（电力系统及其自动化专业论文）适用于超高压变压器的快速保护的研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 变压器是电力系统中最重要的电气主设备之一，它在整个电力系统中起转换枢纽的 作用，尤其是大容量超高压变压器的安全运行直接影响到整个电力系统的安全稳定运 行。因此，研究和探索动作速度快，可靠性和灵敏性高的适用于超高压变压器的保护新 原理具有十分重要的意义。 本文首次提出一种基于差电流波形的凹凸特性，在l o m s 内快速识别变压器励磁涌 流和内部故障的面积比值新方法；首次从电压和电流波形角度对瞬时威磁电感的变化规 律加以分析验证，提出用移相电压和差流的瞬时采样值之比代替传统的测量励磁阻 抗模值，并用其变化规律判别励磁涌流和内部故障，并根据此方法构造出半周波和 整周波的快速判据；针对二次谐波原理和波形对称原理的门槛值不易选取的问题， 提出采用计算比值满足不同门槛值的概率分布的数学期望值，并综合三相计算结果 构成判据来识别励磁涌流和内部故障的改进方法。 关键词：变压器保护，励磁涌流，凹凸特性，瞬时励磁电感，数学期望 a b s t r a c t t r a n s f o r m e ri so n eo fm a j o re l e c t r i ca p p a r a t u s e si np o w e rs y s t e m i tp l a y sa ni m p o r t a n t r o l ei nt h et r a n s m i s s i o no fp o w e rs u p p l y t h et r a i l s f o r l l e rn mi ns a i r e t y , e s p e c i a l l yi n e x t r a - h i g hv o l t a g et r a i l s f o r m e r ，i n f l u e n c e dt oa l l w e rs y s t e m t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c hf o r n e wa l g o r i t h mo fe x t r a h i g hv o l t a g et r a n s f o r m e rp r o t e c t i o nw i t hh i g hp e r f o r m a n c e ，s u c ha s f a s t ，r e l i a b l ea n ds e n s i b l ec a p a b i l i t i e s ，i si nh i g h l yd e m a n d an e wa r e a r a t i oa l g o r i t h mo ff a s td i s t i n g u i s h i 】a gt h ei n r u s ha n df a u l tc u r r e n to fp o w e r t r a n s f o r m e r ( i n1 0s e c 、b a s e do nt h ec o n c a v o c o n v e xc h a r a c t e ro fd i f f e r c n f i a lc u r r e n ti sf i r s t p u tf o r w a r di n t h i sp a p e r t h i sp a p e rf t r s t l ya n a l y s e dv a r i a n tr e g u l a r i t yo fe q u i v a l e n t i n s t a n t a n e o u si n d u c t a n c e 丘o mp o i n to fv o l t a g e c u r r e n tw a v e ，a n du s ev o l t a 窖e c u r r e n t p h a s e s h i f t i n g i n s t a n t a n e o u s s a m p l i n g r a t i ot o r e p l a c e t r a d i t i o n a l m e a s u r i n g e x c i t i n g - r e s i s t a n c e i ta l s ou s e 也er e g u l a r i t y t od i s t i n g u i s h 血ei n r u s ha n di n n e rf a u l t c u r r e n to ft r a n s f o r m e r , a n da c c o r d i n gt ot h i sm e t h o dc o n s t i t u t ef a s tc r i t e r i o ni nh a l fc y c l ea n d ac y c l e f o rs a k eo fh a r ds