HUNANUNIVERSITY畢業論文論文題目變壓器和應涌流識別方法研究及仿真系統設計學生姓名學生學號專業班級學院名稱電氣與信息工程學院指導老師學院院長2015年 5月25日頁緒論1.1課題的背景和意義變壓器是電力系統中的重要設備，對電能的可靠運輸、靈活分配以及安全使用有著及其重要的作用。變壓器運行的可靠性關系著整個電力系統的安全。而且電力工業的發展，促進了變壓器單機容量的增大，對變壓器繼電保護技術提出了更高要求[1]。所以，變壓器保護裝置的正確可靠動作具有十分重要的意義。若變壓器發生故障時，保護裝置拒動或者超出要求時間才動作，可能造成變壓器的損壞甚至燒毀；若變壓器沒有發生故障時，保護裝置誤動，又會造成系統供電的中斷。但是長期以來，變壓器保護的動作正確性一直不高。造成這一現象的原因是復雜的，但從根本上來說，是變壓器保護在原理上存在一定缺陷。差動保護一直是作為變壓器的主保護，其理論基礎是基爾霍夫電流定律。但是，變壓器差動保護的正確動作率一直較低。根據文獻[2]～文獻[8]統計的數據,2000一2006年,220kV及以上變壓器差動保護動作總次數1476次,其中正確動作次數1193次,不正確動作283次,平均正確動作率80%左右。因為差動保護能夠靈敏地區分變壓器區外故障和區內故障，但當變壓器空載投入和外部故障切除后電壓恢復的時候，可能會出現與內部故障電流大小相近的勵磁涌流，從而導致差動保護誤動。因此，當前變壓器保護的關鍵問題還是在于勵磁涌流和故障電流的鑒別。但是近年來，出現了多起空投變壓器導致相鄰變壓器差動保護和誤動現象[9,10]，該現象與變壓器和應涌流有關。在電網中，鄰近的并聯或串聯變壓器之間已經工作的變壓器由于其他變壓器的合閘，可能會產生涌流,這被稱為和應涌流。由于正常運行的變壓器本身并沒有故障，并且誤動發生在相鄰變壓器空投完成一定時間之后，所以誤動原因更具有隱蔽性。國內外許多學者對和應涌流的產生機理以及它的特性做了一定研究，但目前仍沒有提出一種有效的方法能夠識別和應涌流。1.2和應涌流國內外研究現狀國外在1941年就對和應涌流現象進行了深入的分析，并提出了二次諧波制動的方法。二次諧波制動方法是通過求差流中二次諧波的含量與基波含量的比值來判別和應涌流與故障電流的。一般情況下，故障電流中二次諧波含量比較少，而和應涌流中二次諧波含量比較大。二次諧波制動方法的原理簡單明了，也起到了一定的作用，但隨著現代變壓器制造技術的提高和制造材料的改善，飽和磁通倍數也降低了，二次諧波分量顯著減小，由此將導致和應涌流產生過程中變壓器保護誤動。國內對和應涌流的研究主要根據仿真波形對其特征進行分析，找出和應涌流的影響因素，例如系統阻抗、空頭變壓器的剩磁、合閘角等，并分析了這些因素對和應涌流的影響。也有一些學者提出了對和應涌流的鑒別方法，如時差法、基波幅值增量法等，防止和應涌流引起差動保護誤動作。雖然目前國內外對變壓器和應涌流已經做了一定研究，并提出了一些防范和鑒別措施，但在實際系統中多臺變壓器串并聯的情況下，仍然沒有有效的措施防止和應涌流引起的變壓器保護誤動作。因此，我們有必要加速對變壓器和應涌流問題的研究，提出更為完善有效的鑒別和防止誤動的措施。1.3本文的主要工作針對變壓器和應涌流對差動保護的影響，本文主要做的工作有：1.對變壓器和應涌流的產生機理以及特征進行闡述分析。2.在MATLAB中建立并聯變壓器和應涌流仿真模型。3.初步分析系統阻抗、變壓器剩磁等因素對變壓器和應涌流的影響，并利用仿真模型逐一對其分析得出比較圖，驗證其對和應涌流的影響。4.