（电力系统及其自动化专业论文）电力变压器励磁涌流分析若干问题研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i sp a p e rs t u d i e so ns o m ep r o b l e m so fp o w e rt r a n s f o r m e ri n r u s hc u r r e n t ， p r e s e n t san e wm e t h o dt oc a l c u l a t em a g n e t i z a t i o nc u r v e ，a n dp r o m p t sk i n d so f a p p r o a c h e sf o rc o m p u t i n gl e a k a g ei n d u c t a n c ea n de x c i t a t i o ni n d u c t a n c eu s e di n n o v e lp r i n c i p l e so f p o w e rt r a n s f o r m e rp r o t e c t i o n f o rt h es t r i c t l yr e q u i r e m e n t si ns e c u r i t ya n dl i m i t a t i o n so fn e wp r o t e c t i o n m e t h o d s ，d i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o nm e t h o d ，w h i c hi sc o n s i d e r e dt ob es i m p l ea n d s e n s i t i v e ，i ss t i l le x t e n s i v e l yu s e di nt h ep o w e rp r o t e c t i o nf i e m i n r u s hc t n t e n t d i s c r i m i n a t i o ni so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tf a c t o r st h a ti n f l u e n c ep r o t e c t i o n p e r f o r m a n c e a f t e rt h ec o n c e p to f i n r u s hc u r r e n ti si n t r o d u c e d ，t h ee x i s t i n gm e t h o d s f o rd i s c r i m i n a t i n gi n r u s ha r ed i s c u s s e d i n r u s hc u r r e n td i s c r i m i n a t i o nb a s e so nt h em a g n e t i z a t i o nc u r v eo fac e r t a i n t r a n s f o r m e r , a n dt h ef o r mo fm a g n e t i z a t i o nc n r v ee f f e c t st h ec a l c u l a t i o no fi n r u s h a n dh a r m o n i cc o m p o n e n t s an e wp i e c e w i s el i n e a r i z e da p p r o a c h , w h i c ht a k e s a c c o u n to fi r o nc o r el o s s e sa n db a s e so nt h et r a n s f o r m e rt e s td a t ap r o v i d e db yt h e m a n u f a c t u r e r ，i sp r e s e n t e df o rt h ec o m p u t a t i o no f t h es a t u r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c si r o n c o r e s ， a n dh a so b v i o u sa d v a n t a g e so v e ro t h e r s t h ea c c u r a c yc a nb ee a s i l y c o n t r o l l e d d i s t i n g u i s h i n gm a g n e t i z i n gi n r u s h c u r r e n t sf r o mi n t e r n a lf a u l t sc a nb e e f f e c t i v e l yf u l f i l l e db yu s i n gt h ec r i t e r i o no fa l li