（电力系统及其自动化专业论文）基于小波理论的微机型变压器保护.pdf

a bs t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m yi no u rc o u n t r yr e c e n t l y ，t h e r eh a sb e e nm o i la n dm o r er e q u i r e m e n t o fp o w e r t h es i z eo fp o w e rs y s t e mi se n l a r g e dc o n t i n u a l l y ，s ot h ef u n c t i o no fl a r g et r a n s f o r m e ri np o w e r s y s t e mi sm o r ei m p o r t a n t ，a n dt h e r ei ss o m e n e w r e q u i r e m e n t f o rt h et r a n s f o r m e r p r o t e c 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 ni st h em a s t e rp r o t e c t i o nf o rt h ei m p o r t a n tp o w e rs y s t e m e l e m e n t sa l lt h r o u g h ，b u tm a g n e t i z i n g i n r u s hc u r r e n ti ss t i l lt h e p r i m a r y r e a s o nt h a tc a u s e st r a n s f o r m e r p r o t e c t i o nm i s s o p e r a t i n g ，s o d i s t i n g u i s h i n gb e t w e e nm a g n e t i z i n gi n r u s hc u r r e n ta n d i n n e rf a u l tc u r r e n tc o r r e c t l yi st h ek e yt h a te n s u r e t r a n s f o r m e rd i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o no p e r a t i n gc r e d i b i l i t y m a g n e t i z i n g i n r u s hc u r r e n th a so b v i o u s s i n g u l a r i t y , a n d w a v e l e tt r a n s f o r mh a s m u l t i - s c a l ea n dg o o dt i m e f r e q u e n c yl o c a lc h a r a c t e r i s t i c ，t h a ti ti sp a r t i c u l a r l yw e l la d a p t e d t oe x t r a c tt h ec h a r a c t e r i s t i co f s i g n a l se d g e a n d p e a kv a l u e ，a n d c a nc h e c ku pt h es i n g u l a r i t y w e l l t h i st h e s i sc h o o s e sb s p l i n ew a v e l e t t h a ta d a p t st ot h ea n a l y s i so f p o w e rs y s t e ms i g n a l ， a n du s e st h ew a v e l e tt r a n s f o r m e rt oa n a l y z et h em a g n e t i z i n gi n r u s hc u r r e n ta n di n n e rf a u l t c u r r e n t at r a n s f o r m e rm i c r o c o m p u t e rp r o t e c t i o nw a sd e s i g n e di nt h i st h e s i s ，a n di nt h eb a s e o fi n t e r m i s s i o na n g l ep r i n c i p l e ，an e wc r i t e r i o nw a se s t a b l i s h e d ，w h i c hp i e r c e st h r o u g ht h e t r a d i t i o n a lm e t h o dw i t ha c c u r a t em e a s u r e m e n to fi n t e r