变压器空载合闸及空载运行的保护方法

摘要

本发明公开了一种变压器空载合闸及空载运行的保护方法，其由二次谐波闭锁的励磁电流保护方法和空载合闸励磁电流增量保护方法构成，本发明变压器空载合闸及空载运行的保护方法使变压器不论经长线路或短线路空载合闸时都不发生误动，变压器空载合闸后和空载运行时发生匝间短路时有很高的灵敏度，空载合于相间、接地短路时能快速切除故障。本发明的方法灵敏度高、快速性好、可靠性高，并且使变压器对上述各种故障的反应都不受励磁电流的影响。

说明书

技术领域

本发明涉及电力系统变压器保护技术领域，具体而言是涉及一种使变压器在空载合闸时不误动，空载运行期间发生匝间短路时有很高灵敏度，空载合于相间、接地短路时能快速切除故障的保护方法。

背景技术

变压器是电力系统的重要的设备，在电力系统中实现能量和电压的转换。因此，变压器的安全运行关系到整个电力系统的安全与稳定。目前，国内外对变压器的保护大都采用比率制动式差动保护的原理。

采用这种保护方法，变压器面临的最严重问题是励磁涌流，为避免变压器空载合闸及外部短路故障切除后的励磁涌流引起误动，通常利用间断角原理或二次谐波制动原理构成。但是在利用间断角原理进行保护时，当电流互感器饱和时，会使涌流波形变形，造成间断角消失。利用二次谐波制动原理进行保护时，当二次谐波制动比整定过高，特别是经长线路空载合闸时会发生过误动，当二次谐波制动比整定过低，空载合于匝间短路时灵敏度不够高，匝间短路的死区较大。

发明内容

为了克服上述现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供一种空载合闸时不误动，空载运行期间发生匝间短路时有很高灵敏度，空载合于相间、接地短路时能快速切除故障的保护方法。

为实现上述目的，本发明提供了一种变压器空载合闸及空载运行的保护方法，其由二次谐波闭锁的励磁电流保护方法和空载合闸励磁电流增量保护方法构成，

所述二次谐波闭锁的励磁电流保护方法包括如下步骤：

S11：判变压器空载合闸侧断路器的动合触点的开入量是否变位为“1”，且变压器的开入量只有一侧为“1”；

S12：计算变压器空载合闸后基波和二次谐波电流的幅值；

S13：计算二次谐波与基波的比值，当连续2次计算结果均有基波励磁电流大于励磁电流整定值，二次谐波与基波的比值小于二次谐波制动系数时，出口跳闸，说明变压器内部发生了故障；

所述空载合闸励磁电流增量保护方法包括如下步骤：

S21：判变压器空载合闸侧断路器的动合触点的开入量是否变位为“1”，且变压器的开入量只有一侧为“1”；

S22：计算励磁电流幅值增量的比值；

S23：当变压器空载合闸后励磁电流幅值增量比值大于整定值，出口跳闸，说明变压器内部发生了故障。

该方法使变压器在空载合闸时不论经长线路或短线路合闸时都不误动。变压器空载合闸后发生匝间短路时有很高的灵敏度，空载合于相间、接地短路时能快速切除故障。本发明的方法对上述的各种故障的反应都不受励磁电流的影响。本发明的二次谐波闭锁的励磁电流保护方法保护变压器空载合于相间短路、接地短路、匝间短路时切除故障，弥补空载合闸励磁电流增量保护快速性的不足，在变压器空载运行时也有灵敏度高、快速性好、可靠性高的特点。

在根据本发明的一种优选实施方式中，在步骤S12中，计算基波电流幅值方法如下：

其中，N为一个周期的采样点数，为电流的采样值，K为采样点，为余弦项系数，为正弦项系数，为基波电流利用K点前一周期采样值所计算的幅值；

计算二次谐波电流幅值方法如下：

其中，N为一个周期的采样点数，为电流的采样值，K为采样点，为余弦项系数，为正弦项系数，为二次谐波电流利用K点前一周期采样值所计算的幅值。

在根据本发明的再一种优选实施方式中，在步骤S13中，计算二次谐波与基波的比值，当连续2次计算结果均有基波励磁电流大于励磁电流整定值，二次谐波与基波的比值小于二次谐波制动系数时，出口跳闸，说明变压器内部发生了故障，用公式表示为：