n s t a n t a n e o u se x c i t a t i o ni n d u c t a n c e a n da ne q u i v a l e n ti n s t a n t a n e o u si n d u c t a n c e ，w h i c hi sb a s e do nt h ed i f f e r e n c eo ft h e m a g n e t i cp e r m e a b i l i t yi ni r o nc o r eo ft r a n s f o r m e rb e t w e e n i n r u s hc u r r e n t sa n d i n t e r n a lf a u l t r e c e n ty e a r s t h e r e 撇t w on o v e lp r i n c i p l e sh a v eb e e np r o p o s e d b a s i n go nl e a k a g ei n d u c t a n c ep a r a m e t e r sv a r yo b v i o u s l yd u r i n gi n t e r n a lf a u l t s a l l o ft h e s em e t h o d sr e q u i r ec a l c u l a t i o no fi n d u c t a n c ep a r a m e t e r s t h e r e f o r e ，s o m e l l 浙江大学硕t 学位论文 a d v a n c e dc o m p u t a t i o n a lm e t h o d sa r ep r o p o s e di n t h i s p a p e r t h er e s u l t s o f e x p e r i m e n t a lt e s t ss h o wt h a tt h e s ep r o p o s e dm e t h o d sa r ec o r r e c ta n de f f e c t i v e t h e r ea r ef o u rc h a p t e r si nm a i nb o d yc h a p t e r2i n t r o d u c e st h ec o n c e p ta n d d i s c r i m i n a t i o nm e t h o d so fi n r u s hc u r r e n t ；c h a p t e r3p r e s e n t san o v e la p p r o a c hf o r c o m p u t i n gm a g n e t i z a t i o nc u r v e ；c h a p t e r4d e s c r i b e sh o wt oc a l c u l a t el e a k a g ea n d e x c i t a t i o ni n d u c t a n c e s ；i nr e v i e w so ft h ep r o t e c t i o nm e a n s ，c h a p t e r5g i v e st h e p r o s p e c t i v ep r o t e c t i o nm e t h o d s k e y w o r d s ：p o w e rt r a n s f o r m e r ；d i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o n ；i n m s hc u r r e n t ； m a g n e t i z a t i o nc u r v e ；i n t e r n a lf a u l t s ；l e a k a g ei n d u c t a n c e ；e x c i t a t i o n l n d u c t a n c e ； 一1 1 1 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景与意义 电力变压器是电力系统的重要电气设备，它在电力系统的发电、配电和输 电等各个环节广泛使用，因而其安全运行关系到整个电力系统能否连续稳定的 工作。近年来，随着电力系统容量的增大和电压等级的提高，出现了超高压大 容量变压器，这给其对应的保护也提出了更高的要求。 为了适应经济快速发展的要求，我国电力工业一直处于飞速发展的阶段， 特别是国家最近出台的“十一五”计划中，提出要建设超高压直流输电线路和特 高压交流输电线路以加快西电东送步伐，预计我国2 0 2 0 年电网的总装机容量将 达9 亿k w ，其中西电东送达1 亿k w ，整个电力系统的规模越来越大，全国 电网互联已是必然趋势，联网后对电网安全稳定运行的要求也提到了一个更高 的层面。作为电网安全稳定运行的哨兵，继电保护及安全装置将承担更大的责 任，如何提高保护的动作的性能和安全性，给继电保护工作者提出了新的任务 和要求。 