电力系统变压器微机继电保护说明书林健（专业：电气工程及其自动化班级：电自104班学号：1008040227）摘要 :电力变压器是电力系统中相当普遍又及其重要的设备，因此，变压器微机保护自从出现以来，不断经过人们的改进和发展，现以其独特的优势在电力系统中被广泛应用。

而当微机保护理论与实际应用相结合时，依然存在着各式各样的问题。

本文针对变压器微机保护现存的一些问题，主要对以下几个方面进行了研究分析。

首先，在深入了解变压器差动保护原理的基础上，对不平衡电流产生的原因和解决方法，以及电流互感器(CT)饱和对差动保护的影响进行理论和仿真分析，尤其是对剩磁对CT饱和的影响做了进一步的研究，得出剩磁的大小与CT 的饱和时间成反比，而饱和时间的增大对变压器保护是有利的，应采取措施减少剩磁的影响，并进行了仿真验证。

其次，综合分析比较了目前励磁涌流与内部故障电流鉴别原理的优点和不足，在参考相关文献的基础上，提出一种新的基于瞬时无功功率理论的励磁涌流鉴别方法，该方法与以往基于仅D0坐标系的瞬时无功功率鉴别方法不同，采用基于dq0坐标系下的广义瞬时无功功率理论来进行判断，更具有实用性。

并通过MATLAB建立了仿真系统模型，对变压器发生励磁涌流时与发生内部故障时，以及空投于内部故障时做了大量的仿真分析，仿真结果证明，该方法可有效区分励磁涌流与内部故障，但对轻微匝间短路的区分不是很明显，成为下一步研究的重点。

另外，针对目前傅氏改进算法中实虚部混乱问题，在给出了输入信号不同时正确的傅氏表达式的基础上，对几种典型的改进算法进行修正，并通过仿真算例验证对这几种改进算法做综合性能比较，指出了它们的优缺点和使用范围，为在不同场合的应用提供了理论依据。

最后，顺应目前微机保护发展对软、硬件系统要求的主流趋势，给出一种基于双DSP结构的微机保护软、硬件系统结构方案，并对其中主要的硬件电路和软件程序流程图进行了设计和详细的分析介绍。

关键词：变压器；微机保护；电流互感器饱和；励磁涌流；傅氏算法一、引言电力变压器作为联系不同电压等级网络的设备，是电力系统中极其重要的组成部分，它在电力系统的发电、输电、配电等各个环节中被广泛使用。

随着近些年来，电力系统规模的不断扩大，电压等级的提高，增加了很多大容量的变压器，因而它的安全运行与否，是整个电力系统能否连续稳定工作的关键，也是电力系统可靠工作的必要条件。

而且电力变压器本身造价昂贵，一旦发生故障而遭到破坏，将给维修带来很大困难，造成大的经济损失。

因此，必须根据变压器的容量和重要程度，并考虑到可能发生的各种故障类型和不正常运行状态，来装设性能良好、工作可靠的继电保护装置。

分析电力变压器的故障，可分为短路故障和不正常运行状态两种Ⅲ，而变压器的短路故障，又可按发生在变压器的内外部情况分为内部故障和外部故障。

变压器的内部故障主要是指各相绕组之间发生的相间短路、绕组的线匝之间发生的匝间短路、绕组或引出线通过外壳发生的接地短路故障等。

变压器的外部故障主要是指外部绝缘套管和引出线上发生相间短路和直接接地短路故障。

变压器的不正常运行状态主要有：由于外部相间短路引起的过电流和外部接地短路引起的过电流和中性点过电压；由于负荷超过额定容量引起的过负荷以及由于漏油造成的油面降低；由于外加电压过高或频率降低引起的过励磁；变压器油温升高和冷却系统故障等。

根据上述故障类型和不正常运行状态，依DL400．91《继电保护和安全自动装置技术规范》的规定，变压器应装设以下保护：1．瓦斯保护对于变压器油箱内的各种故障以及油面的降低，应装设瓦斯保护，它反应于油箱内部所产生的气体或油流而动作，同时也能反映绕组的开焊故障。