對基波幅值增量法進行分析，并用MATLAB對其仿真，驗證其鑒別和應涌流與故障電流的可行性。第二章變壓器和應涌流產生機理2.1和應涌流現象電力系統中存在很多并聯或串聯運行的變壓器和發電機變壓器組，空載變壓器在投運過程中會在相鄰的并聯或串聯變壓器中產生和應涌流，這稱為和應涌流現象[11]。和應涌流在空載變壓器合閘產生勵磁涌流并持續一段時間之后才產生，幅值可達到額定電流的數倍，偏向于時間軸的一側，然后逐漸增大，達到最大值之后再逐漸減小。和應涌流出現的時候，并聯運行的變壓器之間相互作用，使得涌流的衰減過程比單個變壓器合閘時要慢得多。這可能會影響變壓器的差動保護和后備保護誤動作。因此，對和應涌流進行研究分析是必要的。和應涌流的產生可大致分為變壓器并聯和變壓器串聯兩種情況。下面給出兩臺變壓器在兩種情況下的電氣連接圖。圖2.1（a）并聯變壓器電氣連接圖圖2.1（b）串聯變壓器電氣連接圖圖2.1（a）為兩臺變壓器并聯電路圖，T1為運行變壓器，T2為空載變壓器。當T2合閘后，T1中會產生和應涌流。圖2.1（b）為兩臺變壓器串聯電路圖，當末端變壓器T2空載合閘時，靠近系統側的運行變壓器T1中會產生和應涌流。2.2和應涌流仿真模型利用MATLAB/SIMULINK建立如圖2-2所示兩臺三相并聯變壓器產生和應涌流的模型。MATLAB提供的變壓器的主要參數有：額定容量、頻率、電壓、繞組接線方式、電阻及漏感、鐵芯的飽和特性等。對變壓器的仿真參數設置如下：運行變壓器T1與空載變壓器參數一致，皆為：額定容量20MVA，頻率50Hz，額定電壓（10.5/）KV/（35/）KV，高壓和低壓繞組的電阻和漏電感相同：分別為0.002和0.08，激磁電阻為500，鐵芯飽和特性：0,0;0.0024,1.2;1.0,1.52。另外，系統電阻與電抗分別為1和0.01.圖2.2并聯變壓器和應涌流仿真模型由此仿真模型可得到和應涌流的波形，如圖2.3.圖2.3（a）A相和應涌流圖2.3（b）B相和應涌流圖2.3（c）C相和應涌流2.3變壓器和應涌流產生機理2.3.1并聯變壓器和應涌流產生機理圖2.4為兩臺并聯運行變壓器等值電路圖。在圖2.4中，設系統電壓為Us,電阻為Rs,電感為Ls，變壓器T1的原邊等效電阻為R1，電感為L1，變壓器T2的原邊等效電阻為R2，電感為L2。兩個變壓器的公共節點為B。設系統電流為Is,流過變壓器T1的電流為I1，流過變壓器T2的電流為I2。其中，Is=I1+I2.圖2.4并聯變壓器等值電路圖2.3.1.1和應涌流發生階段如圖2.4所示，在T2合閘之前，T1正常運行，顯然有I1=0.T2合閘后，T1還未飽和時，I1仍等于零，這時，Is=I2。對變壓器T1列電壓平衡方程：（2.1）對于一個周期，兩邊積分得：（2.2）為正弦電壓源，一個周期的積分為零。為勵磁涌流，。則根據上式可簡化得：（2.3）從上式可知，T1磁鏈的變化主要是由T2中的電流在系統電阻上一個周期的積分所決定的。T1每個周期的磁鏈增量為：（2.4）為了討論方便，假設T2中的勵磁涌流方向為正。由上式2-4可以看出，T1每個周期的增量為負，即T1的磁鏈往反方向增加，磁鏈逐漸飽和。T1在未飽和前，電流可近似認為是0。由于磁鏈中有交流分量在作用，在中的非周期分量還未使變壓器飽和前，周期中已經開始有部分時間段的瞬時磁鏈大于飽和點使變壓器飽和了。因此周期中在磁鏈峰值時會出現和應涌流，并存在間斷角。隨著T1磁鏈向反方向逐漸增大，和應涌流也逐漸增大，間斷角逐漸減小。2.3.1.2和應涌流發展階段當T1中產生和應涌流之后，，。則磁鏈的變化由和共同決定。