（电力系统及其自动化专业论文）自适应数字变压器差动保护原理与方法的研究.pdf

a b s ”a c t r e s e a r c ho nd i g i t a la d a p t i v ed i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o np r i n c i p l ea n d m e t h o df o rt r a n s f o r m e r a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ea d v a n c em a dt h eu n c e a s i n gd e v e l o p m e n to fe l e c t r i cp o w e rs y s t e m ，t h e r e q u i r e m e n t so fd i g i t a ld i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o ni sb e c o m i n gm o r ea n dm o r eh i g hf o rl a r g es c a l e u l t r a v o l t a g e 仃a n s f o n n e r a f t e rt h er e s e a r c ho nt h ec r u c i a lp r o b l e m s ，w h i c hh a v et h ei n f l u e n c eo n t h ed i g i t a ld i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o n ，t h ea d a p t i v ed i g i t a ld i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o np r i n c i p l ea n dm e t h o d a r ep r e s e n t e dt os o l v et h es p e c i f i cp r o b l e m s t h em a i nr e s e a r c hi sc o n c e m e da b o u tt h ef o l l o w i n g a s t ) e e t s ： t h ea n a l y s i so ff r e q u e n c ys p e c t r u mf o rs i n g l et r a n s f o r m e ri n r u s hi n d i c a t e st h a tt h ep h a s e d i 丘b r e n c eb e t w e e nf u n d a m e n t a lw a v ea n ds e o o n dh a r m o n i cp h a s o ri se q u a l0 0o r18 0 0 a l s oi n t h r e ep h a s ei n m s h ，t h ep h a s o rd i f i e r e n o eb e t w e e nf u n d a m e n t a lw u v ea n ds e c o n dh a r m o n i ci s n e a r b y0 。o r18 0 。i n b i a si n r u s h a na d a p t i v es e c o n dh a r m o n i ca m p l i t u d ea n dp h a s er e s t r a i n t s c h e m ei sp u tf o r w a r dt oa v o i dm a l f u n c t i o nu n d e ri n r u s hc o n d i t i o n st h ea m p l i t u d ea n dp h a s e i n f o n n a t i o ni nt h ei n r u s hw a v e f o r mi sf u l l yu s e d i tw i l ln o tm a l f u n c t i o nw h e nat r a n s f o r m e ri s e n e r g i z e d ，a n di tw i l li s s u eat r i ps i g n a lq u i c k l yw h e nt r a n s f o r m e rw i t hi n t e r n a lf a u l ti se n e r g i z e d t h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co ff u l l w a v ef o u r i e ra l g o r i t h mi m p a c to nd i 西m lp r o t e c t i o ni s a n a l y z e db a s e do nt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co fd i i g i t a lf i l t e r t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h ed y n a m i c c h a r a c t e r i s t i co fd i g i t a lf i l t e rs l m u l db ec o n s i d e r e dw h e nd e s i g n i n gd i g i t a lp r o t e c t i o n m e a n w h i l e ， i ti sn o tr e l i a b l et oj u d g et h ep r o t e c t i o nw h e nt h ed a t aw i n d o wi ss t i l li nt h ed y n a m i cp r o c e s s as h o r td a t aw i n d o wo r t h o g o n a lf i l t e rd e s i g nm e t h o di sp r e s e n t e dt h r o u g hs o l v i n gl i n e a rm a t r i x e q u a t i o na f t e ra n a l y z i n gt h ep h y s i c a lc o n c e p to fs a m p l i n gv a l