器继电保护方面提出了许多新的方案，其 中故障电流和励磁涌流的识别方面有如下的一些方法[26] （1）磁通特性识别法 根据变压器的基本工作原理，建立变压器的数学模型，得到其等值电路、等值磁路 等。以此为基础，可以详细分析变压器电气结构、磁通结构。基于这些分析结果，可以 分析和识别故障电流和励磁涌流。 （2）小波变换 迄今为止，小波变换理论已经发展了很多年，理论基础是 Fourier 变换。由于该理论 具有非常好的时域局部化和多尺度分析的突出优点，因此已经被广泛应用于许多领域， 在电力变压器励磁涌流识别技术方面，小波变换理论也得到了非常广泛的应用。 （3）人工神经网络方法 人工神经网络是一种现代智能算法，该算法模拟人体大脑工作原理，具有一定的学 习能力，该方法已经出现多年。 人工神经网络算法最突出的优点是具有较强的自适应性、 错容性和学习能力。 因此， 从提出之初，人工神经网络算法就受到各界学者的广泛关注，已经在电力系统继电保护 领域得到了广泛应用，且有很多改进算法。 （4）功率法 功率法需要计算变压器不同电压侧流过的功率，包括瞬时功率、有功功率、无功功 率。根据不同运行状态下变压器功率的特点，判断变压器发生了故障还是非正常运行状 态。 最近几十年，各国学者对变压器励磁涌流的研究成果，大致可以划分为以下几种 （1） 基于变压器电流的励磁涌流识别方法， 比如二次谐波制动原理、 间断角原理等； （2）基于变压器电压的励磁涌流识别方法，比如电压比值法、电压谐波制动法等； （3）基于变压器电流、电压的励磁涌流识别方法，比如磁通特性原理、等值电路原 理等。 1 绪论 5 除了这些传统方法，还有许多现代智能算法应用在了电力变压器励磁涌流识别技术 中，比如上面提到的人工神经网络法、小波分析法等等。每种方法都有各自突出的优点， 也有不可克服的缺点。 另外，针对变压器励磁涌流抑制技术，可以将抑制方法划分为两大类 （1）第一类抑制措施，是从变压器内部采取措施。根据变压器的基本工作原理，基 于变压器铁芯的励磁原理，改变变压器内部的结构。比如改变变压器一次绕组和二次绕 组的分布[27]。 （2）第二类抑制措施，是从变压器外部采取措施。这种方法主要是通过在变压器外 部增加硬件设备或者优化控制等，比如合闸回路串联电阻法[28]、软启动法[29]、内插电阻 法[30]和选相合闸法[31,32]等。 针对变压器励磁涌流抑制技术，将是本论文的研究重点，将在后面的第三章、第四 章进行详细讨论。 1.2.2 电流互感器饱和对变压器保护的影响 变压器差动保护需要在变压器一次侧、二次侧都装设电流测量设备，规定正方向以 后（比如以流入变压器为正），计算流入流出变压器的电流之和。正常运行情况下，两 侧电流之和理论值为 0，实际运行中，如果电流之和幅值大于一个阈值，则判定变压器 发生故障。电流测量装备一般采用电流互感器，因此，电流互感器的运行状态也会影响 电流转换精度。比如，一次电流互感器、二次电流互感器如果饱和程度不同，在保护装 置的差动回路中可能会有较大的不平衡电流，引起变压器保护误动[33]。 电流互感器饱和一直是电力系统中一个非常重要的问题，也是容易引发故障的。对 于电流互感器，必须要能够正确识别其运行状态，判断是否发生故障，各国学者、研究 人员也对该问题展开了广泛深入研究，并提出了几种解决方法。主要包括以下几种。 （1）基于谐波制动的电流互感器饱和识别 根据电流互感器的实际运行和试验结果可知，饱和状态下，电流互感器变换得到的 电流包含大量的谐波分量。而不同运行状态下，谐波分量是不一样的。比如，暂态情况 下，谐波分量主要是 2 次谐波分量；稳态情况下，主要为 3 次谐波。 正是基于这一特点，文献[34]提出了一种基于二次谐波的电流互感器饱和程度识别 方法。