2．纵联差动保护或电流速断保护为反应变压器绕组和引出线的相间短路故障、中性点直接接地侧绕组和引出线的接地短路故障以及绕组匝间短路故障，应装设纵联差动保护或电流速断保护。

保护动作后，跳开变压器各电源侧的断路器。

3．反映外部相间短路的后备保护动作于变压器的外部故障和作为主保护的后备保护，根据变压器的容量和应用情况，可分别采用过电流保护、复合电压起动的过电流保护、负序电流及单相式低电压起动的过电流保护、阻抗保护。

4．反映外部接地短路的接地保护对中性点直接接地电力网内，由外部接地短路引起过电流时，应装设零序电流保护。

当电力网中部分变压器中性点接地运行，应根据具体情况，装设专用的保护装置，如零序过电压保护，中性点装放电间隙加零序电流保护等。

5．过负荷保护对0．4MVA以上的变压器，当数台并列运行，或单独运行并作为其他负荷的备用电源时，应根据可能过负荷的情况，装设过负荷保护。

过负荷保护接于一相电流上，并延时作用于信号。

6．过励磁保护高压侧电压为500kV及以上的变压器，对频率降低和电压升高而引起的变压器励磁电流的升高，应装设过励磁保护。

7．非电量保护对变压器本体和有载调压部分的温度、油箱内压力升高以及冷却系统的故障，应按现行变压器标准的要求，装设可作用于信号或动作于跳闸的装置。

为实现上述保护内容的功能，适应当今大容量变压器应用的日益增多以及电力系统网络日益复杂化的趋势，并伴随着计算机技术的迅速发展，微机继电保护装置在高压电网中得到了广泛的应用，成为目前继电保护中最重要的保护形式。

微机保护相比与传统的保护装置，具有更高的可靠性、快速性和灵敏度，可更大限度的保证电力系统和变压器的安全运行，减少事故的损失。

二、变压器纵联研究差动保护分析纵联差动保护作为变压器的主保护，从问世至今已有近百年的历史，在继电保护的发展过程中有着独特的地位，至今仍广泛应用于电气主设备和线路保护中。

而在变压器中的应用主要用来反映变压器绕组的相间短路故障、绕组的匝间短路故障、中性点接地侧绕组的接地故障以及引出线的相间短路故障、中性点接地侧引出线的接地故障。

下面将对变压器纵联差动保护原理和在应用中存在的问题进行研究分析。

纵联差动保护原理纵联差动保护的基本工作原理是在绕组变压器的两侧均装设电流互感器(current transformer，简称CT)，其二次侧按循环电流法接线，即如果两侧CT 的同极性端都朝向母线侧，则将同级性端子相连，并在两接线之间并联接入电流继电器，通过比较差动回路中两侧CT二次电流的大小和相位而做出相应的动作，其中流入差动回路的电流为被保护变压器两侧电流互感器的二次电流。

以YIA 双绕组变压器为例，其差动保护单相原理接线图如图2所示。

I图2．I双绕组变压器差动保护单相原理接线图其中，变压器T两侧电流I1、I2流入变压器为其电流正方向。

当变压器正常运行或发生外部短路故障时，有I1+i2=0，若CT变比合理选择，调整CT二次回路接线，使变压器的电源侧和负荷侧的CT二次线电流相位相差1800，则在理想状态下有id=i1+i2=0，也就是不平衡电流，此时差动继电器不动作，i1与i2反相。

而当变压器发生内部短路故障时，则有i1+i2=ik(短路电流)，于是id流过相应的短路电流，当电流值达到保护装置的动作值时，保护装置将动作，启动继电器KD跳闸动作，此时的i1与i2同相位，将故障变压器从电网中切除，起到保护的作用。

由上述分析可以看出，纵联差动保护的范围是电源侧和负荷侧电流互感器之间的电气部分，即在原理上是只反应被保护设备的内部短路电流，对保护区外故障不会动作，因此差动保护不需要与保护区外相邻元件保护在动作值和动作时限上相互配合，所以在区内故障时，可以瞬时动作。