e l e c t i o no ft h et h r e s h o l dv a l u eo fs e c o n dh a r m o n i c sp r i n c i p l ea n d w a v e f o r ms y m m e t r yp r i n c i p l e ，t h ep a p e ra d o p t e dam e t h o do fc a l c u l a t i o nr a t i ow h i c hc a n m e e td i f f e r e n tt h r e s h o l dv a h i ei nm a t h e m a t i c a le x p e c t a t i o no fp r o b a b i l i t rd i s t r i b u t i o n a n d s y n t h e s i z e dt h r e ep h a s ec a l c u l a t i o nv a l u et oc o n s t i t u t ec r i t e r i o nf o rd i s t i n g u i s h i n gi n r u s ha n d i n n e rf a u l tc u l t e n to f t r a n s f o r m e r k e yw o r d s ：t r a n s f o r m e rp r o t e c t i o n ，i n r u s h ，c h a r a c t e ro fc o n c a v o - c o n v e x ，e q u i v a l e n t i n s t a n t a n e o u si n d u c t a n c e ，m a t h e m a t i c a le x p e c t a t i o n 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于采样值相关度和励磁电感的变压 器保护新原理研究，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：煎望日期： 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： 日 期： 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题背景和研究意义 第一章绪论 近年来，我国的超高压、特高压、大容量电力变压器不断投产，远距离输电系 统越来越多地建成、运行，电力工业已取得了可喜的发展。但是，国内变压器保护 的发展却远落于后，其保护正确动作率长期偏低。据最新统计资料显示，1 9 9 9 2 0 0 3 年五年里，2 2 0 k v 及以上变压器保护的平均正确动作率为7 5 4 4 ，其远低于 线路保护的正确动作率( 9 9 以上) 。表1 1 列出了1 9 9 9 2 0 0 3 年2 2 0 k v 及以上 变压器保护运行情况的统计数据。 表1 l1 9 9 9 2 0 0 3 年2 2 0 k v 及以上变压器保护运行情况统计数据 正确动作次不正确动作次数正确动作率 年 总动作次数 数误动拒动 ( ) 1 9 9 92 0 61 3 86 7l6 6 9 9 2 0 0 02 0 11 5 l4 917 5 1 2 2 0 0 l 2 5 2 2 0 8 4 3l8 2 5 4 2 0 0 22 1 41 6 05 3 1 7 4 7 7 2 0 0 32 0 61 5 74 9o7 6 2 1 总计 1 0 7 98 1 42 6 147 5 4 4 由上述统计结果可以看出：在这五年里，2 2 0 k v 及以上变压器保护的水平没有 发生明显的改善，变压器保护的正确动作率还偏低。造成这一结果的原因有管理的 不足，有运行维护管理上的责任( 运行维护不良，误碰，误操作，误整定，误接线) ， 有基建部门的责任，但更主要的是电力变压器继电保护在原理上存在缺陷 “。其中， 关键问题有两个：一是主保护选择差动保护在原理上存在不足，_ 是用于识别励磁 涌流的制动方法是否可靠。 电力系统的迅速发展对变压器保护的安全性和快速性提出了更高的要求。电力 变压器尤其大型超高压和特高压变压器作为电能传送的重要枢纽，造价昂贵，一旦 发生故障遭到损坏，其检修难度大、时问长，要造成很大的经济损失。特别是在单 台容量占系统容量比例很大的情况下，发生故障后突然切除变压器，将给电力系统 造成很大的扰动。超高压变压器铁心工作于较高的阴曲线处，距离铁心饱和很近， 铁心更容易饱和；超高压变压器内部短路带来的损坏及对系统稳定的影响更严重， 因此要求变压器保护切除故障的速度更快，这些都对超高压变压器保护装置提出了 很高的要求。进一步探索具有更高性能的变压器保护新原理显得十分重要和迫切。 华北电力大学硕士学位论文 因此，研究动作速度快，可靠性和灵敏性高的变压器保护新原理具有十分重要的意 义。 1 2 变压器主保护的研究现状 差动保护一直是电力变压器的主保护，其理论根据是基尔霍夫电流定律，对于 纯电路设备，差动保护无懈可击。