具体过程是首先计算电流互感器中电流的二次谐波分量、三次谐波分量与基波分 量的比值，根据比值结果判断电流互感器的运行状态。 另外，空载合闸情况下，变压器励磁涌流也会有大量谐波分量，所以，基于二次谐 波制动的变压器励磁涌流识别方法在该情况下无法适用。 （2）基于时差的电流互感器饱和识别 电流互感器本质上是一个电感元件，电感元件中的电流不能突变。当变压器区外故 西安科技大学工程硕士学位论文 6 障的时候，电流互感器的电流无法突变，而是经过一段时间以后才会达到饱和，这个时 间大约需要 1/4-1/2 工频周期，也就是说，区外故障条件下，电流互感器的饱和具有一定 的滞后性。但是，如果是变压器区内故障，故障时刻基本就是差动保护动作时刻，因此， 利用该特点，有学者提出了识别电流互感器饱和的时差法[35]。 根据多项试验结果[36,37]，电流互感器饱和导致的保护启动时间、动作时间差约为 5ms。在实际中，需要考虑设备性能，留有一定裕度之后，大概取 3.75ms 即可正确识别 出电流互感器是否出现饱和。 （3）基于二次电流三阶差分的电流互感器饱和识别 该方法的基本原理是电流互感器从非饱和状态进入饱和状态、从饱和状态进入非饱 和状态的两个时刻，变压器铁芯的励磁电抗变化比较明显，因此会出现二次电流畸变。 剩磁、饱和时间都会对电流产生影响，因此，上述两个时段都会出现一个二次电流的拐 点。对二次电流进行一阶差分、二阶差分和三阶差分，可以得到离散化的变压器二次电 流离散点，即脉冲信号，该脉冲信号对应时刻，即为电流互感器进入饱和的时间。文献 [38,39]对此进行了深入分析研究。 文献[40]在上述成果的基础上，进行了更加深入的研究。应用上述方法，计算得到 第一次进入饱和时刻，电流互感器铁芯的磁通值，作为故障期间电流互感器铁芯磁通的 初始值。采用插值法拟合电流互感器磁化曲线，根据磁通计算励磁电流。与二次电流叠 加以后，就可以得到补偿后的二次电流。最终，达到避免电流互感器保护引起保护误动 的目的。 （4）基于附加制动区的电流互感器饱和识别 区外故障时，故障发生后经过一个延时，电流互感器开始。应用基尔霍夫定律，故 障发生后的一个短时间内，变压器两侧差动电流几乎为 0。但是，很快，随着电流互感 器饱和程度不断增大，差动电流也随之增大。 基于上述过程， 提出变压器差动保护的比率制动方法， 在该方法中增加一个制动区， 该制动区即可区分变压器的区内故障和区外故障。 区内故障条件下， 变压器的差动电流、 制动电流都会根据故障特性曲线逐渐增加，然后进入动作区，差动保护动作；区外故障 时，1/4-1/2 工频周期以后电流互感器才开始饱和，差动电流制动电流首先位于制动区， 饱和后才会迅速进入动作区。根据这一特性，文献[41]提出了基于差动电流、制动电流 变化轨迹的识别方法。 1.2.3 外部故障切除后涌流的研究 变压器励磁涌流相关研究刚开始的时候， 很多学者都认为， 变压器区外故障切除后， 变压器的电压恢复过程跟空载合闸时的电压恢复过程是一样的[42]。在经过一定的研究之 后，发现这两种工况下，变压器的电压恢复过程还是存在很大差别的。因此，很多学者 1 绪论 7 开始对故障切除后的变压器励磁涌流特性，展开深入研究。 文献[43]研究成果表明，外部故障切除后的变压器，一般情况下，大剩磁电感互感 器传变小工频负荷电流，从而导致电流互感器暂态饱和。进而变压器两侧的电流互感器 传变特性不再相同，而这种传变特性的差异，会在变压器差动回路中形成一个 2 次谐波 含量不高的不平衡电流，导致保护误动。文献[44]深入分析了变压器励磁涌流。变压器 外部故障发生到故障切除后，详细分析了变压器的电磁暂态过程。根据分析结果，提出 了故障传递剩磁，并给出了故障切除后变压器励磁涌流恢复的参数。 