电力变压器是电力系统中的重要设备，不仅其本身价格昂贵，而且其安全 运行关系到整个电力系统能否稳定的工作。由表1 1 中分析过去十几年的统计 数据【卜6 】可知，大型电力变压器保护的正确率一直处于一个较低的水平，这与 当前电网实际安全要求和发展水平是不符合的。其中由于制造部门的责任( 原 理缺陷、质量不良等) 在保护不正确动作次数中占很大的比例，以2 0 0 3 年为例， 制造部门责任就占到了3 4 6 9 。这说明了变压器保护研究人员需要加倍的努 力。 变压器一般采用差动保护作为其主保护。这主要是因为差动保护原理简单、 灵敏度比较高。但是，如前所述，其动作准确率有待提高。其中，励磁涌流问 题便是影响变压器差动保护性能的重要因素之一。电力变压器本身是一个内部 模型结构非常复杂的非线性元件，在分析变压器的运行与故障情况时，必须考 虑变压器铁芯的饱和特性，也就是说，在考虑电流状态方程的同时，还需要考 虑磁链的影响。而就目前的研究情况而言，研究人员就变压器铁芯电磁变化规 律的认识还不够深入，相关的理论研究也没有实质性的突破，这也促使国内外 学者在提高变压器差动保护方面投入的大量的研究，给出很多新方法、新原理， 但都缺乏实际的验证，彳寻到实际应用的很少，传统的基于二次谐波制动和间断 角原理的纵差保护仍是数字变压器保护的首选，随着我国电力系统日益复杂， 电压等级越来越高，这些保护原理暴露出很多不足。因此，深入研究变压器及 一1 一 浙江大学硕士学位论文 其相关二次设备暂态过程，从中发现一些有价值的特征规律，并利用它们提高 变压器差动保护的性能，或者发现新的变压器保护原理，无疑是很有实际意义 的。 表1 - - i1 9 8 1 - 2 0 0 4 年2 2 0 k v 变压器保护动作情况统计 不正确次数 正确率 年份总次数正确次数 误动拒动 ( ) 1 9 8 1 1 9 8 9 总计 1 4 3 89 0 84 9 43 66 3 1 4 1 9 9 0 1 9 9 9 总计 2 5 3 01 7 5 17 5 52 46 9 1 2 2 0 0 02 0 11 5 l4 9l7 5 1 2 2 0 0 1 2 5 22 0 84 318 2 5 4 2 0 0 22 1 41 6 04 3l7 4 7 7 2 0 0 32 0 61 5 74 9o7 6 2 1 2 0 0 42 5 32 0 05 2l7 9 0 5 2 0 0 0 2 0 0 4 总计 1 1 2 68 7 62 4 647 7 8 0 目前，针对变压器保护，对各种保护原理主要有两个方面的要求：一是要 能够区分内、外部故障；二是能够鉴别内部故障与励磁涌流。其中，如何区分 励磁涌流和内部故障是核心问题。因此，励磁涌流仿真分析在变压器的保护研 究中不可或缺；对变压器铁芯的磁特性研究也有非常重要的意义。 1 2 本文的主要工作 围绕变压器励磁涌流研究的各个环节，本为做了如下一些工作。 l 、从最基本的变压器的磁路和电路结构出发，详细阐述了变压器励磁涌流 产生的基本原理、它的存在对常用的变压器差动保护性能的影响，以及如何在 变压器保护中减弱和消除它的影响。 2 、分析了励磁涌流的产生过程和波形特点，探讨了利用电流作判据、利用 电流电压作识别判据和利用现代数字信号处理技术与智能理论作涌流分析三大 类识别励磁涌流方法的优缺点；对一些新的判别技术进行了展望。 3 、由于励磁涌流识别的研究，离不开变压器基本磁化蓝线的设定，而磁化 曲线的设定会直接影响到涌流和谐波计算。本文从考虑铁芯损耗的空载单相变 压器模型出发，提出了直接利用变压器励磁磁链与磁化电流关系来分段线性化 计算基本磁化曲线。该方法充分利用了已知的变压器励磁电压电流关系和空载 实验的各种数据，并可以根据需要调节计算精度。仿真验证了该方法的正确性 和有效性。 一2 一 浙江大学硕士学位论文 4 、针对电力变压器铁心磁导率在励磁涌流与内部故障时会有不同，应用等 效瞬时电感的概念可以判别变压器励磁涌流；变压器内部故障时变压器漏电感 会发生明显的变化，根据这一特性，近年有等值参数法和变压器回路方程法等 不同于差动保护原理的保护方法出现。这些新型的变压器保护方法都需要计算 相关的电感参数。为此，本文给出了变压器漏电感计算方法和改进的等效瞬时 电感的计算方法。仿真试验结果验证了其正确性和有效性。 5 、鉴于现在普遍采用纵差保护作为变压器的主保护，而变压器纵差保护的 设计原理仍使励磁涌流成为差动电流，防误动的技术思路以励磁涌流的波形特 征为基础，那么变压器纵差保护有时因空投操作而误动是必然的，差别仅仅是 不同方案的误动次数多少不同而已 6 7 , 6 8 】。变压器保护水平的进一步提高需要继 电保护研究人员甩开前人由于当时技术条件的限制而将纵差原理用于变压器保 护的传统，不让励磁电流成为动作因素，或者说新的变压器保护原理在理论上 应与励磁涌流无关，例如变压器分割差动保护、自耦变压器的零序差动保护以 及其它正在探索的新原理，研制出与涌流无关、判据明确、简单可靠的新型变 压器保护装置。 1 3 本文的创新点 l 、针对磁化曲线的简单折线近似和曲线拟合方法的不足，本文从研究励磁 磁链与磁化电流关系的角度入手，在磁化曲线分段线性化处理【4 。7 】的基础上， 提出了一种改进的分段线性化方法，该方法充分利用变压器实验的各种数据， 能简单直观地计算出基本磁化曲线。 