所以，在发电机和线路保护的应用中，差动保护写 下了辉煌的一页。但是，对于变压器而言，由于内部磁路的联系，本质上不再满足基 尔霍夫电流定律，变压器励磁电流成了差动保护不平衡电流的一种来源。然而，大型 电力变压器正常运行时的励磁电流通常低于额定电流的1 ，所以适当设定差动保护 动作值仍可准确区分变压器内部故障与外部故障。但是，电力变压器运行条件复杂， 过励磁时励磁电流可达额定电流的水平，空载合闸或者变压器外部短路被突然切除 而端电压突然恢复时，暂态励磁电流( 即励磁涌流) 的大小有时可与短路电流相比 拟。这样大的不平衡电流必然导致差动保护误动，为此，变压器差动保护的主要矛盾 一直集中在准确鉴别励磁涌流和内部故障电流上。围绕电力变压器励磁涌流的判别， 先后涌现出许多方法： 1 2 1 电流波形特征识别法 电流波形特征识别法一直是人们研究的热点，目前仍占据主流。该方法以励磁 涌流和内部故障电流波形特征的差异为依据，已运用于实践的有二次谐波制动原理 和间断角原理【3 ，新近提出的有采样值差动原理【4 、波形对称原理b 1 、波形叠加原理 6 1 、波形相关性分析法【，1 和波形拟合法 8 】。其中，采样值差动原理是间断角原理的衍 生，波形对称原理是间断角原理的改进，而波形叠加原理、波形相关性分析法和波形 拟合法则是波形对称原理的衍生或改进。另外，随着人们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，其中有 代表性的是神经网络“1 1 、小波变换 1 2 - 1 4 1 和数学形态学 1 5 - 1 7 。然而，就目前发表的 文献看，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，所以仍属于 电流波形特征识别法的范畴。 1 2 1 1 二次谐波制动原理 二次谐波制动法是计算差流中的_ 次谐波分量，若其值较大则判定为涌流，常 用的判别式为： 生 k jd i f 1 1 ) 华北电力大学硕士学位论文 式中：l ：和l 分别为差流中的二次谐波和基波幅值；k 为二次谐波制动比。 分析表明：一般情况下，励磁涌流中含有较大的二次谐波分量，而故障电流中的_ 次谐波分量较小。二次谐波制动原理简单明了，有多年的运行经验，该原理在微机 变压器保护装置中得到了广泛采用。但是采用二次谐波制动原理的变压器保护在实 际运行中面临以下的问题： ( 1 ) 励磁涌流是暂态电流，不适合用傅里叶级数的谐波分析方法。因为对于暂态信 号而言，傅里叶级数法的周期延拓将导致错误的结果。 ( 2 ) 很难适当选择制动比k 。美国西屋公司的制动比为7 0 7 5 ，但a b b 取1 0 ， 我国和大部分国家则取1 5 2 0 t ”。谁更科学较难评判。 ( 3 ) 现代变压器磁特性的变化，使得涌流时二次谐波含量低，导致误动；而大容量 变压器、远距离输电的发展，使得内部故障时暂态电流产生较大的二次谐波， 导致拒动。 1 2 1 2 间断角原理 3 】 间断角原理利用了涌流波形有较大间断角的特征，通过检测差流间断角的大小 实现鉴别涌流的目的。该原理的模拟式保护装置已得到应用，但面临着因电流互感 器传变引起的间断角变形问题。当电流互感器饱和时，在涌流的间断角区域将产生 反向电流，电流互感器饱和越严重则反向电流越大，最终使得涌流间断角消失；对 于内部故障电流而言，电流互感器饱和将导致差流的间断角增大，而且电流互感器 饱和越严重，其差流间断角越大。前者将使得变压器发生涌流时差动保护误动，后 者将使得变压器内部故障时差动保护拒动。当差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情况 下有可能误训1 9 】。此外，用微机实现间断角原理时硬件成本高，主要表现在以下两 个方面0 2 0 ： ( 1 ) 需要较高的采样率以准确测量间断角，结果对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0 ，而a d 转换芯片正好在零点附近 的转换误差最大。因此，需要高分辨率的a d 转换芯片。 1 2 1 3 波形对称原理 波形对称原理实际上是偶次谐波制动 1 “，是利用差电流导数的前半波与后半波 进行对称比较，根据比较的结果去判断是否发生了励磁涌流。对称的定义如下式： 荆k ( 1 - 2 ) r r 华北电力大学硕士学位论文 式中：，j i 为差电流导数前半波第i 点的数值；+ ，。为后半波对应第i 点的数值； k 为比较闽值。当第i 点的数值满足式( 1 2 ) 时称为对称，否则称为不对称。连续比 较半个周期，对于内部故障，式( 1 2 ) 恒成立；对于励磁涌流，至少有1 4 周期以上 的点不满足式( 1 2 ) 。该原理基于对励磁涌流导数波宽及间断角的分析，是间断角原 理的推广，且比间断角原理容易实现。但是，涌流波形与许多因素有关，具有不确 定性、多样性，如果k 值取得太大，保护可能误动；而故障电流也并非总是正弦波， 实际系统中必须考虑故障情况的多样性和故障波形的复杂性。