CN110018372A - 一种基于励磁阻抗波动特征的变压器保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于励磁阻抗波动特征的变压器保护方法。首先，当差动保护装置启动后，利用半周傅式算法提取变压器一二次侧电压及差动电流工频量，并计算变压器励磁阻抗；研究励磁阻抗在一个周期内的波动性，计算励磁阻抗在一个周期内的方差k₁以及阻抗均值k₂。根据大量仿真及现场经验设整定值k_set1、k_set2，当k₁≥k_set1时，认为变压器发生励磁涌流；若k₁<k_set1且k₂≤k_set2，认为变压器发生内部故障或者故障变压器合闸；若k₁<k_set1且k₂＞k_set2，认为变压器正常运行/外部故障。本发明方法能够正确区分变压器励磁涌流和内部故障，避免变压器空载合闸时误启动导致保护不正确动作，有效提高变压器保护动作可靠性。

Description

一种基于励磁阻抗波动特征的变压器保护方法

技术领域

本发明属于电力系统领域，涉及变压器保护领域，具体涉及一种基于励磁阻抗波动特征的变压器保护方法。

背景技术

电力变压器是电力系统中最重要的电气设备之一，其安全运行对于保证电能的可靠传输、分配和应用均具有重要的意义。电力变压器是电能大容量远距离传输的关键电气设备，在其发生故障后快速、灵敏、可靠地隔离故障，对于变压器的安全意义重大，同时也能够有效地保证电能的可靠传输和电网的安全运行。继电保护是电网安全运行的第一道防线，对于变压器保护而言，变压器铁芯饱和所带来的包括励磁涌流在内的一系列问题，变压器保护问题仍然是困扰电力系统安全运行的关键问题。目前变压器保护的相关研究致力于解决两个问题，其一是对铁芯饱和所带来的以励磁涌流为代表的非线性(非正弦性)响应的自适应机制；其二是对变压器内部以小匝间故障为代表的微弱故障的可靠识别问题。

随着电力系统规模的日益提高，大容量电容器、长输电线路及大量电力电子元件的投入使用，复杂的电磁暂态环境使变压器差动电流谐波、间断角等波形特征的门槛值越来越不满足经验值，保护拒动、误动现象时有发生。针对此现象，大量的专家、学者，提出了利用人工智能技术深入挖掘变压器电气量或非电气量特征的保护方案，虽然这些方案在理论上是可行的，但是由于电力网络的特殊性，人工智能在电力领域的应用并未真正的智能化，盲目地挖掘电气数据特征，对数据规模要求较高，该类方案的应用需要技术上的进一步特征。在当前的应用环境下，变压器保护仍需回到本质问题上来，才有望在实际应用中取得突破。变压器励磁涌流的产生本质在于铁芯饱和，铁芯饱和引起励磁阻抗在一个工频周期内出现短时间的大程度下降，因此，在一个工频周期内，励磁阻抗波动性较大；内部匝间故障的本质在于故障支路的存在使励磁阻抗的阻抗在一个周期内下降至漏抗水平，理想状况下，波动性较小甚至无波动。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于励磁阻抗波动特征的变压器保护方法，以克服现有技术存在的缺陷，本发明能够正确区分励磁涌流、内部匝间故障、正常运行/外部故障，避免差动保护误动或拒动

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于励磁阻抗波动特征的变压器保护方法，包括以下步骤：

步骤1、变压器差动保护装置启动后，依据保护装置安装处测得的变压器一、二次侧端电压及差动电流，利用半周傅式算法计算一、二侧端电压及差动电流工频量；

步骤2、依据电压及差动电流工频量计算变压器励磁阻抗，且计算励磁阻抗在一个周期内的方差k₁以及阻抗均值k₂，用于研究励磁阻抗在一个周期内的波动情况及励磁阻抗均值；

步骤3、设置整定值k_set1、k_set2，当k₁≥k_set1时，认为变压器发生励磁涌流；若k₁<k_set1且k₂≤k_set2，认为变压器发生内部故障或者故障变压器合闸，若k₁<k_set1且k₂＞k_set2，认为变压器正常运行或发生外部故障。