2 、鉴于现有变压器差动保护存在的缺陷，加速研制变压器保护的新型方案 显得非常迫切与重要。第一种思路就是从研制变压器差动保护新判据；第二种 思路是根据变压器正常运行和内部故障时候磁通特性参数或漏电感参数的变 化，制定出原理上与差动保护迥然不同的变压器主保护。这两种思路对变压器 保护的研究有着积极意义。前一类方案需要提供合适的瞬时励磁电感( 阻抗) 整定值，后一类方案需要提供变压器原副边的漏电感。本文从变压器不同运行 状况时候磁路结构的变化，提出了计算励磁涌流和内部故障时变压器相关电感 参数的方法，a t p 仿真试验表明，本文方法可以较为精确地求得电感参数，有 较好的实用性。 一3 一 浙江大学硕士学位论文 第2 章变压器励磁涌流分析 2 _ 1 励磁涌流对变压器差动保护的影响 2 1 1 影响变压器差动保护安全性与可靠性的几个因素 差动保护是变压器的主保护，它的安全可靠性对变压器保护影响最为关键。 变压器差动保护在正常运行和外部短路时，理想情况下流入差动继电器的电流 为零，保护装置可靠不动作。但实际上变压器在正常运行操作或外部短路时都 有可能产生较大的不平衡电流，引起变压器差动保护的不正确动作。变压器差 动保护主要有以下几个比较重要的问题【7 1 ： ( 1 ) t a 不同型问题。变压器有两个及更多电压等级，构成差动保护所用 的电流互感器的额定参数各不相同，由此产生的差动保护稳态不平衡电流较大。 ( 2 ) 二次t a 接线复杂。在构成变压器差动保护时各侧电流大多需进行 星三角变换，引起变压器差动保护接线复杂，无形当中增加了不平衡电流的来 源。 ( 3 ) 分接头调整问题。变压器高压绕组常有调压分接头，有的还要求带负 荷调节，导致不平衡电流增大。 ( 4 ) 涌流问题。一般情况下电力变压器工作在线性区域，变压器铁芯没有 饱和，其励磁电流非常小，差动保护不容易误动，但在一些过渡过程中( 如正 常的空载合闸，外部故障恢复) ，变压器铁芯容易在暂态过程中饱和，产生几 倍甚至十几倍额定电流的励磁涌流，引起变压器差动保护误动。 ( 5 ) 过励磁问题。变压器在稳态过励磁情况下，也会导致励磁电流剧增， 引起差动保护非选择性的误动。 ( 6 ) t a 饱和问题。如在区外故障过程中，一次侧电流的非周期分量较大， 如变压器各侧的电流互感器饱和特性不一样，易引起某一侧的电流互感器饱和， 产生暂态不平衡电流，可能会引起差动保护误动。在外部故障切除过程中，由 于1 a 的局部暂态饱和也可能会引起差动保护的误动。 ( 7 ) 内部轻微匝闻故障灵敏度问题。变压器内部轻微匝间故障时，虽然流 过短路环的电流很大，但流入差动回路的电流可能很小，影响差动保护的灵敏 动作。 ( 8 ) 数字滤波器数据窗暂态问题。选择合适的数字滤波器对差动保护也很 关键。同样一个差动保护装置，如果采用的滤波算法不同，其表现的性能也不 一样。全波傅氏算法的精度较高，但滤波器的数据窗暂态延时较大，某些状况 一4 一 浙江大学硕士学位论文 ( 如t a 饱和、变压器励磁涌流引起的数据窗暂态) 下的性能反而不如数据窗 短的半波傅氏算法好m 。 综上所述，在实现变压器差动保护时，要求差动保护能够躲过稳态、暂态 不平衡电流，同时保证在内部轻微匝间故障时也具有较高的灵敏度，是相当复 杂和困难的技术问题。主要需要解决的问题是：( 1 ) 有效的防止由于t a 不 同型与接线复杂及分接头调整引起的稳态不平衡与非饱和暂态不平衡电流的影 响，这可通过比率制动特性的差动保护原理来克服；( 2 ) 正确识别励磁涌流和 内部故障时的短路电流，这取决于有效的涌流识别判据；( 3 ) 外部故障电流导 致二次侧t a 饱和引起保护误动，还包括外部故障切除后t a 局部暂态饱和引 起的差动保护误动，目前关于t a 局部暂态饱和的问题还没有引起足够的重视； ( 4 ) 正确识别变压器的过励磁问题；( 5 ) 选择暂态性能最优的数字滤波器作 为差动保护的滤波算法。 数字变压器差动保护的开发研究前期，必须正确地研究这些因素的本质特 征与消除影响的方案。传统的保护原理在现场应用已经非常成熟且积累了大量 的经验，不能完全摒弃。本论文将就这些方面展开充分的研究与分析，并根据 变压器故障、涌流等动态过程中的具体特征，提出适用于传统原理的磁化曲线 计算方法，同时也针对新型变压器保护方案的要求，给出了相应电感参数的计 算方法。 2 1 2 励磁涌流的产生机理 我们以一个双绕组单相变压器来说明励磁涌流的产生。图( 2 1 ) 所示为 将参数折算n - - 次侧的单相变压器等效电路。 图2 - 1 双绕组单相变压器等效电路 显然，励磁回路相当于变压器内部故障的故障支路。励磁电流l 全部流入 差动继电器中，形成不平衡电流，即 ， 一， ( 2 1 ) m t 三相变压器的情况也完全相同。励磁电流的大小取决于励磁电感。的数 值，也就是取决于变压器铁芯是否饱和。正常运行和外部故障时变压器不会饱 和，励磁电流一般不会超过额定电流的2 5 ，对纵差动保护的影响常常略 去不计。当变压器空载投入或外部故障切除后电压恢复时，变压器电压从零或 很小的数值突然上升到运行电压。在这个电压上升的暂态过程中，变压器可能 一5 一 浙江大学硕士学位论文 会严重饱和，产生很大的暂态励磁电流。