（电力系统及其自动化专业论文）变压器励磁涌流与故障电流的辨别与分析.pdf

山东大学硕士学位论文 a b s t r a ci w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc h i n e s ee c o n o m yf o rt h e s ey e a r s ，t h e r eh a s b e e nm o r ea n dm o r er e q u i r e m e n t so fp o w e re n e r g y s i n c et h ep o w e rs y s t e m i se n l a r g e dc o n t i n u a l l y ，l a r g et r a n s f o r m e r si np o w e rs y s t e mi sg e t t i n gm o r e a n dm o r ei m p o r t a n t ，a n ds o m en e wr e q u i r e m e n t sf o r t h et r a n s f o r m e r p r o t e c t i o na r en e e d e d d i f f e r e n t i a lr e l a yi st h em a s t e rp r o t e c t i o nf o r t r a n s f o r m e r sa l la l o n g ，b u tm a g n e t i z i n gi n r u s hc u r r e n ti ss t i l lt h em a i n r e a s o nt h a tc a u s e st r a n s f o r m e rr e l a y sm i s s o p e r a t i n g ，s od i s t i n g u i s h i n g b 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 df a u l tc u r r e n tc o r r e c t l yi st h ek e y t oe n s u r et r a n s f o r m e rd i f f e r e n t i a lr e l a yt oo p e r a t ec r e d i b l y w a v e l e tt r a n s f o r mi sam e t h o df o rd a t aa n a l y z i n ga n dp r o c e s s i n gt h a t h a sb e e nd e v e l o p e df a s ti nr e c e n ty e a r s ；e m t pi sak i n do fw e l ld e v e l o p e d t o o lf o re l e c t r i c m a g n e t i ct r a n s i e n ts i m u l a t i o n ； m a t l a bh a sm a n y t o o l b o x e st h a tc a nb eu s e de s s i l y i nt h i sp a p e r ，t r a n s f o r m e ri sf i r s t s i m u l a t e di ne m t pa n dd a t ai sa v a i l a b l e ，t h e nw ep r o c e s st h ed a t ai nm a t l a b w i t hw a v e l e tt o o l b o x t h u sw em a k ear e s e a r c hi n t ot r a n s f o r m e ra n dg e t s o m eo fi t si m p o r t a n tc h a r a c t e r i s t i c s 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 w a v e l e t t r a n s f o r md o e sw e l li nm u l t i s c a l ea n dt i m e f r e q u e n c yd o m a i n ，a n di ti s p a r t i c u l a r l yw e l la d a p t e dt oe x t r a c tt h ec h a r a c t e r i s t i co fs i g n a l se d g e a n dp e a kv a l u e ，a n dc a nc h e c ku pt h es i n g u l a r i t yw e l l t h i st h e s i sc h o o s e s d bw a v e l e tt h a ta d a p t st ot h ea n a l y s i so fp o w e rs y s t e ms i g n a l ，a n du s e s t h