CN102798785A - 变压器涌流微分谐波检测方法 - Google Patents

变压器涌流微分谐波检测方法 Download PDF

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Abstract

变压器涌流微分谐波检测方法，利用涌流中造成涌流畸变的丰富的高次谐波，通过放大高次谐波来放大励磁涌流的畸变程度，利用放大后的畸变实现可靠的区分故障电流和励磁涌流。本发明首次提出利用对励磁涌流微分后高次谐波被放大的特点：理论上几次谐波就放大几倍，谐波次数越高放大的倍数越大，也就是说励磁涌流的微分对涌流的畸变有放大作用，本发明从所有谐波来检测涌流的畸变，不仅全面地反映了涌流的畸变，而且放大了这种畸变，因此能更严格区分故障电流和励磁涌流。本发明除了对空载合闸的励磁电流有可靠地制动作用外，对过励磁的励磁电流也有可靠地制动作用，并且无需再用5次谐波制动，判断简单可靠。

Description

变压器涌流微分谐波检测方法
技术领域
本发明属于电力系统继电保护和状态监测领域，适用于变压器保护和状态监测，用于变压器故障电流与励磁电流的判别，为一种变压器涌流微分谐波检测方法。
背景技术
由于导引线比较短,差动保护比较适用于作为变压器的主保护,且具有良好的性能。但是当变压器空载合闸时会产生励磁涌流，此励磁涌流即为差流，会使差动保护误动。因此，必须采取措施防止变压器空载合闸时的励磁涌流造成的差动保护的误动。目前已采用的方法有：检测涌流的二次谐波的含量；检测涌流的间断角的大小；检测涌流的正负半波的对称度。这些方法都是检测涌流发生畸变时的某一特征量，以此判断差动电流是励磁涌流还是故障电流，从而决定差动保护是否动作。另外，当变压器过励磁时，其励磁电流也会造成差动保护误动，需要采取措施防止。
变压器励磁涌流的畸变程度与许多因素有关，例如：变压器铁芯材料及特性、铁芯的工作磁密、饱和磁密、剩磁、空投时的合闸角等等，其中剩磁与合闸角是随机的。因此，涌流的畸变程度就不是唯一的，我们需要检测的特征量也是不确定的。例如：涌流中的二次谐波与基波相比，其所占比例相对其他次谐波比较大，但不是一个确定的值，而是在一定范围内随有关因素的变化而变化，现有技术只能得出这样的结论：三相涌流中总有一相大于20％。根据这一结论，制动方式只能采用：“或”门制动，而这正是二次谐波制动方法的缺陷之一。现有技术中的间断角的制动方法也有类似问题，间断角的定值一般取65度，这只能保证饱和磁密与工作磁密之比为1.2，剩磁为0.5时可靠制动。现有技术的波形对称制动方法，也称偶次谐波制动方法，在“对称涌流”的情况下，效果也不能令人满意了；另外，变压器在过激磁时,波形对称的方法就无能为力了，因其励磁电流波形是对称的。在电压等级较高时，为防止过激磁时差动保护的误动，以上三种保护原理都还需要增加5次谐波制动的方法。
总之，这些方法仅仅从某一个方面反映涌流的畸变，没有全面的反映涌流的畸变，因而不可避免地具有局限性。
发明内容
本发明要解决的问题是：现有技术对变压器励磁涌流的检测不够全面，存在局限性，容易出现误判，不能有效严格区分励磁电流和故障电流；都还需要通过增加5次谐波制动的方法来防止过激磁时的误动。
本发明的技术方案为：变压器涌流微分谐波检测方法，利用变压器涌流中造成涌流畸变的高次谐波，通过放大高次谐波来放大励磁涌流的畸变程度，利用放大后的畸变实现可靠的区分故障电流和励磁涌流，具体为：对涌流微分对涌流的畸变有放大作用，励磁涌流含有丰富的高次谐波，对励磁涌流微分后，各高次谐波被放大，谐波次数越高放大的倍数越大，畸变程度随之放大，而故障电流相比励磁涌流，其高次谐波数值很小，微分后畸变程度不会放大很多，即励磁涌流与故障电流微分后，畸变的放大程度明显不同，由此对被检测电流微分，根据微分后的畸变程度，判断变压器电流发生异常时是故障电流还是励磁涌流。
针对差动保护装置的硬件配置设置畸变程度的判断方式：
1）当差动保护装置仅设有一个CPU时，首先对被检测电流微分，然后用傅里叶变换计算出各次谐波的数值，由式（1）进行判断：
I′2+I′3+...+I′n≥KI1（1）
式中,I′2,I′3,I′n分别为被检测电流的微分后的2，3，…n次谐波有效值；I1为基波的有效值；K为差动保护装置制动系数的整定值，取值为0.6～0.8，检测的电流满足式（1）为励磁涌流，闭锁差动保护，否则为故障电流，开启差动保护；
2）当差动保护装置具有两个CPU，一个为CPU，一个为数字信号处理芯片DSP时，对于被检测电流，DSP直接得到被检测电流中各次谐波的含量，将数据传输至CPU进行判断：
2I2+3I3+...+nIn≥KI1（2）
