（电力系统及其自动化专业论文）变压器纵差动保护及励磁涌流识别技术的研究.pdf

摘要 长期以来，差动保护一直是变压器的主保护之一，该保护中最关键和最困难的问题 是如何防止励磁涌流所导致的差动保护误动作。围绕上述问题，继电保护研究人员提出 了很多励磁涌流的识别判据。本文首先分析总结了现有的识别方法，并提出了相应的改 进措施。 本文的主要工作有： ( 1 ) 分析比较了现有的二次谐波制动原理的特点及其适用情况。 ( 2 ) 分析了基于电流相关性的励磁涌流识别方法；对于间断角较小的波形，提出 了相关系数模糊区的概念来增强识别的可靠性的措旆。 ( 3 ) 分析了综合利用电压和电流量的励磁涌流识别判据的优缺点。 ( 4 ) 总结了近年来出现的实现变压器保护的薪原理和新的识别方法。 关键词：变压器保护，励磁涌流，t a 饱和，差动保护 a b s t r a c t d i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o nh a sb e e nam a j o rp r o t e c t i o no f 扛a i l s f o 衄e rhal o n gt i m e 。h o wt op r e v e n tt h e i n r u s hc a u s i n l gm a l f u n c t i o ni nd i 胁n d a ip r o t e c t i o ni sak e ya n dd i f f i c u l tp r o b l e m m a n yu e w p r o t e c t i v e s c h e m e so fd i s t i n g u i s h i n gt h ei n r u s hh a v eb e e np u tf o r w a r da r o u n dt h i sp r o b l e mb yr b s e a r c hw o r k e r t h e p a p e ra n a l y z e st h ee x i s t e n tm e a r l sa n dp r o v i d e st h en e w 姆d t h m st os o l v et h e s ep r o b l e m s t h em a j o r c o m b u s t i o n s o f t h i sd i s s e r t a t i o n a r e a s f o l l o w s ： ( 1 ) t h ec h a r a c t e r so f s t o p p i n gp r i n c i p l eu s h a gd o u b l e - h a r m o n i ca l es t u d i e d ( 2 ) b yr e s e a r c ht ot h ed i s t i n g u i s h i n gi n r u s hb a s e do nc u r r e n tr e l a t i v i t y , t h ec h a r a c t e r so f t h i sn e ww a y a r ep o i n t e do u t ( 3 ) t h em e r i t sa n dd e m e r i t so f t h ed i s t i n g u i s h i n gi n r u s hu s i n gv o l t a g ea n dc u r r e n ta r er e s e a r c h e d ( 4 ) t h ef l e wp r i n c i p l e sa n dm e a n so f d i s t i n g u i s h i n gi n r u s hi nt h ep a s tf e wy e a r sa r es u m m a r i z e d l if e n g r o n g ( e l e c l r i cp o w e rs y s t e ma n da u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f l i uj i a n f e i k e yw o r d s ：t r a n s f o r m e r sp r o t e c t i o n ，i n r u s h ，c u r r e n t 1 r a n s f o r m e r ss a t u r a t i o n ，d i f f e r e n t i a l p r o t e c t i o n 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文变压器纵差动保护及励磁涌流识别技 术的研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作 和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：盔! 