m i s s i o na n g l e ，b u ta n a l y s e st h ew a v e b yw a v e l e tt r a n s f o r m t h i sc r i t e r i o ni s l o w e ri n h a r d w a r e ，s oi t w i l lb er e a l i z e di nt h e e x i s t i n gh a r d w a r e t h i s t h e s i se d i t e dw a v e l e tt r a n s f o r mp r o g r a mw i t hb s p l i n ew a v e l e t a f t e rt h en e wc r i t e r i o na n di t sa r i t h m e t i cp r o g r a mi nt h i st h e s i sh a v eb e e nt e s t e dw i t h n o we x p e r i m e n t a ld a t a ，i th a sb e e n p r o v e d t h a tt h i sc r i t e r i o nc a n d i s t i n g u i s h b e t w e e n m a g n e t i z i n g i n r u s hc u r r e n ta n di n n e rf a u l tc u r r e n t w h e ni n t e r m i s s i o n a n g l em a yb e v a n i s h i n gi nt a s a t u r a t i o n ，t h en e wc r i t e r i o nc a na l s od i s t i n g u i s hc o r r e c t l yw i t h o u tm o d u l e t h a tm a k e st h ev a n i s h i n gi n t e r m i s s i o na n g l e i nc o n c l u s i o n ，t h i sc r i t e r i o nh a s a p p l i e dv a l u e k e yw o r d s ：t r a n s f o r m e r , d i f f e r e n t i a l p r o t e c t i o n ，m a g n e t i z i n g i n r u s h c u r r e n t ， i n t e r m i s s i o na n g l e ，w a v e l e tt r a n s f o r m ，s i n g u l a r i t y 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别特另, l d n 以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事对 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。如不 实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：起弦 2 。口( f 年弓月3j 日 学位论文使用授权说明： 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光 盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。 论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 巾廿 论文作者( 签名) ： 整叁加d 妒年- 7 月| ；j 日 河海人学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 电力变压器在电力系统中的重要作用 近些年，为适应工业用电和居民用电不断增长，我国电力工业快速发展，电力系统 规模不断扩大，逐步建立了完善的电力市场，尤其是越来越多的超高压远距离输电系 统投入运行，大容量变压器应用日益增多。电力变压器是电力系统中极其重要的电气 设备，联系着不同电压等级的网络。这些都使得电力变压器在电力系统中的作用更加 突出。在大型机组中运行的大容量变压器，起到了连接电网与机组的作用，特别是单 机容量与系统容量之比较大的情况下，虽然相对于输电线和发电机，变压器的故障比 较少，但是大型变压器一旦发生故障，大机组突然从系统中切除，会给电力系统造成 很大的扰动，因此它们的运行安全与否，直接关系到整个电力系统能否连续、正常、 稳定地工作川。大容量变压器又是十分昂贵的电力元件，一旦其因故障而遭到破坏，检 修难度大、时间长，会给经济造成十分严重的损失。 1 2 电力变压器保护的发展及现状 变压器的电气故障分为内部故障和外部故障。