式中,I2,I3，In分别为由DSP得到的被检测电流的2，3…n次谐波有效值；I1为基波的有效值；K为差动保护装置制动系数的整定值，取值为0.6～0.8，检测的电流满足式（2）为励磁涌流，闭锁差动保护，否则为故障电流，开启差动保护。
本发明为严格区别励磁涌流和故障电流，首次提出利用对涌流微分后高次谐波被放大的特点：理论上几次谐波就放大几倍，谐波次数越高放大的倍数越大。也就是说励磁涌流的微分对涌流的畸变有放大作用，本发明从所有谐波来检测涌流的畸变，不仅全面地反映了涌流的畸变，而且放大了这种畸变，由于故障电流的特征是：含有较大的直流分量（非周期分量），高次谐波的数值很小，微分后可消除直流分量，因而故障电流的谐波由于本身较小，微分后的放大作用也就有限；而励磁涌流则含有丰富的高次谐波，且相比故障电流，其高次谐波数值较大，微分后的放大程度随谐波次数增大，本发明将励磁涌流与故障电流之间的区别进行放大，因此能更严格区分故障电流和励磁涌流。现有技术中的“间断角”方法和“波形对称”方法也对励磁涌流进行微分，但目的只是为了消除直流分量，微分后间断角保持不变，波形不对称依然不对称，没有利用对各次谐波的放大作用，并且按照它们本身的判断方法也无法利用。另外，在专利ZL200910183569.5的畸变度检测法虽然也全面地反映了涌流的畸变，其中的“差分”算法也对谐波有放大作用，该方法也有很好地制动效果，但“微分”与“差分”相比对谐波的放大作用更大。因此，本发明在变压器空投时的制动效果更好，更能严格区分涌流和故障电流，有更大的冗余度。
本发明除了对空载合闸的励磁电流有可靠地制动作用外，对过励磁的励磁电流也有可靠地制动作用，并且无需再用5次谐波制动，判断高效、简单可靠。
附图说明
图1为本发明实施例一的被检测电流录波图。
图2为本发明实施例二的被检测电流录波图。
图3为本发明实施例三的被检测电流录波图。
具体实施方式
本发明利用励磁涌流中造成涌流畸变的丰富的高次谐波，通过放大高次谐波来放大励磁涌流的畸变程度，励磁涌流含有丰富的高次谐波且谐波数值较大，对励磁涌流微分后，各高次谐波被放大，谐波次数越高放大的倍数越大，畸变程度随之放大，而故障电流相比励磁涌流，其高次谐波数值很小，微分后畸变程度不会放大很多，即励磁涌流与故障电流微分后，畸变的放大程度会有明显的不同，利用放大后的畸变区分故障电流和励磁涌流，畸变程度被放大后，有利于更严格区分故障电流和励磁涌流。
下面具体说明本发明的实施方式。本发明根据高次谐波微分后放大的原理，以及励磁涌流和故障电流所含高次谐波不同，从高次谐波的含量来判断励磁涌流以及故障电流，根据差动保护装置硬件配置的不同，可分以下两种方式实施：
1.差动保护装置只有一个CPU。
首先对被检测电流微分，然后用傅里叶变换计算出各次谐波的数值，再用（1）式进行判别：
I′2+I′3+...+I′n≥KI1（1）
式中,I′2,I′3,I′n分别为被检测电流，也就是差动电流微分后的2，3，…n次谐波有效值；I1为基波的有效值；K为差动保护装置制动系数的整定值，取值为0.6～0.8，检测的电流满足式（1），表示谐波含量大，判断为励磁涌流，闭锁差动保护，否则为故障电流，开启差动保护.。
2.差动保护装置具有两个CPU，即双CPU差动保护装置，这种类型的差动保护装置包括一个数字信号处理芯片DSP和一个CPU，DSP进行实时数据处理，CPU用于实现逻辑判断和保护运算，数字信号处理芯片DSP可以直接得到被检测电流中各次谐波的含量；本发明利用DSP直接得到的谐波数据，根据谐波微分后，几次谐波就放大几倍的理论，直接由CPU进行逻辑判断，此时用（2）式来实现判断：
2I2+3I3+...+nI≥KI1（2）
式中,I2,I3，In分别为由DSP得到的被检测电流的2，3…n次谐波有效值，I2,I3，In前的系数2、3…n指谐波的次数，也即放大的倍数；I1为基波的有效值；K为差动保护制动系数的整定值，满足此式为励磁涌流，闭锁差动保护，否则为故障电流，开启差动保护。
本发明差动保护装置的制动系数K一般整定为0.6～0.8就能完全可靠防止空载合闸的误动，对于本发明而言，根据故障电流的谐波特性，制动系数对故障电流来说最大不会超过0.4。可见，在本发明方法下，这个判据完全可以严格区分励磁涌流与故障电流，而且有很高的冗余度，完全可以采用分相制动的方式，即“与”门制动。采用了此判据后，就无需再用5次谐波制动来防止过激磁时差动保护的误动。我们知道以往5次谐波制动的差动保护系数的整定值一般为0.35～0.38,如取较小值0.35,则按照本发明5次谐波的制动方法理论上此时制动系数是0.35×5＝1.75，如果计入其他高次谐波，主要是奇次谐波，则制动系数的值还要大，此时很明显就能判断出过励磁电流，而非故障电流，因此，本发明在变压器过励磁时有很好的制动效果，无需再用到5次谐波制动即可防止过激磁时差动保护的误动。