垫整日期： 御# - f r 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：盔! 塾垫导师签名：垒型建飞 日期：2 鲤：! ：! !日 期：显型：! ：! 夕 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题背景及意义 第一章绪论 电力变压器是电力系统的重要组成元件之一，它的故障祷对供电可靠性和系统 的正常运行带来严重的影响。同时，大型变压器造价昂贵，一旦发生故障遭到损坏， 其检修难度大、时间长，会造成很大的经济损失。此外，随着超高压远距离输电线 路在系统中越来越多地投入使用，大容量变压器相应地日益增多，特别是在单台容 量占系统容量比例很大的情况下，故障变压器的切除，可能给系统造成很大的扰动。 因此，在考虑大型变压器继电保护的总体配置时，除了保证其安全运行外，还要最 大范围地缩小故障的影响，特别要防止保护装置误动作或拒绝动作。 近十年来，我国2 2 0 k v 及以上变压器保护正确动作率( 如表1 - 1 所示) 一直徘 徊在6 0 8 5 之间，远低于线路保护的正确动作率( 9 9 以上) 。 表1 11 9 9 5 年2 0 0 3 年全国变压器保护动作情况统计 牵 1 9 9 51 9 9 61 9 9 71 9 9 8 1 9 9 92 0 0 0 2 0 0 1 2 0 0 22 0 0 3 动作情流 动作总次数 3 2 0 3 0 62 1 32 1 b2 0 62 0 12 5 2 2 1 42 0 6 正确动作 2 2 2 2 2 51 3 41 4 51 3 81 5 12 0 6 1 6 01 5 7 次数 正确动作率6 9 4 0 7 3 5 0 6 2 9 0 6 6 5 1 6 6 9 9 7 5 1 2 9 2 5 4 7 4 ，7 7 7 6 2 1 造成变压器保护拒动和误动的原因有多方面，如管理的不足、运行维护不当、 设计不合理等，但更主要的是变压器保护在原理上存在一定的缺陷，其关键问题主 要有两个：一是作为变压器主保护的差动保护在原理上存在不足之处，二是用于识 别励磁涌流的方法不十分准确。因此，要提高变压器保护的正确动作率，其当务之 急是发现新的保护原理和准确识别励磁涌流的新方法。 1 2 变压器保护研究的现状 从工程应用的现状来看，世界上大多数国家都将纵差动保护作为变压器主保护 的主流配置。差动保护的理论依据是基尔霍夫电流定律，用于纯电路设备时，其性 能优良，如在发电机和线路中的差动保护充分体现了差动保护选择性好、灵敏度高 华北电力大学硕士学位论文 和动作速度快的优点。但电力变压器和电力线路不同，由于电力变压器采用闭合铁 芯，其实质上是一个非线性元件，这种非线性对保护是非常不利的。在变压器运行 条件复杂的情况下，过励磁时励磁电流可达额定电流的水平；空载合闸或变压器外 部故障被切除后电压突然恢复时，励磁电流的大小有时可与短路电流相比拟，如此 大的励磁涌流可能足以使差动保护误动作。因此，变压器差动保护的主要矛盾是 如何准确鉴别励磁涌流和变压器内部故障。 励磁涌流是变压器特有的电磁现象，正常运行时，变压器铁芯工作在不饱和状 态，其相对导磁率很大，变压器的励磁电感也很大，因而其励磁电流很小，一般小 超过变压器额定电流的3 5 。当变压器空载投入时，它将受到一个阶跃电压的作 用，该电压将建立一个工作磁通使变压器最终能稳定运行。在磁通的建立过程中， 除非合闸初相角为9 0 0 ，否则将会产生一个附加的直流磁通，如果同时变压器铁芯 还存在剩磁，并且剩磁的方向与附加直流磁通的方向一致，则合成后的磁通将会周 期性地超越饱和磁通门槛，造成变压器铁芯饱和。一旦铁芯工作特性从不饱和区进 入饱和区，便会出现数值很大的励磁电流，此电流被称为励磁涌流，其值最大可达 变压器额定电流的乱8 倍。在三相变压器中，除了合闸初相角外，还有许多因素会 对励磁涌流的波形产生不同程度的影响，如电源电压的大小、系统等值阻抗的大 小和相角、变压器三相绕组的接线方式和中性点的接地方式、三相铁芯的结构、铁 芯硅钢片的组装工艺水平和铁芯材料等等。当励磁涌流经过电流互感器流入差动继 电器时，将会造成差动保护误动作。因此，如何防止励磁涌流造成差动保护误动作， 是目前变压器差动保护研究的主要工作之一。 根据对变压器空载合闸时的模型分析可知，在时变的过程中，合成磁通总是在 铁芯磁化曲线的饱和区和非饱和区间来回变化，从而导致了励磁涌流在非饱和区出 现了闻断角，而在饱和区出现很大的数值。从仿真波形上可以看出，空载合阐时的 励磁涌流具有以下特征呛，： ( 1 ) 包含有很大成份的非周期分量，往往使涌流波形偏于时间轴的一侧； ( 2 ) 包含有大量的高次谐波，其中以二次谐波为主； ( 3 ) 波形之间出现间断，在一个周期中的间断角为a 。 