u ep h a s o ri nc u r r e n ts i g n a l i tc a n f i l t e ro u ts u b h a r m o n i ca n dd i f f e r e n th a r m o n i ca n dg u a r a n t e ec o s i n ea n ds i n ef i l t e r st op o s s e s st h e s a m ea m p l i t u d ev e r s u sf r e q u e n c yr e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c s i tc a nb ea p p l i e da st h eb a s i cf i l t e rw i t h a d a p t i v ev a r i a b l ed a t aw i n d o wt ot 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 n i th a sb e e nd i s c u s s e dt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e na fc h a r a c t e r i s t i co ff i l t e ra n dd y n a m i cp e r f o r m a n c eo fd a t aw i n d o w t h e d y n a m i cs i m u l a t i o nr e s u l t sd e m o n s t r a t em ec o r r e c t i o na n df e a s i b i l i t yo ft h i sm e t h o d t h ec t ( c u r r e n tt r a m f o r m e r ) t r a n s i e n ts a t u r a t i o nm o d e lu n d e re x t e m a lf a u l t sh a sb e e n a n a l y z e di nd e t a i la n dau e wa d a p t i v ed i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o ns c h e m eb a s e do nt r a n s i e n ti n d i c a t o ri s p r e s e n t e d b yu s i n gt h i sd y n a m i ci n d i c a t o rt h ed i g i t a lf i l t e ra l g o r i t h mc a nb ea d j u s t e da d a p t i v e l y t h ed i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o np e r f o r m a n c ec a nb ei m p r o v e de s p e c i a l l yw h e nc ti sd y n a m i c a l l y s a t u r a t e dd u r i n ge x t e r n a lf a u l t s t ot h ec tt r a n s i e n ts a t u r a t i o na f t e rt h er e m o v a lo fe x t e r n a lf a u l t sh a sn o tb e e np a i dm o r e a t t e n t i o np r e s e n t l y 】th a sb e e nf o u n di nt h er e s e a r c ht h a tt h i sl o c a lt r a n s i e n ts a t u r a t i o nm a i n l y r e l a t e st ot h ec tc u r r e n tt r a n s f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i cw i t hl a r g er e m n a n tf l u xa n ds i n a i l 】o a d c u r r e n tc o n s e q u e n t l y , t h ea d a p t i v ef l u xr e s t r a i n e da n di n v e r s e st i m ec u r r e md i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o n s c h e m eb a s e do nd e t e c t i n ge x t e m a lf a u l t sr e m o v a la r ep r o p o s e dt h i ss c h e m ec o u l da v o i dt h e m a l o p e r a t i o no ft h ed i f f e r e n tp r o t e c t i o nd u et oc tl o c a lt r a n s i e n ts a t u r a t i o nd u r i n gt h er e m o v a lo f e x t e m a lf a a l t au e wa d a p t i v ed i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o ns i m u l a t i o nt e c h n i q u eb a s e d0 1 2f a s tp r o t o t y p e i s d e v e l o p e d a ne x a m p l eo fa d a p t i v ed i g i t a ld i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o nd y n a m i cs i m u l a t i o nt e s ta n df a s t p r o t o t y p ed e v e l o p m e n th a sb e e nw o r k e d i fe q u i p p e dw i t ha da n dd i g i t a lt r i pc i r c u i t ，an e w a b s t r a c t a d