下面以三个典型的录波数据实例说明本发明检测方法的可靠性和优越性，这里采用的是只设有一个CPU的差动保护装置，实施例分别显示了（一）故障电流；(二)非对称涌流：（三）对称涌流三种状况。
（一）故障电流。被检测电流的录波图及数据表如图1和表1：
表1
  采样点序号   被检测电流微分后数据   被检测电流原始数据
  1   1.1905   1.2330
  2   3.0940   2.2050
  3   7.6713   4.6150
  4   10.7079   7.9790
  5   11.8952   11.7160
  6   11.4210   15.3040
  7   10.1127   18.4810
  8   8.0883   21.0220
  9   5.5927   22.7790
  10   2.0817   23.4330
  11   -1.9640   22.8160
  12   -5.8887   20.9660
  13   -8.9827   18.1440
  14   -11.6565   14.4820
  15   -12.8502   10.4450
  16   -13.0857   6.3340
  17   -11.8952   2.5970
  18   -9.4538   -0.3730
  19   -6.1275   -2.2980
  20   -2.2600   -3.0080
  21   1.7857   -2.4470
  22   5.5290   -0.7100
  23   8.3843   1.9240
  24   10.7684   5.3070
  25   11.8952   9.0440
  26   11.5387   12.6690
  27   10.3514   15.9210
  28   8.0278   18.4430
  29   5.1757   20.0690
  30   1.7857   20.6300
  31   -1.7857   20.0690
  32   -5.2935   18.4060
  33   -8.3270   15.7900
  34   -10.5297   12.4820
  35   -11.9557   8.7260
  36   -12.0735   4.9330
  37   -10.9467   1.4940
  38   -8.7981   -1.2700
  39   -5.5927   -3.0270
  40   -1.9608   -3.6430
  41   1.8430   -3.0640
  42   5.3540   -1.3820
  43   8.2028   1.1950
  44   10.2337   4.4100
  45   11.1822   7.9230
  46   10.9435   11.3610
  47   9.9345   14.4820
  48   7.6713   16.8920
  49   4.9370   18.4430
  50   1.7252   18.9850
  51   -1.7825   18.4250
  52   -5.1757   16.7990
  53   -8.0310   14.2760
  54   -10.4692   10.9870
  55   -11.7775   7.2870
  56   -11.3605   3.7180
  57   -5.8887   1.8680
  58   -2.3778   1.1210
  59   -1.8462   0.5410
  60   -0.7735   0.2980
根据以上微分后的数据分别计算各次谐波分量，1次到10次谐波分量分别为：7.6713 0.9843 0.2766 0.2717 0.2460 0.1982 0.1446 0.1122 0.1499 0.0815计算出制动系数值为：
I 2 &prime; + I 3 &prime; + . . . + I n &prime; I 1 = 0.3213 < 0.6 , 根据式（1）判断为故障电流。
(二)非对称涌流。被检测电流的录波图及数据表如图2和表2：
表2
  采样点序号   被检测电流微分后数据   被检测电流原始数据
  1   1.1379   1.7370
  2   2.5058   1.8310
  3   0.3004   1.0460
  4   -2.5090   -0.4110
  5   -4.6569   -2.4660