基于上述特点，在变压器差动保护中采用了许多识别励磁涌流的方法，归纳起 来主要有以下几个方面： ( 1 ) 谐波识别法，如利用二次谐波对差动保护进行制动r _ 3 3 ( 2 ) 波形特征识别法，如间断角原理 4j 波形对称原理 5j 波形拟合原理 和波形相关性分析噶1 等，后几种方法都是以间断角为基础发展起来的； ( 3 ) 磁通特性识别法，如磁通一电流特性、磁通对电流变化率电流特性、 电压一一磁通对电流变化率特性r 9 励磁电感的时间特性0 1 等等； ( 4 ) 等值电路法3 。 2 华北电力大学硕士学位论文 在以上诸多方案中，得到广泛认同的是利用二次谐波制动和间断角原理构成的 判据。目前在国内外实际投入运行的微机变压器保护大多采用这两个判据。 利用上述识别涌流方法构成的变压器差动保护，均有其各自的特点如下所述。 1 2 1 谐波识别原理 谐波识别法是利用电流或电压中谐波含量的多少来区分励磁涌流和变压器内 部故障。其中利用二次谐波电流鉴别励磁涌流的方法应用较为广泛。二次谐波制动 原理是通过计算差电流中的二次谐波分量的大小来判别涌流，其原理简单明了，而 月有多年的运行经验，目前国内外投入运行的微机变压器保护大多采用此原理。但 是，采用二次谐波制动原理构成的变压器差动保护面临着以下几个问题： ( 1 ) 励磁涌流是暂态电流，不适合用傅氏级数的谐波分析方法。因为对于暂 态信号而言，傅氏级数的周期延拓将导致错误的判断。 ( 2 ) 很难适当选择制动系数。 ( 3 ) 现代大型变压器磁特性的变化使得涌流中二次谐波的含量减小，而大容 量变压器和远距离输电的发展，又使得内部故障时暂态电流中含有较大的二次谐 波，从而造成保护识别困难，动作延时。 1 2 2 间断角原理 间断角原理是基于励磁涌流的波形特征的一种识别方法，它通过检测差电流间 断角的大小来判别励磁涌流，根据此原理构成的模拟式变压器差动保护曾经在我国 得到广泛的应用。但进入微机保护时代后，间断角原理的变压器差动保护在主要存 在以下两个问题： ( 1 ) 需要较高的采样率以准确地测量间断角，这对c p u 的计算速度提出了更 高的要求。 ( 2 ) 涌流间断角处的电流非常小，几乎接近于零，而a d 转换芯片正好在零 点附近的转换误差较大，因此需要高分辨率的a d 转换芯片。 此外，当差电流较小时，其中的谐波含量和频率的变化对间断角测量的影响比 较大。因此基于间断角原理的微机保护在系统振荡时有可能误动。再者是具有间断 角的电流经过电流互感器后，间断角可能减小甚至消失，这也给间断角原理识别励 磁涌流带来了困难。 1 2 3 波形对称原理 波形对称原理是在间断角的基础上发展起来的，其基本思想是将差分后一个周 华北电力大学硕士学位论文 波的采样电流进行分析和处理，通过比较差分电流波形的前半周和后半周的对称度 来区分励磁涌流和变压器的内部故障。由于其将多种特征量综合考虑，所以保护的 性能得以提高。 从波形对称方法的原理来看，只要励磁涌流有明显的特征，故障电流畸变较小、 谐波含量较少时，该方法便可以实现快速出口和可靠闭锁于涌流。但是，当故障电 流畸变严重时，则需要延时出口。 1 2 4 波形相关性原理 波形相关陛原理是利用励磁涌流的饱和段与非饱和段之间的形状、大小和变化 率的差异来区分励磁涌流和变压器内部故障。具体来说，就是将一周波数据窗内的 波形用适当方法重组后分为两部分，通过比较这两段波形的相关性来判别励磁涌 流。 该方法实现的关键问题之一是确定被比较的两段波形，所以波形重组原则是决 定算法优劣的关键因素，它直接关系到判据的可靠性。另外，整定值的确定还有待 进一步研究。 1 2 5 磁通特性鉴别原理 由融磁涌流产生的桃理可知，在变压器空载合阕的过程中，合成磁通总是在铁 芯磁化曲线的饱和区和非饱和区之间来回变化，从而导致了励磁涌流在非饱和区出 现间断角，而在饱和区出现很大的数值。因此，变压器铁芯的饱和是产生励磁涌流 的主要原因。如何利用变压器磁通特性来识别励磁涌流是一个比较新的研究方向。 1 2 6 等值电路参数鉴别原理 文献 u 提出了一种基于变压器导纳型等值电路参数的鉴别方法。对于一个 三绕组变压器而言，无论是励磁涌流还是变压器内部故障，其等值电路均可用图1 1 表示如下： 4 华北电力大学硕士学位论文 班s p r i m t r y 图1 1 三绕组变压器等值电路图 上述等值电路具有以下两个特点： ( 1 ) 导纳y 1 3 、y 2 3 和y 1 2 是与变压器运行状况无关的常数； ( 2 ) 导纳y l o 、y 2 0 和y 3 0 与变压器的运行状况相关，在内部故障和励磁涌流 两种情况下，它们表现出极大的不同。假如主绕组1 在最外层，绕组3 在最里层， 则励磁涌流时y l o 和y 3 0 为大于零的常值；而在变压器内部故障时，故障绕组的导 纳( y l o 、y 2 0 或y 3 0 ) 随故障匝比的增加而增加，但非故障绕组的导纳就几乎为零 或稍微变负。 因此，根据导纳y 1 0 和y 3 0 的瞬时值便可区分励磁涌流和内部故障。