a p t i v ed i g i t a ld i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o ns e tt h e nc a nb ep r o d u c e d f i n a l l yt h ea p p l i c a t i o no fa d a p t i v ed i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o ni sp r o s p e c t e da n df u t u r ei m p r o v e m e n t d i r e c t i o ni sp o i n t e do u t ，w h i c ha d v a n c et h et h e o r yd e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fa d a p t i v e d i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o n k e y w o r d ：a d a p t i v ed i g i t a ld i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o n ；i n r u s h ；t as a t u r a t i o n ；t a l o c a lt r a n s i e n ts a t u r a t i o n 学位论文独创性声明 本人声明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，除了文中特别加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，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 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 己在论文中作了明确的说明并表示了谓十意。 签名 二j 驰强一日 关于学位论文使用授权的说明 期：炒嘶，孑 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印什和电子文档，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，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 签名：趣燧名：鲣日 阳j 期：! 吁盟 第1 章序论 第1 章序论 1 1引言 随着西电东送步伐的加快，全国电网互联已经是必然所趋，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，继电保护装置所承担的重 要性和责任将更为重要。如何保证超岛压保护在保护区内故障时快速、可靠地动作，在区外 故障时又可靠不误动，这给继电保护工作者又提出了新的任务和要求。变压器作为电旧中的 重要设备，保证它的安全运行刈整个电力系统的安全稳定都具有非常大的实际意义。而据统 汁，目前变压器保护动作正确率普遍不高，且有时候会出现一些原冈不明的误动，传统的保 护原理、保护方法面临严峻的挑战，因此研究出性能可靠、技术先进的数字变压器保护方案 具有较大的t 程和理论价值u 】。 1 2 课题的研究背景 近f 多年来我国电力工业正处于突飞猛进的发展阶段，大容量、超高压的大型电力变 压器小断投产系统规模0 i 断扩大【ll 2 ”。2 2 0 k v 变压器由1 9 9 0 年的1 3 0 2 台发展到2 0 0 2 年 的3 2 6 9 台，增加了将近两倍；3 3 0 k v 变压器由1 9 9 0 年的3 4 台增加到2 0 0 2 年的1 2 2 台，增 加了近三倍；5 0 0 k v 变压器由1 9 9 0 年的6 6 台发展到2 0 0 2 年的2 9 5 台，增加了三倍多，可 见随着电力系统总装机容量的增大，超高压大型电力变压器台数增加尤其明显。预计我国 2 0 2 0 年电网的总装机容晕将达9 亿k w 其中西电东送达1 亿k w ，全国电网互联已是必然 趋势将有更多的超高压大型电力变压器投入系统运行，冈此对电网安全稳定运行的要求也 更高。同时电力市场化改革对发电的影响深远，电源的建设和布局将更考虑市场的经济行为， 这刈电刚结构带来些非技术冈素的变化。而大型电力变压器保护的动作正确率一卣较低， 滞后于线路保护和发电机保护，这与当前的电网实际安全要求和发展水平是小符合的。现将 1 9 9 0 年以来每年2 2 0 k v 及以上变压器保护运行情况作一比较。 不正确动作次数 年份总动作次数正确动作次数正确动作率( ) 误动拒动 1 9 9 02 2 71 5 96 357 0 0 0 1 9 9 12 3 1 1 7 06 l 0 7 3 6 0 1 9 9 22 5 51 7 08 206 6 7 0 1 9 9 32 7 3 1 8 8 8 14 6 8 9 0 1 9 9 42 8 l2 0 08 107 1 2 0 1 9 9 53 2 0 2 2 2 9 53 6 9 4 0 1 9 9 63 0 62 2 57 927 3 5 3 1 9 9 72 1 3 1 3 47 8l 6 2 9 0 1 9 9 82 1 814 56 586 6 s 1 l9 9 92 0 61 3 8 6 7l 6 6 9 9 2 0 0 02 0 i15 14 917 5 1 2 2 0 0j2 5 22 0 84 318 2 5 4 2 0 0 22 l416 05 317 4 7 7 总13 1 9 72 2 7 08 9 72 17 1 o o 农( 1 1 ) 1 9 9 0 - 2 0 0 2 年2 2 0 k v 及以上变压器保护动作情况统计 山表( 1 - 1 ) 统计结果可以看出，在过去的1 多年里，大容最、超高压的大碰电力变爪 第1 贞 第1 章序论 器不断投产，电力系统的规模不断扩大但变压器保护的发展却相刘滞后。变压器保护作为 电力系统继电保护专业的一个重要分支，与线路保护相比，电力变压器( 包括电流互感器) 是通过钦芯电磁场将一次侧与二次侧联系在一起的饱和非线性模型，变压器内部故障、涌流、 t a 饱和等都需考虑铁芯饱和机理，暂态方程中除需考虑电流状态方程外还需考虑磁链方程。 而继电保护工作者划与它相关的基础理论研究相剥较少；故障模拟与分析是继电保护技术理 论基础之，线路保护技术人员可对各种线路结构的一切故障形式作任何稳态和暂态分析、 物理仿真或数宁仿真，必要时还能进行现场试验；变压器故障形式多变，接线复杂：同时变 压器差动保护本身所面临的1 i 平衡电流来源也比较多，如过励磁、t a 的不同刑、t a 饱和、 励磁涌流等。