  6   -6.5682   -4.8020
  7   -7.4664   -6.5400
  8   -5.5550   -7.5490
  9   -3.2250   -8.6140
  10   -3.4040   -9.1930
  11   -1.8506   -8.7450
  12   1.4319   -7.1380
  13   5.1363   -4.4470
  14   8.6010   -1.4940
  15   9.4385   0.2050
  16   5.4304   0.8960
  17   2.2086   1.1770
  18   0.8981   1.2700
  19   0.2972   1.3260
  20   0.1790   1.5880
  21   0.8374   2.4850
  22   2.8670   2.7460
  23   0.8342   2.0180
  24   -2.3269   0.5040
  25   -4.8391   -1.5130
  26   -6.4468   -3.8860
  27   -7.5846   -5.5120
  28   -5.1971   -6.3900
  29   -2.8063   -7.4180
  30   -3.2857   -8.0160
  31   -1.9113   -7.6240
  32   1.2529   -6.0170
  33   5.1363   -3.4010
  34   8.3613   -0.6720
  35   8.7225   0.8030
  36   4.7144   1.4200
  37   1.9721   1.6810
  38   0.8342   1.7560
  39   0.2397   1.7930
  40   0.1183   1.9430
  41   0.4794   2.8770
  42   2.9853   3.2140
  43   1.0771   2.5410
  44   -2.1511   1.0460
  45   -4.7784   -0.9710
  46   -6.4468   -3.2880
  47   -7.4057   -4.8390
  48   -4.9573   -5.6240
  49   -2.5090   -6.5960
  50   -3.1067   -7.1380
  51   -1.7324   -6.6890
根据以上微分后的数据分别计算各次谐波分量，1次到10次谐波分量分别为：3.4510 1.9563 1.1525 0.5206 0.2540 0.3491 0.1512 0.0801 0.1306 0.0081计算出制动系数值为：
I 2 &prime; + I 3 &prime; + . . . + I n &prime; I 1 = 1.3337 > 0.8 , 根据式（1）判断为励磁涌流。
（三）对称涌流。被检测电流的录波图及数据表如图3和表3：
表3
  采样点序号   被检测电流微分后数据   被检测电流原始数据
  1   -31.0577   -21.0780
  2   23.1151   -13.8460
  3   23.4124   -6.5210
  4   10.6306   -3.1950
  5   4.7784   -1.7000
  6   2.3300   -0.9710
  7   1.1954   -0.5970
  8   1.5502   -0.1120
  9   1.3105   0.2980
  10   1.6748   0.8220
  11   2.0903   1.4760
  12   10.8096   4.8580
  13   23.2334   12.1270
  14   25.5634   20.1250
  15   5.1363   21.7320
  16   -32.9083   11.4360
  17   -17.2021   6.0540
  18   -8.4221   3.4190
  19   -5.1971   1.7930
  20   -11.5224   -1.8120
  21   -26.2218   -10.0160
  22   -34.1037   -20.6860
  23   5.7340   -18.8920
  24   31.8344   -8.9320
  25   14.9328   -4.2600
  26   6.2103   -2.3170
  27   3.0460   -1.3640