但是，该 方法需要获取变压器漏电感参数，以求取y 1 3 、y 2 3 和y 1 2 ，进而根据实时采样得到 各相绕组电压和电流值，然后再计算瞬时导纳y l o 和y 3 0 ；而且卣和卣的整定较难。 除上述几种原理的识别方法外，还有一些利用数学领域的最新成果识别励磁涌 流的方案，如小波分析、模糊理论、人工智能和分形理论等等。就目前发表的文献 看，这些手段只是局限于对电流波形进行一些简单的加工，其应用的潜力还有待于 进一步的研究探索。 综上所述，由于二次谐波原理的固有缺陷以及各种与差电流波形有关的原理还 不成熟，因此在今后相当长的一段时间内，加速研制变压器差动保护的新型制动方 案非常重要。从技术角度来说，由于变压器发生励磁涌流时铁芯磁路饱和，变压器 是一个非线性的时变系统，其电流和电压并非线性相关，而是系统中两个独立的变 量。所以，只有应用电压、电流两个状态变量同时表述变压器的运行状态，才具有 信息完备性n 引。 近年来，利用变压器的励磁支路非线性特性来鉴别励磁涌流的方法逐渐受到关 注。由于变压器励磁铁芯的非线性导致了磁通密度过大时铁芯进入饱和状态，产生 励磁涌流，所以励磁铁芯所处状态的不同是励磁涌流与内部故障的本质区别。因此 开展对励磁支路非线性特性的研究是一项前景较好的工作。 1 3 本文工作 华北电力大学硕士学位论文 由于传统的二次谐波制动判据在应用于大型变压器时，因励磁涌流中二次谐波 含量较低可能导致保护误动作，本文通过比较四种改进型二次谐波制动判据的优缺 点，进而得出“综合相制动”判据可较好地识别励磁涌流的结论。 与二次谐波和波形间断原理相似，波形相关原理也是根据涌流的波形特征而构 成的一种新的识别方法。本文对基于电流相关度的两种励磁涌流识别方法进行了深 入的分析，该方法识别轻微小匝比短路的能力强、动作速度快、灵敏度高，但当涌 流间断角较小且出现对称时，可能出现误判。为此本文提出了设立相关系数模糊区 的概念来增强识别可靠性的措施，即当相关系数位于模糊区内时，延时r 时刻再进 行计算，若求得的波形相关系数k 持续增大时，判为内部短路，否则判为励磁涌流。 基于磁通特性的识别方法，是从励磁涌流产生的本质出发，通过提取磁通变化 特征来识别励磁涌流。近年来，随着研究人员对变压器保护新原理的不断探索，该 方法有了较大的发展。本文分析比较了利用磁通特性识别涌流的四种判据的特点， 结果表明，与其它三种方法相比而言，基于电压与电流微分比值的判据，不仅判据 清楚、数据采集方便，而且动作快速、准确，所以应具有更好的应用前景。 由于变压器保护的特殊性，因此对变压器保护的新原理和新方法的研究和探索 从未停止过，尤其是近几年来，随着相关理论和技术的发展，出现了许多新原理和 识别方法。本文对其中广受关注的三种进行了深入分析和对比。 综上所述，本文主要在理论上做了以下几项工作： ( 1 ) 分析比较了四种改进型二次谐波制动判据的原理和特点，得出如下结论： “综合相制动”方法采用三相差动电流中二次谐波的最大值与基波最大值之比构成 制动，由于通过权系数的选择考虑了差动电流中基波大小对谐波比选取的影响，同 时考虑了三相谐波比的大小，因此较之其它三种判据，可较好地识别励磁涌流、提 高保护的速动性。 ( 2 ) 通过对最大面积法和波形重组法这两种基于电流波形相关度的识别涌流方 法的进一步研究，针对涌流间断角较小时上述方法可能出现误判的问题，本文提出 了设定判别模糊区 曲，岛。】，然后根据延时r 时刻后求得的波形相关系数芷的变 化趋势作进一步的判断，若相关系数有增大趋势，判为内部故障，反之则判为励磁 涌流。仿真数据表明该方法是可行和有效的。 ( 3 ) 对利用磁化曲线与差动电流的关系识别励磁涌流、磁通幅值大小识别涌 流、磁通轨迹识别励磁涌流、电压与电流微分比值原理识别励磁涌流四种基于磁通 特性的识别方法进行了详细的分析比较和仿真实验。结果表明，前三种方法分别具 有整定复杂、数值小稳定和计算量大以及小匝比情况下识别能力差等缺点。而基于 电压与电流微分比值原理识别励磁涌流的方法因为无需知道变压器的磁化曲线及 华北电力大学硕士学位论文 漏感参数，所以具有原理简单、数据采集方便、计算量小等优点，而且可根据比值 系数的大小和变化趋势快速判断变压器的状态，提高了保护的速动性。所以与其它 判据相比，该方法具有更高的实用价值。 ( 4 ) 对近年来出现的实现变压器保护的新原理( 基于数学形态学的识别方法、 基于拟合波形的变压器保护以及利用小波变换的人工神经嗍络实现的变压器保护) 进行了深入分析，通过对以上几种新的识别方法的分析可见，与传统的二次谐波制 动和波形间断角原理相比，这些保护实现方法均有其各自的优越性。尤其是利用数 学形态学方法的新原理，创造性地设计并采用了一种峰谷检测器，用于提取电流波 形的波峰和波谷点，在计算峰谷点之间数学形态梯度的基础上，创新性地提出“三 面积比较法”。该方法能够定性地区分变压器励磁涌流和故障电流，不需要整定值， 与变压器的型号和参数无关，不受衰减非周期分量的影响，而日其计算量小、算法 稳定、具有较好的抗c t 饱和能力。 