式中，为二次谐波与基波的比值，

为二次谐波制动系数，

为励磁电流整定值。

在根据本发明的再另一种优选实施方式中，所述二次谐波制动系数的取值范围为0.08~0.18，励磁电流整定值的取值范围为0.5~2倍的变压器额定电流的二次值。

在根据本发明的另一种优选实施方式中，为防止经过长线路空载合闸出现误动，当超高压三相变压器由三个单相式变压组成时，二次谐波制动系数取0.11；当超高压三相变压器为三相式变压器，二次谐波制动系数取0.13，励磁电流整定值取1倍的变压器额定电流的二次值。

在根据本发明的一种优选实施方式中，在步骤S22中，计算励磁电流幅值增量的比值时包括如下步骤：

S22-1：计算基波电流幅值，计算公式为：

其中，N为一个周期的采样点数，为电流的采样值，K为采样点，为余弦项系数，为正弦项系数，为基波电流利用K点前一周期采样值所计算的幅值；

S22-2：计算变压器合闸侧各相基波电流幅值的一阶差分电流：

……

，

其中，为基波电流K点前M点的幅值的一阶差分电流；

S22-3：计算励磁电流幅值的增量，设各相基波电流幅值的一阶差分电流在K至K+P点的差分电流大于零，则励磁电流幅值增量为该区间连续大于零的一阶差分电流相加，即：

，

S22-4：计算励磁电流幅值增量的比值：

。

在根据本发明的另一种优选实施方式中，在步骤S23中，为提高励磁电流增量保护的快速性，对于幅值增量连续大于零的采用每累加一次大于零的一阶差分电流就计算一次励磁电流增量比值，并与励磁电流幅值增量保护的整定值比较，当变压器空载合闸后励磁电流幅值增量比值大于励磁电流幅值增量保护的整定值时，出口跳闸，说明变压器内部发生了故障，即：

式中，为励磁电流幅值增量保护的整定值。

在根据本发明的再一种优选实施方式中，励磁电流幅值增量保护的整定值的取值范围0.01~0.05。

在根据本发明的再另一种优选实施方式中，励磁电流幅值增量保护的整定值的取值为0.012。

本发明具有的有益效果：

本发明变压器空载合闸及空载运行的保护方法使变压器不论经长线路或短线路空载合闸时都不发生误动，变压器空载合闸后和空载运行时发生匝间短路时有很高的灵敏度，空载合于相间、接地短路时能快速切除故障。本发明的方法灵敏度高、快速性好、可靠性高，并且使变压器对上述各种故障的反应都不受励磁电流的影响。

附图说明

图1是本发明优选实施例一中对变压器空载合闸及空载运行进行检测的的MATLAB仿真的模型示意图。

图2是图1中所示变压器在空载合闸时，变压器A相电流幅值变化的波形图。

图3是图1中所示变压器在空载合闸时，变压器B相电流幅值变化的波形图。

图4 是图1中所示变压器在空载合闸时，变压器C相电流幅值变化的波形图。

图5是图1中所示变压器的A相在发生1.1%的匝间短路时，A相励磁电流幅值变化波形图。

图6是图1中所示变压器的A相在发生1.53%的匝间短路时，A相励磁电流幅值变化波形图。

图7是图1中所示变压器A相与B相发生20欧的相间短路时，A相励磁电流幅值变化波形图 7。

图8是图1中所示变压器空载合于A相50欧接地短路时，A相励磁电流幅值变化波形图 。

图9 是图1中所示变压器空载合于A相4.6%的匝间短路时，A相励磁电流幅值变化波形图 。

图10是图1中所示变压器在合闸后A相发生3.8%的匝间短路时，C相励磁电流幅值变化波形图。

图11是本发明优选实施例二中对变压器空载合闸及空载运行进行检测的的MATLAB仿真的模型示意图。

图12是图11所示的变压器在合闸后A相发生0.77%的匝间短路时，A相励磁电流幅值变化波形图 。

图13是图11所示的变压器在合闸后A相发生1.53%的匝间短路时，A相励磁电流幅值变化波形图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案、及优点更加清楚明白，以下参照附图对本发明进一步详细说明。