ew a v e l e tt r a n s f o r mt oi d e n t i f yt 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 r f a u l tc u r r e n t s o m ee l e m e n t a r ym i c r o c o m p u t e rt r a n s f o r m e rr e l a yd e s i g n i n g i sr e l e a s e di nt h i st h e s i s ，a n do nt h eb a s eo 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 ni sr a i s e d ，w h i c hp i e r c e st h r o u g ht h et r a d i t i o n a lm e t h o d w 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 ，a n da 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 ec r i t e r i o nr a i s e di nt h i s t h e s i s i sr e q u i r e s h i g h e ri nh a r d w a r e ，i t c a nb er e a l i z e di nt r a n s f o r m e rr e l a yb yd s p t e c h n o l o g y e m u l a t e di ne m t pa n dm a t l a b ，t h en e wc r i t e f l o na n di t sa r i t h m e t i c 2 山东大学硕士学位论文 d e s i g ni nt h i st h e s i sh a sb e e np r o v e dt h a ti tc a nd i s t i n g u i s hb e t w e e n m a g n e t i z i n gi n r u s hc u r r e n ta n df a u l tc u r r e n t w h i l et h ec r i t e r i o nb a s e d o ni n t e r m i s s i o na n g l ep r i n c i p l em a yv a n i s hi nt as a t u r a t i o n ，t h en e wo n e c a nd 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 et or e c o v e rt h ev a n i s h i n g i 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 sa p p l l e dv a l u ei n t r a n s f o r m e rr e l a y i n gd e s i g n k e yw o r d s ：t r a n s f o r m e rd i f f e r e n t i a lr e l a y ，m a g n e t i z i n gi 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 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 ， 论文作者签名：聋主墨兰： 日期：巡：兰：! 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：社导师签名：菱羞堑一日 期： 2 f r 王o 山东大学硕士学位论文 1 1 课题研究的背景 第一章绪论 据统计，1 9 9 0 年全国2 2 0 k v 变压器是1 3 0 2 台，1 9 9 9 年2 2 0 k v 变压器由1 3 0 2 台发 展到2 5 2 6 台，增加71 2 2 4 台，增加近l 倍。3 3 0 k v 变压器由3 4 台发展n 1 9 9 9 年的1 0 2 台，1 0 年增加了6 8 台，增加了2 倍。5 0 0 k v 变压器也由1 9 9 0 年的6 6 台发展至1 j 1 9 9 9 年 的2 2 3 台，增加了1 5 7 台，增加了2 倍多。然而多年来电力系统变压器保护的正确 动作率却大大低于发电机和线路保护的正确动作率。2 0 0 0 年全国继电保护的运行 情况是：2 0 0 k v 及以上线路继电保护装置正确动作率达9 8 9 卜- 9 9 ；i o o m w 及以上发 电机保护装置正确动作率为9 7 0 7 ；2 2 0 k v 及以上变压器保护装置正确动作率仅 为7 5 1 2 。变压器继电保护正确动作率特别低的现状引起继电保护专家的极大关 注。 