所以這時，（2.5）因為和在幅值上是相反的，假設幅值為正，那么幅值為負，所以的出現使反向增加的速度變慢，趨勢變緩。直到一個周期中，與在系統電阻上的壓降剛好抵消時，=0。這時，T1的磁鏈反向增加到最大值。由于勵磁涌流與和應涌流存在間斷角，而且偏向于時間軸的一側，所以和中都含有非周期分量。設與分別為電流與的非周期分量，為的非周期分量，。可以得到：（2.6）由于的值相對于來說是很小的，所以可以近似地認為。變壓器T1的磁鏈變化量也可簡化認為：（2.7）而隨著T1磁鏈的負向累積，和應涌流也逐漸增大。而隨著的增大與的減小，兩個反方向的涌流共同作用使得的非周期分量減小到零附近。的衰減作用幾乎沒有，T1只能靠來衰減。則每個周期T1的磁鏈變化量可表示為：（2.8）由于為負方向，所以變號，即為正，這說明變壓器T1的磁通逐漸減小。這時電流達到正負半周對稱的情況，與此同時達到最大值，隨后開始逐漸緩慢減小。2.3.2串聯變壓器和應涌流產生機理串聯運行變壓器的和應涌流產生機理與并聯運行的和應涌流的產生機理是相似的，但同時又有其自身的特點存在。圖2.5為串聯運行變壓器的等值電路圖。圖2.5串聯變壓器等值電路圖與并聯變壓器類似，設系統電壓為Us,電阻為Rs,電感為Ls，變壓器T1的原邊等效電阻為R1，電感為L1，變壓器T2的原邊等效電阻為R2，電感為L2。設系統電流為Is,流過變壓器T1的電流為I1，流過變壓器T2的電流為I2。其中，Is=I1+I2.在開關閉合之前，只有空載變壓器T1的勵磁電流流經系統。開關合閘時，空載變壓器T2中會產生勵磁涌流，勵磁涌流的非周期分量流經系統阻抗產生的電壓降造成變壓器T1的原邊母線電壓發生偏移，逐漸導致變壓器T1的鐵芯磁通偏移。當偏移磁通使T1鐵芯在偏移一側發生飽和時，變壓器T1中將產生和應涌流。具體過程的解釋如下：開關閉合之前，只有空載變壓器T1的勵磁電流流經系統，即。當開關閉合時，變壓器T2產生的勵磁涌流流經變壓器T1的副邊線圈，在變壓器T1的原邊線圈中產生相對應的涌流，為變壓器T2的勵磁涌流折算到變壓器T1電源側的電流。電流與疊加成總電流，即。總電流流經系統電阻和變壓器T1的原邊線圈。所以，變壓器T1每個周期的磁通變化量為：（2.9）合閘前期，涌流中存在著很大的非周期分量，則為對稱的空載勵磁電流。所以變壓器T1每個周期都會存在磁通的變化，這使得變壓器T1的工作磁通產生偏移。從而使變壓器T1從初始穩態階段進入飽和階段，勵磁電流也在飽和的一側逐漸變大，形成和應涌流。因為的方向與變壓器T2磁通飽和的方向相反，與T2磁通下降的方向一致，電流與反向，所以當電流增加到某一時刻時，會出現(2.10)即=0。此時，和應涌流達到最大值。之后，電流的波形開始變得對稱，變壓器T1每個周期磁通變化量的符號相反，和應涌流慢慢衰減。涌流的衰減速度只由變壓器T2每個周期的磁通變化量決定，的表達式如下：（2.11）或者表示為：（2.12）上式中的表示的是變壓器T1的副邊線圈電阻。可以看出，當式（2.10）成立時，式（2.12）幾分鐘的前兩項和為零，變壓器T2的磁通變化量由流經變壓器T1副邊線圈電阻以及連接變壓器T1和T2的原邊電阻所產生的電壓降所決定。而變壓器T1的原邊電阻在和應涌流期間對變壓器T2中的勵磁涌流的衰減沒有作用。2.4和應涌流對涌流衰減速度的影響和應涌流的出現，會造成涌流的衰減速度比單個變壓器中的涌流衰減速度慢的多。和應涌流產生后，變壓器T1與變壓器T2的磁通變化量分別為：（2.13）（2.14）在和應涌流剛產生的初級階段，電流很小。隨著變壓器T1磁通的不斷增大，和應涌流也在不斷增大，而則迅速增大。