这个暂态励磁电流称为励磁涌流。励 磁涌流的最大值可达额定电流的4 8 倍，并与变压器的额定容量有关。 由于励磁涌流很大，若用动作电流来躲过其影响，纵差动保护在变压器内 部故障时灵敏度将会很低。一般要通过其它措施来防止励磁涌流引起纵差动保 护的误动。 在防止励磁涌流造成变压器差动保护误动这个问题上，国内外学者进行了 大量的研究工作，根据励磁涌流区别于内部故障电流的特征，提出了许多识别 励磁涌流的方法，可以粗略地分为以下两个方面： ( a ) 从采用的电气量的多少来看，涌流的识别有：( i ) 根据电流波形特征， 如二次谐波制动，间断角原理；( 2 ) 引入电压信号，可以进一步计算变压器的 磁链或功率，如基于磁制动原理的识别判据；( 3 ) 更可靠的是进一步引入开关 量状态，根据空投故障时存在某侧的开关从开到合的变位信息来确定是否有产 生涌流的先决条件。 ( b ) 在利用电气特征量的基础上，目前还有大量的研究工作集中在识别方 法的探索上。包括现代信号处理的方法，如相关法的识别、小波奇异性间断角 检测；在判据上包括利用智能判别理论如神经网络、模糊控制理论等。 对选用哪些电气特征量和采用何种识别方法的两方面研究都很重要，且两 者常常是密不可分的。目前工程上应用比较成熟的主要是二次谐波制动原理、 波形对称原理和间断角原理，随着研究领域的逐步扩大，研究层次的逐渐加深， 产生的若干新兴学科也为判别励磁涌流提供了新的手段，然而就目前发表的文 献来分析，这些新兴手段也只是局限于对电流波形进行一些简单的加工，仍属 于电流波形特征识别法的范畴，且在实际工程上应用还存在着一些困难，但这 并不能说这些方法将来不能推广应用，优秀的原理取决于合适的实现手段，随 着硬件技术与现场条件的改善，必然会取得较为突破性的成果。下面主要根据 电气量与方法的不同，简要地概述一下这些原理。 2 2 励磁涌流辨识的电流判据 2 2 1 二次谐波制动原理 研究表明，励磁涌流中含有大量的偶次谐波分量， 变压器内部短路时，短路电流中的二次谐波含量较小。 二次谐波含量来构成如下涌流制动判据1 8 】： 1 2 k 1 尤其是二次谐波；而在 因此可以利用差流中的 ( 2 2 ) 式中： 、1 2 分别为差流中的基波和二次谐波幅值； 施为二次谐波制动系数，常取值为1 5 1 7 。 二次谐波制动原理简单明了，在常规保护中有较多的运行经验，数字保护 实现比常规保护更容易，因此目前国内外实际投入运行的数字变压器涌流闭锁 一6 一 浙江大学硕士学位论文 方案大多采用该原理。但采用二次谐波制动的变压器保护也有较大的局限性： ( 1 )由于现代变压器为充分利用铁芯材料传输电能，铁芯饱和点提前， 在剩磁系数较大时，涌流中二次谐波含量会变得很低( 完全饱和时是正弦波与 非周分量的叠加) ，导致二次谐波制动原理的差动保护误动，目前1 5 - - - 1 7 的 二次谐波制动比是按照一般饱和磁通为1 4 倍额定磁通幅值时空载合闸涌流的 大小来考虑的，但现代变压器的饱和磁通倍数经常在1 2 到1 3 甚至低至1 1 5 ， 在此情况下涌流的最小二次谐波含量可能低至1 0 以下，很难适当选择制动比 。美国西屋公司的制动比为7 0 - 7 5 ，a b b 公司取k a = 1 0 ，我国和大部 分国家则取1 5 2 0 。大容量变压器、远距离输电的发展，会使变压器内部故 障暂态电流产生较大二次谐波，引起差动保护拒动或延时动作。 ( 2 ) 现代电力系统中，远距离输电设备及静止无功补偿装置的应用，使 得暂态故障电流中二次谐波含量也比较高，且衰减比较慢，对差动保护动作速 度影响较大，甚至发生拒动。 ( 3 ) 若空载合闸前变压器已经存在故障，合闸后故障相为故障电流，非 故障相为励磁涌流，采用三相或门制动的方案时，差动保护必将被闭锁。由于 励磁涌流衰减很慢，保护的动作时闻可能会长达数百毫秒。 ( 4 ) 此外励磁涌流是暂态非周期电流，不适合用傅氏级数的谐波分析方 法。在工程应用中一般把涌流都认为是一种准稳态过程，对这种准稳态的信号 采用傅氏级数法将导致一定的计算误差。 2 2 2 间断角闭锁原理 间断角闭锁原理的变压器差动保护率先由我国于6 0 年代提出并制成样 机，其模拟式保护装置已经得到广泛应用 9 , 1 0 l 。间断角闭锁原理是利用励磁涌 流波形具有较大的间断而短路电流波形连续变化不问断的特征作为鉴别判据。 该方法简单直接，但它是以精确测量间断角为基础，如遇到t a 暂态饱和传变 会使涌流二次侧间断角发生畸变，有时会消失，必须采取某些措施来恢复间断 角，但这却增加了保护硬件的复杂性：同时间断角原理还要受到采样率、采样 精度的影响及硬件的限制，因此该原理在实际数字差动保护中的应用效果并不 十分的理想。 间断角闭锁原理的变压器差动保护采用如下判据：当差流的间断角大于6 5 。 时，判别为励磁涌流，此时立即闭锁比率差动继电器，以防止其在变压器空载 合闸和外部故障切除电压恢复过程中误动；当间断角小于6 5 0 且波宽大于1 4 0 0 时，判别为可能不是励磁涌流，并短时开放出口比率差动继电器。 