表1 11 9 8 1 - 1 9 8 9 年2 2 0 k v 及以上变压器保护装置正确动作率统计 4 总动作正确动作不正确动作次数正确动作率 年份 次数次数 ( ) 误动拒动 1 9 8 11 0 26 63 606 4 7 1 9 8 21 3 68 45 2o6 1 8 1 9 8 31 2 17 73 956 3 6 1 9 8 41 4 58 35 575 7 2 1 9 8 51 6 6 1 2 3 5 0 3 7 4 1 1 9 8 61 8 81 2 75 566 7 6 1 9 8 7 1 9 51 2 l 6 7 7 6 2 1 1 9 8 81 7 39 87 3 2 5 6 6 1 9 8 9 2 1 21 2 9 7 7 66 0 9 合计1 4 3 8 9 0 8 4 9 43 66 3 1 表1 - 1 ，表1 2 统计了2 0 多年来2 2 0 k v 变压器保护装置运行的正确动作率情况。 由此三个表提供的数据表明：长期以来变压器主保护动作正确率相对偏低，变 压器差动保护及其相应的辅助判据需要改善。 ， 山东大学硕士学位论文 表1 - 21 9 9 0 - 2 0 0 1 年2 2 0 k v 及以上变压器保护正确动作率统计 4 焦 总动作正确动作 不正确动作次数 正确动作率 份次数次数 误动 拒动 ( ) 1 9 9 02 2 71 5 96 35 7 0 0 0 1 9 9 l2 3 l 1 7 06 2o 7 3 6 0 1 9 9 22 5 51 7 08 5o 6 6 7 0 1 9 9 32 8 11 8 88 l46 8 9 0 1 9 9 43 2 02 0 0引07 1 2 0 1 9 9 53 2 02 2 29 5 36 9 4 0 1 9 9 63 0 62 2 57 92 7 3 5 3 1 9 9 72 1 31 4 3 1 8 l6 2 9 0 1 9 9 8 2 1 8 1 4 5 6 58 6 6 5 l 1 9 9 92 0 61 3 86 716 9 2 l 2 0 0 02 0 11 5 14 917 5 1 2 2 0 0 l2 5 21 0 84 318 2 5 4 总计2 5 3 01 7 5 17 5 5 2 4 6 9 2 1 1 2 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，特别是单机容量 与系统容量之比较大的情况下，更是起到了连接电网与机组的作用。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与危害，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。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。 山东大学硕士学位论文 1 3 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( x t 铁芯) 短路、内部引线和套管故障、各侧绕组相 间短路。常见的外部故障有套管和弓l 出线上发生相间短路和按地短路。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问 短路故障，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 ( 自耦变压器) 或0 9 5 m m ( 非自耦变压器) 2 1 ，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问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，因此在变压器内部故障时，必须迅速地将变压器切 除。外部故障则主要是外部短路故障。研究发现，变压器内部匝间短路波形和外 部故障波形具有类似的特征，由于其他文献已经对匝间短路和历次涌流的判别进 行了分析，本文主要是针对外部故障电流和励磁涌流的辨别。以下文字中出现的 故障电流如无特殊说明，即为外部故障电流。 常用的变压器故障主保护为电流纵差保护及一些非电量保护。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。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 一直是变压器差动保护中的难点问题。励磁涌流的判别方法在当前的应用及研究 山东大学硕士学位论文 中，主要有如下几种方法：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 4 本课题的主要工作及研究意义 差动保护作为变压器故障的主保护，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。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： 1 分析励磁涌流的产生机理和特点，比较与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e i d t p 和m a t l a b ，建立励磁涌流及故障电流仿真模型，取得仿真数据。 3 利用b l a t l a b 的小波分析工具箱对变压器的励磁涌流进行特征提取，识别励 磁涌流和故障电流。 4 提出鉴别励磁涌流和故障电流判据，设计基于小波理论的微机型变压器保 护配置。 