隨著的負向變大，和電流迅速降低到零附近，的衰減作用也減小到幾乎為零，這使得兩臺變壓器只能靠各自的電阻來衰減偏磁。又因為和的值比較小，因此涌流的衰減速度要變慢很多。2.5變壓器和應涌流的特點用MATLAB/SIMULINK仿真出勵磁涌流與和應涌流波形，如圖2.6所示。時間軸上側紅色線表示的是勵磁涌流，時間軸下側藍色線表示的是和應涌流。圖2.6勵磁涌流與和應涌流波形對比根據上述理論分析以及圖2.6的仿真波形可以知道，和應涌流的出現主要與系統電阻有關。空載變壓器投入產生勵磁涌流，從而引起系統電阻上的電壓降，導致公共點上的電壓發生非周期偏移，使得正常運行的變壓器的鐵芯飽和，最終產生和應涌流。我們也可以得出結論，變壓器和應涌流具有以下幾種特征：（1）和應涌流在空載變壓器合閘產生勵磁涌流之后的一段時間才出現，且分為暫態增大階段與穩定衰減階段，其峰值先在幾個周期內迅速增大，然后慢慢減小。當空載變壓器T2的鐵芯正向飽和時，正常運行的變壓器T1的鐵芯趨于反向飽和。所以，空載變壓器合閘中的勵磁涌流與運行變壓器中的和應涌流方向相反。當勵磁涌流幅值較高處于峰值附近時，母線電壓值會比較低，這時和應涌流不出現即產生間斷。而當勵磁涌流處于幅值較低即間斷期時，母線電壓值比較高，這時會出現和應涌流。所以，勵磁涌流與和應涌流是交替產生的。（4）在相同的初始合閘條件下，有和應作用相較于無和應作用，使得變壓器勵磁涌流的衰減變慢，持續時間變長。（5）和應涌流中，非周期分量衰減地非常緩慢，這很容易引起電流互感器的暫態飽和，可能導致在空載變壓器合閘較長時間以后運行變壓器差動保護誤動作。（6）和應涌流出現后，因為其與勵磁涌流方向相反且交替出現，而且涌流幅值增大、衰減緩慢，對變壓器過流保護會造成不利影響。同時，中性點接地的變壓器零序電流也會增大并且持續時間延長，這容易造成變壓器零序電流保護誤動作。（7）和應涌流會造成并列運行變壓器的上級電流基波幅值增大、衰減變慢，不利于上級線路設備的后備保護。通過以上的介紹和分析可以知道，和應涌流的產生與許多因素有關，其危害是隱蔽和廣泛的，由和應涌流所引起的差動保護誤動問題正逐漸引起人們的關注。因此，進一步開展對變壓器和應涌流問題的全面研究，盡快提出可靠的和應涌流識別判據和完善的防范措施是緊迫而重要的任務。2.6本章小結本章首先介紹了和應涌流產生的兩種情況，即變壓器并聯運行和變壓器串聯運行，并通過對變壓器磁鏈變化的分析，分別闡明了兩種情況下的和應涌流產生機理。利用MATLAB/SIMULINK對其中一種情況（變壓器并聯）進行波形仿真，對比和應涌流與勵磁涌流的波形特征，總結出和應涌流的特點。得出了系統電阻上的電壓降是和應涌流產生的主要原因，并初步分析了和應涌流對于變壓器差動保護和后備保護的影響，為以下章節的介紹和分析提供了理論基礎。和應涌流的影響因素在分析了并聯變壓器和串聯變壓器和應涌流產生機理后，接下來通過MATLAB/SIMULINK仿真進一步分析模型中系統阻抗、空載變壓器剩磁及合閘角等參數對運行變壓器和應涌流的幅值和飽和速度的影響。3.1系統電阻對和應涌流的影響系統電阻對和應涌流的幅值及衰減速度都有影響，而影響的程度取決于系統電阻在整個回路中所占的比重。比重越大,則越容易產生和應涌流,且和應涌流的衰減速度也越慢。和應涌流的產生過程，實際是空載變壓器合閘后產生的暫態磁通重新分配到其他變壓器中去的過程。在這一過程中，系統電阻起著快速分配暫態磁通的重要作用，它的大小決定了重新分配的速度。如果系統電阻越大，那么變壓器T1達到飽和的速度也就越快，即和應涌流出現及達到飽和的速度越快。