7 华北电力大学硕士学位论文 第二章对二次谐波制动原理变压器差动保护的分析 2 1 引言 与短路电流相比，励磁涌流中含有大量的二次谐波，二次谐波制动原理正是利用 差动电流中二次谐波与基波模值比来识剐励磁涌流的。该方法原理简单、运行经验 丰富，在电力系统保护配置中得到了广泛应用。 二次谐波制动的判据为： 1 d 2 k 2 d ( 2 i ) 式中i 。：为差动电流中的二次谐波电流；k ：为二次谐波制动系数；1 。为差动电 流。 当式( 2 1 ) 满足时，判为励磁涌流，闭锁纵差动保护；当式( 2 1 ) 不满足时， 开放纵差动保护。 2 2 二次谐波制动原理面临的问题 随着电网电压等级的提高和大容量变压器的使用，当变压器和远距离、超高压 输电线路相连以及大型变压器铁磁材料利用率提高时，用二次谐波识别励磁涌流可 能会造成保护做出错误的判断，使得保护误动或拒动。因此，应当采用一定的措施 或辅助判据防止此类事情的发生【1 4 1 。 2 2 1 变压器与远距离、超高压输电线路或电缆线相连 当系统带有长线路或用电缆线路连接变压器时，变压器内部故障时差动电流中 二次谐波含量可能较高，将引起二次谐波制动的纵差动保护拒动或延时动作。为解 决这一问题，文献【1 4 】提出了以下三种方法： ( 1 ) 采用差动电流速断保护； ( 2 ) 利用低电压解除二次谐波制动，即当电压低于额定电压的7 0 时解除二 次谐波制动； ( 3 ) 采用制动电流j 。与差动电流l 间比值小于某一值时解除二次谐波制动。 其中利用方法( 3 ) 解除二次谐波制动的判据为 i 。( k d( 2 2 ) 华北电力大学硕士学位论文 式中制动电流k = 毒l j ，一，：i ，j 。、j ：为流过变压器两侧的二次电流；差动电流 厶= k + ，：j ；置为解除二次谐波制动的比例系数。 当变压器内部故障时，菪短路电流为j p 两侧电流分配系数为c l 和c 2 ，则有： 生：i 旦l 厶f 2 ( m + 1 ) i ( 2 3 ) 式中m 为两侧电流分配系数之比，即珊= 导。式( 2 - 3 ) 表明，当。2 5 k ：幽1 ，潞1 ，出l 一2( 2 5 ) 在上述判据中，由于考虑了三相差动电流基波大小对谐波比的影响，在很大程 度上改善了最大相制动在带有故障相的变压器合闸时动作延迟的不足，但是在变压 器三相励磁涌流中，可能出现两相励磁涌流中的二次谐波含量较低，并且基波电流 最大相并不能代表该相的_ l d 2 最大，有时不能正确识别励磁涌流。因此，这种制动 1 d l 方式的制动比岛的设定不宜偏大。 ( 3 ) 分相制动 分相制动是指本相涌流判据只对本相保护实现制动，取三相差动电流中二次谐 波最大值与该相基波之比构成制动，其判据为： 竺也堂刈 吃 厶。 2( 2 6 ) 式中口= 口、b 、c 。 上述分相制动方式由于取出了三相差动电流中二次谐波的最大值，所以其识别 励磁涌流的性能较好，当带有故障的变压器合闸时，故障相的捌增大，开放本相 1 0 华北电力大学硕士学位论文 的保护将故障切除。但是，当变压器故障并不十分严重、而非故障相差动电流中二 次谐波含量又较大时，故障相保护仍不能开放。 ( 4 ) 综合相制动 综合相制动是采用三相差动电流中二次谐波的最大值与基波最大值之比构成 制动，其判据为： 蛊剿埔zm a x p 幽1 ，幽l ，出1 j ( 2 7 ) 若令世：。= 等，k z a2 等，：。2 鲁，同时令2 m a x l m l ，m ，m ，) ，三相 基波电流的权系数儿、以分别取为圪= 等，以= 每，以= 等，于是综合相制 动判据可表示为： = m a xt o k 2 。，7 b k 2 p 以k 2 。) k 2 ( 2 8 ) 若使用上述判据，当变压器带有故障合闸时，因故障相的存在使厶。增大，导致 非故障相的值下降，同时使故障相的k ：。降低，所以迅速使谐波比减小，开放保 护将故障快速切除。 另外，文献【1 5 】、 1 6 】中提出了两种新的算法和识别方法，其基本思想如下所述： ( 1 ) 文献 1 5 】中提出的解决方法是在传统二次谐波电流制动原理的基础上，增 加相角关系，利用二次谐波复数比定义基波与二次谐波之间的相位关系，并将其作 为识别励磁涌流的判别量。原文经模拟实验及结果分析，绘制出该决定量的运行特 性区域，它能有效地区分励磁涌流和内部短路路故障。该方法己成功地应用于通用 继电器的甲台上，不仅辨别能力强、提高了在励磁涌流情况下继电器的稳定性，同 时还能保持在内部故障时继电器的最优性能。但其缺点是该决定信号必须在适当的 运行区域内才能保证保护正确动作。 ( 2 ) 文献 1 6 】中识别方法的基本思想是当变压器因励磁涌流出现严重饱和时， 盈k 量，刈0 州 盟烈 亳| 1 删等 华北电力大学硕士学位论文 端电压会发生严重畸变，其中包含较大的谐波含量，因此可用它来鉴别励磁涌流。 与二次谐波制动相比，它能可靠鉴别涌流、闭锁保护。 2 3 结论 由以上分析可见，谐波比最大相制动方式在带有故障的变压器合闸时，由于非 故障相的二次谐波对故障相也实现制动，将导致纵差动保护延时动作。