4 山东大学硕士学位论文 2 1 变压器微机保护 第二章变压器微机保护及其现状 电力变压器是电力系统中非常重要的电气设备，它的安全运行直接关系到整 个电力系统连续稳定地工作。变压器可能发生各种各样的的故障，装设灵敏、快 速、可靠和选择性好的保护装置是十分重要的。微机保护因其具有很强的自检功 能、长记忆功能、极强的数值计算和逻辑处理功能，而逐渐成为变压器保护的主 流。 以一台5 0 0 k v 自耦变压器为例，其微机保护装置的配置如下：【5 】 1 启动方式：主保护和后备保护均为各侧相电流突变量及零序电流稳 态量；过励磁和低压侧零序过电压保护启动量； 2 主保护：一般为差流速段以及具有电流回路断线闭锁、二次谐波制 动、五次谐波制动的比率差动保护。 3 高压侧后备保护：相间阻抗保护，接地保护，反时限过励磁保护， 过负荷发信号。 4 中压侧后备保护：相问阻抗保护，接地保护，公共绕组零序过电流 保护，过负荷发信号。 5 低压侧后备保护：过电流保护设二段时限，零序过电流保护。 所有的微机保护装置中都设有数字滤波以及保护算法环节，可以说是微机保 护的核心部件，滤波及保护算法的计算精度直接决定了微机保护的性能。在微机 保护算法中，用得较多的是傅氏算法，算法本身就具有较好的滤波作用，而且计 算速度较快。从理论上来说在掷章暂态当中，信号通常含有大量的谐波，而且被 分析对象已经不是稳态，而是暂态的非周期性的信号，仍采用间断频谱的傅氏级 数分析方法是不合适的。 长期以来，差动保护一直被公认为电力变压器最完善的主保护，当前变压器 差动保护中最关键和最困难的问题仍然是如何防止励磁涌流所导致的误动作，使 其在励磁涌流情况下能够可靠的制动。对差动保护有两方面的要求，即防止外部 短路时不平衡电流以及防止励磁涌流所导致的误动作，研究涌流产生的激励和涌 流的特性对防止励磁涌流误动至关重要。目前，国内外生产变压器微机保护的厂 家很多，救助保护而言，国外保护装置基本是以二次谐波制动为主的比率差动保 山东大学硕士学位论文 护，而国内则是以二次谐波制动和间断角两种原理为主导，以波形对称原理为补 充的格局正在形成。从实际运行情况看，变压器保护的正确动作率仅为 6 0 - - - 7 0 。随着大容量变压器应用的日益增多以及电力系统其他因素的影响， 传统的变压器励磁涌流识别保护算法无法完全适应电力系统新的要求，因而有必 要进行变压器保护新算法的研究。 2 2 涌流对差动保护的影响 差动保护的基本原理是根据k c l 原理，即当被保护设备无故障时，恒有 喜z = 。即各流入电流之和等于各流出电流之和。 当被保护设备内部本身发生故障时，短路点成为一个新的端子，此时， 喜z = 厶 i d 即为流出短路点的短路电流。 理论上说，差动保护可以非常的灵敏，因为它的动作判据可以写作 l i 0 智 但是实际上在外部发生短路时还存在一个不平衡电流，所以差动保 护的动作驷l 据应该改写为 窆z ：；，一 乩。 ，i i o 式中1 j c d 差动回路的差动电流； o i j “m “差动保护的最大不平衡电流。 根据变压器差动保护的接线和变压器的等效电路图，我们可以看出，因为变 压器励磁支路没有接c t ，所以我们在利用k c l 电流定理的时候忽略了励磁支路 的励磁电流，在变压器正常运行时励磁支路的电流很小，只占变压器额定工作电 流的5 左右，在变压器差动保护整定中可以把该电流计为稳态不平衡电流，但 是在变压器空载合闸发生励磁涌流时，励磁电流很大，一般达到额定电流的几十 倍以上，而且持续时间长，使得差动保护误以为发生了变压器内部短路故障而跳 闸，出现误动。 6 山东大学硕士学位论文 变压器在空载投入发生励磁涌流时，流入差动保护的电流为不对称的，这样 的电流对带速饱和变流器的机电差动保护和间断角原理的晶体管差动保护而占， 是整定电流或闭锁角的主要判据。带速饱和变流器的差动保护至今仍在我国大量 采用，其躲过变压器励磁涌流的原理是利用涌流中的非周期分量。但是在某些条 件下流入差动继电器的涌流可以为完全对称的，要靠动作电流本身来躲开。在现 场变压器空载投入时，差动保护误动作的情况时有发生，对称性涌流可能是引起 误动的主要原因。空载投入时，继电器电流的最小间断角也发生在对称性涌流的 情况下。励磁涌流中含二次谐波分量成分，且在一个周期内存在间断角；短路电 流只有基波和非周期分量，考虑非线性组件时也只有奇次谐波成分，而且短路电 流在一周期内是没有间断角的，这就是我国现在通用的防止空载合闸时变压器纵 差保护误动的闭锁判据，r l j - - - 次谐波或偶次谐波制动方式和间断角原理制动方 式。励磁涌流波形中二次谐波成分的大小与间断角的大小是一一对应的，都是由 波形入手，只是从不同角度分析其波形特征而已。由于波形偏向时间轴一方，因 此必定含有直流分量。0 以上分析均为计及暂态衰减作用时励磁涌流呈现不衰减的准稳态性质。正因 为是准稳态，励磁涌流成为周期性的非正弦稳态电流，为采用傅氏变换的谐波分 析方法创造了前提。这种不计衰减的谐波分析方法所得出的二次谐波和间断角偏 小。而考虑衰减的实际涌流的二次谐波和相应的问断角比傅氏变换谐波分析的结 果要大，这给变压器纵差保护在空载合闸时的防误动作能力留下了更大的可靠性 裕度。 一 2 3 变压器保护发展趋势 7 山东大学硕士学位论文 电力系统飞速发展对继电保护不断提出新要求，电子技术、计算机技术与通 信技术的迅猛发展又为继电保护技术的发展不断地注入了新活力。