本发明提出了一种变压器空载合闸及空载运行的保护方法，其由二次谐波闭锁的励磁电流保护方法和空载合闸励磁电流增量保护方法构成，

所述二次谐波闭锁的励磁电流保护方法包括如下步骤：

S11：判变压器空载合闸侧断路器的动合触点的开入量是否变位为“1”。且变压器的开入量只有一侧为“1”；

S12：计算变压器空载合闸后基波和二次谐波电流的幅值；

S13：计算二次谐波与基波的比值，当连续2次计算结果均有基波大于励磁电流整定值，二次谐波与基波的比值小于二次谐波制动系数时，出口跳闸，说明变压器内部发生了故障；

所述空载合闸励磁电流增量保护方法包括如下步骤：

S21：判变压器空载合闸侧断路器的动合触点的开入量是否变位为“1”。且变压器的开入量只有一侧为“1”；

S22：计算励磁电流幅值增量的比值；

S23：当变压器空载合闸后励磁电流幅值增量比值大于整定值，出口跳闸，说明变压器内部发生了故障。

当变压器在空载合闸的暂态过程中，比较励磁涌流幅值的增量大小，在变压器空载运行期间比较相电流幅值的增量大小。变压器空载合闸励磁电流增量保护，其实现的方法是比较变压器每相电流幅值的增量大小，当电流幅值在一定区间的增量大于整定值保护就动作。该保护作为变压器空载合闸后（至少10ms后）再发生匝间、相间、接地短路的主保护。如变压器直接合闸于轻微的匝间（3%）短路不能反应，只要变压器合闸后再发生上述短路故障都能灵敏、快速动作。当直接合于相间和接地故障都能灵敏反应。

二次谐波闭锁的励磁电流保护，其主要作用是保护变压器空载合于直接的相间短路、接地短路、匝间短路的故障，弥补空载合闸励磁电流增量保护快速性的不足。其实现方法是利用二次谐波与基波电流之比作为闭锁量，当二次谐波制动比大于整定值闭锁励磁电流保护。

本发明的保护方法具体实现的方法如下：

二次谐波闭锁的励磁电流保护有如下步骤：

第一步

判变压器空载合闸侧断路器的动合触点的开入量是否变位为“1”，且变压器的开入量只有一侧为“1”。同时，二次谐波闭锁的励磁电流保护投入工作，变压器瞬时断线闭锁投入，且未发生变压器断线。

第二步

计算变压器空载合闸后基波和二次谐波电流的幅值，其中，

计算基波电流幅值方法如下：

式中，N为一个周期的采样点数，为电流的采样值，K为采样点，为余弦项系数，为正弦项系数，为基波电流利用K点前一周期采样值所计算的幅值。

计算二次谐波电流幅值方法如下：

式中，N为一个周期的采样点数，为电流的采样值，K为采样点，为余弦项系数，为正弦项系数，为二次谐波电流利用K点前一周期采样值所计算的幅值。

第三步

计算二次谐波与基波的比值，当连续2次计算结果均有基波大于励磁电流整定值，二次谐波与基波的比值小于二次谐波制动系数时，出口跳闸，说明变压器内部发生了故障，用公式表示为：