当系统有分布电容较 大的电缆线路存在时，故障波形中就含有大量的谐波，此时如果k 值选得太小，保 护就有可能拒动；而且电流互感器饱和必将引起差流变形。因此，该原理的应用必 将遇到如下问题： ( 1 ) 比较阈值k 如何确定? 应为多大? ( 2 ) 对称范卧2 u ( 对称角度) 应当取多大? 这两个问题很难通过严格的理论分析或推导予以解决，应用中只能根据实际情 况，通过试验的方式设定或修正【2 ”，结果潜伏了误判的隐患。 1 2 1 4 神经网络方法 人工神经网络( a n n ) 应用于变压器内部故障和励磁涌流判别，主要是利用a n n 优秀的模式识别能力进行电流波形识别。1 9 9 4 年，a n n 首次被用于变压器差动保 护，进行了励磁涌流辨识9 1 ，之后此类应用便层出不穷 1 0 , 1 1 】，而且有的文献已经不 只局限于励磁涌流和内部故障电流的判别，如文献1 1 0 用于区别变压器的励磁涌流、 外部故障和内部故障。不管用于何种目的，设计a n n 时都要经历如下几个过程： a n n 类型的确定；输入和输出层中各节点数目的确定：输入是差流采样或 原、副边电流的采样，而且每时刻要有若干个包含足够信息的采样点输入网络，如 此可确定输入节点数，输出节点数与网络要实现的功用有关，如仅用于励磁涌流和 内部故障判别，则有1 个_ 迸制输出即可，需要1 个输出节点；隐含层及其节点 数需多次试凑确定；传递函数的选择；训练样本的获取；数据预处理；训 练；对已训练好的神经网络进行测试。 上述过程需反复进行，若在训练过程或检验时不能满足要求，那么网络结构及 各种参数都需要调整，然后重新训练，可见，训练神经网络是一件非常烦琐的事。 而且，训练时需要大量的样本数据，其获取及预处理的工作量很大，尽管如此，仍 难以保证训练样本集的完备性，从而导致误判。 1 2 1 5 小波变换方法 2 0 世纪8 0 年代后期发展起来的小波变换作为一种新的时、频分析方法，从原 理上克服了傅里叶变换只能适应稳态或准稳态信号分析、时域完全无局部性的缺点， 4 华北电力大学硕士学位论文 一方面，利用对信号的时域加窗变换，小波变换取消了对整周期采样的限制，加之 其频域紧支性保证了一定的带通滤波性能，因而能适应信号频率的小范围波动：另 一方面，小波变换所特有的尺度伸缩功能使其具备了很强的奇异、突变信号的检测 能力，非常适合于非平稳信号的分析，可以准确地提取出信号特征。小波变换在暂 态信号分析领域显示出强大的优越性和广阔的应用前景。目前，小波变换在变压器 励磁涌流与内部故障判别方面的应用研究如火如荼，但一直以来主要集中于高次谐 波检测1 2 1 3 1 和奇异点检测1 4 】，此外并未发现大的突破。实际上，两者都是间断角原理 的一种推广，高频检测反映的是差流状态突变产生的高次谐波，高频细节出现的位 置对应于变压器饱和、退饱和时刻或故障发生时刻。若差流的高频细节突变周期出 现，则为励磁涌流：若出现一次后便很快衰减为0 ，则为内部故障。奇异点检测利用了 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。 小波变换在变压器励磁涌流与内部故障判别方面的应用研究正面l 临以下几个 问题： ( 1 ) 对微机保护来讲，获得高频分量势必需要提高采样频率，从而增加了技术难度 和成本，而且可能会受到系统谐波的影响，能否经受住环境高频噪声的考验，有 待进一步研究； ( 2 ) 如何正确检测模值亦是一个难题； ( 3 ) 一般情况下小波算法的计算量较大，应用于实际的微机保护中面临实时性不能 得到满足的问题，如何构建快速、可靠、计算量较小的小波算法是缩l h - j 、波 理论研究与实际应用之间差距的关键。 1 2 1 6 数学形态学方法 数学形态学是一门以集合论和积分几何为基础的有别于基于时域、频域的数学 方法，主要用于对集中于物体形态中的各种形态分量进行分解、提取或变形，该方 法进行信号处理时只取决于待处理信号的局部形状特征。基于数学形态学区分变压 器励磁涌流和故障电流的方案计算简单，其算法只有加减法和取极值计算，不涉及 乘除法，因而可以对信号进行实时处理。近几年来数学形态学在变压器励磁涌流和 故障电流的辨别中应用日渐增多 1 5 - 1 7 。 从某种程度而言，灰度形态学变换和小波变换有相似之处。小波分析在应用中 的一个难点是小波母函数的设计和选择，很难设计出对不同信号都具有强鲁棒性的 小波母函数。迄今为止，小波母函数设计和选择基本上仍然采用试探法，没有一种 通用设计原则可供使用。与此类似，目前尚没有设计形态学滤波器的系统方法。类 似小波分析，多分辨率分析的概念也被用于数学形态学。多分辨率形态学滤波对抑 制各种噪声更为有效，与形态学梯度的概念相结合，可同时达到强化奇异信息和抑 华北电力大学硕士学位论文 制噪声的目的。 新技术原理的应用为变压器差动保护的发展提供了新的动力，但是应该清楚地 认识到其应用必须与工程实际情况紧密结合，基于新技术原理应用的判据的提出应 该基于其基本物理特征。每种应用新技术原理的保护距离投入实际运行阶段还有一 定的差距，需要进一步的研究探索。 