如果系統電阻過小，可能變壓器T1中的磁鏈還未累積到飽和值，勵磁涌流就已經開始衰減，在這種情況下不會出現和應涌流。當完成分配后，即和應涌流幅值達到最大值后，系統電阻對和應涌流的衰減影響很小。而在小系統中，由于變壓器容量小，一般認為涌流倍數大、衰減快。但是小系統中，系統電阻較大，所占比重也較大，而系統電阻對和應涌流的衰減幾乎不起作用，所以和應涌流的衰減速度會很慢，很可能導致差動保護誤動。所以，小系統中的和應涌流更應當重視。圖3-1為在同一模型中系統電阻不同的情況下和應涌流的產生情況。通過波形的對比，可以看出，系統電阻為10Ω時和應涌流出現的時刻比系統電阻為2Ω時要早，且更快達到幅值最大值即飽和點，而衰減速度兩者無明顯差別。這也驗證了我們上述的分析。圖3.1系統電阻分別為2Ω與10Ω時的涌流波形3.2系統電抗對和應涌流的影響在勵磁涌流的作用下，系統電阻會使母線電壓偏移而系統電抗不會，因此，系統電抗不是和應涌流產生的決定因素，但它會影響和應涌流產生速度的快慢。與系統電阻的作用相反，系統電抗越大，和應涌流出現及達到幅值最大值點的速度越慢，其幅值峰值越小。而相對來說系統電抗比起變壓器短路電抗要小，因此，單純增大系統電抗其實并不會對和應涌流峰值的降低以及和應涌流的衰減速度有明顯作用。圖3-2是在同一模型中系統電抗不同的情況下和應涌流的產生情況。通過波形的對比，可以看出，系統電抗越小，和應涌流出現的時刻越早且越快達到幅值最大值點即飽和點，和應涌流的幅值也越大，而衰減速度無明顯差別。驗證了上述分析。圖3.2系統電抗分別為0.01H與0.001H時的涌流波形3.3空載變壓器剩磁對和應涌流的影響由第二章的原理可知,變壓器空載投入時剩磁的大小會對勵磁涌流產生影響,因此，變壓器剩磁也影響和應涌流。保持空載變壓器T2的合閘時刻不變，改變T2的初始磁鏈。如果逐漸使剩磁正向增加，那么變壓器T2的磁鏈會隨之正向增加，相應地勵磁涌流的幅值也會朝正向增加，導致和應涌流更快產生，而且和應涌流的幅值往負方向加大。如果逐漸使剩磁往負向增加，那么變壓器T2的磁鏈也隨之負向增加（即減小），相應地勵磁涌流的幅值也會朝負向增加，和應涌流更快出現，而且和應涌流的幅值往正方向增加。這也就是說，當合閘角一定時，空載合閘變壓器的剩磁越大，其勵磁涌流將越大，也會越快產生和應涌流，而且和應涌流的幅值也將越大，越快達到幅值最大值即飽和點。圖3-3為在同一模型中空載變壓器T2初始剩磁不同的情況下和應涌流的產生情況。通過波形對比，可以看出，剩磁正向越大，和應涌流的幅值也就越大，和應涌流的出現時刻越早且越快達到幅值最大點。同樣，剩磁負向越大，和應涌流的幅值也越大，和應涌流的出現時刻越早且越快達到幅值最大點。圖3.3變壓器T2剩磁分別為0、0.6、-0.6時的涌流波形3.4空載變壓器T2的合閘角對和應涌流的影響我們知道，變壓器鐵芯中的磁通滯后于外加電壓90°是勵磁涌流產生的根本原因。因此，如果空載變壓器正好在電壓瞬時值u=0的時候合閘接通電路，則鐵芯中的磁通應為。假設鐵芯中剩磁為零，而磁通不能突變，則需要出現一個幅值為的非周期分量的磁通，使其正好抵消，仍維持初始磁通為零不變。在這種情況下，經過半個周期后，鐵芯中的磁通就達到。如果鐵心中原本就有剩磁，設其為，那么總磁通將為+。這時的總磁通很大，會使變壓器鐵芯發生飽和，從而產生勵磁涌流。另一種特殊情況，如果空載變壓器正好在電壓瞬時值為最大值即時合閘接通電路，則鐵芯中的磁通剛好為剩磁，不會出現非周期分量的磁通，四分之一個周期后鐵芯中的磁通達到最大值，此時不會使變壓器鐵芯發生飽和，也就不會出現勵磁涌流，而是只有正常的勵磁電流。