 ，

，

式中，为二次谐波与基波的比值，也可以为有效值之比，。

为二次谐波制动系数，

为励磁电流整定值。

在本发明的一种优选实施方式中，二次谐波制动系数的取值范围为0.08~0.18，励磁电流整定值的取值范围为0.5~2倍的变压器额定电流的二次值。在本发明的一种更加优选实施方式中，为防止经过长线路空载合闸出现误动，当超高压三相变压器由三个单相式变压组成时，二次谐波制动系数取0.11；当超高压三相变压器为三相式变压器，二次谐波制动系数取0.13，励磁电流整定值取1倍的变压器额定电流的二次值。

空载合闸励磁电流增量保护：

第一步

判变压器空载合闸侧断路器的动合触点的开入量是否变位为“1”，且变压器的开入量只有一侧为“1”。同时，变压器空载合闸励磁电流增量保护投入，变压器瞬时断线闭锁投入，且未发生变压器断线。

第二步 计算励磁电流幅值增量的比值，

（1）计算基波电流幅值，计算公式为：

其中，N为一个周期的采样点数，为电流的采样值，K为采样点，为余弦项系数，为正弦项系数，为基波电流利用K点前一周期采样值所计算的幅值；

(2)计算变压器合闸侧各相基波电流幅值的一阶差分电流：

……

（3）计算励磁电流幅值的增量，设各相基波电流幅值的一阶差分电流在K至K+P点的励磁电流幅值差分电流大于零，则励磁电流幅值增量为该区间连续大于零的一阶差分电流相加，即：

（4）计算励磁电流幅值增量的比值：

。

第三步

为提高励磁电流增量保护的快速性，采用每累加一次大于零的一阶差分电流就计算一次励磁电流增量比值，并与励磁电流幅值增量保护的整定值比较，当变压器空载合闸后励磁电流幅值增量比值大于励磁电流幅值增量保护的整定值时，出口跳闸，说明变压器内部发生了故障，即：

式中，为励磁电流幅值增量保护的整定值。

每累加一次大于零的一阶差分电流就计算一次励磁电流增量比值，并与励磁电流幅值增量保护的整定值比较，用公式表示为：

在本发明的一种优选实施方式中，励磁电流幅值增量保护的整定值的取值范围0.01~0.05。在本发明的一种更加优选的实施方式中，励磁电流幅值增量保护的整定值的取值为0.012。

优选实施例一：

图1是变压器空载合闸的MATLAB模型示意图，为实现变压器的匝间短路，三相变压器采用三个单相变压器构成的模型。变压器为接线方式，三角形侧电压10.5kV, Y0侧相电压为130 kV。单相变压器的容量150WVA，绕组1、2、3的参数为。线路采用集中参数模型。参数： ，仿真的采样频率为。

在本优选实施方式中，励磁电流幅值增量保护的整定值的取值为，二次谐波闭锁的励磁电流保护的整定值：；  。本实例中变压器二次额定电流为5安，故。

在变压器空载合闸时，变压器A相、B相、C相电流幅值变化的波形分别如图 2 、图3、图4所示。A相、B相、C相三相励磁电流幅值的一阶差分、励磁电流幅值增量比值及二次谐波比如表1所示：

表1：三相励磁电流幅值的一阶差分、励磁电流幅值增量比值及二次谐波比

从图2~图4以及表1中可见，变压器经短线路空载合闸时，A相、B相、C相的二次谐波与基波的比值均大于二次谐波制动系数，励磁电流幅值增量比值均小于动作整定值，变压器正常运行。

当变压器在合闸20ms后 A相发生1.1%的匝间短路时，A相励磁电流幅值变化波形如附图 5所示。三相励磁电流幅值的一阶差分、励磁电流幅值增量比值及二次谐波比如表2所示：

表2：A相发生1.1%的匝间短路时三相励磁电流幅值的一阶差分、

励磁电流幅值增量比值及二次谐波比

从图5以及表2中可见，变压器A相的二次谐波与基波的比值均大于二次谐波制动系数，而变压器的A相在发生匝间短路13ms后，A相励磁电流幅值增量比值大于励磁电流幅值增量保护的整定值，即0.012，励磁电流增量保护快速动作，出口跳闸，说明变压器内部发生了故障。