实际上，由于三相变压器励磁涌流的波形特征随系统电压和等值阻抗、合闸初 相角、剩磁大小和方向、三相绕组接线方式和中性点接地方式、三相铁心结构( 三相 三柱、三相五柱、单相变压器组等) 、铁心材料和组装工艺、磁滞回线和局部磁滞环 等不同而改变，所以任何以涌流波形特征为依据的防止空投误动的措旋均不能保证 变压器差动保护不误动，差别仅是误动次数的多少【2 】。 1 2 2 利用变压器电压量鉴别励磁涌流 文献【2 3 1 提出了一种利用变压器电压鉴别励磁涌流的方法，其基本思想是：当变 压器因励磁涌流出现严重饱和时，端电压波形会发生严重畸变，其中包含较大的谐 波分量，因此可以用来鉴别励磁涌流，但电压制动原理的应用与系统阻抗的大小关 系密切，因此运用该原理的保护必然要求对系统阻抗有比较精确的了解，这就使整 定变得比较复杂了，而且在系统阻抗较小时，基于该原理的保护的动作特性有可能 变坏。 1 2 3 利用电压和电流量构造变压器保护 1 2 3 1 等值电路参数鉴别法 文献2 4 1 提出了一种基于变压器导纳型等值电路的参数鉴别方法，等值电路原 理是一种基于变压器导纳型等值电路的励磁涌流判别方法。该方法是通过检测对地 等值导纳的参数变化，鉴别变压器的内部故障。铁心线圈的漏抗和空心线圈的漏抗 相近，故此时交压器的等值导纳参数的互导纳几乎与变压器的铁心饱和程度无关。 铁心未饱和时，变压器各侧对地导纳几乎为零，当铁心饱和时，变压器各侧对地导纳 明显增大，当铁心严重饱和时，变压器各侧对地导纳几乎与空心变压器的对地导纳 一致，且是个不等于零的常量。因此，可以计算出变压器的各侧对地导纳，通过其 值的变化判别变压器是否发生内部故障。这种算法计算速度快，即使在内部故障叠 加励磁涌流的情况下，也能快速地识别发生故障否。但漏感参数不易获取，限制了 该方法的实际应用。 1 2 3 2 基于变压器回路方程的算法 6 华北电力大学硕士学位论文 该方法是根据变压器正常运行时的等效电路模型，分别列写变压器原边、副边 的回路方程，根据变压器正常运行情况下，原边、副边互感磁链平衡的原理，消去 互感磁链，得到只包含变压器原、副边的电压、电流以及相关绕组参数的方程式。 由于方程式是根据变压器正常运行时的模型得到的，所以适用于变压器正常运行、 励磁涌流、过励磁和外部故障的情况，但对于变压器内部故障，由于变压器模型内 部的结构参数发生了变化，方程式不再成立。因此，可以通过判别变压器回路方程 是否成立，来决定保护的动作行为。 这种按照变压器原、副边绕组回路方程构成变压器内部故障的主保护方案，从 理论上完全与励磁电流( 励磁涌流或过励磁电流) 无关，构思新颖，原理简明，在 理论上完全解决了一直困扰变压器差动保护的励磁涌流和内部故障电流的识别难 题。但是，由于变压器原、副边绕组的漏感很小，而在实践中又极难准确获取该漏 感值，从而导致该方法整定困难，不易于实用化【2 ”。 1 2 3 3 差有功法【2 6 1 差有功法的基本原理是：正常运行时变压器消耗有功非常小( 铜损耗和铁损耗 之和小于变压器容量的1 ) ，励磁涌流时由于绕组存储磁能，第1 个周期流入变压 器的有功较大，但是第2 个周期之后变压器消耗的有功却非常小( 尽管涌流时铁损耗 和铜损耗都有所增加) ；然而当变压器绝缘损坏时，电弧放电发热将消耗大量的有 功。所以，通过检测变压器消耗有功的大小，即差有功，可判别变压器是否发生内部 故障。然而，该方法仍无法回避励磁涌流带来的不利影响，首先需要避开涌流时变压 器第l 周期的充电过程，结果导致判别延时；其次，由于涌流时铜损耗很难精确计算， 铁损耗增加，整定不容易。而且，变压器外部故障时由于变压器流过较大的穿越电流， 使变压器消耗较大的有功，其对差有功法的影响也不容忽视。所以，文献 2 卅使用了辅 助判据以提高灵敏度。 1 2 3 4 瞬时功率法i 7 瞬时功率法直接用变压器两侧电压、电流的采样值计算出三相差瞬时功率，并 进行频谱分析，依据变压器两侧三相差瞬时功率幅频特性中直流分量和基频分量的 相对关系来识别变压器励磁涌流和内部故障电流。该方法具有传统变压器电流差动 保护简便易行的特点，并从能量守衡的角度出发，进一步揭示了变压器励磁涌流与 内部故障电流本质上的不同但该方法的提出是以差有功方法为基础的，因而仍无 法回避励磁涌流带来的不利影响，首先需要避开涌流时变压器第l 周期的充电过程， 结果导致判别延时；而且，变压器外部故障时由于变压器流过较大的穿越电流，使变 压器消耗较大的有功，其对瞬时功率法的影响也不容忽视。 1 2 3 5 基于磁通特性的识别方法 7 华北电力大学硕士学位论文 在空载合闸的时变过程中，合成磁通总是在铁心磁化曲线的饱和区和非饱和区 往复变化，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值。 因此，文献1 2 8 1 基于变压器磁通特性的变化特征，提出了磁通特性鉴别法。 磁通特性鉴别法利用内部故障和励磁涌流时变压器磁链一差流( y i 。，) 曲线的 差别来识别励磁涌流。变压器发生励磁涌流时，一曲线即为变压器的空载磁化曲 线；发生内部故障时，y 一屯曲线将偏离磁化曲线，且故障越严重则偏离越严重。所 以，当一i a 位于磁化曲线上时，则该不平衡电流为励磁涌流，否则为内部故障。