进一步地，步骤1中利用半周傅式算法计算一、二次侧电压及差动电流工频量公式如下：

一次侧电压工频量：

二次侧电压工频量：

差动电流工频量：

其中，U₁(1)、U₂(1)、I(1)分别为变压器一次侧电压工频量、二次侧电压工频量、差动电流工频量；U_1N(n)、U_2N(n)、I_N(n)分别为变压器一次侧电压采样值、二次侧电压采样值、差动电流采样值；N为一个周期内的采样点数；j为虚数的虚数单位；n为离散时间变量；k为离散频率变量；Ω₀＝2π/N。

进一步地，步骤2中计算励磁阻抗Z具体为：

其中，U₁、U₂分别为变压器一、二次侧端电压工频量模值，I为变压器差动电流工频量模值，工频量模值即为工频量的长度。

进一步地，步骤3中整定值k_set1∈(0.05,0.15)，k_set2∈(5,10)。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明方法需要在差动保护启动后提取变压器一、二次侧端电压及差动电流的工频量，并计算励磁支路的阻抗。变压器励磁涌流的产生本质在于铁芯饱和，铁芯饱和引起励磁阻抗在一个工频周期内出现短时间的大程度下降，因此，在一个工频周期内，励磁阻抗波动性较大；内部匝间故障的本质在于故障支路的存在使励磁阻抗的阻抗在一个周期内下降至漏抗水平，理想状况下，波动性较小甚至无波动。因此，可利用励磁阻抗的波动特征识别变压器运行状态。该方法能正确判断变压器运行状态，有效提高差动保护的动作性能。

附图说明

图1为PSCAD仿真系统图；

图2为变压器各运行状态下的励磁阻抗，其中(a)为故障变压器合闸，(b)为正常变压器合闸，(c)为内部故障，(d)为正常运行/外部故障；

图3为基于励磁阻抗波动特性的变压器保护方案逻辑框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施过程作进一步详细描述：

如图1所示，本发明是一种基于励磁阻抗波动特征的变压器保护方法，包括以下步骤：

步骤1：差动保护启动后，依据保护安装处测得的变压器一、二次侧端电压及差动电流，利用半周傅式算法计算电压、电流工频量，计算公式如下：

一次侧电压工频量：

二次侧电压工频量：

差动电流工频量：

其中，U₁(1)、U₂(1)、I(1)分别为变压器一次侧电压工频量、二次侧电压工频量、差动电流工频量；U_1N(n)、U_2N(n)、I_N(n)分别为变压器一次侧电压采样值、二次侧电压采样值、差动电流采样值；N为一个周期内的采样点数；j为虚数的虚数单位；n为离散时间变量；k为离散频率变量；Ω₀＝2π/N。

步骤2：依据电压及差动电流工频量计算变压器励磁阻抗，且计算励磁阻抗在一个周期内的方差k₁以及阻抗均值k₂，用于研究励磁阻抗在一个周期内的波动情况及励磁阻抗大小；

计算励磁阻抗公式为：

U₁、U₂分别为变压器一、二次侧端电压工频量模值，I为变压器差动电流工频量模值，工频量模值即为工频量的长度。研究其在一个周期内的波形性，计算励磁阻抗在一个周期内的方差k₁以及阻抗均值k₂；以研究励磁阻抗在一个周期内的波动情况及平均励磁阻抗：依据电压及差动电流工频量计算变压器励磁阻抗，利用一个周期内励磁阻抗序列的方差表征并研究励磁阻抗的波动情况；利用励磁阻抗序列均值表征励磁阻抗大小。当变压器存在内部故障时，一个周期内的励磁阻抗方差较小，均值较小；对于正常运行/外部故障，励磁阻抗波动性同样较小，但均值更大；对于正常变压器合闸，一个周期内的励磁阻抗波动性较大。因此，根据一个周期内励磁阻抗的波动性可以可靠地识别正常变压器励磁涌流，根据励磁阻抗的均值可以可靠地判断变压器是否存在内部故障。