当变压器合闸20ms后A相发生1.53%的匝间短路时，A相励磁电流幅值变化波形如附图 6所示，三相励磁电流幅值的一阶差分、励磁电流幅值增量比值及二次谐波比如表3所示：

表3：A相发生1.53%的匝间短路时三相励磁电流幅值的一阶差分、

励磁电流幅值增量比值及二次谐波比

从图6以及表3中可见，变压器A相的二次谐波与基波的比值均大于二次谐波制动系数0.12，变压器的A相发生匝间短路10ms后，A相励磁电流幅值增量比值大于励磁电流幅值增量保护的整定值，即0.012，励磁电流增量保护快速动作，出口跳闸，说明变压器内部发生了故障。

当变压器空载合于A相、B相间20欧短路时，A相励磁电流幅值变化波形如附图 7所示，A相、B相、C相三相励磁电流幅值的一阶差分、励磁电流幅值增量比值及二次谐波比如表4所示：

表4：变压器空载合于AB相间短路三相励磁电流幅值的一阶差分、

励磁电流幅值增量比值及二次谐波比

从图7以及表4中可见，变压器A相在发生相间短路20ms后的二次谐波与基波的比值连续两次均小于二次谐波制动系数0.12，二次谐波闭锁的励磁电流保护动作，出口跳闸，说明变压器内部发生了故障。而变压器的A相发生相间短路33ms后，A相励磁电流幅值增量比值大于励磁电流幅值增量保护的整定值，即0.012，励磁电流增量保护快速动作，出口跳闸，说明变压器内部发生了故障。由此可见，二次谐波闭锁的励磁电流保护弥补了空载合闸励磁电流增量保护快速性的不足。

当变压器空载合于A相经50欧接地短路时，A相励磁电流幅值变化波形如附图 8所示，三相励磁电流幅值的一阶差分、励磁电流幅值增量比值及二次谐波比如表5所示：

表5：A相经50欧接地短路三相励磁电流幅值的一阶差分、

励磁电流幅值增量比值及二次谐波比

从图8以及表5中可见，变压器A相在发生接地短路20ms后的二次谐波与基波的比值连续两次均小于二次谐波制动系数0.12，二次谐波闭锁的励磁电流保护动作，出口跳闸，说明变压器内部发生了故障。而变压器的A相发生接地短路40ms后，A相励磁电流幅值增量比值大于励磁电流幅值增量保护的整定值，即0.012，励磁电流增量保护快速动作，出口跳闸，说明变压器内部发生了故障。由此可见，二次谐波闭锁的励磁电流保护弥补了空载合闸励磁电流增量保护快速性的不足。

当变压器空载合于A相发生4.6%的匝间短路时，A相励磁电流幅值变化波形如附图 9所示，三相励磁电流幅值的一阶差分、励磁电流幅值增量比值及二次谐波比如表6所示：

表6：A相合于4.6%匝间短路三相励磁电流幅值的一阶差分、

励磁电流幅值增量比值及二次谐波比

从图9以及表6中可见，变压器A相在发生4.6%的匝间短路20ms后，二次谐波与基波的比值连续两次均小于二次谐波制动系数0.12，二次谐波闭锁的励磁电流保护动作，出口跳闸，说明变压器内部发生了故障。而变压器的A相发生4.6%的匝间短路21ms后，A相励磁电流幅值增量比值大于励磁电流幅值增量保护的整定值，即0.012，励磁电流增量保护快速动作，出口跳闸，说明变压器内部发生了故障。由此可见，二次谐波闭锁的励磁电流保护弥补了空载合闸励磁电流增量保护快速性的不足。