内部故障指变压器油箱里发生的各种 故障，主要有各侧绕组匝间短路、层间短路、中性点直接接地侧绕组的单相短路、油 箱内部的绕组对地( 对铁芯) 短路、内部引线和套管故障、各侧绕组相间短路【l 】。常见 的外部故障有套管和引出线上发生相问短路和接地短路【l 】。 目前，大容量变压器，特别是高压变压器的故障率有明显增加，其中占很大比例的 是匝间短路故障【2 】【”，主要是由于容量较大的变压器高压侧绕组采用了纠结式线圈。纠 结式线圈的纵向电容与传统连续式线圈相比大得多，可以显著改善变压器的冲击过电 压性能，但也带来了新的问题：纠结式线圈制造工序复杂，焊点增多，增加了绕组的 薄弱环节；更重要的是，纠结式相邻线圈匝间工频电压比连续式的高，而匝间绝缘厚 度为1 3 5 m m ( 自耦变压器) 或o 9 5 r a m ( 非自耦变压器) 【2 j ，较之连续式绕组绝缘厚度 并没有增加( 绝缘层的增厚必将导致纵向电容的减小) ，匝间绝缘、工艺水平不能满足 纠结式线圈匝间工频电压较高的要求，所以高压侧绕组匝问绝缘容易被破坏，匝间短 路故障有所上升。匝间短路电流产生的高温电弧会损坏绕组绝缘，烧毁铁芯，使绝缘 材料和变压器油受热分解，产生大量气体，可能引起变压器油箱爆炸，危害性很大， 河海大学硕士学位论文 第一章绪论 因此在变压器内部故障时，必须迅速地将变压器切除。 常用的变压器内部故障主保护为电流纵差保护及一些非电量保护口5 。其中变压器匝 间短路的保护主要是瓦斯保护和纵向差动保护( 此后简称纵差保护或差动保护) 。瓦斯 保护虽然可以反应于短路匝数较少时的匝间短路，但由于保护原理是变压器箱内油的 流速达到定值后保护才动作，因此该保护动作的速度不会很快；只要差动保护动作电 流足够小，纵差保护动作速度显然比瓦斯保护快，应该可以对变压器短路匝数较少时 的匝间短路起到保护作用m 】【5 1 。但是在变压器空载合闸时，或者变压器外部短路故障被 切除端电压突然恢复时，暂态励磁涌流的大小与短路电流相当，要保证此时差动保护 不误动，需要正确的区分励磁涌流和内部故障电流，这直是变压器差动保护中的难 点问题【6 】【7 1 。励磁涌流的判别方法在当前的应用及研究中。主要有如下几种方法阶】： 二次谐波制动、间断角原理、电压制动、磁通特性原理、等值电路法等；近些年来， 将新兴学科和方法( 如模糊集合论、专家系统、人工神经网络、小波理论等) 与传统 方法结合，运用到变压器的保护中也是研究的热点之一。 1 3 本课题的主要工作及研究意义 差动保护作为变压器内部故障的主保护，其主要误动原因是不能准确识别励磁涌流 和内部故障电流，因此对变压器差动保护的研究主要集中在励磁涌流的识别上。在变 压器励磁涌流和内部故障电流的识别上方法有很多，但许多还处于研究探索阶段，应 用到实际中最多的还是二次谐波检测，实际运行表明这种检测方法会在变压器空载合 闸、切除外部故障出现保护延时动作或是在发生内部故障出现保护拒动的情况【3 】。因此， 研究一种可靠鉴别励磁涌流判据对改善目前差动保护运行情况十分重要。 本课题的主要任务是： l 、分析励磁涌流的产生机理和特点，比较与内部故障电流的不同之处，分析比 较现有鉴别励磁涌流的几种方法。 2 、使用m a t l a b 的p o w e rs y s t e mb l o c k s e t 工具箱，建立励磁涌流及内部故障电 流仿真模型，取得仿真数据。 3 、利用小波变换对变压器的励磁涌流迸行特征提取，识别励磁涌流和内部故障 电流。 4 、设计基于小波理论的微机型变压器保护配置，提出新的鉴别励磁涌流和内部 故障电流判据。 河海火学硕士学位论文第一章绪论 1 4 本章小结 本章主要介绍三个问题。首先简要说明变压器在电力系统中的重要作用；其次介 绍变压器内部主要的电气故障，着重介绍变压器匝间故障产生的原因和目前应用的主 保护( 变压器纵向差动保护) ；最后介绍本论文完成的主要研究工作。 河海大学硕士学位论文第二章微机型变压器著动保护及励磁涌流分析 第二章微机型变压器差动保护及励磁涌流分析 7 0 年代中期，基于集成运算放大器的集成电路保护在电力系统继电保护占主导地 位。自1 9 6 5 年开始有人提议用计算机技术构成继电保护，国外对发电机和变压器等主 设备保护进行了微机化的研究，该项技术发展十分迅速，这一阶段主要是对微机型保 护的原理和算法进行研究，为微机型保护奠定了理论基础。随着数字计算机技术的飞 速发展，微机型继电保护进入了实用阶段，我国从8 0 年代初开始研制微机型继电保护， 不同原理、不同机型线路和主设备的微机型保护各具特色，为电力系统提供了一批性 能优良、功能齐全、工作可靠的继电保护装置，9 0 年代我国继电保护技术已进入微机 保护的时代【1 4 】。 2 1 微机型变压器差动保护 近些年来，随着计算机数字技术不断发展。微机型保护迅速崛起。电力系统微机 型继电保护正向多功能，智能化，可视化，高可靠性，易维护，运行和操作方便的方 向发展。微机型保护具有很强的自检功能、长记忆功能、极强的数值计算和逻辑处理 功能，逐渐成为变压器保护的主流。 2 1 1 微机保护的构成 微机保护装置实质上是一种依靠单片机智能地实现继电保护功能的工业控制装 置，与其它领域的数字设备一样也是由硬件和软件两个平台组成的。 微机保护硬件平台主要组成模块： ( 1 ) 信号输入模块：数字保护输入信号主要有两类，即开关量和模拟量。