变压器保护是一个跨专业的技术学科仅仅具有一定继电保护知识的技术人员， 很难开展变压器保护的创新开发。我国的电力建设的态势，有力地促进了变压器保护的发展， 相应的科技开发人员增加较多，迫于市场竞争的压力与本单位经济效益的考虑，大多只是参 与变乐器保护装置的开发，并没有在原理上进一步的改进，造成数字变压器保护产品种类繁 多，但原理单一，大多是将传统模拟式保护原理用计算机实现一遍，没有充分利用数字保护 的优良性能，且很难投入大量的精力对困扰数字变压器保护的一些关键问题进行深入的理论 研究，远远满足4 ；了变压器保护可靠性的要求。目前数字变压器保护偶尔会出现原冈不明的 误动，事故后的分析也往往很难定论到某一个具体的原因，如江苏电嗍在2 0 0 2 午连续发生 三次不同型号数宁变压器比率制动特性差动保护在区外故障切除过程中的误动情况，引起了 运行部f 3 , r t 保护制造部门的高度重视，据了解，此情况在全国具有一定的普遍性 1 ”。运 行部门采取了一些有效的反事故措施如通过抬高差动启动值，但从本文的分析可知，仅仅 通过提高定值来增加可靠性不是最优的方案，这样得不偿失，可能会降低医内轻微故障的灵 敏度。冈此不仅要刘变爪器保护装置进行研究，还要从理论上对变压器及相关的次设备的 暂态性能进行研究，从中发现一些有价值的特征量作为变压器差动保护判据，这无疑更具有 重要的实际意义。 1 3 影响变压器差动保护安全性与可靠性的几个因素 莘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。变爪器差动 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。但实际上变爪器在正常运行操作或外部短路时都有可能产生较大的4 i 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： ( 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4 i 相同，山此产生的差动保护稳态不平衡电流较大。 ( 2 ) _ 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。变爪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，产生几倍甚垒t 一几倍额定电流的励磁涌流，引 起变爪器差动保护误动。 ( 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1 f 选择性的误动。 ( 6 ) t a 饱和问题。如在区外故障过程中，一次侧电流的非刷期分晕较大，如变压器再 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1 i 平衡电流， 可能会引起筹动保护误动。在外部故障切除切除过程中，由于t a 的局部暂态饱和也可能会 第2 页 第1 章序论 引起差动保护的误动。 ( 7 ) 内部轻微匝间故障灵敏度问题。变压器内部轻微匝问故障时，虽然流过短路环的 电流很大，但流入差动叫路的电流可能很小，影响差动保护的灵敏动作。 ( 8 ) 数宁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 一个莘动保护装置，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( 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”j 。 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、暂态小平衡电流 同时保证在内部轻微匝问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 ) 有效的防止山于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_ 次侧t a 饱和引起保护误动，还包括外部故障切除后t a 局部暂态饱和弓| 起的 著动保护误动，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 ) 正确以别 变压器的过励磁问题：( 5 ) 选择暂态性能最优的数宁滤波器作为羊动保护的滤波算法。 图( 1 - 1 ) 通过图形的方式简要描述了困扰变压器差动保护的一些关键的问题。其中包 括一次系统、二次系统、变压器保护算法等问题。 图( 1 - 1 )变压器差动保护中问题的陈述 数宁变爪器差动保护的开发研究前鲻，必须正确地研究这些圉素的本质特征与消除黟响 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景的经验，小能完全摒弃。自 适戍著动保护原理能在不改变保护原理的同时提高保护的灵敏度和准确性本论文将就这些 蚺3 页 第l 章序论 方面展开充分的研究与分析，并根据变压器故障、涌流、t a 饱和等动态过程中的具体特征 提出划应的自适商差动保护解决方案。 1 4 数字变压器差动保护研究现状 长期以来，继电保护丁作者对上述问题进行了大量的试验分析研究，并取得了一定的研 究成果下面主要针对涌流识别、抗t a 饱和方法作一国内外研究概况综述。 1 4 1变压器励磁涌流国内外研究概况 在防【 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t 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，涌流的以别有：( 1 ) 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以别判据；( 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台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 气特征最的基础上，目前还有大晕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、小波奇异性问断角检测；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。列选用那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。