而空載變壓器T2中的勵磁涌流在系統電阻上的壓降使運行變壓器T1發生鐵心飽和是和應涌流產生的根本原因，所以，在T2不產生勵磁涌流或勵磁涌流很小不足以使T1鐵心飽和時就不會產生和應涌流。即若空載變壓器正好在電壓瞬時值為最大值時合閘，運行變壓器中不會產生和應涌流。利用MATLAB/SIMULINK對在空載變壓器剩磁為零的情況下合閘角不同時的涌流波形進行仿真。由于實際仿真時的一些偏差，合閘角的選取與理論值也存在大約15°的一個偏差，所以分別將理論上的0°、90°、180°改為15°、105°、195°，分別作為電壓正向過零、電壓在峰值附近、電壓負向過零時的情況。由圖3.4看出，在電壓在正向過零時，勵磁涌流為正，和應涌流為負。而負向過零時，勵磁涌流為負，和應涌流為正。當電壓在峰值附近時，勵磁涌流幅值相對減小至三分之一，這時變壓器T2中不會有和應涌流出現。理想情況下如果在電壓峰值時合閘，變壓器T2中的勵磁涌流與變壓器T1中的和應涌流都不會產生。圖3.4剩磁為零的變壓器T2分別在電壓正向過零、電壓正向峰值附近、電壓負向過零時的涌流波形3.5本章小結本章就和應涌流的幾個主要的影響因素作分析：系統電阻、系統電抗、空載變壓器剩磁以及空載變壓器合閘角等。先從理論上分析各個因素對和應涌流的產生、大小及衰減的影響，然后利用MATLAB/SIMULINK做仿真波形對比。在同一模型中，維持其他參數不變，僅改變某一參數，得到其不同的波形。通過波形的對比，驗證其理論分析的正確，從而確定其因素對和應涌流的影響。和應涌流對變壓器保護的影響4.1和應涌流對差動保護的影響差動保護作為變壓器的主保護，具有動作原理簡單、靈敏度高的優點，但在實際運行中常會出現一些誤動。為了防止勵磁涌流引起的保護誤動,在實際應用中我們采用了二次諧波制動判據、間斷角原理判據等方法來實現變壓器閉鎖。這些方法能夠很好解決勵磁涌流的影響，但變壓器保護仍具有一定程度的誤動作。這是否是因為和應涌流的影響，我們可以從以下幾個方面進行分析：根據圖2.4和圖2.5兩臺變壓器并聯和兩臺變壓器串聯的等值電路圖可知，合閘變壓器T2與單臺變壓器合閘時一樣，只有一側有電流，其差動電流為自身的勵磁涌流。而對于運行變壓器T1來說，這兩種情況是不相同的。兩臺變壓器并聯時，差動電流制動電流兩臺變壓器串聯時，差動電流為制動電流為從上面的式子可以看出，運行變壓器，無論并聯還是串聯，其差動電流是一樣的，都是自身的勵磁電流，而制動電流是不同的，這是因為電流與方向相反且交替出現，因此，串聯時的制動電流要比并聯時大得多。這從變壓器差動保護原理上來說對保護是有利的。2.和應涌流中的二次諧波含量與基波分量并不是在相同的時刻達到最大。當和應涌流的幅值達到最大值時，其二次諧波含量并沒有達到最大，而是在其衰減的過程中逐漸增大而達到最大值。因此，當空載變壓器在剩磁與合閘角一定時，可能出現差流中的基波分量大于差動電流的整定值,而二次諧波含量又小于諧波制動系數比的情況，從而可能導致變壓器差動保護誤動。3.通過對和應涌流的產生機理和仿真分析可以知道，和應涌流中含有較大的非周期衰減分量，而且其衰減速度是非常緩慢的，容易使電流互感器發生飽和。當運行變壓器T1工作在帶負荷情況下時，電流互感器一次側的電流為工頻負荷電流與和應涌流之和，電流互感器的磁滯特性變為局部磁滯回環，所以鐵芯容易發生局部暫態飽和。這時電流互感器的一次側電流與二次側電流之間會存在一定的相角差，從而抵消了一部分二次諧波，使二次諧波含量減小，容易導致二次諧波制動保護誤動。