针对带负荷合闸的情况，也有学者进行了研究。文献[45]研究了带负荷合闸条件下， 基于二阶简化非线性电路的变压器模型，根据分析结果，提出了有载合闸、外部故障切 除后，变压器在电压恢复过程可能进入超饱和状态，引起保护误动。文献[46]在文献[45] 的基础上进行了更深入的研究， 重点研究了有载合闸、 外部故障切除后的电压恢复阶段， 变压器超饱和的原因和时间等。 1.3 本文主要工作 虽然近些年我国大力发展可再生能源发电技术，但煤炭仍然是保障我国能源供给的 最重要的一次能源。 煤矿的安全运行是保证煤炭生产乃至整个时候能源供给的重要基础。 安全可靠的电力保障是煤矿安全运行的能源基础，一旦煤矿电力出现故障，将影响煤矿 的安全生产，甚至发生人员伤亡事故，后果非常严重。变压器是煤矿供电的重要设备， 是连接电力系统与煤矿的枢纽，其安全运行对煤矿的安全生产至关重要。变压器励磁涌 流对其保护装置产生不利影响，研究变压器的励磁涌流并正确识别、抑制，能够有效提 高变压器的可靠水平。本文基于神东煤炭集团榆家梁煤矿主变压器参数，对变压器励磁 涌流及其识别技术进行了分析研究。论文主要研究内容如下 （1）查阅国内外的论文、书籍等资料，了解变压器励磁涌流的研究现状、研究背景 和意义，熟悉变压器的基本工作原理。掌握变压器励磁涌流发生的基本原理、变压器继 电保护的设置原则，给出变压器励磁涌流对变压器继电保护的影响机理。 （2） 基于神东煤炭集团榆家梁煤矿主变压器励磁涌流仿真研究。 结合榆家梁煤矿主 变压器的相关参数，在仿真软件中搭建变压器模型，定义不同的场景，对不同场景下的 变压器励磁涌流进行仿真计算，并对计算结果进行详细分析。归纳总结变压器励磁涌流 的影响因素和规律。 （3） 基于榆家梁煤矿主变参数的变压器励磁涌流改进识别技术研究。 基于前面的研 究内容和成果，给出了变压器励磁涌流的识别方法。在所搭建的仿真模型中进行计算仿 真计算，验证所提方法的有效性。 西安科技大学工程硕士学位论文 8 2 变压器保护与励磁涌流识别技术 本章从介绍变压器基本工作原理入手，再介绍变压器励磁涌流原理及其保护措施， 重点介绍了变压器励磁涌流的影响因素。最后，对变压器纵差保护的构成与原理进行了 介绍。 2.1 变压器励磁涌流简介 变压器工作原理如下一次侧连接电网流入交流电，该交流电在变压器铁芯中，产 生一个以铁芯为磁路、同时交链一二次绕组的主磁通。根据电磁感应定律，该主磁通在 一次绕组产生一个自感电动势，在二次绕组产生一个互感电动势，如果外部电路连通， 就会在电路中形成电流，供给负荷用电。进而实现不同电压等级之间的电能传递。变压 器原理图如图 2.1 所示。 图 2.1 变压器原理示意图 假设一次侧通入正弦电压，则产生磁通Φ Φ sin m ωt ，由电磁感应原理可知 111 Φ Φsin 2 m dπ eNNωωt dt       （2.1） 222 Φ Φsin 2 m dπ eNNωωt dt       （2.2） 有效值为 111 1 2Φ4.44Φ 2 mm EπfNfN （2.3） 222 1 2Φ4.44Φ 2 mm EπfNfN （2.4） 2 变压器保护与励磁涌流识别技术 9 变压器的电压变比为 1111 2222 eNEU K eNEU  （2.5） 变压器的电气部分主要是由绕组构成的，绕组是具有高导性能的导电材料，外部包 裹着绝缘性能良好的绝缘材料，实现电流在导电材料内部的流通。 （1）变压器故障和异常运行状态 变压器大部分时间运行在正常运行状态下，正常向电网供电，只有少部分时间运行 在异常运行状态。异常运行状态不会对变压器造成很大的损害，但长期不利于变压器的 安全，因此这种状态处于正常运行状态、故障状态之间，主要包括过电流、过负荷、油 面降低等。