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大型变压器保护新原理研究和装置研制

邓祥力

  大型变压器作为电力系统的关键互联节点和功率交换枢纽,对整个电力系统的安全稳定运行和供电可靠性具有重大影响。同时,大型变压器结构复杂、造价昂贵,一旦遭到损坏,检修难度高,时间长,经济损失巨大。迄今,经过多年的努力,我国大型变压器保护装置的整体性能已取得了长足进步,但总体上正确动作率仍相对偏低。虽然造成这一局面的原因复杂,但在保护原理以及实现技术方面存在的不足是导致变压器保护发生误动或拒动的重要原因。一方面,大型变压器正常工作时铁芯磁密高,饱和倍数降低,使得传统的基于谐波制动原理的变压器保护性能劣化;绕组绕制工艺的改进,导致变压器内部匝间故障增多,对保护动作灵敏度提出了更高要求。另一方面,变压器结构形式以及与外部电网的互联方式多样,运行工况复杂,需要变压器保护对此具有良好的适应能力,同时,保护系统运行环境的复杂化也需要高可靠性的硬件平台予以支持。因此,进一步深化变压器保护原理的研究,研制开发高性能的变压器保护装置,对保证变压器的运行安全,提高电力系统的稳定运行水平和供电可靠性具有非常重要的理论和现实意义。 论文首先对变压器保护的研究和应用现状以及存在的主要问题进行了分析和综述,在此基础上,重点围绕着变压器内部故障暂态仿真、变压器保护新原理以及通用型大型变压器保护装置的实现技术等方面开展了系统的研究和开发工作。 变压器内部故障仿真是进行变压器保护原理研究的重要基础。变压器内部故障形式多样,其中最主要的基本故障类型是各类匝间短路和单相接地短路。论文以EMTP仿真工具中的多绕组变压器模型为基础,建立了适用于变压器内部匝间和接地故障暂态仿真的计算模型。针对模型中各绕组电感参数难以确定的技术难题,从简化参数计算,易于工程应用的角度,提出了一种基于有限动模试验或现场录波数据,通过最小二乘拟合算法确定变压器绕组电感参数的建模方法。该方法根据多绕组变压器微分方程组,把故障绕组分为短路绕组和正常绕组两部分,使用最小二乘拟合方法确定故障绕组的自感和互感参数,并由此拟合出短路绕组漏感耦合系数曲线。根据该拟合曲线和变压器短路绕组的匝数百份比,计算出变压器仿真模型的各绕组参数,从而可实现对任意匝间或接地短路故障的建模和仿真。动模试验验证了该方法的有效性。 在变压器保护新原理研究中,基于变压器等值电路模型的保护原理为变压器保护性能的改善提供了一条新的途径,而模型参数的求解是该类保护应用中需要解决的关键问题之一。论文针对现有参数辨识算法在变压器稳态运行时无法求解的问题,提出了一种新的参数辨识算法以及基于统计量的参数辨识结果收敛判别标准。仿真研究表明,在变压器正常运行、空载合闸或区外故障等各种工况下,基于新模型的参数辨识算法均能准确辨识出变压器绕组参数的真实值。 传统的基于谐波制动原理的变压器差动保护受谐波影响大,动作时间长,对小匝数匝间短路灵敏度较低。针对此问题,论文提出了一种基于变压器等值回路平衡方程和等效励磁电感的变压器主保护综合判据。等值回路平衡方程判据能够对变压器内部严重故障实现可靠保护,而等效励磁电感判据可有效提高保护对匝间故障的灵敏度。仿真结果表明,所提出的保护新原理不受励磁涌流的影响,动作速度快、灵敏度高。 采样值差动保护以动作速度快、受励磁涌流和CT饱和影响小等独特优势受到了广泛关注。其在实际应用中面临的突出问题是定值的整定比较困难。论文以模值和制动方式的采样值差动保护为例,对影响保护灵敏度和安全性的主要因素进行进行了分析,给出了采样值差动保护定值的合理整定范围。仿真结果验证了上述结论的正确性。 为了加快差流速断保护动作速度,提高抗CT饱和的能力,提出了一种基于小矢量算法的快速差流速断保护方案。论文分析了四分之一周波数据窗的小矢量算法与全周傅氏算法的内联关系,导出了两种算法间的关联矩阵,研究了小矢量算法的幅频特性,提出了快速差流速断保护的实现方案。静模测试和动模试验验证了所提出的保护方案的可行性。 在上述理论研究和仿真分析的基础上,从大型变压器保护的实际需求出发,提出了通用型大型变压器保护装置的总体技术方案,并完成了保护装置的硬件设计和软件开发。硬件平台采用DSP和ARM并行工作模式,资源丰富,扩展性好,能够很好的满足统一保护软件的研发需求;通过特殊工艺设计,提高了保护装置运行的可靠性和抗干扰性能。基于保护元件模块化和动作逻辑透明化的软件设计方法,使得保护程序的开发和测试更加方便,高效,并具有良好的功能调整和扩展能力,以满足不同运行现场的应用要求。所研制的保护装置已通过了国家相关质检部门的性能测试,并在工程实际中应用,取得了良好效果。 论文最后对全文进行了总结,并对下一步的研究工作进行了展望。……   
[关键词]:变压器保护;变压器建模;励磁涌流;参数辨识;最小二乘法;采样值差动保护;差流速断保护
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:华中科技大学2011年