这 种方法尽管理论上可行，但实际上由于变压器剩磁不确定，励磁涌流情况下计算得 到的v i a 将偏离磁化曲线，进而导致误判。 为消除剩磁的影响，采用y i 。曲线斜率d v d i 。区分励磁涌流和内部故障电流。 其基本原理是：产生励磁涌流时，无论变压器的剩磁大小如何，在变压器未饱和时， d 妒讲。的值较大，而在变压器发生饱和后d v 讲。的值较小，因此，励磁涌流期间， d q z l d i 。的值将随着差流。的变化，在较大值和较小值之间周期性的变化；而对于 内部故障的情况，d v d i 。的值基本不变，而且数值较小。 在d 硪。i d 平面上，可确定两个区域如图l l 所示。区域1 反映故障或饱 和运行状态，区域2 则为非饱和运行状态，两个区域之间具有一定的距离，在励磁 涌流情况下，d d i a 在区域1 和区域2 之间交替出现，而在内部故障情况下，d 妒硪。 始终位于区域1 。利用此特征，通过设置一个简单的计数器，就可以很明确地反映 出上述不同的情况，从而达到识别励磁涌流和内部故障的目的。 图1 1d y 击。i a 的关系 该方法计及了励磁涌流时变压器铁心饱和，深入到励磁涌流的产生原因而实现 判别励磁涌流的目的，具有先进性，但d v i d i a 多大时判为铁心饱和较难确定，特别 是内部轻微故障时d l ；f ，d i 。数值较大，几乎可与正常运行情况相比拟。此时。区域l 和区域2 有可能重合，从而导致误判。这是该方法在理论上存在的一个较大缺陷， 需要采取一定的措施加以弥补。 1 23 ，6 基于励磁阻抗或瞬时励磁电感变化的识别方法 蓼 华北电力大学硕士学位论文 该类识别方法也是从励磁涌流产生的本质原因一变压器铁芯磁路饱和的机理 出发来寻求解决问题的办法。文献f 2 9 利用在励磁涌流时，变压器的励磁阻抗急剧变 化，而在正常运行或故障时，励磁阻抗基本不变的特征来区分励磁涌流与内部故障。 该方法是基于单相双绕组变压器模型而提出的，可以适用于由3 个单相变压器构成 的三相变压器组，但对于三相三柱式或三相五柱式变压器是否适用，特别是对于具 有接线方式的三相变压器( 非3 个单相变压器组成) ，由于侧绕组内部的环流 不易测取，此时测量阻抗的变化是否能够真实地反映励磁阻抗的变化，还有待详细 的研究和探讨。 文献【3 0 1 以瞬时励磁电感作为研究对象，提出一种通过检测瞬时励磁电感基频分 量的有无来区分励磁涌流和内部故障的方法。其理论依据为：励磁涌流情况下，变 压器铁芯必然经历饱和与非饱和过程，瞬时励磁电感是时变、交替变化的，具有较 大的基频分量；而在内部故障情况下，变压器铁芯工作于线性区，瞬时励磁电感基 本为常数，无基频分量或基频分量很小。依据此特征，可以实现励磁涌流与内部故 障的判别。为计算方便，文中提出了等效瞬时电感的概念，并论证了等效瞬时电感 和瞬时励磁电感在判别励磁涌流和内部故障时具有等效性。 文献在文献1 3 0 的基础上，改进了等效瞬时电感的计算方法，有效地考虑了原 边绕组电阻的影响，提高了计算精度。在此基础上，给出了利用等效瞬时电感的变 化量来识别励磁涌流与故障的时域法。设定一个门槛值，如果等效瞬时电感变化量 缸大于门槛值。判为涌流；否则，判为故障。 文献【如 和文献【3 1 1 均是选择等效瞬时电感作为研究对象，分别从等效瞬时电感的 频域特性及其变化的时域特性出发，来描述瞬时励磁电感在涌流和故障情况下不同 的变化特征，算法具有一定的先进性。但是同纂于励磁阻抗变化的方法一样，等效 瞬时电感的方法也是基于单相双绕组变压器模型而提出的，其仅适用于由3 个单相 变压器构成的三相变压器组。对于某侧具有接线方式的三相三柱式或三相五柱式 变压器，由于侧绕组内部的环流不易测取，因而基于等效瞬时电感的频域法或时 域法的实际应用受到限制。 1 2 4 基于模糊逻辑的多判据法 该方法基于对现有励磁涌流识别算法的认识，借助模糊逻辑隶属度和权重的概 念，综合了各判据的优点，使各判据之间取长补短。该方法弥补了严格依照精确定量 判别涌流的不足，避免了“一票否决”，真正做到了“集思广益”，体现了智能化特 点。例如，文献 3 2 】嫜合二次谐波制动原理、波形特征识别法、磁通特性识别法和低 电压判据的优点，利用模糊集合理论提出了一种多判据方法。该方法只是变压器励 磁涌流识别中的一个新探索，目前有很多问题难以解决，如模糊逻辑中隶属函数与 9 华北电力大学硕士学位论文 权重应当如何选择? 这个问题的回答建立在原有认识的基础上，而且需要技术人员 对问题有较深入的认识。所以，该方法仍需要科研工作者进行深入而细致的研究。 1 2 5 已运用于变压器保护设备中的快速新原理 1 2 5 1 虚拟三次谐波原理【”】 虚拟三次谐波制动的方案是利用励磁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。它不仅在单侧 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。因此可以避免二次谐波制动原理在对称性涌流时的合闸情况下，由 于有一相谐波比过低引起保护误动的状况。