其中模拟 量输入模块一般包括低通滤波器( a l f ) 、采样保持器( s h ) 、多路开关、a d 转换器；开关量输入模块主要由数字量光隔输入、数字量光隔功放输出、中间 继电器等组成。 ( 2 ) 数据处理模块：以微型处理器为主的系统( c p u 主系统) 完成保护所有算法和 功能，包括微处理器、存储器、实时时钟、看门狗电路、定时计数器。可以是 单一或多c p u 系统，一般为了提高保护装置的容错水平，大多数保护装置已开 始采用多c p u 系统，特别是针对较复杂的保护装置，主保护和后备保护都是相 互独立的c p u 系统。 河海大学硕士学位论文第二章微机型变压器差动保护及励磁涌流分析 ( 3 ) 通信模块：该模块是构成成套保护装置的重要组成部分，主要实现保护装置与 后台主机间的遥控、遥调、遥测和遥视的功能，通常是由输入输出的串行接口 芯片构成。 ( 4 ) 人机接口模块：主要包括显示输出和键盘输入两个部分，这也是微机保护不可 缺少的部分。 微机型保护的软件平台主要包括装置初始化模块、数据采集管理模块、数字滤波 模块、保护逻辑判断与保护算法模块以及故障录波模块【1 8 。中断服务程序主要有定时 采样中断服务和串行口通信中断服务。 ( 1 ) 装置初始化模块 微机保护在上电后，需要对一系列的硬件模块进行初始化。其中包括对c p u 和相 关芯片的状态初始化，各种整定值的初始化以及装置上电软件自检。 ( 2 ) 数据采集管理模块 该模块主要负责对数据进行测量和分类管理，作为保护算法的数据基础。该模块 目前的方式主要有：程序查询方式、中断方式、直接内存存取( d m a ) 方式和多c p u 方式1 1 ”，其中以中断方式最为常用。 ( 3 ) 数字滤波模块 数字滤波器是继电保护中的重要环节。电压、电流信号经过保护装置转换成电压 信号后，先要经过硬件中模拟低通滤波器进行滤波，防止频率混叠，其截止频率一般 较高。电力系统中的信号是衰减的直流分量、高频分量以及各次谐波混杂在一起的， 只通过硬件手段将这些分量滤除，会使硬件滤波结构变得很复杂。因此只能对各种分 量采用不同的软、硬件方法分别处理：非周期衰减的直流分量通过电抗互感器来消除； 通过模拟低通滤波器消除6 次以上谐波及高频分量；电力系统中最常见的3 次和5 次 谐波以及短路故障产生的6 次以下的高频分量，只能通过数字滤波器消除15 1 。 ( 4 ) 保护逻辑判断与保护算法模块 根据不同保护对象，进行不同的保护配置，形成不同的保护逻辑判断。除此之外， 保护算法也是微机保护中不可缺少的组成部分，保护算法中具有代表性的主要有：微 分方程算法、全波傅里叶算法、半波傅里叶算法、卡尔曼算法。微机保护算法主要考 虑是计算的精度和速度，各种不同的算法对电力系统条件和算法参数变化的灵敏度响 应不一。 ( 5 ) 故障录波模块 故【荤录波一般记录内容为接入保护的模拟量、可记录的状态量和保护跳闸命令，还 记录装置的一些操作事件、状态输入量变位事件、更改定值事件和装置告警事件等。 经过多年的科研与开发，微机式保护迅速成熟并体现出越来越强大的优越性和生 命力主要体现在以下几个方面：微机保护的硬件和软件都有自检功能，装置上电后软、 硬件有故障就会立即报警，维护调试都很方便；软件设计考虑了电力系统中各种复杂 河海大学硕士学位论文第二章微机型变压器差动保护及励磁涌流分析 的故障，具有很强的综合分析判断能力，动作的可靠性、快速性和正确率都比较高： 微机保护软硬件的升级和再开发都较之以往的保护更容易，保护性能可以随着新的保 护原理出现而得到改善；微机保护的人机交流也越来越简单，使用更加灵活方便；此 外有些微机保护装置还可直接通过网络接口连接到以太网，保护数据、故障录波数据 和保护事件都可以通过保护的网络接口发送至上位机，再从调度系统发送到调度中心， 实时的显示保护动作情况和参数变化，具有远方监控特性。 2 1 2 变压器微机型保护 变压器作为电力系统中重要元件，其保护性能对提高整个电力系统性能具有非常 重要的作用，因此性能可靠、技术先进的变压器继电保护装置对电力系统安全、稳定、 连续的运行十分重要。微机保护运行灵活可靠，强大的记忆性，以及传统继电器无法 实现的通信功能，可将采样数据、保护装置的动作情况及故障录波数据送至上层监控 系统，以实现目前变电站综合自动化的要求。随着网络技术的快速发展，微机保护装 置可以直接连接到以太网，实现远方监控。正是微机保护的这些优点，微机保护已逐 渐成为变压器保护的主流。 电力变压器微机保护配置原则与常规保护配置基本相同，但是较之常规保护，微 机保护的软件特点使得变压器保护的配置更齐全、更灵活。以5 0 0 k v 电压等级三绕组 电力变压器为例的保护配置如下： 1 、启动元件：用于开放保护跳闸出口继电器的电源及启动该保护故障处理程序。包括 差流突变量启动元件和差流越限启动元件。 2 、主保护配置：一般为差动速断保护元件和具有t a 回路异常闭锁、励磁涌流闭锁、 过激磁闭锁的比率制动差动保护元件。 3 、后备保护配置：主变压器后备保护一般按侧配置，各侧后备之间、各侧后备保护与 主保护之间软硬件均互相独立： ( 1 ) 高压侧后备保护：相问阻抗保护，接地保护，反时限过激磁保护，复合电压闭 锁方向过流保护，两段零序方向过流保护和三段过负荷保护。 ( 2 ) 中压侧后备保护：相间阻抗保护，接地保护和过负荷保护。 ( 3 ) 低压侧后各保护：两时限过电流保护以及零序过电压保护。 数字滤波和保护算法是所有微机保护装置中的必备环节，是微机保护的核心，滤 波算法和保护算法的计算性能直接决定了微机保护的性能。当电力变压器发生故障时， 流过的电压电流将发生变化，信号中将含有大量的谐波，是一个非周期暂态过程，傅 氏算法具有较好的滤波作用和计算的实时性，目前微机保护以傅氏算法为主。 河海人学硕士学位论文第二章微机型变压器差动保护及励磁涌流分析 2 2 变压器励磁涌流分析 差动保护被公认为电力变压器最完善的主保护。差动保护是基于基尔霍夫k c l 原 理，在被保护设备正常运行时，恒有j ，= 0 ：在被保护设备内部发生故障时，短路 蒿 点成为一个新的节点，恒有罗j 。= ，。，其中，。为短路电流。为了保证变压器差动保护 i = 0 准确动作于变压器内部故障，对外部故障能够可靠制动，必须保证差电流正确反映变 压器内部故障。因此必须考虑差动回路中存在的不平衡电流 1 l ： 1 ) 变压器两侧电流相位不同产生的不平衡电流； 2 ) 电流互感器的计算变比与实际变比不同产生的不平衡电流； 3 ) 不同绕组侧的电流互感器型号不同而产生的不平衡电流； 4 ) 变压器带负荷调整分接头产生的不平衡电流； 5 ) 变压器励磁涌流产生的不平衡电流。 变压器两侧的电流相位可以通过互感器的接线和保护软件进行相位校准，消除了该项 不平衡电流；电流互感器的计算变比与实际变比不同产生的不平衡电流可以利用带速 饱和铁芯的差动继电器中的不平衡线圈消除；通过差动保护整定值躲开第三项和第四 项不平衡电流。 励磁涌流不能通过物理手段或整定值消去的，这主要是因为变压器差动保护范围 不仅包含变压器各侧绕组，同时还包含变压器的铁芯，即变压器差动保护内不仅有电 路还有磁路，这就违反了差动保护的理论依据一一基尔霍夫k c l 定律。设被保护的变 压器含有n 个绕组和一个公共铁芯，即h 个电路和一个公共磁路，得到如下公式： j i = ，。0 ( 2 - 1 ) i = l 其中j 为流进变压器各端子的电流相量。如果认为其它不平衡电流已经有效消除或躲 开，那么，就为变压器励磁涌流，也就是纵差保护的不平衡电流，即流进变压器各端 子电流相量之和等于变压器励磁涌流。 变压器励磁涌流产生的根本原因是变压器铁芯饱和【甜。当变压器及所在系统正常运 行时，铁芯未饱和，相对磁导率较大，从变压器原方看进去，其励磁回路相当于是一 个带铁芯的非线性电感线圈，等效电感很大，因此励磁电流很小。对于大型变压器而 言，正常运行时的励磁涌流一般为额定电流的2 l o ，不会影响变压器纵差保护的 工作性能。当变压器发生外部故障时，由于端电压降低，励磁电流必定减小，它的影 响就更小，也不会引起变压器纵差保护误动作。但是，当变压器空载合闸或者变压器 外部故障切除后端电压突然恢复时，磁通分量中的直流分量，引起铁芯饱和，此时铁 河海人学硕士学位论文第二章微机型变压器差动保护及励磁涌流分析 芯相对磁导率接近于l ，变压器从原方看进去，其励磁回路相当于是一个空心电感线圈， 等效电感降低，在变压器原方会产生三相涌流，即励磁涌流。其大小有可能与短路电 流相比拟，可达额定电流的数倍到l o 倍以上，而且持续时间长。虽然变压器的励磁涌 流只流经变压器的某一侧，但不论变压器的接线方式如何，经过电流互感器励磁涌流 总会流入继电器的差动回路中，可能会造成保护误动作。如果差动保护躲开最大励磁 涌流，那么发生内部短路故障的同时发生励磁涌流，保护就会延缓动作【2 】。 2 2 1 单相变压器励磁涌流分析 首先通过分析单相变压器的励磁涌流，进一步了解变压器励磁涌流的机理和影响励 磁涌流波形的主要因素。为了有利于简化分析工作，对单相变压器励磁涌流分析作以 下假设2 1 ： ( a ) 电源内阻抗为零，即变压器连接到无穷大系统； f b ) 不计合闸回路大电阻，即励磁涌流波形不衰减； ( c ) 忽略变压器漏抗压降，且一次侧绕组匝数n = 1 ； ( d ) 对饱和的空载磁化特性曲线作线性化处理； 设合闸侧电源电压为： h = u 。s i n ( 6 t + 口)( 2 2 ) 当空载变压器合闸到电压为h 的无穷大系统上，在上述假设条件下空载合闸的铁芯 磁通为：d i d t = h = u 。s i n ( 甜+ 功，即 u m c 。s ( c 叫+ 口) + 里c 。s 口+ 中，( 2 - 3 ) 0 3 、7 埘 7 = 一中m c o s ( 删+ 口) + 垂mc o s z + 中， 其中中。是对应电压u 。的磁通幅值( 额定工况下中。= 币。) ，中，为合闸初瞬间的铁芯剩 磁，称中。c o s ( 删+ 口) 为稳态磁通，非周期磁通中。c o s o f 和剩磁西，合称为暂态磁通。 根据图2 - i ( a ) 中线性化磁化曲线，s 点为饱和磁通点。m ；为饱和磁通，直线亏芦近 似逼近饱和曲线。在中 m 。时电感近似为常数l ，则励磁涌流 为： ，= 半= 孙c o s 。s ( 研+ 口) + 华 = 老 o o , o _ c o s ( 卅小学 4 ， = 争 c o , o _ c o s , 甜中警 邳 河海大学硕士学位论文第二章微机型变压器差动保护及励磁涌流分析 其中z = c o l 为合闸回路基波电抗。 