而在運行變壓器T1空載的情況下，沒有負載工頻電流，互感器只傳遞變壓器和應涌流，鐵芯局部暫態飽和的情況不會出現。即使發生飽和，由于差動電流中二次諧波含量比較大，所以二次諧波制動的差動保護也不會發生誤動。因此我們可以得出結論，和應涌流本身并不會直接導致變壓器差動保護誤動作，其實是因為和應涌流中衰減緩慢持續時間長非周期分量，它會引起電流互感器的鐵芯發生局部暫態飽和，這才是差動保護誤動的主要原因。4.2和應涌流對變壓器零序電流保護的影響在中性點直接接地的電網中，變壓器需要裝設零序電流保護，將其作為變壓器的主保護，并且在相鄰元件接地短路故障時也可作為后備保護。零序電流保護的整定電流比較低，因為一般單臺變壓器勵磁涌流產生的零序電流，其衰減速度的比較快，持續時間比較短，可以通過延時環節躲過，避免造成零序保護誤動。但是當有空載變壓器投入在相鄰變壓器中產生和應涌流時，零序保護會受到和應涌流的不利影響，可能發生誤動作。1.如果運行變壓器T1的中性點接地，那么無論空載變壓器T2合閘時中性點是否接地，只要有和應涌流產生，就都會產生零序電流。因為在這種情況下變壓器一般不是三相對稱性的飽和,所以每一相涌流的大小是不一致的,從而會產生零序電流。2.與勵磁涌流類似，和應涌流也會影響零序電流的衰減速度，使其比單臺變壓器時的零序電流的衰減變慢許多。而持續較長時間的零序電流可能會造成變壓器零序電流保護誤動作。3.當兩臺變壓器都為/△接法時,根據零序等效電路可以知道,這個時候的零序電流能夠貫穿兩臺變壓器，形成一個回路相互影響。兩個零序電流的方向是一樣的，但不重疊，因此是交錯在一起的，所以在總的零序電流波形圖中一個周波會出現兩次波峰和兩次波谷。顯然,零序電流的二次諧波含量比較高,而且當有電流耦合時其含量會更高。但是零序電流基波含量在有電流耦合時反而會降低。4.3和應涌流對變壓器過流保護的影響變壓器過流保護，一般用于反映變壓器外部短路故障產生的過電流，其電流門檻值按躲過最大負荷電流整定，根據逐級配合設置時間整定值。變壓器過流保護對單臺變壓器的勵磁涌流有制動作用，其勵磁涌流雖然幅值大但衰減快，可以靠時間躲過勵磁涌流。但對于多臺變壓器并聯或串聯的情況，由于和應涌流的影響過電流保護將失去其制動作用。1.由于變壓器和應涌流的幅值很大，甚至可以達到變壓器額定電流的6～10倍，因此對于過電流保護而言，僅僅通過提高電流整定值是難以躲過和應涌流的。2.當空載變壓器合閘使相鄰的串聯或并聯變壓器產生和應涌流后，勵磁涌流與和應涌流相互影響、共同作用，其衰減速度要比單臺變壓器涌流的衰減速度慢的多，衰減時間可以持續數分鐘，因此靠延長時間整定值也很難躲過和應涌流。顯然，和應涌流具有幅值大和衰減緩慢衰減時間長的特點，單純的過電流保護并不能躲過和應涌流的影響，可能會造成變壓器保護誤動作。4.4和應涌流的防范措施通過上述分析我們可以得出結論：和應涌流中的非周期分量衰減緩慢，其長期作用會造成電流互感器發生暫態飽和以及差動電流中的二次諧波含量降低，這才是變壓器差動保護誤動作的主要原因。另外，在變壓器實際運行中，除了會對差動保護有影響，和應涌流還可能會造成變壓器零序電流保護和過電流保護的誤動作，因此有必要采取相應的防范措施。1.為避免和應涌流中非周期分量造成的電流互感器暫態飽和，我們可以在差動保護裝置中增加電流互感器局部暫態飽和判據。2.變壓器差動保護一般采用二次諧波比率制動特性，其門檻值較小。而變壓器空載合閘時產生的和應涌流可能會大于其變壓器差動保護動作值，造成差動保護誤動作。因此，在不影響保證差動保護靈敏度的情況下，適當地提高差動保護整定值可以降低和應涌流導致的差動保護誤動作的可能性。3.