按相制动方 式，在变压器三相励磁涌流中，可能出现两相励磁涌流中的二次谐波含量较低，并 ， 且基波电流最大相并不能代表该相的善最大，有时不能正确识别励磁涌流。分相 l d l 相制动方式在变压器故障并不十分严重、而非故障相差动电流中二次谐波含量又较 大时，故障相保护仍不能开放，从面造成保护拒动。而利用综合相制动判据识别励 磁涌流时，不仅考虑了差电流中基波大小对谐波比选取的影响( 通过权系数 以、以) ，而且考虑了三相谐波比的大小，即可较好的识别励磁涌流，同时又提 高了当带有故障的变压器合闸时保护动作的速动性。 综上所述，综合相制动判据既结合了最大相制动和按相制动的优点，又弥补了 两者的小足，因此在大容量变压器中可采用这种制动方式代替传统的二次谐波制动 方式。 1 2 华北电力大学硕士学位论文 第三章对利用电流波形相关性进行励磁涌流识别判据的分析 3 1 引言 变压器空载合闸时所产生的励磁涌流与故障电流的明显区别是：波形出现间 断、含有谐波分量、波形偏于时间轴的一侧。根据这些特点，在理论和实践中出现 了许多行之有效的识别励磁涌流的方法，利用波形相关性识别励磁涌流便是其中之 3 2 波形相关性分析 文献 7 】提出了一种利用电流波形相关性分析来识别励磁涌流与内部故障的方 法。该方法的基本思路是：利用励磁涌流的饱和段与非饱和段之间的形状、大小和 变化率的差异，将一周波数据窗内的波形用适当的方法重组后分为两部分，通过比 较这两部分波形的相关度来识别励磁涌流和内部故障。该方法实现的关键是如何确 定被比较的两段波形。 3 2 1 波形相关性分析方法一 文献 8 】采用了最大面积法，其基本思路如图3 1 所示 图3 - l 等周期延拓的内部故障电流波形图 将一个周波的采样信号等周期延拓一周，形成一个两周波长的数据窗，得到 x 0 ) ，即 x ( r ) = f ( f ) 当o t t ( 3 一l a ) 工( f ) = i ( t 一7 1 )当t t 2 t ( 3 一l b ) 在【o ，t 】内逐点向后截取半个周波的信号，并计算该波形覆盖时间轴的面积s ( 0 ， 1 3 华北电力大学硕士学位论文 即 s ( r ) ：r 2 印0 t t d ( 3 - 2 ) 取其中最大面积对应的起点作为波形比较的起点，从该起点向后截取一个周波 的采样信号，将其后半周波对时间轴翻转后得到y 序列再与前半周波x 序列做相关 性分析。 对于故障电流，除工频信号外，仅含有直流分量，前半周与后半周取反后的波 形完全相关；对于非对称性的励磁涌流，c t 未充分饱和时，上述两个周波相关性 较差；对于对称性涌流，其对称性程度比非对称涌流高，但其与故障电流的情况仍 有较明显的区别。以上相关性是通过前后半周采样值的相关度分析的，两个波形越 相似，其相关度就越大，反之亦然。 文献 8 】提出了如下确定波形比较起点和计算波形相关度的判据： 女+ 2 - 】 s ( ) = i ( m o d ( j ) f 七= d ，n - 1 j = t ( 3 - 3 ) 当， n - 1 时，r o o du ) = 埘。 计算n 个s ( d 值，逐个比较s ( f ) ，其中最大值对应的k 值即为比较数据窗的起 点七一。 起点确定后，波形重组为x 、y 序列，利用下式求取波形相关系数j ： j ：百c o v ( x , y ) + 婴( 3 - 4 ) 文x )文x ) j c o y ( 匕，r j 为信号x 与y o ) 的协方差系数，其表达式如下： c o v ( x ，y ) = e ( x e 3 一占( z ) e ( 聊 ( 3 5 ) 盯2 ( x x 盯2 ( y ) 分别为x ( f ) 与y ( f ) 的均方差，即 盯黧姐i 竺! 2 ( 3 - 6 ) 一( y ) = e ( y 一占( r ) ) 2 1 4 华北电力大学硕士学位论文 其中怨为动态的可靠系数。 式( 3 - 4 ) 中等部分与相关系数反，朋= 器的区别在于用0 - 2 ( x ) 4 2 0 - ( r盯。( x 1“盯( 爿) ) 替了n 硝) 分母中的盯( z ) + 盯( y ) 。对于间断角未消失的非对称励磁涌流而言，盯( 工) 远 大于盯( d ，此时波形系数d 远小于相关系数所。1 ；对于仅由直流和周期信号组成的 故障电流而言，盯( x ) 等于盯( y ) ，因而j = n 硝) 。在理想情况下，励磁涌流的q 硝) 本 来就小于故障电流的日柚) 。因此，根据波形系数即可有效地区分励磁涌流和故障电 流。 通过观察差电流波形发现，当出现典型的励磁涌流情况时，根据均方差的计算 公式( 3 - 6 ) ，此时最大面积的均方差要远大于最小面积的均方差，即 盯2 ( 即t r 2 ( ) 1 。 此方法充分利用了大面积均方差盯( 爿) 和小面积均方差盯( 】，) 所包含的信息，因 此将严重故障时出现非周期分量的不利情况转换为有利条件，加大了此时的相关系 数，加速保护出口。