间断角闭锁原理的变压器差动保护与二次谐波制动原理的差动保护相比， 有如下显著特点：( 1 ) 一般采用按相闭锁的方式，某一相符合间断角涌流闭锁 条件则闭锁该相比率差动元件，在变压器各种内部故障时能迅速动作跳闸；( 2 ) 具备较高的抗变压器过励磁能力，只有在过励磁倍数达到1 2 6 倍以上时，比率 差动保护才有可能误动，所以一般不需要附设变压器过励磁时差动保护的闭锁 判据。而二次谐波制动的比率差动保护必须附设其他过励磁闭锁判据( 如五次 一 一 浙江大学硕士学位论文 谐波制动判据) 。 用数字技术来实现间断角闭锁原理时有两个难点：一个是准确测量间断角 的问题；另一个是t a 传变；1 起的间断角波形变形的问题。间断角闭锁原理对 采样率的要求较高，一般为了准确测量间断角，采样率至少为7 2 点周，如此 高的采样率对硬件提出了更高的要求。涌流间断角处电流非常小，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最大，需要高分辨率的a d 转 换芯片。另外更为严重的是，涌流一般偏向于时间轴一侧，经t a 饱和传变后， 由于反向电流的作用会使间断角消失，虽然可以采取一定的恢复措施，但由于 变压器铁芯磁特性的非线性，要准确恢复间断角是很困难的。 2 2 3 波形对称原理 通过前面的分析，我们知道励磁涌流在每个周期内都会出现间断，这就造 成了涌流波形在一个周期内前后半波的不对称性，人们利用这个特征研究出了 很多种涌流识别方法，其中比较典型有：波形对称原理、波形比较法及波形拟 合法等。 基于波形对称性原理的基本原理可以概括为：首先对一个周期的差动电流 进行预处理，然后通过一定的算法确定出波形的不对称度k ，最后根据不对称 度k 来判别差流是否为涌流，其主判据为： x 如 ( 2 3 ) 式中，足= 五为波形的不对称度，如为整定值，算法的数据窗为一个周 波。对于本文前面提到的识别方法，其主要区别就在于对称度计算函数厶不同： ( 1 ) 波形对称原理1 1 1 】 首先将流入继电器的差流进行微分( 滤除直流分量) ，将微分后的差流的前 半波与后半波作对称比较，求取不对称度k ，即 厶= 剜 c z 叫 式中，为差电流导数前半波第i 点的数值，+ 。，：为后半波与第| i 点相对 应的数值。 从数字滤波的角度来分析，波形对称判据的构成实质上是差分后差动电流中 偶次谐波的瞬时值与奇次谐波包括基波分量的瞬时值相比。按判据的动作条件， 输入电流中的偶次谐波为动作量，奇次谐波为制动量。与二次谐波制动原理相比， 波形对称判据充分利用了二次谐波以上的偶次谐波分量，提高了保护躲励磁涌流 一8 一 浙江大学硕士学位论文 误动的能力。 ( 2 ) 波形比较法【1 2 l 设置一个长度为一周波的观测窗，采用适当的方法将观测窗内的差动电 流i 分解成差异明显的两段波形石o ) 和y ( f ) ，每段的长度为半周波，然后求取两 段波形的相关系数来表征差动电流的不对称度，即 丘= 瓮铲( 2 - - 5 ) 式中，c o v ( x ，y ) 为x ( f ) 和_ y ( f ) 之间的协方差，盯( 疋) 为x ( f ) 的均方差。 此方法中波形系数采用积分运算，算法的稳定性好，特征明显，抗t a 饱 和能力强，并可以实现分相制动。 ( 3 ) 波形拟合法 1 3 l 基于去除直流分量故障电流基本上为前后对称的正弦波这一特征，利用实 际电流的前几个采样点拟合出的标准正弦波，用这个拟合的标准正弦波作为参 照波形，与实际电流波形相比较，利用两个波形间的差异来反映波形的不对称 度，即 k = ( 2 6 ) 式中，y ；拟合出的正弦波离散值，只。为实际波形离散值( 去除了直流分 量) 。这种方法具有所用数据窗较短，识别迅速，特征明显等优点。 利用波形对称性特征鉴别涌流方法，从实质上讲都是利用涌流波形会出现 间断角从而造成波形的不对称性这一特点的，都属于间断角原理的衍生和改进， 且较间断角原理易于实现。但由于涌流波形与许多因素有关，对于波形不对称 度量的整定，很难通过严格的理论分析或推导来确定，应用中只能根据实际情 况，以及大量试验的方式来确定，从而潜伏了误判的隐患。 2 2 4 基于采样值差动的励磁涌流鉴别方法 采样值差动鉴别励磁涌流的基本思路为1 1 4 1 ：由励磁涌流和内部故障电流波 形比较可知，励磁涌流在1 个周期内，三相差流( 即流入继电器的电流) 波形 中有两相由于变压器饱和特性的影响使波形总是有几个点靠近零点，电流数值 上趋向于零，这几个采样点，其电流数值不满足采样值差动的动作条件。这个 规律实质上是和产生涌流时波形会出现间断角的规律相一致。剩下的一相由于 变压器绕组接线方式的影响往往呈现出周期性电流的特征，考虑最严重的情况 即为产生对称性涌流，此时该相差流的直流分量为零，完全为周期性电流。但 1 个周期内仍然存在一定的间断角，受这个因素的影响，在1 个周期内，该相 一9 一 浙江大学硕士学位论文 电流满足采样值差动条件的点数与标准正弦基波相比要少，而变压器发生内部 故障时，差流波形基本上为正弦基波，故一般只在过零点前后才不满足采样值 差动动作条件。利用这个规律，可以用数字保护差流启动后r 个采样点作为所 需要的判别数据窗( r 值对应的角度一般要求小于2 p ) ，寻找定值s 分相判别， 当三相差流中有一相或多相的r s 时，就可认为发生了内部故障，输出动作 信号，否则认为是励磁涌流而不动作。 