长期的运行经验表明差动保护是能灵敏地区分区内和区外故障的。

而在实际应用当中，为了使纵联差动保护充分发挥其应有的性能，在接线上应注意如下几个方面：(1)由于变压器接线的原因，变压器两侧电流之间存在相位移动，为保证正常运行或外部短路故障时i1与i2有反相关系，所以必须进行相位角矫正。

(2)即使满足了外部短路故障时i1与i2的反相关系，考虑到变压器两侧电流互感器变比的不同，为保证外部短路故障时差动继电器电流尽量小，|i1|应与|i2|相等，为此要进行幅值矫正。

(3)YN侧保护区外接地故障时，如图2．1中K点接地，零序电流仅在变压器一侧流通，流过电流互感器CTl，因此，为保证差动保护不动作，i1电流中应扣除相应的零序电流分量。

以上是对双绕组变压器差动保护原理的分析，在图2．2中示出了三绕组变压器的差动保护接线图，对三绕组变压器来说，差动保护原理与双绕组差动保护原理相似，在此不再赘述。

励磁涌流鉴别原理变压器为能量传输设备，通过一次、二次绕组间的磁势平衡和电磁感应关系来实现能量的传递。

当变压器正常运行时，有功损耗总和为铁损、铜损及一些杂散损耗，都比较小，对于大型变压器来说，这个数值会更小，且基本为姆欧损耗。

而在励磁绕组电抗分量的无功部分，则随着磁通的变化而波动。

当变压器空载投入电网或外部故障切除后电压恢复时，由于铁心磁通的饱和及铁心材料的非线性特征，将产生很大的由无功磁化电流和有功铁耗电流两部分组成的励磁涌流，此时无功电流占主要成分，它对应于变压器与系统之间能量交换的部分，所以积蓄在电抗分量的能量变化很大，而除去铜耗后，流入变压器的有功功率的增加就相当小了。

且这一有功功率损耗从物理本质上来说是由铁芯的反复磁化过程所造成的，其值相对较小，因而三相变压器发生励磁涌流时，两侧三相差无功功率与三相差有功功率的比值应较大。

当变压器发生内部短路故障时，诸如匝间短路、相间短路、匝地短路等，短路故障电流很大，故障点的弧光电阻加上短路部分的绕组电阻可与短路部分的绕组等效电抗相比拟，功率因数提高，变压器有功功率消耗增大，无功损耗有所减小，因而此时两侧三相差无功功率与三相差有功功率的比值应较小。

为方便讨论，令P1、Q1为变压器一次侧的三相瞬时有功功率和无功功率，P2、Q2为二次侧的三相瞬时有功功率和无功功率，P3、Q3为两侧瞬时有功功率和无功功率的差值，P0、Q0为两侧瞬时有功功率和无功功率差值的直流分量，由上述分析可得，P0、Q0可对应于变压器运行在不同状态下的内部的有功损耗和无功损耗。

因此，可通过分析Q0／P0的值K，结合变压器参数及运行方式来整定值Kpq，使得在Q0／Po=K>Kpq时，判断为励磁涌流，反之则为内部故障。

三、仿真分析验证为验证上述理论分析的正确性，本文利用MATLAB，结合实际变压器设计参数，进行了相关的仿真实验，构建的仿真系统如图所示。

变压器空载合闸产生励磁涌流时的仿真分析变压器△型侧空载合闸，合闸角为零，合闸时间为0．02s时，产生的励磁涌流波形如图3．9所示，图3．10为变压器空载合闸产生励磁涌流时，三相差瞬时有功功率和无功功率的波形。

为了分析变压器在不同合闸角情况下空载合闸时，内部功耗的变化情况。

本文对此做了大量的仿真，如在表3．1中示出了在不同合闸角情况下，采样周期为一周期内的三相差瞬时无功功率和有功功率的直流分量比值的变化关系。