而在励磁涌流时，又在原有基础上进一步减小了相关系数，从 而加大了判据裕度。具体分析证明过程见文献 7 。 3 2 2 波形相关性分析方法二 采用最大面积法将一周波数据窗内的波形重组为尽量不相关的两部分，即x 序 列和y 序列，对这两个离散信号进行相关性分析。设一个周波的采样点数为n ，则 这一段时间内的两部分电流波形的相关系数为： ，2 x ( i ) y ( o 如= 面产一 ( 3 - 7 ) ( x 2 ( 渺2 ( f ) ) ，= l 在式( 3 - 7 ) 中，当x ( n ) 枷( 雄) 中有一个为零时，此时分母为零，全式无意义： 当n = i 时，不论x ( 订) 年吵( 雕) 为何值，式( 3 - 7 ) 始终为1 ，无法区分两个信号的差别。 华北电力大学硕士学位论文 为了避免这些情况、并更容易区分两信号的差异，将式( 3 - 7 ) 修正为 z ( 渺( f ) 户w = 可岩1 河广- m a x ( z x 2 ( d ，z y 2 ( f ) ) ( 3 - 8 ) 可以用式( 3 - 8 ) 所求得的相关系数p 。来表示某段时间内1 ，2 点的两个离散 信号工( 玎) 干吵( 疗) 之间的相关度。计算数据窗长n 的取值也可长可短，式( 3 8 ) 的计 算结果为l 岛，l 1 。当两个波形完全相同，即工( 以) = ) ，( 弹) 时，相关系数p 。= l ；当两 个波形相位相反，即x ( 玎) = 叫( 胛) 时，相关系数p 。，= 一1 。通过前后半周采样值的相 关系数分析可知：两个波形越相似，其相关系数就越大，反之亦然。因此，利用这 一特点便可识别励磁涌流和内部故障。 3 2 3 波形相关性原理的验证 e m p t 仿真用的变压器为匕一1 1 接线，其仿真的匝间短路和空投匝间短路都 是侧a 相匝间短路。幅值和相位变换采用下面变化方式： y 侧： 亿= i b i 。 ；t 一( 3 9 ) i i 。；一t 侧： ( 3 1 0 ) 下面分别以3 0 度空投涌流和a 相5 匝间短路为例，对比验证两种电流波形相 关性方法。 ( 1 ) 3 0 度空投涌流 通过观察仿真计算结果图3 2 ，可以发现：方法一在空投的第一个周波时计算 的相关系数较低，但c 相的波形相关系数较大，其值为0 8 2 ，随着时间的推移相关 系数增大且呈现出振荡的特点。方法二在对称性涌流时计算的相关系数最大值为 o 2 5 ，随着时间的推移，计算的相关系数较稳定，最大值为o 3 6 ；当涌流偏向侧 时，波形相关系数为负值。通过波形可以看出，方法二的稳定性好于方法一。 1 6 0b七 = = = h m 一 华北电力大学硕士学位论文 臻 方鬻 竣i ： 麓 。麓 t b 、t 戆“ 慧 4 # m 麓 流e 厂 坳绷鳓 7 u w u u 0 妒m 脚 “ 女 4 # 女_ t i # ae e o t # m m _ - # 蝴 v b * 。_ 雌 l 潜坩v !删vv 多州w v v v u 乙 a 图3 - 23 0 度空投涌流时的相关系数和差流波形 ( 2 ) a 相5 匝问短路 匝间短路发生在t = 0 0 2 s ，即一个周波后，取故障后一个周波的数据进行相关系 数计算分析，如图3 3 所示。 。 力茎 法： 匀： 江i 耄 差 蕤 惹 氏 v黼 ， 少删 型 轧 人 ， -。 蝴 图3 - 3 a 相5 匝间短路时相关系数和差电流波形 通过观察图3 3 的仿真计算结果可见：方法一在故障后一一个周波时计算的相关 1 7 瓣娃榭黼瓣瓣蝴瓣锵锩麟错锛材麟蝴蝴黼嵫瓤撼瓣。麟 “嚣甚“噶塞嚣鬈鬈鬈 华北电力大学硕士学位论文 系数较高，其中c 相的相关系数最低，其值为o ，8 5 。方法二在故障后一个周波时计 算的相关系数较低，最大相关系数为o 1 4 ，波形相关系数随着时间的推移而增大。 由此可知，方法二受非周期分量的影响较大，而方法一的稳定性较好。 对比两种方法在空投涌流和匝间短路时的计算结果，可以发现非周期分量的存 在会使得在匝间短路和励磁涌流间出现误判的情况。为了消除非周期分量的影响， 可采用差分滤波去掉部分非周期分量， ( 3 ) 差分处理后的3 0 度空投涌流 。 如 撼 法慧 4 苍 匀啦 法篓 搿 柏 葬主 舔襄 的怒 o 瓣 n 默n ；n ， 文珧枞 嚣 “篙 嚣 饕 辑 墙 凸骚 端 啪 m 啦o “ 慨 剧埘 批 魄 弋黼 图3 - 4 差分后的3 0 度空投时相关系数和差流波形 由图3 - 4 可见，经差分处理后空投涌流时，波形的间断角部分较差分前小，波 形对称特征增强，如c 相电流，利用方法一计算出的结果接近于1 ，有误动的可能。 ( 4 ) 差分处理后的a 相5 问短路 由图3 5 可见，匝间短路情况下，由于差分去掉了部分非周期分量，方法二计 算出的结果较差分前的效果有明显的提高，相关度都接近于l 。 分析表明：匝间短路的故障相相关系数都较大，但受非周期分量影响较大；差 分处理后影响较小，识别能力提高，空投涌流时，间断角较大的波形相关系数较小。 