智能型电力变压器保护装置.pdf
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1、 1 1 2 1 9 9 6年第 1 2期 智 能型 电力变压器保护装 置 墅(山 砸业 济 南 2 5 ) 7 摘要 详细阐述 了智能型电力变压器保护装置的原理和煞袖 肚及果甩变歪嚣的非线性模型来检测 护装置的性批, 给出了 试鞋方法和试鞋结 舞 叙词: 他 力变压器微机控制 继电保 护 一J 一I 一 一 、引 言 检测变 压器 内绕组故 障的传 统方莹是采 用 差 动 继 电器 。继 电 器 把 一次 和二 次 电 流变 换为 共用基数 , 并将这些 电流进 行 比较 。在 正常 运 行 条 件下 , 这 些 电流 之 问 的差 很小 , 是 由 励 磁 电 流 和 空 载 电流 引起
2、的 。在 变 压 器 外 部 产 生 故 障期 间, 这 些 电 流差 也 很小 , 但 比正 常 运 行 条 件下 大。然而 , 这些 电流差 在 变 压器 产 生内 部 故障和勋磁涌流情况下却很大 这些 电流差能 使差 动继电器动作 。内部故障使继 电器 动作是 极 其重 要 的, 产 生 励磁 涌 流 也 是正 常 的, 不 会 损坏变 压器 但是 必须 阻 止继 电器在 励 磁 涌 流 条 件 下 动 作 。 传 统 的机 电型 继 电 器 利 用 电流 差 的二 次 谐 波 分 量 或 全 部 谐 波 分 量 , 以 便 阻 止 继 电 器 在 勋 磁 涌 流 条 件 下 动 作 通
3、常采 用机 电型继 电器 和固态继 电器保 护 电力变压器 。近 2 0年 来 研究和设 计人员在设 计智能型继 电器方面 取得 很 大 进展 。最 初, 数 字差 动继 电器 的设 计在概念 上与传统继 电器 的 设 计 相 似 。设 计 人 员 利 用 电流 差 的 二 次 谐 波 分 量或二 次谐波和 四次谐波分量共 同作用来阻止 继 电器在 励磁涌流 下动作 为了在内部故障期 间使变压 器跳闸 , 应该计 算表 示一、 二次电流的 基频相量 , 并且 将这些 量 进 行 比较。采 用 数 字 滤波和相 关技术来计 算 电流 的基频 分量和谐波 频率分量 。 我们 知道 , 目前 设计
4、的 保 护大 型 变压 器 的 谐波制动差 动继 电器在某些励磁 涌流条件下动 作 , 而且 电流 比较莹对 匝问故 障的 固 有灵敏 度 很低 、 所 以采用谐波制 动 原理 的差 动继 电器 的 可靠性是普遍 关心 的问题 本文 阐述 了一 种能够检 测 出单相和 三相 变 压器绕组故障的智能 型保护装置 , 并 详 细 说 明 了保 护装置的数字算 法、 硬 件和 软 件 。用一 台 1 5 k VA、 D Y联结 的三相 变压器试验验证 了这 种保 护装置的性 能, 并给 出试验结 果 二、 保 护装置采 用的算 法 变压器 的一 次电压可 以用二 次电压, 一、 二 扶 电流和 互感
5、磁链 来表示 。这些表 达式 在励磁 涌流和 正常工作条 件下 是 正确 的 。但 是 , 在 内 部故障期间是不正确的 。本文采用 的算法 , 是利 用该特 眭检测 变压器的绕组故 障。在这 里阐述 用非线性模型保护单相和三相变压器的技术进展 在 阐述 这一算法 时, 我们假 定电压 比等 于 l 而 且采用 电力系 统的电流 和 电压等级 , 以避 免 使 表 达式变得复杂 。在使用这一算法时, 必须考虑 变压器 的匝数 比和仪 用互感器的 电流 比。 l _ 单相 变压 器中故障的检测 研究 一台单相双 绕组变压器 , 如图 1 所示 绕组 电阻对 变压 器 运 行 的 影 响 很 小