步骤3：根据大量仿真及现场经验设整定值k_set1、k_set2的设定要根据现场空载实验、故障实验或运行经验来确定，k_set1∈(0.05,0.15)、k_set2∈(5,10)；当k₁≥k_set1时，认为变压器发生励磁涌流，发出闭锁信号；若k₁<k_set1且k₂≤k_set2，认为变压器发生内部故障或者故障变压器合闸，发出跳闸信号；若k₁<k_set1且k₂＞k_set2，认为变压器正常运行/外部故障。

实施例

如图1所示，在PSCAD仿真环境中说明本发明中的保护方案。

在PSCAD仿真环境中说明本发明中的保护方案。变压器电压等级为230/800kV，一、二次侧阻抗为0.1p.u.，额定容量为1000MVA。B相2.0％故障变压器合闸、正常变压器合闸、B相2.0％匝间故障、正常运行/外部故障的励磁阻抗变化情况如图2所示。如图2中(a)和(c)，当变压器存在内部故障时，一个周期内的励磁阻抗波动较小，方差较小；与之对应的正常运行/外部故障，励磁阻抗波动性同样较小，但其励磁阻抗均值更大，如图2中(d)；对于正常变压器合闸，一个周期内的励磁阻抗波动性较大，如图2中(b)。因此，根据一个周期内励磁阻抗的波动性可以可靠地识别正常变压器励磁涌流，根据励磁阻抗的均值可以可靠地判断变压器是否存在内部故障。采用上述的变压器保护方案，在发生励磁涌流时，能可靠地将保护元件闭锁，有效提高变压器保护动作可靠性。

Claims (4)

1.一种基于励磁阻抗波动特征的变压器保护方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、变压器差动保护装置启动后，依据保护装置安装处测得的变压器一、二次侧端电压及差动电流，利用半周傅式算法计算一、二侧端电压及差动电流工频量；

步骤2、依据电压及差动电流工频量计算变压器励磁阻抗，且计算励磁阻抗在一个周期内的方差k₁以及阻抗均值k₂，用于研究励磁阻抗在一个周期内的波动情况及励磁阻抗均值；

步骤3、设置整定值k_set1、k_set2，当k₁≥k_set1时，认为变压器发生励磁涌流；若k₁<k_set1且k₂≤k_set2，认为变压器发生内部故障或者故障变压器合闸，若k₁<k_set1且k₂＞k_set2，认为变压器正常运行或发生外部故障。

2.根据权利要求1所述的一种基于励磁阻抗波动特征的变压器保护方法，其特征在于，步骤1中利用半周傅式算法计算一、二次侧电压及差动电流工频量公式如下：

一次侧电压工频量：

二次侧电压工频量：

差动电流工频量：

其中，U₁(1)、U₂(1)、I(1)分别为变压器一次侧电压工频量、二次侧电压工频量、差动电流工频量；U_1N(n)、U_2N(n)、I_N(n)分别为变压器一次侧电压采样值、二次侧电压采样值、差动电流采样值；N为一个周期内的采样点数；j为虚数的虚数单位；n为离散时间变量；k为离散频率变量；Ω₀＝2π/N。

3.根据权利要求1所述的一种基于励磁阻抗波动特征的变压器保护方法，其特征在于，步骤2中计算励磁阻抗Z具体为：

其中，U₁、U₂分别为变压器一、二次侧端电压工频量模值，I为变压器差动电流工频量模值，工频量模值即为工频量的长度。

4.根据权利要求1所述的一种基于励磁阻抗波动特征的变压器保护方法，其特征在于，步骤3中整定值k_set1∈(0.05,0.15)，k_set2∈(5,10)。