从式( 2 4 ) 中可得，当电源电压u 。一定时，稳态磁通幅值中。就一定，所以暂态磁通 越大，总磁通最大值就越大，相应励磁涌流的峰值越大。由式( 2 3 ) 可知，当a = 0 。时暂 态磁通最大，因此对于单相变压器此时励磁涌流出现最大值。 根据变压器铁芯的磁化曲线，如图2 1 ( a ) ，可通过作图法求解单相变压器励磁涌 流，如图2 1 f b l 。 ( 口) 磁化曲线 ( b ) 励磁涌流 通过对单相变压器励磁涌流试验数据和理论分析可得，其具有以下特点： ( 1 ) 包含很大的非周期分量，涌流波形发生严重畸变； ( 2 ) 包含大量以二次谐波为主的高次谐波： ( 3 ) 波形在一个周期内出现间断角为0 的间断。 从图2 - i ( b 1 中可得在一个周期内励磁涌流间断角0 为： 口：群瑟2 ) ( 2 - 5 ) c o t= 啦+ ( 幼一2 ) 当f 。时f = 。，a r ( 2 4 ) 可得：c 。s ( 嘶十口) = c o s o r - b , 吃- b , = a 则 倪m t o t i 口+ a r c c o s a( 2 - 6 ) 同样的， 在t = t 2 时i = 0 ，由式 ( 2 - 4 ) 也可得 c o s ( c o t 2 + 货) = c o s ( 嘶+ 口) ，9 0 t 2 + 盯= 2 t r 一( 嘶+ 盯) 则 岛= 耐：= 2 1 t 一( t o t l + 钯)( 2 - 7 ) 综上，一个周期内的间断角为 河海人学硕士学位论文第二章微机型变压器差动保护及励磁涌流分析 口= 鼠+ ( 2 万一只) = 2 ( 鲫i + 口) = 2 a l c c o s a( 2 8 ) 由式( 2 8 ) 可知，影响间断角大小的主要因素是电压初相角盯、铁芯剩磁磁通中，及 ，口 饱和磁通中，。只考虑电压初相角，当兰= o 即口= 0 。时有最小的间断角钆。，随着口的 “u 增大，间断角臼增大，二次谐波成分也增大；同理，只考虑饱和磁通中。，问断角口随 着中。的减小而减小，二次谐波成分也减小；只考虑铁芯剩磁磁通垂，间断角口和二次 谐波成分都随着中，的增大而减小【2 l 。在中，= 中。时( 实际中是不可能的) ，励磁涌流只 含有基波和直流分量，间断角为零。以上这些结论只对单相变压器成立，对于三相变 压器励磁涌流这些结论并不一定成立，还需要进一步讨论。 2 2 2 三相变压器励磁涌流分析 三相变压器的磁路结构和绕组连接方式较多，励磁涌流的大小和波形较单相变压器 更为复杂。三相变压器空载合闸时，三相的初相角总不相同，所以每一相的励磁涌流 也各不相同。分析三相变压器的励磁涌流是个相当复杂的问题，本文对三相变压器励 磁涌流的分析针对变压器保护的需要，做了以下几点简化【7 l ： ( 1 ) 研究对象是由三个单相变压器组成的三相变压器，其三相绕组为虼，接线，各 相磁路完全独立，因此每相励磁涌流可以按照单相变压器励磁涌流进行分析，见图2 2 ： ( 2 ) 假设磁密小于饱和磁密e 时，励磁电流为零；当b 曰。时，磁化曲线近似认为 线性，但为分段线性化； ( 3 ) 其他的简化条件与单相变压器的简化条件( 口卜( c ) 相同。 f x 。 e d ( n 】( 砷 ( 口) 接线图；( 6 ) 单相等效电路 图2 - 2 三相虼，变压器的三相接线图和单相等效电路 从图2 2 中可知，三相变压器y 侧空载合闸时，在侧三相环路中存在电流，三 相铁芯的磁化电流0 、k 、0 并非三相励磁涌流、翻。因为变压器y 侧差动 保护三相电流互感器的二次侧为接线，故实际在差动保护中作用的差动电流是三相 河海火学硕士学位论文 第二章微机型变压器差动保护及励磁涌流分析 励磁涌流、的两相差流，这就是三相差动继电器接受的电流a 因为 i 。一i 。= i d i b i 。= i 。( 2 9 ) i 。一i 。，= i 。j 所以有 i o i b2 一i m b l 一f f = 。一i m ，( 2 - 1 0 ) f ，一f d = o 。一f m 。j 由此可以看出两相差流与i o 无关2 1 。 由式( 2 - 9 ) 相加，得： 屯十+ = 3 i o = 3 i n + ( k + 。+ f m ，)( 2 - 1 1 ) 三相电源电势是对称的，故： e a + + 巳= o( 2 - 1 2 ) 变压器二次侧绕组是接线，所以有： u 日+ u 日c + u c a = 0( 2 1 3 ) 由于变压器的磁化曲线已知，因此磁化电流0 、k 、0 是已知的。根据图2 - 2 的等效 近似电路分析方法m ，图中乏和z o ，表示电源等值正序和零序阻抗，z ，和z 。表示变压 器两侧漏阻抗，表示它的励磁电抗，可以列出三相电压回路方程： “ 口= 巳一z ：一f 0 ( z o ，一z ) 一乇z ，一i d z s s h 日c = 一互一i o ( z o ；一z ；) 一z ，一i o 乙 u c h = e c c z , 一i o ( z o ，一互) 一z ，一i d z 。 ( 2 一1 4 ) 由式( 2 - 1 1 ) 至( 2 1 4 ) 组成方程组，可得 f 0 一i d 乞z 十, , i ( 2 - 1 5 ) 般的，认为变压器两侧漏阻抗近似相等，即z p = 瓦，f 1 3 式( 2 一1 1 ) 和( 2 1 5 ) 可得： f d 一( 乙吨+ 。) l 1 6 z 乙“+ 十z 。i o s ( 2 - 1 6 ) 再将式( 2 1 6 ) 代入式( 2 9 ) ，则有： 河海大学硕士学何论文第二章微机型变压器差动保护及励磁涌流分析 = r 。5 6 z z ，；+ + 2 。z z 。o j 5 一( i 。b + i m c ) ( 缎 铲k 法甏卜。岷毒惫 ( 2 - 1 7 ) t ，咄， 法慧卜。“。) 毒) 根据理论分析和试验数据分析，可得三相变压器励磁涌流的特点： ( 1 ) 三相变压器励磁涌流中含有高次谐波分量，二次谐波分量占较大的成分，其含 量的大小与铁芯饱和磁通及剩磁大小直接相关； ( 2 ) 三相变压器励磁涌流间断角的大小，与铁芯饱和磁通及剩磁的大小密切相关。 对于两相涌流之差的间断角，根据现代变压器的铁芯材料，取b 。= 1 1 5 b 。， b 。= n 9 b 。( 考虑最严重情况) ，三相涌流的间断角均有可能小于6 0 “2 1 ； ( 3 ) 合闸初相角的变化，对各相涌流产生不同的影响，有的相增大，有的相减小。 与变压器有关的两相涌流之差，其最大值出现的条件不是口= o 。而是口= 3 0o 2 1 ； ( 4 ) 三相变压器励磁涌流中，往往有一相为周期性电流，几乎没有直流分量，而且 其值较大。 2 3 励磁涌流与故障电流判别常规方法分析 近十多年来，国内外专家学者致力于变压器继电保护的研究，提出了许多识别励 磁涌流的新原理、新方法。本章按照判别涌流原理的不同特点分为以下几类进行分析 探讨：( 1 ) 谐波识别法；( 2 ) 波形识别法；( 3 ) 磁通特性识别法；( 4 ) 等值电路法；( 5 ) 智 能理论识别法。着重分析每种方法的基本原理、特点、性能，讨论微机保护实现的可 能性及困难。 l 、谐波识别法 谐波识别法是通过电流或电压中谐波含量的多少来区分内部故障电流和励磁涌流 的。主要有利用二次谐波电流鉴别励磁涌流和通过分析变压器端电压中谐波含量的电 压制动式保护。 ( 1 ) 二次谐波电流鉴别励磁涌流 励磁涌流中含有较大的二次谐波分量，通过计算差动电流中二次谐波电流与基波 电流幅值之比，判别是否为励磁涌流。当为励磁涌流时有 l， 衍 k ( 2 - 1 8 ) ，1 d l 式中，。和，。：分别为差流中基波和二次谐波电流的幅值，足为二次谐波制动比，可调 河海人学硕士学位论文第二章微机型变压器差动保护及励磁涌流分析 整，一般整定值为0 1 5 0 1 7 1 0 o 二次谐波制动在目前国内外变压器常规保护中运用较普遍，有较多的运行经验，微 机保护已经实现了该种原理。该原理由于二次谐波特征量提取容易，因此在采样速率 和测量上的要求相对比较低，算法在微机上容易实现。判断正确时，差动保护动作速 度较快；但是随着系统的扩大和运行方式的增多，基于二次谐波原理的差动保护出现 了问题： 在( 超) 高压电力系统中，变压器单机容量增大，在变压器端部接长输电线( 或 电缆) ，形成分布电容。在分布电容以及串补电容谐振的影响下，变压器内部严重故障 时二次谐波含量有可能远大于0 1 5 。通常二次谐波原理的保护都用或门制动，即三相 电流有一相制动就会全部制动，保护有可能延时动作。如果t a 特性差( 易饱和) ，故 障电流波形中的谐波含量将更大，差动保护不仅会延时，甚至有可能无法出口【1 6 】。 k = 0 1 5 0 1 7 的制动比是按照饱和磁通为1 4 倍额定磁通幅值时，合闸的励磁 涌流来考虑的。现代变压器铁芯材料逐步改进，其磁饱和点降低，一般为1 2 到1 3 甚 至低至1 1 5 ，在此情况下若有剩磁较高且合闸角满足条件时，三相励磁涌流中二次谐 波含量可能均小于o 1 5 ，最小的二次谐波含量甚至可能低于o 1 ，引起差动保护误动作 吼 二次谐波电流鉴别励磁涌流可以对涌流制动有较可靠的作用，但是由于系统规模的 扩大和运行方式的增多，二次谐波已经不是励磁涌流唯一的特征。目前，针对基于二 次谐波制动原理出现的问题，考虑在二次谐波制动判据的基础上加入加速判据，典型 的有低电压加速( 1 7 l 和大电流加速判据。 ( 2 ) 谐波电压鉴别励磁涌流 谐波电压鉴别励磁涌流的基本思想是口4 l ：当变压器因励磁涌流出现严重饱和时， 端电压会发生畸变，其中肯定含有较大的谐波成分，可以用来鉴别励磁涌流。保护判 据为： 如果变压器的三相电压满足【8 】 v ( 2 一1 9 t s u m 瓦 ( 2 2 ( 则判为励磁涌流，差动保护闭锁。式中，k 是变压器端电压基波分量的幅值，和l 为门槛值，丁被称为“m o n i t o r ”，定义为8 1 ： n i2 - 乙= r i ( 2 2 1 ) t = l r = 阢一k i ( 2 2 2 ) 其中k 是电压原始采样值，是y 采样值中基波分量的计算值。在发生励磁涌流 河海大学硕士学位论文第二章微机型变压器差动保护及励磁涌流分析 的情况下，虽然某些相可能出现v l 是可以可靠制动 的；对于各种内部短路，一般总有v 和t 。 瓦，能够保证保护快速出口跳闸【8 1 。 