采样值差动不同于相量差动，它不但考虑波形幅值的大小，更重要的是它 需要考察波形的集散度，即使波形的幅值很大，若不具备较好的分布均匀性， 同样无法满足采样值差动判据。正因为如此，采样值差动可有效地鉴别励磁涌 流和制动外部故障t a 饱和的差流，同时还具备抗过励磁的功能。采样值差动 的数据窗只有一个点，因此它在变压器或t a 进入线性区时，差动保护判据必 然不满足，比采用全周数据窗的相量差动更能适应这种饱和非线性。 2 2 5 虚拟三次谐波式涌流制动原理 文献 1 5 】在研究正弦基波与奇次谐波叠加的特征以及基波与偶次谐波叠加 的特征基础上，提出了一种虚拟三次谐波式涌流制动原理。 虚拟三次谐波制动方案是利用涌流中信息量最为丰富的以尖脉冲为中心的 半周波形作为前半周信息，利用“平移”和“变号”原则虚拟构成后半周信息， 前后合起来构成一个完整的周波信息，这一合成信号符合奇对称原则，其原理 示意图如图2 2 所示。图2 2 ( a ) 为没有经过虚拟的涌流频谱，其中二次谐 波分量为0 6 5 a ，基波分量为1 0 7 a ，三次谐波分量为0 3 2 a 。图2 2 ( b ) 中 负半周是对涌流波形进行“虚拟”后所得的波形。谱分析表明，它不含有二次 谐波分量，基波分量为2 1 4 a ，三次谐波分量为0 6 4 a 。可以看出，由于波形前 后半波沿轴线对称且为尖顶波，故其三次谐波含量较大；而变压器内部短路电 流基本上是正弦波，“虚拟”后的波形中三次谐波含量较小，故可由此将两者区 分开来。研究表明，不仅在单侧尖脉冲性涌流时含有丰富的三次谐波分量，而 且在对称性涌流时，也含有比较多的三次谐波分量。 lli 萤隔壁魏 bk hhi i f i鞋i le“e f i j !j j l j 1 j l】lj | 、j l| j 一一l 一一i 一一| _ 一 l l ( 时涌藏波形及撷谱羯 kk kk l l - l 。 i l l l 1 j1 、 ，1 1 j、l ，f ji ￥ v l1fi【f iillllii lllijill iiliiiil l垩jiiiil _ ( b ) 盘拟涌滚波形鞭落潮 图2 2 虚拟三次谐波原理的波形示意图 一1 0 一 浙江大学硕士学位论文 该方案的原理仅用工频半周期信息，可使算法要求的数据窗缩短，加快了 保护的动作速度，保护可在故障后半个周波加一个采样点的时间，约1 0 1 2 m s 即可发出跳闸脉冲，加上出口继电器动作时间，约1 5 m s 即可跳闸。该方案数 字实现时，算法简单，实际上相当于用半周傅氏算法计算基波及三次谐波的运 算量。该原理的波形虚拟过程，从滤波器的角度来看其实就是滤除偶次谐波， 保留奇次谐波的过程，充分利用虚拟后的尖顶波中的三次谐波分量来确定涌流 波形。 2 2 6 小波变换识别原理 由于傅里叶变换只是一种频域分析方法，只能通过观察信号傅里叶变换的 整体衰减性来判断信号的奇异性。2 0 世纪8 0 年代后期在发展起来的小波变换， 具有可调节的时频分辨能力，能分辨出信号中在不同位置处不同特征的局部行 为，准确地捕捉突变信号的特征，并能在不同频带尺度上考察信号频率的演化， 对奇异点进行准确分析和定位。小波变换在信号奇异性检测上面的优势，引起 了大批保护工作者的关注，很多研究人员都试图利用小波技术来解决涌流的识 别问题。目前，利用小波变换进行涌流识别仍主要集中在奇异点检测上1 1 6 - 1 叭， 检测原理比较相似，它主要利用了小波变换模极大值原理，检测的是差流状态 突变而产生的第2 类间断点，奇异点与涌流间断角相对应。然而，小波方法距 离实际应用还存在着一定的距离，主要表现在： ( 1 ) 要想获得好的检测效果，则要求信号的采样率较高，同时算法本身 计算量也很大，这对保护的软硬件提出了很高的要求，目前还很难达到。 ( 2 ) 算法本身受系统谐波的影响较大，必须提高其抗干扰能力。 ( 3 ) 相关研究人员对小波变换的认识还不够深入，将其应用到涌流检测 还停留在比较初步的阶段，需要对其进一步的分析研究。 2 2 7 基于数学形态学提取涌流特征识别法 数学形态学是一门新兴的学科，它包括两种基本运算：腐蚀和膨胀，并由 这两种运算进一步拓展外开运算和闭运算，这两种运算具有滤波的功能，开运 算可以抑制采样信号中的峰值噪声，而闭运算可以抑制采样信号中的低谷噪声。 在此基础上，利用这两种形态算子的不同组合方式可以构造出不同形式的形态 滤波器，使信号的特征更加明显，目前被广泛应用于数字图像识别和边缘检测 中。近年来，数学形态学也被电力研究人员引入到电力系统相关研究中，文献 2 0 1 提出了一种利用数学形态学原理识别励磁涌流的新方法，作者数学形态学 基本原理的基础上，利用t o p - - h a t 算子和b o t o m h a t 算子构造出一种采样信 号峰谷检测器，利用此检测器可以准确的提取采样信号的峰谷点。对于变压器 非对称性涌流，一周波数据窗内只能检测到信号的波峰点，而检测不到波谷点， 而对称性涌流和故障电流能同时检测到峰谷点，这样就可以先将非对称性涌流 识别出来，然后再利用对称性涌流和故障电流在形态梯度上的差异进行区分， 具有特征明显、计算量小、抗t a 饱和能力强等特点。目前此种方法还属于探 浙江大学硕士学位论文 讨阶段，离实际应用还有一定的距离。 