目前工稗上应用比较成熟的主要是次谐波制动原理、波形划称 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，这些新兴于段也只是局 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f i 能说这些方法将来不能推广应用，优秀的原理取决于合适 的文现手段，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 据电气量与方法的小同，简要地概述一下这些原理。 1 4 1 1利用电流判据 f 1 1 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，尤其是次谐波；而在变乐器内部短路 时短路电流中的二次谐波含量较小。因此可以利用差流中的次谐波含量来构成如下涌流 制动判据7 】： 生 k ，( 1 1 ) ，1 一 式中：“，分别为差流中的基波和二次谐波幅值； ，为二次谐波制动系数。常取值为1 5 - - - 1 7 。 _ 次偕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方案大多采用该原理。但采 用次谐波制动的变压器保护也有较大的局限性： 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_ 次谐波含晟会变得很低( 完全饱和时是正弦波与非周分量的叠加) ，导致次谐波 制动原理的差动保护误动，目前1 5 一1 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 13 甚至低至11 5 ，在此情况下涌流的最小一次谐波含量可能低垒1 0 以下，很难适! _ 选择 制动比k 2 。美国西尾公州的制动比为7 0 7 5 ，a b b 公司取k 产1 0 ，我国和大部分国 家则取1 5 一2 0 。大容嚣变压器、远距离输电的发展，会使变压器内部故障暂态电流产生 较大一次谐波，引起筹动保护拒动或延时动作。c l o t , 励磁涌流是暂态非周期电流，h i 适台用 第4 贞 第1 章序论 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。 问断角闭锁原理 白j 断角闭锁原理的变压器差动保护率先由我国于6 0 f 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 “”j 。问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。该方法简单亩接，但它是以精确测量问断角 为基础，如遇到t a 暂态饱和传变会使涌流：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，冈此该原理在实际数字差动保护中的应用效果并不 u 分的理 想。 州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；! j 间断角小于6 5 。且波宽大于1 4 0 。时，判别为可能不是励磁涌流，并短时开放 出口比率芹动继电器。 问断角闭锁原理的变压器筹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，在变压器吾种内部故障时能迅速动作跳闸；( 2 ) 具各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 变爪器过励磁时差动保护的闭锁判据。而次谐波制动的比率筹动保护必须附设其他过励磁 闭锁判据( 如五次谐波制动判据) 。 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 传变引起的间断角波形变形的问题。问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，采样率垒少为7 2 点周，如此高的采样率剥硬件提出了更高的要求。涌 流间断角处电流1 f 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。另外史为严重的是，涌流一殷偏向于时间轴一侧，经t a 饱 和传变厉，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，但山于变 压器铁芯磁特性的非线性，要准确恢复问断角是很困难的。 ( 3 ) 波形对称原理 波形对称原理的基本思路为：首先将流入继电器的差流进行微分( 滤除直流分晕) ，将 微分后的差流的前半波与后半波作对称比较，用特征值k ( 小刑称度) 来区分故障电流和励 磁涌流”。 设流入筹动继电器的摹动电流为椰) ，其导数为j ( f ) ，将i7 ( f ) 的前半波与后半波的刈席 值作对称比较，构成如下波形埘称原理判据： ( 1 2 ) 若故障电流为理想正弦基波或奇次谐波，则即) 与f 0 + r 2 ) 总是大小相等符号相反， 故i7 ( ，) + i7 ( ，+ t 2 ) 总为零值即电流f ( ，) 波形别称，式( 1 2 ) 总能满足。实际上，故障电流 并非是理想的正弦波形，文献 7 0 l 认为在总共半个周波( 18 0 。) 的判断中，励磁涌流符合 埘称条件的角度最多为6 09 ，而故障电流在15 0 。范围内都是对称的。 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( 分子) 与奇次谐波包括基波分量( 分母) 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。与次谐波制动原理相比，波形别称判据 第5 页 鬻 第1 章序论 允分利用了_ 二次谐波以上的偶次凿波分最，提高了保护躲励磁涌流溟动的能力。但该原理在 实用中所面临的问题是小剥称度k 的整定依据不清晰。 波形对称原理本质上是利用短路电流波形基奉对称而励磁涌流一般不对称的特点，其表 现形式有基于瞬时值( 如前面介绍的) ，也有的采用积分模型，但它们的判据k 值一般4 i 相 等。文献f 1 5 1 提出了基于波形列称原理的变压器励磁涌流识别新方法该方法利用非参数相 似系数的基本概念，刈著分后的采样电流进行分析和处理，通过比较差分电流波形| l | 勺前半波 和后半波的对称度来区分变压器内部故障电流和励磁涌流，通过理论分析与大量数字仿真结 果汪明了该方法具有识别快速、动作可靠以及抗干扰能力强等特点。 f 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 7 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 一肚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 h i 满足聚样值筹动的动作条件。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。