大型电力变压器主动保护与安全运行_郑玉平等_9787519895556

本书首先讲述了变压器主动保护与控制构想，详细论述了变压器缺陷和故障演化规律及状态参量特征、变压器新型感知技术、在线辨识方法、主动保护原理及方法等新技术，最z后介绍了试验验证的系统建设和后期展望。希望本书能对相关人员有所帮助。
本书共分7章。第1章介绍变压器保护与安全运行技术的发展历程和变压器主动保护与控制构想；第2章介绍变压器缺陷和故障演化规律及状态参量特征；第3章介绍面向变压器主动保护与安全运行的新型感知技术；第4章介绍变压器缺陷在线辨识方法；第5章介绍大型变压器主动保护原理与方法；第6章介绍变压器-电力系统协调安全的主动保护控制；第7章介绍大型变压器主动保护技术试验验证。

随着电网规模的不断扩大，大型电力变压器的数量也日益增多。近年来我国每年新增变压器容量都在以 8%～10%的速度快速增长，截至 2016 年底，我国 220kV 及以上电压等级的变压器 14464 台，总容量 3415.64GW。随着制造水平提高，单台变压器的容量越来越大，一旦发生故障必然造成重大的经济损失。电力变压器是电力系统的核心主设备，是电能传输与电压变换的关键装备。变压器的安全运行直接关系到电力系统的可靠与稳定。随着电网电压等级和系统容量的不断增加，高压大容量变压器的规模越来越大，同时电网联系紧密，短路容量越来越大。近年来，超/特高压变压器、换流变压器相继发生多起爆炸起火事故，这些案例表明，现有的变压器差动保护即使在 10ms 左右快速动作出口，但由于断路器开断还需数十毫秒的时间，在电弧故障被切除前，故障能量也已经积累到足以让油箱破裂的程度，导致变压器爆燃事故发生，造成严重的财产损失和事故扩大。国际大电网 CIGRE 变压器 A2.33 工作组 2013 年统计结果表明，当发生内部故障后，约 10%的油浸式变压器会发生爆裂起火事故。因此，开展变压器内部缺陷发展演变过程的多物理场特征规律研究，探索新的变压器保护原理和技术，在严重放电缺陷不可逆发展为高能量贯穿性故障前跳开变压器，对防范变压器恶性事故发生具有重要意义。本书针对变压器内部缺陷发展为严重缺陷最终导致电弧击穿的全过程，提出了构建大型变压器安全运行三级防护体系，介绍了变压器安全运行防护方面的最新成果，包括变压器缺陷和故障演化规律、状态感知技术、主动保护方法、常规保护性能提升方法、安全裕度评估等内容。本书第 1 章由郑玉平撰稿，第 2 章由郝治国撰稿，第 3 章由齐波撰稿，第4 章由郝建撰稿，第 5 章由郑玉平、郝治国撰稿，第 6 章由郑玉平撰稿，第 7 章由王建撰稿。全书由郑玉平统稿。感谢国家自然科学基金智能电网联合基金集成项目电力变压器多参量自适应保护与安全运行基础研究（项目号 U1866603）、国家科学技术学术著作出版基金项目和国家电网公司电力科技著作出版项目对本书出版提供的资助。对本书所引用的公开发表的国内外有关研究成果的作者表示衷心感谢。特别感谢国网电科院伍志荣、潘书燕、夏雨、王小红、滕贤亮、吴通华、吴崇昊、戴魏、姚刚、马玉龙、胡国、刘诣、薛众鑫、龚心怡、柴济民、龙锋、闫兴中、戴申鉴、郑占锋、任达、孙江，西安交通大学汲胜昌、董明、李斯盟、张凡、李博宇，重庆大学熊小伏、周湶、江天炎、王强钢、王有元、刘丛、欧阳希、吴洁、莫复雪、万易，华北电力大学李成榕、黄猛、高春嘉、朱柯翰、冀茂等人，在项目研究和本书撰稿过程中给予的指导和支持。由于编写时间紧、任务重，书中难免有疏漏之处，敬请批评指正。郑玉平2024 年 8 月于南瑞集团