2 3 励磁涌流的电流电压识别判据 传统的变压器励磁涌流识别方法一般是仅利用变压器的某一个电气量( 电 流或电压) 来进行励磁涌流和故障电流的鉴别。而单纯地利用电流判据相对比 较简单，它只能从电流的波形特征中找到一些区别于内部故障的特征，但不免 存在一定的局限性。变压器是通过电磁耦合的方式进行电能传输和转换的，就 其本质而言，是一个时变的非线性系统，因此，仅仅运用单一的电气量难以完 整地描述铁芯的状态特征。由于变压器励磁涌流的产生是一个复杂的电磁暂态 过程，考虑磁的特性可以通过测量电压来反应。国内外的学者提出了一系列的 基于电流电压的判据，包括磁通特性、回路电压方程、差有功法、电路参数辨 识等方法。实际应用这些判据要增加电压互感器t v ，下面将分别阐述。 2 3 1 磁通特性判别法 文献 2 1 】提出了一种利用内部故障和励磁涌流时变压器磁链一差流曲线的差 别，来构成磁通特性的识别方法。下面描述一下其基本原理：设厶，。为变压器 原边漏感，忽略绕组电阻后可得变压器互感磁链妒与绕组端电压“和绕组电流， 的关系 d g s l d t = “一厶，d i l d t ( 2 7 ) 如图( 2 3 ) ( a ) 为经试验所得的差动电流与变压器磁链关系曲线，由图 可见，当变压器产生涌流时( 1 、2 曲线) ，无论变压器剩磁大小如何，在变压 器未饱和时，斜率d f ，丸都比较大，在变压器进入饱和区域时，d 5 f ，d 屯很小， 壬，。 蘑。 。| 。 习。 o ( a ) 缈一励磁特性曲线 ( b ) d 奶一岛关系曲线 图2 3 变压器磁链与差流曲线 一1 2 一 浙江大学硕士学位论文 因此，d 奶随着得变化在大值和小值间周期性的变化；而对于变压器 内部故障状态( 3 曲线) ，d y 妃基本不变且数值较小。 根据上述特征，可以确定两个区域，如图2 3 ( b ) 所示，区域b 反应变 压器内部故障和饱和状态；区域a 为非饱和运行状态。变压器故障时，d y 奶 处于区域b ，而变压器空载合闸出现涌流是d 妒丸则在区域a 与b 间交替出 现，在利用此特征进行涌流检测时，设一个计数器j 0 ，若d 丸位于区域b 内，则加1 ：若d 以位于区域a ，则减la 由前面分析可知，对于变压器故 障，群单调增加。因此，得到下面判据； 占。时，判断为变压器内部故障。其中，占。为整定值。 利用变压器在正常运行、励磁涌流以及外部故障时结构及某些参数不变， 而内部故障时结构及参数会改变，来识别变压器内部故斟2 4 , 2 5 j 。变压器在正常 运行、外部故障、发生励磁涌流及过励磁时，变压器绕组的匝数和漏磁通所经 过的磁路均未发生变化，变压器绕组的漏磁亦不会发生变化；但当变压器绕组 发生单相接地故障、各相绕组之间发生相间短路或单相绕组部分线匝之间发生 匝间短路时，绕组电流通过的绕组匝数会发生变化，漏电感定会发生变化。基 于这一特征，可把变压器绕组的漏感和电阻值是否发生变化作为区分内部故障 和正常运行、外部故障、励磁涌流情况的判据。当然，也可以把变压器两侧绕 组的电流、电压作为输出量，两端绕组的电阻和漏感值作为待辨识的参数，构 成系统辨识的“灰箱”模型，然后利用相关系统辨识手段在线实时的进行计算， 此时对辨识函数的要求比较高，需要计算量少、运行速度快。 目前变压器差动保护相比，基于变压器模型保护新原理无需进行涌流识别， 实现了与差动保护迥然不同的变压器主保护，构思新颖，原理简明。但要将其 应用到实际中还有一定的困难： ( 1 ) 变压器内部结果非常复杂，其等效电路参数只能通过外部试验获得， 对于原、副边的漏电感厶岛，我们只能得到厶，+ 厶，而判据中一般都 是利用假设上l 。= 厶，来获得漏感，而对于此假设的科学性，还有待于迸一步的 研究。 ( 2 ) 判据的整定比较困难，受多种因素的影响，一般都需要通过试验来 确定。 一1 5 浙江大学硕士学位论文 2 3 4 基于参数辨识原理 建立变压器的线性动态模型，该模型无需涉及变压器铁芯的非线性关系和 磁滞效应。进而依据变压器在正常运行、励磁涌流以及外部故障时结构及某些 参数不变，而内部故障时结构及参数会改变，来识别变压器内部故障。该方法 无需鉴别励磁涌流，能有效地区分内部故障和励磁涌流、外部故障及正常运行 状态。变压器在正常运行、外部故障和发生励磁涌流时，变压器绕组的匝数和 漏磁通所经过的磁路均未发生变化，变压器绕组的漏磁亦不会发生变化；但当 变压器绕组发生单相接地故障、各相绕组之间发生相间短路或单相绕组部分线 匝之间发生匝闻短路时，绕组电流通过的绕组匝数会发生变化，漏电感定会发 生变化。基于变压器绕组漏感和电阻在正常运行、外部故障及励磁涌流时不发 生改变而在内部故障时要发生变化这一特征，可把变压器绕组的漏感和电阻值 是否发生变化作为区分内部故障和正常运行、外部故障、励磁涌流情况的判据。 与目前变压器差动保护相比，用这种方法构成的保护无需进行涌流识别，判断 方法比较简单、迅速。即把变压器两侧绕组的电流作为输出量，两端绕组的电 阻和漏感值作为待辨识的参数，构成系统辨识的“灰箱”模型。为提高辨识参 数的估计精度，减少内存量，提高计算速度以适应在线计算，待辨识的电阻和 漏感值可利用最小二乘参数估计的递推算法( r l s ) 来计算。 2 3 5 利用瞬时电感判据 文献 2 6 】根据励磁涌流与内部故障时变压器铁芯导磁率变化情况的