大型变压器暂态机理与保护新原理研究

摘要

随着我国电力系统的迅速发展，全国范围的远距离输电和电网互联将进一步加强，现代电力系统对大型变压器的继电保护性能提出了更高的要求。然而在复杂电网情况下，变压器保护受多方面因素的影响，仍然存在着一些亟待解决的问题，使得变压器保护正确动作率相对偏低。为此，论文围绕着大型变压器保护存在的若干关键性问题，包括：励磁涌流的暂态机理与识别方法、和应涌流的暂态机理与识别方法、特高压变压器保护的特殊问题及其差动保护配置、大型变压器通用型保护装置的研制等方面，展开了深入的理论分析和实用化研究。
　　 论文分析了变压器涌流暂态过程的复杂问题，重点对变压器空投励磁涌流与和应涌流的产生机理、影响因素、波形特征进行了理论分析和仿真研究。首先，对励磁涌流的分析表明，大型变压器饱和磁通倍数下降可能导致励磁涌流的二次谐波比降低，但其二次谐波与基波始终保持特殊的相位关系，此结论为在励磁涌流制动中引入相位特征判据提供了理论依据；其次，在考虑变压器△侧绕组环流的影响下，研究了不同接线组别三相变压器的空投侧相电流、励磁电流和差动电流的波形特征；最后，采用基于变压器磁链变化量的方法分析了和应涌流的产生机理和影响因素，特别分析了系统侧电抗的影响，为后文的保护原理研究提供了理论基础。
　　 针对传统二次谐波制动方法在现场实际应用中存在的不足，论文对三相变压器经Y-△变换的相间差动电流和励磁电流中二次谐波与基波的特殊相位关系进行了分析，由此提出了改进型二次谐波制动方法，并对该方法在各种情况下的运行性能进行了深入分析。该方法在传统二次谐波制动方法的基础上增加了相位差判据，当满足相位差判据时适当降低二次谐波制动比，从而进一步地提高了励磁涌流制动能力，同时提高了内部故障动作的速动性和灵敏性，具有较大的现场应用价值。
　　 针对和应涌流引起变压器差动保护误动的情况，论文通过动模试验和多起现场误动实例的研究表明，和应涌流本身的二次谐波含量较高，二次谐波制动方法理论上是有效的，但由于和应涌流含有衰减缓慢的非周期分量，长时间作用可能引起TA 暂态饱和而导致差流的二次谐波含量降低，因此差动保护误动一般是在变压器和应涌流和TA 暂态饱和的综合作用下发生的。论文据此提出了基于差动电流基波幅值增量的和应涌流识别新方法，该方法利用和应涌流先逐渐增大后缓慢减小的特征，可以在和应涌流引起TA 暂态饱和之前加以正确识别，并采取有效制动措施来避免差动保护误动。
　　 针对我国1000kV特高压交流输电试验示范工程，论文分析了1000kV特高压变压器保护面临的特殊问题，在构建特高压输电动态模拟试验系统的基础上，通过动模试验对特高压变压器发生不同内部故障、空载合闸时相关差动保护的灵敏性和可靠性进行了分析，并据此研究了特高压变压器的差动保护配置方案。在保护配置方案中，针对基于变压器各侧端口电流构成的差动保护存在对调压变和补偿变内部故障灵敏度不足的问题，配置了调压变差动保护和补偿变差动保护来提高其灵敏度。
　　 针对不同现场情况下大型变压器对保护系统提出的要求，论文研制了大型变压器通用型保护系统。在保护系统设计中充分考虑了系统的通用性要求，借鉴了现有相关保护装置的设计和运行经验，通过采用完善的保护功能配置、成熟原理与改进方法的有效结合、高性能的硬件平台以及模块化的软件设计，能满足不同现场情况下大型变压器保护的实际应用需要。相关试验结果表明，该保护系统性能满足设计要求，达到了预期设计目标。