  28   1.9113   -0.7660
  29   1.7931   -0.2050
  30   2.0264   0.4290
  31   6.3925   2.4290
  32   21.8590   9.2680
  33   29.4468   18.4810
  34   18.0363   24.1240
  35   -34.5800   13.3050
  36   -19.7111   7.1380
  37   -9.0805   4.2970
  38   -4.4779   2.8960
  39   -3.2250   1.8870
  40   -5.0788   0.2980
  41   -19.8837   -5.9230
  42   -31.5979   -15.8090
  43   -24.9050   -23.6010
  44   35.0019   -12.6500
  45   21.3220   -5.9790
  46   9.0773   -3.1390
  47   4.1807   -1.8310
  48   2.0328   -1.1950
  49   2.0296   -0.5600
  50   2.2661   0.1490
  51   9.3170   3.0640
  52   24.9657   10.8750
  53   31.1185   20.6110
  54   2.2086   21.3020
  55   -32.9691   10.9870
  56   -15.7670   6.0540
  57   -7.1659   3.8120
  58   -3.3464   2.7650
  59   -2.6273   1.9430
  60   -3.8227   0.7470
根据以上微分后的数据分别计算各次谐波分量，1次到10次谐波分量分别为：9.2229 4.0373 9.8694 5.6818 3.6494 2.4177 0.8210 1.0149 1.3780 1.9721计算出制动系数值为：
I 2 &prime; + I 3 &prime; + . . . + I n &prime; I 1 = 3.3477 > 0.8 , 根据式（1）判断为励磁涌流。
由上面的实施例可见，本发明方法对故障电流和励磁涌流有极好的区分效果，并且对于对称涌流和非对称涌流一样适用。
对于双CPU的差动保护装置，与单CPU的差动保护装置的判断原理一样。双CPU差动保护装置具有更好的精度，由于DSP已经预先检测好了谐波数据，因此无需再去微分放大，直接按照几次谐波放大几倍的理论来进行判断即可，由于不存在微分求导的误差，这种情况下本发明的判断精度也更高。

Claims (2)

1.变压器涌流微分谐波检测方法，其特征是利用变压器涌流中造成涌流畸变的高次谐波，通过放大高次谐波来放大励磁涌流的畸变程度，利用放大后的畸变实现可靠的区分故障电流和励磁涌流，具体为：对涌流微分对涌流的畸变有放大作用，励磁涌流含有丰富的高次谐波，对励磁涌流微分后，各高次谐波被放大，谐波次数越高放大的倍数越大，畸变程度随之放大，而故障电流相比励磁涌流，其高次谐波数值很小，微分后畸变程度不会放大很多，即励磁涌流与故障电流微分后，畸变的放大程度明显不同，由此对被检测电流微分，根据微分后的畸变程度，判断变压器电流发生异常时是故障电流还是励磁涌流。
2.根据权利要求1所述的变压器涌流微分谐波检测方法，其特征是针对差动保护装置的硬件配置设置畸变程度的判断方式：
1）当差动保护装置仅设有一个CPU时，首先对被检测电流微分，然后用傅里叶变换计算出各次谐波的数值，由式（1）进行判断：
I′2+I′3+...+I′n≥KI1（1）
式中,I′2,I′3,I′n分别为被检测电流的微分后的2，3，…n次谐波有效值；I1为基波的有效值；K为差动保护装置制动系数的整定值，取值为0.6～0.8，检测的电流满足式（1）为励磁涌流，闭锁差动保护，否则为故障电流，开启差动保护；
2）当差动保护装置具有两个CPU，一个为数字信号处理芯片DSP，一个为CPU时，对于被检测电流，DSP直接得到被检测电流中各次谐波的含量，然后由CPU进行判断：
2I2+3I3+...+nIn≥KI1（2）
式中,I2,I3，In分别为由DSP得到的被检测电流的2，3…n次谐波有效值；I1为基波的有效值；K为差动保护装置制动系数的整定值，取值为0.6～0.8，检测的电流满足式（2）为励磁涌流，闭锁差动保护，否则为故障电流，开启差动保护。
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