序
前言
第 1 章概述 1
1.1 研究背景及意义 1
1.2 变压器保护与安全运行技术发展现状 2
1.2.1 变压器继电保护研究现状 3
1.2.2 变压器缺陷辨识研究现状 4
1.2.3 变压器故障特征信息感知研究现状 5
1.3 大型电力变压器安全运行三级防护 7
第 2 章变压器缺陷和故障演化规律及状态参量特征 9
2.1 变压器典型放电缺陷演化过程与参量特征 9
2.1.1 典型放电缺陷模拟试验平台 9
2.1.2 油纸绝缘尖端放电演化过程 12
2.1.3 油纸绝缘沿面放电演化过程 30
2.1.4 油纸绝缘气隙放电演化过程 47
2.1.5 纯油间隙放电过程 57
2.2 多因素联合作用的变压器绕组温度分布规律 66
2.2.1 绕组温度分布仿真建模 66
2.2.2 正常工况下绕组温度分布规律 74
2.2.3 计及谐波影响的绕组温度分布 83
2.3 变压器绕组动态形变过程与致损规律 92
2.3.1 机械应力作用下绕组材料特性研究 92
2.3.2 变压器绕组短路动力学模型 98
2.3.3 变压器绕组动态形变过程 104
2.4 油浸式变压器电弧故障多物理场耦合建模与分析 119
2.4.1 变压器内部放电缺陷下气体产生及运动汇集规律研究 119
2.4.2 变压器内部电弧故障下压力分布及箱体形变特性研究 129
本章小结 138
第 3 章面向变压器主动保护与安全运行的感知技术 139
3.1 变压器压力光学感知技术 139
3.1.1 变压器压力传感器的性能要求 139
3.1.2 光学压力传感器基本原理与结构 139
3.1.3 光学压力传感器性能提升方法 141
3.2 变压器磁场光学感知技术 148
3.2.1 变压器磁场传感器的性能要求 148
3.2.2 光学磁场传感器基本原理与结构 148
3.2.3 光学磁场传感器性能提升方法 150
3.3 变压器声纹光学感知技术 155
3.3.1 变压器声纹传感器的性能要求 155
3.3.2 光学声传感器基本原理与结构 155
3.3.3 光学声传感器性能提升方法 158
3.4 变压器油流速感知技术 161
3.4.1 变压器油流速传感器的性能要求 161
3.4.2 超声流速传感器基本原理与结构 162
3.4.3 超声流速传感器性能提升方法 165
3.4.4 多普勒光学流速传感器 169
3.5 变压器单氢感知技术 172
3.5.1 变压器单氢传感器的性能要求 172
3.5.2 变压器单氢传感器基本原理与结构 172
3.5.3 单氢传感器性能提升方法 173
3.6 变压器温度感知技术 175
3.6.1 温度传感器基本原理 175
3.6.2 温度传感器结构设计 176
3.6.3 温度传感器性能提升方法 176
3.6.4 温度传感器性能标定 177
3.7 变压器特高频感知技术 178
3.7.1 变压器特高频传感器的性能要求 178
3.7.2 变压器特高频传感器基本原理与结构 178
3.7.3 特高频传感器性能提升方法 180
3.8 变压器高频脉冲电流感知技术 183
3.8.1 变压器高频脉冲电流传感器的性能要求 183
3.8.2 变压器高频脉冲电流传感器基本原理 184
3.8.3 变压器高频脉冲电流传感器结构设计 185
3.8.4 变压器高频脉冲电流传感器性能提升方法 185
3.8.5 变压器高频脉冲电流传感器性能标定 186
3.9 变压器内部多物理场下各种传感器的性能考核 187
3.9.1 变压器内部多物理场模拟试验平台设计 187
3.9.2 变压器内部多物理场下传感器抗干扰性能考核 189
3.9.3 变压器内部多物理场下传感器长期稳定性考核 192
3.10 面向变压器主动保护与安全运行的多参量传感器布置 197
3.10.1 空间分布对传感器测量效率的影响 197
3.10.2 多因素约束条件下多参量传感器优化布置方法 200
3.10.3 多参量传感器用于真型变压器的实测验证 201
本章小结 203
第 4 章变压器典型缺陷在线辨识方法 204
4.1 变压器油纸绝缘放电辨识方法 204
4.1.1 变压器油纸绝缘放电发展过程气体产生及变化特性 204
4.1.2 变压器放电缺陷阶段划分与辨识方法 214
4.2 基于多点测温的变压器热缺陷辨识方法 223
4.2.1 热缺陷对多测点温度分布规律的影响及分析 223
4.2.2 绕组热缺陷演化过程与参量特征 226
4.2.3 多测点温度比对分析的热缺陷辨识模型 228
4.3 变压器绕组变形监测与缺陷辨识方法 236
4.3.1 不同绕组形变缺陷的结构形变特征 236
4.3.2 基于外部参量检测的变压器绕组变形辨识方法 239
4.3.3 基于内部参量检测的变压器绕组变形缺陷辨识方法 250
4.4 基于多参量融合的变压器缺陷溯源方法 258
4.4.1 变压器多参量融合缺陷溯源的基本思路 258
4.4.2 基于决策树模型的变压器缺陷溯源方法 260
本章小结 263
第 5 章大型变压器主动保护方法 265
5.1 基于放电特征的变压器主动保护方法 265
5.1.1 多参量特征变化机理分析 265
5.1.2 基于多参量关联性的外部干扰排除方法 273
5.1.3 主动保护方法构建 278
5.1.4 主动保护原理试验验证 285
5.2 基于游离气体特征的主动保护技术 293
5.2.1 变压器内部典型放电类缺陷下游离气体特征分析 294
5.2.2 非故障情况下游离气体特征分析 297
5.2.3 融合游离气体多维特征的数字式瓦斯保护技术 300
5.3 基于漏磁特征的轻微匝间故障保护 304
5.3.1 变压器内部漏磁场理论计算 304
5.3.2 变压器内部漏磁场仿真计算 306
5.3.3 基于漏磁特征的变压器轻微匝间保护技术 315
本章小结 320
第 6 章变压器常规保护性能提升方法 321
6.1 基于主磁通实时估算的变压器差动保护 321
6.1.1 变压器主磁链与端部电压突变关联规律 321
6.1.2 基于主磁通估算的变压器差动保护方法 328
6.1.3 基于主磁通实时估算的差动保护方法性能验证 330
6.2 变压器数字式压力保护 335
6.2.1 变压器内外部故障下油箱内部压力差异性特征 335
6.2.2 基于压力幅值特征的变压器数字式压力保护 337
6.2.3 基于压力波动特征的变压器数字式压力保护 340
本章小结 342
第 7 章变压器动态安全裕度评估与主动调控方法 343
7.1 变压器状态分级及安全裕度评估方法 343
7.2 变压器的载流安全裕度估计方法 346
7.2.1 输变电通道过载耐受能力分析 346
7.2.2 变压器过载耐受能力计算方法 351
7.3 系统紧急状态时的协同安全调控方法 357
7.3.1 基于设备过载状态的自适应主动安全控制 357
7.3.2 基于分钟级电网运行方式调整的变压器转供优化 366
7.3.3 变电站内并联运行变压器的负荷控制优化 377
本章小结 388
参考文献 389

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