在設備運行操作上，可以使空載變壓器合閘前中性點不接地，使其只出現勵磁涌流而沒有和應涌流。然而，如果T2中性點不接地，將可能會產生過電壓，為了避免這種情況，還需要在變壓器不接地中性點上裝設間隙保護設備，防止過電壓導致變壓器鐵芯或絕緣損壞。4.以上這些防范措施并不能從根本上避免和應涌流造成的差動保護誤動。因為差動保護原理本身就存在缺陷。所以要真正解決這一難題，我們需要尋求另外的更為可靠的變壓器保護原理。4.5本章小結本章逐一分析了和應涌流的產生對變壓器差動保護及零序電流保護、過電流保護的影響，并提出了相應的防范措施。但這并不能從根本上避免變壓器保護誤動，因此我們需要采取一種更加有效的和應涌流識別方法，從而引出下章的基波幅值增量法。基于基波幅值增量的和應涌流識別方法5.1基波幅值增量法的原理和應涌流的產生總的來說可以分為兩個階段：暫態增長階段和穩態衰減階段。相應地，和應涌流的幅值先逐漸增長到最大值，然后再緩慢減小。其基波分量的變化規律也是相同的，先逐漸增大然后緩慢減小，如圖5.1所示。相比而言，圖5.2中的勵磁涌流波形是持續衰減的，相應地其基波分量也是持續減小的。圖5.3中反映的是變壓器發生內部故障時的故障電流，含有較大的非周期分量，但其基波分量近似保持不變。圖5.1和應涌流波形及其基波幅值波形圖5.2勵磁涌流波形及其基波幅值波形圖5.3故障電流波形及其基波幅值波形通過上述分析和波形對比，我們可以得出結論：根據變壓器差動電流的基波幅值的變化過程可以有效識別和應涌流。定義差動電流的基波幅值增量為，其表達式為：(5.1)上式中，表示電流的基波幅值，、分別表示第n點、n?N點的電流基波幅值(n>N，N為每個周期的采樣點數)。實際上就是指任意一段周期時間內，最末一點相對于最前一點的幅值增量。另外，為了盡量避免非周期分量的影響，我們采用差分全周傅氏算法來計算電流的基波幅值。基波幅值增量反映了差動電流基波幅值的變化規律。給定一個適當的門檻值，對于和應涌流，在其暫態增大階段時，穩定衰減階段時。而對于勵磁涌流來說，它滿足。而故障電流則滿足。根據這三種的不同，我們可以提出基波幅值增量判據：（5.2）式5.2可準確識別和應涌流、勵磁涌流、故障電流，而門檻值需要考慮實際變壓器的情況以及該判據的具體應用情況。5.2具體方案基波幅值增量法判別故障電流、勵磁涌流與和應涌流的具體方案如下：計算差流的基波幅值增量，當且持續一段時間后判斷為和應涌流。若且持續一段時間，判斷為勵磁涌流。若一直有，則判斷為故障電流。另外，需要注意的是，當采用全周傅氏算法時，數據應至少從第三個周期才開始統計。不過由于和應涌流的暫態增長過程比較長，所以舍去前兩個周期并不會影響數據的可靠性。當根據基波幅值增量法判斷電流為和應涌流后，我們需要采取有效措施制動，從而避免差動保護誤動。但同時也要保證在這期間的內部故障能夠被快速識別，發生內部故障時繼電保護能夠可靠跳閘。當和應涌流基波幅值增量衰減到零附近時，我們需要對和應涌流的總幅值進行測量。當和應涌流低于門檻值時，說明和應涌流已經衰減到較小值，不會造成差動保護誤動了。這時我們可以去掉強制制動，恢復變壓器的差動保護。5.3仿真驗證為了驗證基波幅值增量法識別和應涌流的有效性，下面利用利用MATLAB/SIMULINK建立圖2.2所示的變壓器并聯和應涌流仿真模型。將仿真出的和應涌流、勵磁涌流、故障電流波形進行分析。當變壓器T1正常運行時，將空載變壓器T2在t=0.1s合閘投入，根據兩臺變壓器涌流計算出的基波幅值增量如圖5.4所示，每個周期（0.02s）采樣100個點，橫坐標為采樣點個數。如圖5.