且这种方案的原理仅用工频半周期信息， 可使算法要求的信号窗口缩短，从而加快了保护的动作速度，保护在故障后半个周 波加一个采样点的时问，约l o 1 2i l l 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。深圳南瑞已将“虚拟三次谐波原理”应用于w z b 5 0 0 型微机变 压器成套保护装置中。但虚拟三次谐波制动式保护易受到直流分量和数据窗位置的 影响，所以该原理有待于进一步的改进。 1 2 5 2 磁通原理算法【3 4 磁通原理算法是一种利用变压器励磁特性的励磁涌流判别方法。该算法用波形 识别法将电压波形分成上升沿和下降沿不同的区段，在其区段上计算励磁电感 = u 。 i d 伽+ 1 ) 一j a n - 1 ) ，并根据磁通的突升量m 。一鸠k 的个数来判断是励 磁涌流还是故障电流。该算法只用差流的上升沿或下降沿计算，计算量小，数据窗 短，可准确的判断励磁涌流和故障电流，可做到1 4 基波的时间出口( 继电器动作 除外) ，突破了传统变压器保护动作需一完整基波的时间瓶颈。基于“磁通制动原 理”的变压器保护设备已通过国家鉴定，准备应用在西北7 5 0 k v 特高压系统的变压 器中。但由于磁通制动原理的提出是以等效瞬时电感的时域特性为基础的，所以他 的应用不可避免的受到变压器结构的影响，即可以适用于由3 个单相变压器构成的 三相变压器组，但对于三相三柱式或三相五柱式变压器是否适用还有待于进一步的 研究和改进。 1 3 本文的主要工作 当前存在的励磁涌流与内部故障判别方法虽然种类繁多，但都不够完善，远不 能满足电力变压器继电保护的要求。为此加速研制新判据非常迫切与重要。文献3 5 】 华北电力大学硕士学位论文 提出由于变压器发生励磁涌流时磁路的饱和，变压器是一个非线性时变系统，其电 压、电流并非线性相关，而是系统中独立的2 个变量。因此必须充分利用变压器励 磁支路的非线特性才能提出灵敏度高，可靠性强的识别判据。以往的判据存在的问 题是：1 选择的特征单一，不充分；2 动作时间过长。需要进一步完善，如：利用 电压量和电流量的等效瞬时电感原理。 本文在详细地分析变压器保护技术发展现状的基础上，分析借鉴前人的研究成 果，对变压器空载合闸产生励磁涌流的暂态过程进行了较为深入的研究，提出了快 速辨别励磁涌流和变压器内部故障的新原理和新方法。论文的主要工作如下： ( 1 ) 提出利用电流波形特征的半周波快速判据：根据差电流波形的凹凸特性，采 集初始1 0 r e s 内的差电流的数据，寻找差流晟大值，计算起始点到最大值点差 流曲线与时间轴围成的面积，并与最大值三角形面积作比，构成判据识别励磁 涌流和故障。 ( 2 ) 通过等效瞬时电感的概念详细分析了励磁涌流产生的机理，在此基础上提出 了用电压和电流的比值特性识别励磁涌流的方法，并针对单相变压器和三 相变压器对此方法进行了研究和分析。在构造具体的判据时，提出了综合利 用电压和电流波形的半周波快速判据，和更可靠灵敏的一周波判据：利用初始 l o m s ( 2 0 m s ) 内差电流和电源侧电压的数据，将同相峰值对齐之后作比。再将 该组比值排序后内部作差，对所得差值进行标准化后计算数学期望，用三相数 学期望值构成判据识别励磁涌流和故障。该方法以等效瞬时电感为理论依据， 并从压流波形和测量励磁阻抗模值的角度将其扩展到任意接线方式的三相变 压器，绝大多数情况能在l o m s 内作出判断，所需时间短，动作速度快，识别 灵敏度高，并且实现方便。针对半周波判据判不出来的特例情况，可以推迟到 2 0 m s ，用可靠性和灵敏度更高的整周波判据判别出口。整套变压器保护判据充 分地实现了保护动作快速性和可靠性的统一。 ( 3 ) 针对现场实用中存在的二次谐波原理和波形对称原理的门槛值不易选取的问 题，提出采用计算比值满足不同门槛值的概率分布的数学期望值，并综合三相 计算结果构成判据来识别励磁涌流和内部故障。通过仿真验证，该方法可以有 效缩短判别空投到内部故障时产生的保护动作延时时间。 华北电力大学硕士学位论文 第二章用电流波形特性进行励磁涌流识别的快速新判据 2 1 引言 随着电力系统规模的扩大，高电压等级线路的迅速增加，大容量、高电压的大 型电力变压器大量投入运行，保证其安全运行更为人们所关注，这对电力变压器继 电保护装置正确动作提出了更高的要求。如何快速、可靠的区别励磁涌流和故障是 变压器差动保护的重要研究课题之一。 目前应用的差动保护原理主要有二次谐波制动法【2 ”、间断角识别法【3 、波形对 称法等都是直接或间接地利用励磁涌流波形具有间断特征进行励磁涌流和故障的 鉴别，动作时间约在2 0 m s 以上，难以进一步提高动作速度p 们。事实上，励磁涌流 波形除了具有间断特征外，还具有尖顶波的特征。其原因一方面是由于变压器铁心 材料的导磁性能随着饱和程度的增加而下降；另一方面是矽钢片的饱和是非均匀 的，表层较里层容易饱和。利用励磁涌流的尖顶波特征进行励磁涌流的鉴别是提高 变压器差动保护速度的一个新的研究方向 3 3 3 7 - 4 1 。本文根据励磁涌流波形具有尖顶 波的这一特性，提出利用电流波形特征的半周波快速判据：采集初始1 0 r e s 内的差 电流的数据，寻找差流最大值，计算起始点到最大值点差流盐线与时间轴围成的面 积，并与最大值三角形面积作比，构成判据识别励磁涌流和故障。