传统继电保护 方式先后经历了机电式继电保护、晶体管继电保护、基于集成运算放大器的集成 电路保护、微机继电保护4 个历史阶段。 所使用的继电器从电磁式到模拟静止式，进而发展到数字静止式。随着数字 技术的发展、微型计算机和微处理器的出现，为继电保护数字化开辟了广阔i j 景。 2 0 世纪9 0 年代中后期人工智能以及网络技术的飞速发展，出现了以微机和光传输 技术为特征的全数字控制智能保护系统，以此为标志微机继电保护技术呈现出网 络化、智能化，以及保护、控制、测量和数据通信一体化的发展趋势。 ( 1 ) 网络化：过去由于缺乏强有力的数据通信手段，大多数继电保护装置都只 能反应保护安装处的电气量，继电保护的作用也只限于切除故障元件，缩小事故 影响范围。如今高电压大电网大容最机组的飞速发展对继电保护提出新的要求， 继电保护的作用不再仅限于切除故障元件和限制事故影响范围，还要保证全系统 的安全稳定运行。这要求每个保护单元都能共享全系统的运行和故障信息的数 据，各个保护单元与重合闸装置在分析这些信息和数据的基础上协调动作，确保 系统的安全稳定运行，这就是继电保护故障分析处理系统的作用。显然，实现这 种系统保护的基本条件是将全系统各主要设备的保护装置用计算机网络联接起 来，亦即实现微机保护装置的网络化。 ( 2 ) 保护、控制、测量、数据通信一体化：由于整个保护系统的形成与发展实 际上是一个高性能、多功能的计算机局域网络的形成与发展。每个分布式保护元 件相当于整个电力系统计算机局域网络上的一个智能终端，它可从网上获取电力 系统运行和故障的任何信息和数据，也可将它所获得的被保护元件的任何信息和 数据传送给网络控制中心或任一终端。利用微机保护继电器自身具有的测量功 能，通过通信网络向系统传送遥测值。就可取消大量的常规变送器，降低造价， 也简化了变电站内二次接线，增加系统的可靠性。这种用计算机网络实现的分布 式保护、控制、测量、数据通信一体化原理，比传统的集中式保护原理有更高的 可靠性和经济性。 ( 3 ) 智能化：人工智能技术如神经网络、遗传算法、专家系统、模糊逻辑等在 电力系统各个领域都得到了应用，在继电保护领域应用的研究也取得了一定的成 绩。将这些人工智能方法与微机保护适当结合可以提高保护的动作速度以及动作 的可靠性。 8 山东大学硕士学位论文 第三章变压器励磁涌流和短路故障电流 近年来，我国的超高压、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，电力工业已有了可喜的发展。但是，国内变压器保护的发展却远 远落后，其保护正确动作率长期偏低。造成这一结果的原因有管理上的不足，有当 前工作人员的素质问题( 设计、制造、整定调试、运行维护诸方面的失误) ，但最 主要的是由于电力变压器继电保护技术上的缺陷。 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，例如，九五”期间发电机保护的正确动作率为9 8 2 ，系统保 护的正确动作率达9 9 3 3 ( 见：“九五”期间全国电网继电保护统计资料汇编。南 京：2 0 0 i ) ，充分体现了差动保护的明确选择性、高灵敏度和高速动性。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。本文较详细地对各种 判别方法的原理、优缺点及应用情况和前景进行了分析与评判。 3 i 变压器励磁涌流及其特征 3 1 1 变压器励磁涌流产生的原因 变压器是根据电磁感应原理制成的一种静止电器，用于把低电压变成高电压 或把高电压变成低电压，是交流电输配系统中的重要电气设备。当变压器合闸时， 可能产生很大的电流。 当合上断路器给变压器充电时，有时可以看到变压器电流表的指针摆得很 山东大学硕士学位论文 大，然后很快返回到正常的空载电流值，这个冲击电流通常称之为励磁涌流 1 合闸瞬间电压为最大值时的磁通变化 在交流电路中，磁通由总是落后电压u 9 0 相位角。如果在合闸瞬间，电压正 好达到最大值时，则磁通的瞬间值正好为零，即在铁芯里一开始就建立了稳态磁 通，如下图所示。在这种情况下，变压器不会产生励磁涌流。 妒 式。众，腑 0 w 以毛 2 合闸瞬间电压为零值时的磁通变化 当合闸瞬间电压为零值时，它在铁芯中所建立的磁通为最大值( 一中m ) 。可是， 由于铁芯中的磁通不能突变，既然合闸前铁芯中没有磁通，这一瞬间仍要保持磁 通为零。因此，在铁芯中就出现一个非周期分量的磁通o 。，其幅值为m 。 这时，铁芯里的总磁通中应看成两个磁通相加而成，如上图所示。铁芯中磁 通开始为零，到l 2 t 时，两个磁通相加达最大值，中波形的最大值是中。波形幅 值的两倍。因此，在电压瞬时值为零时合闸情况最严重。虽然我们很难预先知道 在哪一瞬问合闸，但是总会介于上面论述的两种极限情况之间。 变压器绕组中的励磁电流和磁通的关系由磁化特性所决定，铁芯越饱和，产 生一定的磁通所需的励磁电流就愈大。由于在最不利的合闸瞬间，铁芯中磁通密 度最大值可达2 中m 。这时铁芯的饱和情况将非常严重，因而励磁电流的数值大增， 这就是变压器励磁涌流的由来。励磁涌流比变压器的空载电流大1 0 0 倍左右，在 不考虑绕组电阻的情况下，电流的峰值出现在合闸后经过半周的瞬间。但是，由 于绕组具有电阻，这个电流是要随时间衰减的。