6、, 可 以 忽 略 。 一 次 电 压 “ 用一 次 电流 和 互 感 磁 链 表 示 。 则 圈 1 。 单相藏绕组变压器 维普资讯 1 9 9 6年第 1 2期 1 3 粤+ 鲁 ( 1 ) 式 中 单相变压器一 次绕 组的漏 电感 同样 , 二 次 电压 U 用 二次 电流 和互感 磁 链 表示 , 则 一 鲁+ 普 ( 2 】 式 中 - 单相变压器二 次绕 组的漏 电感 式 ( I ) 和式 2 ) 中的 d l dd t 项 包括 B日 曲 线的非线性和 由 B一 曲线 的磁 滞引起 的 变 压 器 空载 损耗 的影 响 用式 ( 2 ) 代入 式 ( 1 ) 中消去 d 得 U
7、I= 粤+ 鲁+ 上 式 两 边 从 时 间 t 到 L积 分 , 得 r 厂 I q d f ( O ( 1) + t 4 ( t 9 一 ( ) 1 1 乙 J L J ( 4) 应用矩形 定律 , 式 ( 4 ) 两边 积 分, 如果 从 到 的时 间间隔足够 小, 可以得到下式 : ( 一f ) ( ) 一 n ( 0 ( +q ( 0 ) 1 + ( 一 tlx 毕) ( 5 ) 数字保 护装 置 以很 小 的 时何间隔 了 秒 对 电压和电流采样 如果 n是一整数 , 、 和( +t ) 2 可 以 分 别 用 ( 力一1 ) A n AT和 ( it l -0 5 ) A T替
8、代 而 且, 一 可 以用 了 来替代 , 代入式 ( 5 ) 并 用 了 除式 ( 5 ) 两边 , 得 , uI ( n -0 ) 了 】 ( n 7 ) 一 ( 力 一1 ) A T 1 4 ( h a ) 一 n 一1 ) A T ) 凸 +乙 n 一0 5 ) AT1 ( 6 ) 上式用二 次 电压和 一、 二 次 电流 来 表 示 一 次电压 在 一1 ) 了 和 n AT秒 时刻 对电 流 采 样, 而在 ( n一0 5 ) 了 秒 时对 电压采 样 以后 , 式 ( 6 ) 等号的左边 和右边 可 以 进行 计算 。左 边 是 被测 一次 电压 , 而 右边 是 它 的估 算
9、值 从 理论 上讲 , 一次 电压测 量值和估 算值在正常运行 、 励 磁涌流和 外部 故 障条 件 下 是 相 等 的 而在 内 部 故障条件下二 者不等 实际上 , 在励磁涌 流、 外部 故障和正常运行 条 件下 , 由于 以下 原因, 一次 电压 的测量值 和估 算值 是 不 等 的 。 ( 1 ) 测 量 中的仪用 互 感器 和数 据采 集 系统 的不 精确性引起 的某些 误差 ( 2 ) A1D 转换器 和数 字处 理 器 的字 长是 有 限的, 而且 在数据采集和处理 时要 舍项 。 ( 3 ) 漏 电感 随 变压 器 的工 作 条 件 而 变 化 。 在正 常运行 和外部故 障期
10、 间, 变 压器 铁 心 不饱 和 但是 , 在励磁涌流期 间, 由于 电流 很 大, 铁 心处 于饱 和状 态, 所 以漏 电感非 常小 。 这种算j 啬使用的漏 电感 对应于变压器 铁 心 非饱和状态 在外部故障期间, 电压的测量值和 估算值之 间的差 很 小。在励 磁涌流期 间差值 比 较大 , 但是 只 在 一个基 频周 波 的一 部 分 ( 典 型 值为一个周期 的 l 4至 l 3 ) 产生该误差 。 本文算 法 决 定了 一 次 电压 的 测 量 值 和 估 算 值之差 , 并 将其与一个临界值进行 比较。在外 部故障 和正 常运 行条件下 , 该 差值 小于临界值 。 在励磁涌
11、 流期 间, 该误差 只在很 短 时 间 内超 过 临界 值 , 常 常使 用 逻 辑 线 路 阻 止 保 护装 置 动 作 在 内部故 障期 间, 一 次 电压 的测 量值 和估 算值 之差在大部分 时问 内超 过 临界 值 , 保 护装 置的逻辑 电路能够 发出跳 闸指令 2 三相 变压器故障 的检 测 对于 Yf Y接线的三相变 压 器 , 可 以把 它看 作 三台单相变压器 上一 节 阐述 的方法可 以直 接用于检测每一相 绕组 的故障 图 2 表 示 一 台 D 接 线的 三 相变 压器 令 D绕组中相电流为 + t + , + 电流 是 D绕组 中的环流 在正常 工 作条 件 下,