仿真实验表明： 本算法的动作速度快，动作时间一般在l o r e s 左右，特征明显，能够鉴别出各种条 件下的励磁涌流，符合现代变压器对保护动作快速性的要求。 2 2 励磁涌流的尖顶波特性 当变压器空载合闸时，由于其铁心饱和的非线性，可能产生与短路电流可比拟 的励磁涌流。图l 中曲线o a b p 为变压器的基本励磁曲线，s 点由饱和磁通丸确定， 从s 点作逼近饱和曲线的近似直线妒。设合闸方电源电压为：“= u 。s i n ( a g + 口) ， 通过变压器的近似磁化特性折线o s p ，并忽略变压器漏抗，可以得到变压器空载合闸 ( t = o ) 时励磁涌流的表达式4 7 1 为 i0 ， ( 矿 丸，时变压器的励磁电感，近似看做常数。 由式( 2 - 1 ) 可知，当变压器磁化曲线采用两折线模型时，励磁涌流为正弦波的一 部分( 不计直流) 。而实际的大型变压器，从不饱和到深度饱和之间是一个非线性 过程，被称之为非线性段，如图2 1 中曲线段a b 所示；图中曲线段o a 为变压器 的正常运行段，此时变压器不饱和，呈线性变化，其励磁电感非常大；曲线段胛为 变压器深度饱和段，基本上也是线性的，其电感l 可近似的看做一个常数。由涌流 产生的机理可知在磁化曲线的非线性段a b 其涌流波形是非正弦的，直到变压器进 入深度饱和即段后，涌流才呈现正弦特征。因此实际的励磁涌流波形应是一个具 有间断角的尖顶波，其非间断部分的波形与正弦波存在着较大的差异。 _ k 套_ 冬 【。! i ，一一 图2 1 变压器励磁曲线示意图 图2 2 变压器励磁涌流 图2 2 为动模试验录波得到的励磁涌流波形，其中图2 2 ( a ) 为变压器y 侧三 相非对称涌流波形，从中可清楚地看到非对称涌流的尖顶波特性。另外由于变压器 采用y 接法，因此在形成差动电流时，需要对y 侧电流进变换此时的励磁涌流 为两相磁化电流之差，如图2 2 ( b ) 所示，其中i o 、i 仍为非对称性涌流，由于各相 磁化电流进入深度饱和的时间不同，因此两相差流的尖顶波特性更加明显。f 为对 称性涌流，其间断角有所减小，但其波形与基频正弦波差异性仍很大。而对于变压 器内部故障电流，其波形基本上为基频正弦波。 2 3 现有的方法及其特点 2 3 15 m s 识别的快速方法m 1 5 m s 识别的快速方法基本思路是：为提高拟合精度和便于对差电流进行微分运 算，首先将初始5 m s 内的差电流数据( 5 m s 数据窗) ，按照一定的方式拓展为长1 0 r e s 的数据窗，然后利用最小二乘算法拟台出一个多项式，来表示差电流波形，再根据 曲线在各点处的曲率大小和凹凸特性，构成相应的判据来识别变压器励磁涌流和内 部故障。 1 3 华北电力大学硕士学位论文 在用最d , - - - 乘算法拟台时，拟合的点数越多得到的多项式越能准确表达实际的 电流波形。因此，先将初始5 m s 内的差电流数据( 每周期6 4 点采样，以下图中横 坐标均以采样点数表示时间) 进行“拓展”处理：先把图2 - 3 ( a ) 所示的波形沿y 轴 向下平移，使波形的起点落在( 1 ，o ) 位置，得到如图2 - 3 ( b ) 所示的波形，然后将 图2 - 3 ( b ) 的所示波形沿t 轴向右平移1 6 个采样点得到曲线1 ，同时将曲线l ，以t = 1 7 为对称轴作对称翻转得到曲线2 ，再将曲线2 以t 轴为对称轴作对称翻转得到曲 线3 ，由曲线1 ，3 所组成的波形为包含3 3 个采样点的波形( 该图以t = 1 7 为对称轴成 奇对称) ，如图2 - 3 ( c ) 所示。然后对曲线1 和3 组成的曲线利用最小二乘算法进行拟 合。 弋 仁1 7 1 采样 j 公 2 02 4 盈越 ( a ) 空投变压器时， ( b ) 起始点平移至( 1 ，0 )( c ) 经对称翻转后构造出 初始的差电流波形处的初始差电流波形的半周波的电流波形 图2 - 3 将5 m s 数据窗内电流波形拓展为长l o m s 数据窗的过程 该方法是以5 次多项式拟合差电流的曲线( 包含3 3 个采样点的数据) ，拟合的 精度能够满足工程需要。根据最小二乘法算法拟合差电流，得到的五次多项式为： ，( 力= c o + c 】x + c 2 x 2 + c 3 x 3 + c 4 x 4 + c s x 5 ( 2 2 ) 其中c 。、c 。、c ：、c ，、c 。、c 5 分别为根据最小二乘拟合法所得多项式各项的系数。 曲率可以表示曲线的弯曲程度，对于曲线y 5 ，( 工) ，如果函数的一阶导数y 和 二阶导数y ”都存在，则曲线曲率的绝对值k l ( 以下简称为曲率) 计算公式为： t _ | 赤f 显然拟和得到的五次多项式j ，2 ，( x ) 的一阶导数、 y 。= c l + 2 c 2 x + 3 c 3 x 2 + 4 c 4 + 5 c 5 x 4 y ”2 c 2 + 6 c ，x + 1 2 c 4 x 2 + 2 0 c 一 1 4 ( 2 3 ) 二阶导数都存在，分别为： ( 2 4 ) ( 2 5 ) 华北电力大学硕士学位论文 从图2 3 ( b ) 中可以看出，在