在这几种状态下，变压器可以保持运行，并且保护系统不会将变压器切除， 但会发出信号。 双绕组变压器工作原理的结构示意图如图2.1所示，设变压器原副边绕组匝数分别 为 h W、 i W。如果变压器变比为 B n，则有/ Bhl nWW 。设变压器原边、副边绕组的电流 互感器变比分别为 h n、为 l n。 （2）区外短路或正常运行状态 区外短路或正常运行如图2.2 a所示。忽略励磁电流 e I  条件下有 1 1 l h B I I n    （2.6） 电流互感器二次电流 2h I  和 2l I  如图2.2 a所示。其中， 21/hhh IIn  ， 21/lll IIn  。此 时流入差动继电器中的电流 d I  为 11 22 hl dhl hl II III nn    （2.7） 将2.6式代入2.7式可得 1 11 dl Bhl II n nn      （2.8） 从上分析可知，理想情况下只要满足变压器的励磁电流 0 e I  、 lBh nn n 。则没有 电流流入差动继电器KD。 假设变压器区内短路情况下，各边电流如图2.2（b）所示。此时由减极性标注法如 西安科技大学工程硕士学位论文 10 图2.2 b所示。流入差动继电器KD中的电流 d I  为 11 22 hl dhl hl II III nn    （2.9） 区外故障条件下，差动继电器感受到的电流为零，满足 lBh nn n 。则上式演变为 11hlK d ll III I nn      （2.10） 由2.10式可知， 区内发生短路故障时， 流入变压器差动继电器的电流为短路电流的 二次值。 1h I l n B n 2h I h n 2l I 1l I 2h I 2l I （a） 区外故障 1h I l n B n 2h I h n 2l I 1l I 2h I 2l I （b） 区内故障 图 2.2 变压器差动保护原理图 正常运行的励磁涌流很小。空载投入、外部故障切除两种情况下，会在变压器中产 生非常大的励磁涌流，如此大的电流很可能导致变压器继电保护装置误动。基本原理如 图2.3所示。 电感元件中的磁通只能连续变化，不能突变。而故障条件下，为了保持变压器磁通 2 变压器保护与励磁涌流识别技术 11 的连续性，会产生一个非周期磁通分量，值为故障前后稳态值的差值，这样可以实现电 感元件磁通的连续变化。由于该非周期磁通分量的存在，t0时刻，磁通幅值为 m φ ，其 值为故障前后磁通稳态分量的差值，保证合成磁通能够连续变化。对变压器磁通进行分 解，变压器磁通的非周期分量、周期分量以及铁芯剩磁变化曲线如图2.3（a）所示。由 图可知，变压器磁通很大，很可能引起变压器铁芯饱和。结合图2.3（a），励磁电流 e I急 剧增大形成励磁涌流。励磁涌流的波形如图2.3 b所示。 励磁涌流的波形特点如下幅值为额定电流的510倍；有很大的非周期分量；含 有大量的谐波；波形出现间断。 （a） 变压器铁芯磁化曲线 （b） 励磁涌流变化曲线 图 2.3 变压器励磁涌原理示意图 根据已有相关文献的研究成果和电网实际运行中的经验可知，影响变压器励磁涌流 大小的主要因素包括剩磁、合闸初相角、电源电压、系统阻抗。 由上述分析可知， 变压器励磁涌流产生的最根本原因是变压器铁芯发生了严重饱和。 该状态下，变压器磁通的小幅度增加都可能导致电流急剧增大。下面，以单相变压器为 例进行分析，假设变压器 0 t时刻空载合闸，则t时刻的磁通表达式为   0 coscos t t mmr tte        （2.11） 式中/L R，为铁芯磁通的衰减时间常数。 根据（2.11）可知，变压器励磁涌流幅值的大小、波形与合闸时刻 0 t、剩磁 r 、电