对于容量小的变压器衰减得快， 约几个周波即达到稳定，大型变压器衰减得慢，全部衰减持续时间可达几十秒。 综上所述，励磁涌流和铁芯饱和程度有关，同时铁芯的剩磁和合闸时电压的 相角可以影响其大小。 1 0 山东大学硕士学位论文 下面是用e m t p 仿真出来的变压器励磁涌流的波形( 三相变压器，红色为a 相，绿色为b 相) ： o 0 40 0 60 0 80 1 0o 1 2 【s 】0 1 4 ( f i l e3 l e g g e dp 1 4 ；x - v a r dc ：t - b u s c x 0 0 0 1 cc t - 8 u s b - x 0 0 0 1 bc ：t _ - b u s a x o 0 0 1 a 3 1 2 变压器励磁涌流特征 可以看到，励磁涌流的特点如下： ( 1 ) 励磁涌流为尖顶波，其中含有相当成分的非周期分量和高次谐波分量。高 次谐波中以二次和二次谐波为主，二次谐波分量的比例十分显著，而且随着时间 的推移，其所占比例反而有所增加。且至少有一相二次谐波分量很大，甚至可能 超过基波分量的6 0 9 6 。并且最初几个周期内可能完全偏于时问轴的一侧。 ( 2 ) 励磁涌流的幅值与变压器空载投入时的电压初相角有关。对单相变压器来 说，在电压过零点投入变压器，励磁涌流幅值最大，在电压最大时投入励磁涌流 幅值最小。对于三相变压器，由于三相电压之间有1 2 0 。的相位差，所以三相励磁 电流不会相同。任何情况下空投，至少在两相中要出现程度不同的励磁涌流。 ( 3 ) 励磁涌流在最初几个周期内波形是间断的，每个周期内有8 0 _ 1 0 0 自j 断角。 ( 4 ) 励磁涌流对于额定电流幅值的倍数与变压器的容量大小有关，变压器容量 越大，励磁涌流对额定电流幅值的倍数越小。 ( 5 ) 励磁涌流衰减的时问常数与变压器至电源间阻抗的大小、变压器容量和铁 芯材料等因素有关。一般情况下，变压器的容量越大，或越靠近电源、其衰减时 间越长。铁芯越饱和，电抗值越小，衰减越快。 山东大学硕士学位论文 3 2 短路故障电流及其特征 假设变压器二次侧短路，其暂态过程可用下式表示： 厶罢+ 也扛s i n ( 甜+ 口) 解微分方程得 生f f = 厶 s i n ( c o t + o t 一妒) 一s i n ( a 一妒) eh 】 l 。击一嘴等 其中，也和厶分别为变压器的短路电阻和短路电感。所以，其波形为连续 波。 相对于励磁涌流，故障电流含有较少的非周期分量、二次谐波和高次谐波分 量，故障电流的幅值衰减不受变压器容量的限制，不受铁心的饱和程度的限制。 故障电流的波形接近正弦波。 山东大学硕士学位论文 第四章区分变压器励磁涌流和故障电流的各种方法 按照判别励滋涌流时所用的电气量，目前已有的方法可分为3 类： ( 1 ) 仅利用变压器电流量判别涌流，如间断角原理、二次谐波制动原理： ( 2 ) 仅用变压器电压量判别涌流，如电压制动原理； ( 3 ) 同时利用变压器电流量和电压量判别涌流，如磁通特性原理和等值电路 原理。 此外，还提出基于波形对称原理的判据，根据负序功率方向的励滋涌流识别 法，等等。 下面简要介绍常见的几种方法。 4 1 二次谐波原理【8 l 二次谐波制动法是计算差流中的二次谐波分量，若其值较大则判定为涌流， 常用的判别式为： ， 丝 k 讥 式中：厶和厶。分别为差流中的二次谐波和基波幅值；为二次谐波制动比。 二次谐波原理简单明了，在常规保护中有较多的运行经验，用微机实现比常 规保护更容易。因此，目前国内外实际投入运行的计算机变压器保护大都采用这 个原理。 但是，采用二次谐波制动原理的变压器保护，面临着以下几个问题： a 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。 b 很难适当选择制动比k ，美国西屋公司的制动比为7 o 7 5 ，但h b b 取1 0 ， 我国和大部分国家则取1 5 2 0 。谁更科学较难评判。 c 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， 易导致拒动。 一 4 2 间断角原理【8 】 山东大学硕士学位论文 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i 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。 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2 个方面： a 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。 b 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。 与二次谐波制动原理相比，问断角原理有如下优点：利用了励磁涌流明显的 波形特征，能清楚地区分内部故障和励磁涌流；一般采用分相涌流判别方法，在 变压器内部故障时能迅速跳闸：具备一定的抗过励磁的能力。 4 3 波形对称原理 波形对称原理是利用差电流导数的前半波与后半波进行对称比较，根掘比较 的结果去判断是否发生了励磁涌流。对称的定义由下式给出： 足 式中：。，为差电流导数前半波第j 点的数值：。m 为后半波对应第i 点的数 值，k 为比较阈值。