与二次谐波电流制动相比，谐波电压制动原理对于l c 振荡的相对不敏感，二次谐 波电流制动的某些不足得以一定的改善。但电压制动原理与电源阻抗的大小有密切的 关系：如果电源阻抗非常小，会出现保护延时动作，甚至拒动【3 4 】。所以在使用此原理 的保护时必须对系统阻抗有比较精确的了解，这导致在整定上的复杂性。 2 、波形识别法 ( 1 ) 基于间断角原理鉴别励磁涌流 间断角是基于励磁涌流波形中有较大的间断，而内部故障电流波形连续变化，这 一波形上的区别作为制动判据。一般采用的判据为：间断角为6 5 。，波宽为1 4 0 。当差 流的间断角大于6 5 。时，判为励磁涌流；当间断角小于6 5 。且波宽大于1 4 0 。时，可能不 是励磁涌流，短时开放出口比率差动继电器。该方法简单直接，对涌流的具体波形和 幅值并不敏感，但是以精确测量间断角为基础的，用微机保护实现有两个问题：一个 就是上面提到需要精确测量间断角；另一个是t a 饱和后传变引起的间断角变小或消 失。 ( 2 ) 基于波形对称原理鉴别励磁涌流 波形对称原理目前有积分型波形对称原理n 钾和微分型波形对称原理两种，这 两种原理都是基于对电流信号的波形分析，区分励磁涌流和内部故障电流。 积分型波形对称原理是将一个周波的采样信号的波形经旋转、平移变换后，进行 积分处理，定义波形对称系数，根据内部故障电流和励磁涌流的不同特征，加入模糊 识别方法，设置一个出口计数器，计数器对不同的波形对称系数采取不同的计数方法， 当计数器累加值大于某一阀值时，判断为励磁涌流，闭锁保护出1 ：3 t 1 6 1 1 1 9 1 。 微分型波形对称原理首先将差流进行前向微分，滤除直流量，将微分后差流的前半 波与后半波作对称比较，根据比较结果判断是否发生了励磁涌流，因为在总共半个周 波的判断中，励磁涌流符合对称条件的角度最多为6 0 。，也就是至少有丘 z 的点不对 称，而内部短路电流在1 5 0 6 范围内都是对称的。判据具体如下】： i ，上ri 口二塑到曼k( 2 2 3 ) l j f j 州帅l 吒= 繇g l 。x n 3 6 0 ( 2 - 2 4 ) 当采样点j 满足式( 2 2 3 ) 时，就称为对称，否则为不对称。其中，是差流导数前半 波第f 点的采样值，。是差流导数后半波对应第i 点的数值，芷为波形对称系数，k ， 为在该波形系数条件下电流波形的对称范围，彪。为该条件下的对称角度， ，为一个 周波的采样点数。例如，如果认为励磁涌流复合对称条件的角度最多为茁。= 6 0 。， 河海大学硕士学位论文第二章微机型变压器若动保护及励磁涌流分析 并且每周采样1 2 点，那么k 。= 2 ，所以对于励磁涌流波形至多有两个点满足对称条件。 这两种波形对称方法实际是间断角原理的推广，它们提出的基础正是基于对励磁 涌流导数的波宽及间断角的分析，但它们比间断角原理在硬件上的要求低。当内部故 障电流谐波成分较小时，这两种原理的保护出v i 速度比较快；在某些严重故障的情况 下，特别是内部短路电流的谐波成分较高，内部故障电流畸变严重时，保护存在延时 动作。 ( 3 ) 基于波形相关性分析鉴别励磁涌流 该原理是基于数字信号处理中相关函数的基本原理，对采样数据进行综合分析， 计算不同时段采样数据的自相关系数，区分变压器励磁涌流和内部故障。波形相似度 的定义包含了电流幅值大小、形状以及相位信息，具有较强的抗干扰能力。但是该原 理的出发点是建立在励磁涌流波形前后半周很不对称，故障电流总是非常对称的基础 上，实际情况并不完全是这样：由于长输电线引起的高次谐波，及t a 饱和使得非对称 涌流间断角部分消失，励磁涌流波形反而变得对称，同时却削弱了故障电流的对称性 【2 ”。这些不利因素都会使保护误动或延迟动作，因此这种原理的实用性还有待研究。 ( 4 ) 高频分量原理 励磁涌流波形畸变严重，会产生较大的高频电流：相反的，在系统内外故障时都 不会有太大的高频电流。因此，测量出差流中的高频分量，并进行一系列的判断就能 区别出励磁涌流。这种方法从根本上来说，也是间断角原理的一种推广，它也存在如 下i a - j 题需要解决【l o l ：对微机保护来讲，要获得高频分量，必须提高采样频率，增加技 术难度和成本；可能会受到系统谐波影响；能否经受环境高频噪声的考验。 3 、磁通特性识别法 由于变压器的非线性励磁特性，电压和电流不是线性相关的，是两个独立变量， i 习此变压器运行状态需要电压和电流的信息才能完全表征【2 2 1 。磁通特性正是通过综合 变压器电压和电流的信息，进行励磁涌流的判别。该原理考虑的是变压器励磁特性， 以变压器每个绕组的电压回路方程为基础的，见式( 2 2 5 ) ，理论上可以完全消除励磁涌 流的影响。 u = r f + l d i d t + d r a l l( 2 2 5 ) 式中，月、l 分别为该绕组的电阻和漏感，u 、f 、甲为该绕组电压、电流和磁通的瞬 时值。该式在变压器正常运行、外部短路、空载合闸和过励磁等情况下均满足，但在 内部故障时不满足，从而可以区分内部故障和励磁涌流。 基于磁通特性原理识别法衡量的物理量是变压器磁通，目前提出的基于此原理的 励磁涌流识别大体有三种制动方案，文献【8 】分析了这三种的实现方案，指出了方案的 优缺点。从实用的角度讲，后两种更成熟。但是这种识别原理能否实用关键在于绕组 的漏感和磁制