因此，只要合理设置相关系数门槛，能够准确识别励磁涌流和匝问短路。 镍渊拍瓣蛳懈磷怂甜群啪獭躺撼啦黔。锵砌能 “ 华北电力大学硕士学位论文 九 o _ 一 。_ d -l_i 蝴 一 ；i ；f 蛰 图3 - 5 差分后的a 相5 匝问短路时和相关性波形 3 2 4 波形相关性原理的改进 通过以上计算结果发现，对于间断角较小的波形，绎差分处理后，间断角变得 更小且波形呈对称趋势，增加了识别难度。为此，引入定值模糊区的概念来增强识 别的可靠性。 当差流波形间断角较大时，经过差分滤波处理后，前半波和后半波差别较大， 则求得的波形相关系数较小，当小于。时，判为励磁涌流；当差流波形经差分滤 波处理后，得到的波形前半波和后半波的波形相关系数较大，大于。时，判为内 部故障。这对于理想的波形来说，波形对称判据就可以准确而迅速地识别励磁涌流 和内部故障。 当差流波形间断角较小时，波形相关系数存隧纽，托。】之间的情况，如果盲目 地做出判断，就有可能出现误动或拒动。为此将 如。】之间设为模糊区，为了 准确识别励磁涌流，可延时r 时刻再进行波形相关系数的计算，即取 = 3 ”2 阢) 协 相应的波形比较起点和计算波形相关度也延时一个周波t ，即 1 9 ( 3 1 1 ) 华北电力大学硕士学位论文 s ( ) 9 ( f n o d ( ，) ) i g = - n ，2 n - 1 ( 3 1 2 ) j 曲 当j 2 n - 1 时，m o d ( ，) = 2 n - j 。 若求得的波形相关系数足持续增大时，判为内部短路；若波形相关系数变小时， 则判为励磁涌流。如图3 - 6 所示。 图3 - 6 中左图为差分后励磁涌流的相关波形，右图为差分后的a 相5 匝间短 路时的相关性波形。通过观察波形可见，涌流时第一个周波电流差分处理后的相关 系数为o 7 1 ，表明差分后的波形相似程度很高，如果相关系数门槛值设置较低时， 有可能误判为匝问短路。因此，延时r 时刻进行判断，在匝间短路的情况下，相关 系数呈增大趋势；而在空投涌流时，相关系数有降低趋势。在相关系数有降低趋势 时，判为励磁涌流，闭锁保护。 这种在判别模糊区内，为防止保护盲目判断，根据参数的变化趋势做更准确识 别的方法借鉴了自适应保护的思路，从而增加了保护动作的可靠性。 图3 - 6 差分后的励磁涌流和a 相5 匝间短路时的相关波形 3 3 波形相关性原理与二次谐波制动原理的比较 由于现代变压器磁特性的变化，涌流时二次谐波含量较低，增加了识别励磁涌 流的难度。下面以一组涌流时的t e q s i m 数据为例，比较两种识别方法的效果。一 个周波为3 0 点采样，如图3 7 所示。 图3 7 ( a ) 为间断角6 0 0 时的差流涌流波形；图( b ) 为采用二次谐波制动时的 2 0 摊协镰酗似船蛳埘辩啪擞。参薹黜 华北电力大学硕士学位论文 波形分析；图( c ) 为利用波形相关性分析( 方法二) 的波形。由图( a ) 、( b ) 可见， 当间断角较小时，涌流波形中的二次谐波数值下降，二次谐波与基波的比例( 图( b ) 中的曲线) 在最初的周波时仅为8 ，这样必然引起保护的误动作。而利用波形相 关性的分析方法，数据窗长为1 8 点，如图2 7 ( c ) 所示，在励磁涌流时求得的波 形相关系数非常低，保护不会误动作。 tc 、 嘉 # | 董 t 。 # 。： 口 嘲 、h h i h | 。； 墨。、 | | | | 曩蕊 ( b ) ( c ) 图3 7 两种识别方法的对比分析图 2 l 华北电力大学硕士学位论文 3 4 结论 通过对电流波形相关性判据的分析可以看出，波形相关原理充分考虑了电流波 形的形状、大小和相位等因素，比单纯从电流波形中提取一个方面的特征量( 如二 次谐波) 等判据更准确。 对于间断角较小的波形，经差分处理后，间断角变得更小且波形呈对称趋势， 增加了识别难度。因此引入判别模糊区的概念来增强识别的可靠性，当延时r 时刻 求得的波形相关系数置持续增大时，判为内部短路，否则判为励磁涌流。仿真结果 表明，该方法可准确地识别励磁涌流，从而增加了保护动作的可靠性。 电流波形相关性判据实现的关键问题之一是波形的重组原则，直接影响到判据 的可靠性。另外，整定值的确定还有待进一步的研究。 华北电力大学硕士学位论文 第四章对基于磁通特性原理的变压器保护分析 4 1 引言 变压器差动保护的理论基础是基尔霍夫定律，即被保护对象由电路组成，在没 有故障的情况下，不管外部系统有多大扰动，恒有，= o ，式中为被保护对象 2 l 第f 个端子电流向量。但对于变压器来说，它有玎个绕组和一个公共铁芯，即疗条 电路和一条公共磁路，那么就有，= ，。0 ，式中l 为变压器的励磁电流。当变 l z l 压器空载合闸或切除外部短路故障时，l 可能非常大，它将进入差动回路造成保护 装置的误动作。 如果变压器在任何状态下都可以用一个相同的线性时不变模型来精确描述，那 么电流与电压之间是线性相关的，此时，只用电压量和电流量中的一个量构造变压 器的继电保护装置就足够了。但由于变压器磁路的存在，变压器在励磁