当第i 点的数值满足上式时称为对称，否则称为不对称。连 续比较半个周期，对于内部故障，上式恒成立，对于励磁涌流，至少有1 4 周期 以上的点不满足。 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 1 4 山东大学硕士学位论文 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： a 比较阙值k 何确定? 应为多大? b 故障时上式不一定总是恒成立，那么应当有多少点满足上式时才能判为故障? 换言之，对称范围( 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，结果潜伏了误判的隐患( 已有误动的事实) 。 4 4 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在时、频两域都具有表征信号局部 特征的能力，被誉为分析信号的数学显微镜，非常适合于非平稳信号的分析。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，可以 准确地提取信号的特征。所以，小波变换的出现立刻引起了科技界时、频分析方 法的新革命，当然也为励磁涌流和内部故障电流的判别带来了福音。自从小波变 换的妙用被继电保护工作者认识以来，就前仆后继地涌现出一大批从事励磁涌流 判别的科研人员，都试图通过小波变换彻底解决1 0 0 年前留给我们的技术难题一 变压器励磁涌流与内部故障的判别。 目前，小波变换在此方面的应用研究如火如荼，但直以来主要集中于高次 谐波检测和奇异点检测，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。若羞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 类问断点，奇 异点与涌流间断角相对应。 但是，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。另外，如何正确检测模值亦是一个难题。 4 5神经网络方法 山东大学硕士学位论文 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，之后此类应用便层出不穷，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，还应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： la n n 类型的确定； 2 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 个二进制输出即可，需要1 个输出节点； 3 隐含层及其节点数需多次试凑确定； 4 传递函数的选择； 5 训练样本的获取； 6 数据预处理； 7 训练： 8 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。 实际上，由予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 ( 兰相三柱、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施 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。 4 6 磁通特性识别法 1 6 利用内部故障和励磁涌流时变压器磁链一差流f 弘一五) 曲线的差别，提出了 山东大学硕士学位论文 励磁涌流的磁通特性识别法。变压器发生励磁涌流时，弘一厶曲线即为变压器的 空载磁化曲线：发生内部故障时，弘一五曲线将偏离磁化曲线，且故障越严重则偏 离越严重。所以，通过计算铁心磁链p 和差流脚可正确判别励磁涌流。具体判据 为：如果弘五位于磁化曲线上，则该不平衡电流为励磁涌流，否则为内部故障电 流。 此判据尽管理论上可行，但实际上由于受变压器不确定剩磁的影响，在励磁涌 流情况下计算得到的弘一五将偏离磁化曲线，进而导致误判。 为消除剩磁不确定性的影响，又对上述方法进行了改进，即采用卜l 曲线斜 率掣区分励磁涌流和内部故障电流，如下图所示。变压器正常运行于未饱和 研。 时，老数值较大且为一常数；铁心饱和时，薏数值较小；发生励磁涌流时，铁心 d i du i d 交督饱和，譬将在大值与小值问周期变化；而内部故障时，譬数值较小且为常 d bm d 数。 n 铲 d q 医2 ( 媛也幸饱和 区l “部战障成铁心饱和 o 根据上图，内部故障时譬值落于区l ，励磁涌流时譬值将在区l 和区2 j 日j 摆 口0口0 动。令k ，为制动指数，如果( 譬) 。值位于区1 ，则k ，加1 ，当( 警) 舷于区2 时，k r n 1 4u i d 减1 。这样，内部故障时k j l 乎单调增加，而励磁涌流时k r ：l 哿从不大于1 个阂值。 该方法由于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，因而具有先进性。但存在如下不足： 山东大学硕士学位论文 8 确定区l 与区2 较困难。特别是内部轻微故障时； 数值较大，几乎可与正常运行 d l d 情况相比拟，这样，区l 范围较大，而且可能与区2 重合，最终导致判据失