剩下的一相山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 重的情况即为产生埘称性涌流，此时该相差流的直流分景为零完全为周期性电流。但1 个周期内仍然存在一定的问断角，受这个冈素的影响，在1 个周期内该相电流满足采样值 筹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，故一般烈在过零点前后才4 ：满足采样值莘动动作条件。利用这个规律，可以用数字 保护莘流启动后r 个采样点作为所需要的判别数据窗( r 值埘麻的角度一般要求小于2 z r ) ， 了找定值s 分相判别，、j 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。 采样值差动彳i 同于相最差动。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。正冈为如此，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f i 勺功能。采样值筹动的数据窗只有一个点，冈此它在变压据或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1 # 线性。 ( 5 ) 虚拟三次谐波式涌流制动原理 文献 7 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，捉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制波形 乍 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 按的剧波信息，这一台成信号符合奇村称原则，其原理示意图如n ( 1 2 ) 所示。图( 1 2 a ) 为 没有经过虚拟的涌流频谱，其中次谐波分量为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( 1 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4 i 含有一 次谐波分最，基波分量为21 4 a ，三次谐波分量为o 6 4 a 。可以看出，由于波形| j i 后半波沿 轴线坩称且为尖顶波，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罩。 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， f 1 1 护可在故障厉半个剧波加一个采样点的时问，约1 0 1 2 m s 即可发出跳闸脉冲，加上出口 继电器动作时问，约1 5 m s 即可跳闸。该方案数字实现时，算法简单，实际e 相“1 于用半剧 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项波中的三次谐波分帚来确 第6 页 第1 章序论 定涌流波形。 4 坝丸糊膻心：l 芷随二三二二三 1 r w 一i r i 一。3 。 面：6 ：茹高名h ( a ) 涌流波形及频谱图( b ) 虚拟涌流波形频谱图 图( i 2 ) 虚拟三次谐波原理的波形示意图 1 4 1 2 利用电流电压的励磁涌流识别判据 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景( 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景电压来反应。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、电路参数辨汉等方法。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。 ( 1 ) 磁通特性鉴别法 利用内部故障和励磁涌流时变压器磁链差流曲线的差别，就可以构成磁通特性的识别 方法。磁通特性判别励磁涌流和短路电流的方案很多，其中较为完善的是用磁通变化率判别 7 6 o 实验发现变压器在正常状况、内部轻微故障和内部严重故障时矿一i d 曲线分别由图( 1 - 3 a ) 中曲线l 、2 、3 表示，励磁涌流时的妒一b 曲线由图( 1 3 b ) 表示。 l 办 l 铴 7 o 2 c p 凝 妒 0 i d ( a ) 1 f 励磁浦流时磁特性曲线( b ) 励磁涌流时的磁特性曲线 图f l - 3 ) 基于磁通原理的涌流识别 对于1 f 励磁涌流y 一如曲线当前时刻的切线斜率总是与半j d 波前时刻的斜率相等，对 于励磁涌流则水满足此条件。 第7 页 菊1 章序论 令! ? 掣：y ( ，) ，离散化厉定义一个检测函数d 为： a t d l fj d = ( ) 一p ( 女一1 ) 黼妒船) = 揣 内部故障时d = 0 ；励磁涌流时d 0 。 只要确定一个合适的门槛值d n ，并建立一个制动计数器k d 判别。对制动计数器k 。： 确定一个门槛值k 。构成下述涌流判据 ( i 一3 ) 就可以实现励磁涌流的 ( 1 4 ) k d ： k “，戮蝥璧苎篓 ( 1 - 5 ) 1 茎k d 川。，判为励磁涌流 。 该方案判据简捷，检测速度快( t d d d当肖 十 一 j k k f、，1 = d 第1 章序论 的各相绕组电压、电流值计算瞬时导纳y 1 0 和y 3 0 ：且喜和2 的整定较难。 ( 3 ) 基于变压器同路方程的算法 该方法基于变压器原副边的互感磁链平衡方程与原、副边电压关于电流、互感磁链的方 程，消去互感磁链，得到只包含原副边电压、电流的线性模型。该模型不直接反映变压器铁 芯磁通的非线性，只表达了变压器原副绕组漏感( f ，。、，2 。) 、电阻( r l 、r 2 ) 、电压( “、 “，) 和电流( i 、i ：) 问的关系，以单相变压器为例有如下表达式( 为简明起见，设变比为 1 ) ： 铲“l 。导川r 22 “2 。鲁 ( 1 - 7 ) 掘此，引出两条思路： ( 1 ) 。1 变压器无故障时( 正常运行、空载合闸、外部故障及其切除) ，式( 1 7 ) 恒等， 而内部故障时式( 1 - 7 ) 不再成立。定义 口”旷嘲一i 。导叫2 _ 2 ，鲁 ( 1 8 ) 则当 a 时，变压器为内部故障，口为阈值。 ( 2 ) 变压器在正常运行、励磁涌流、过励磁或外部短路时，绕组漏感和电阻为恒定不 变的常值，而在内部故障时却要发生变化。基于这一特性可将绕组漏感和电阻是否发生变 化作为区分变爪器内部故障的判据，为此产生了变压器保护的参数辨识法【7 ”。 该方法完全摆脱了励磁涌流和过励磁电流的困扰，实现了与筹动保护迥然小同的变爪器 主保护，构思新颖，原理简明。但实践中存在如下困难：变压器原、副边绕组漏电感极难准 确获得，目前尚无可行的测取方法，导致整定困难。 r 4 1 基于参数辨