12、环 流 由励磁 电流 的三 次谐渡和其他 三倍频谐 渡分量 组 成 然而 , 在故障期 间也包 括 故 障 电梳 的零 l u k , ; r ,; 爿 Ja 图 2 D Y接 线 的三相 变 压器 电路 图 维普资讯 1 4 1 9 9 6年 第 1 2期 序 分 量 。 用 荚 似 于 分 析 单 相 变 压 器 时 便 用 舯 方 法, 可以把一次 电压 表示 为 : , “ ( 一 0 5 ) A 7 i ( n A 7 ) 一 一 ) ( n 一 一 ) + fA 一厶【 ( 力 一1 ) 7 + 醵( 力 一 0 5 ) A 7 ( , ) ( 5 ) 7 1 寺 A (n A 一
13、 帕 1 l 7 ) + f i ( n A :9一 “ 一1 ) A 7 + i( h A7 ) 一是H 一1 ) 7 丁 。 + ( n 一0 5 ) A 3 ( 8 ) “ (力 一 0 5 ) 7 1 争io(n A T ) 一 ig ( 1 ) 哪 古 以 一 1 ) 寿 ( 以 一 io (n 1 ) + 【 ( 0 5 ) 7 ( 9 ) 式 中 b 三相变压 器 a 、 b c相一 次绕 组 的 漏 电感 B _三相变压器 A、 B 、 C相二次绕 组 的橱 电感 如 果 D绕组 中韵 电 流 可 以测 量 , 那 么 式 ( 7 ) 戈( 9 ) 中等号右边 可以计算 计算
14、结 果 就 是一 次电压的估算值 ,将估算 值 与测量值 进行 比较, 即可检 测绕组故 障。 在多数 情况 下 , D联结 绕 组 中的 电 流 是 不 能测 出 的。下 面 阐述 一 种 方法 适 用 于 D联 结 时植测 绕组 故障 。我们知道 , 用线 电流可以算 出 D联结 绕 组 中非循 环 相 电 流 。 当环 流 t 未 知 时, 计算式 ( 7 ) 式 ( 9 ) 中等号右 边 的值 是 不 可 能的 然 而 , 可 以用 其 中一 个等 式 去 估算 含 有 环流 的项, 用 其余 两个等 式 检 测绕 组 故 障。 测 量值 用于估 算环 流的那一 相在本文 中称做 基准
15、 相 三、 保护装置 的硬件 图 3是 智 能 型 保 护 装 置 硬 件 方 框 图 包 括 隔离和模拟定标组件 数据采集 系统 和微机 张 电 压 模 块 0 电流模 块 模块 电压 模块 3 一 电藏 模块 模块 2 电压模 块 电靠模 块 电 压模块 电 流模块 电压 模块 0 DS P一“ 电硫 模块 模块 3 电压模 块 3 电 流模 块 b 一 攘 块 4 1 一 3 斥 : 口 I L M S DO S 月 P 徽型计 算机 圈 3 智能型 保 护装 置方 榧 图 l _ 隔离 和模拟 定标部分 图 4是隔离和模拟 定标 组件的 电压模块 电 路 图。辅助电压互感器 ( P T
16、) 将其输入 的 电压 等 级由I 1 5 V或 2 3 0 V降低到 l 2 6 V。这个电压用电位 器进 一步 降低 到 3 Vf 方 均根值 ) 。金 属 氧 化物 压敏 电阻 MOV保 护硬件免受 电压信 号 瞬 变过 程的损坏 图 5示出处理 电流信号 的模 块 电路 图。在 非 正 常运 行条件 下, 电流 可 以 高达 额 定 电流 的 4 o倍。所 以对 5 A的 电流 互感器 ( CT) 而言 ,该 电 流峰值 ( 包含 一高 峰直流偏移分 量) 可 以 达 到 5 o 0 A。 辅 助 电 流 互 感 器 将 此 电流降到5 A 加到 一个 l n的电 阻 器 上 转 换
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