当变压器空载合于A相发生3.8%的匝间短路时，C相励磁电流幅值变化波形如附图10所示，三相励磁电流幅值的一阶差分、励磁电流幅值增量比值及二次谐波比如表7所示：

表7：A相合于3.8%匝间短路三相励磁电流幅值的一阶差分、

励磁电流幅值增量比值及二次谐波比

从图10以及表7中可见，变压器A相在发生3.8%的匝间短路20ms后，二次谐波与基波的比值连续两次均小于二次谐波制动系数0.12，二次谐波闭锁的励磁电流保护动作，出口跳闸，说明变压器内部发生了故障。而变压器的A相发生3.8%的匝间短路21ms后，C相励磁电流幅值增量比值大于励磁电流幅值增量保护的整定值，即0.012，励磁电流增量保护快速动作，出口跳闸，说明变压器内部发生了故障。由此可见，二次谐波闭锁的励磁电流保护弥补了空载合闸励磁电流增量保护快速性的不足。

优选实施实例二：

变压器空载合闸的MATLAB模型如附图11所示，为实现变压器的匝间短路，三相变压器采用三个单相变压器构成的模型。变压器为接线方式，三角形侧电压10.5kV， Y0侧相电压为130 kV。单相变压器的容量150WVA，绕组1、2、3的参数为。

线路参数：线路长100KM ；

电容；

电感。

在本优选实施方式中，励磁电流幅值增量保护的整定值的取值为，二次谐波闭锁的励磁电流保护的整定值：；  。本实例中变压器二次额定电流为5安，故。

变压器空载合闸时，三相励磁电流幅值的一阶差分、励磁电流幅值增量比值及二次谐波比如表8所示：

表8：三相励磁电流幅值的一阶差分、励磁电流幅值增量比值及二次谐波比

变压器经长线空载合闸各相励磁电流幅值增量比值小于动作整定值，但二次谐波闭锁的励磁电流如二次谐波制动系数整定得太大就可能误动。

变压器A相在合闸后5ms发生0.77%的匝间短路，A相励磁电流幅值变化波形如附图 12所示，三相励磁电流幅值的一阶差分、励磁电流幅值增量比值及二次谐波比如表9所示：

表9：A相发生0.77%的匝间短路时三相励磁电流幅值的一阶差分、

励磁电流幅值增量比值及二次谐波比

从图12以及表9中可见，变压器A相在发生0.77%的匝间短路后，二次谐波与基波的比值均大于二次谐波制动系数0.12，二次谐波闭锁的励磁电流保护不动作。而变压器的A相发生0.77%的匝间短路25ms后，A相励磁电流幅值增量比值大于励磁电流幅值增量保护的整定值，即0.012，励磁电流增量保护快速动作，出口跳闸，说明变压器内部发生了故障。

变压器A相在合闸后5ms发生1.53%的匝间短路，A相励磁电流幅值变化波形如附图 13所示。三相励磁电流幅值的一阶差分、励磁电流幅值增量比值及二次谐波比如表10所示：

表10：A相发生1.53%的匝间短路时三相励磁电流幅值的一阶差分、

励磁电流幅值增量比值及二次谐波比

从图13以及表10中可见，变压器A相在发生1.53%的匝间短路后，二次谐波与基波的比值均大于二次谐波制动系数0.12，二次谐波闭锁的励磁电流保护不动作。而变压器的A相发生1.53%的匝间短路20ms后，A相励磁电流幅值增量比值大于励磁电流幅值增量保护的整定值，即0.012，励磁电流增量保护快速动作，出口跳闸，说明变压器内部发生了故障。

由以上两个优选实施例可见，本发明的变压器空载合闸及空载运行的保护方法能够保护变压器空载合于相间、接地故障和匝间短路的故障，其二次谐波闭锁的励磁电流保护方法可以快速切除相间、接地故障和直接合闸于较严重的匝间短路，弥补励磁电流幅值增量保护对于上述故障快速性的不足。空载合闸励磁电流增量保护方法的灵敏度高最好可以保护0.77%的匝间短路故障。本发明的变压器空载合闸及空载运行的保护方法使变压器在合闸后20ms发生匝间短路时保护的动作时间小于20ms，能保护变压器免于发生直接合于3.8%以上的匝间严重故障和相间接地故障。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。