CN1554953A - 基于瞬时功率的变压器励磁涌流和内部故障电流的识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种变压器的励磁涌流和内部故障电流的识别方法。通过分析变压器两侧三相瞬时功率之差的不同频率分量，利用各分量之间的相互关系对变压器的励磁涌流和内部故障电流进行识别。该方法能够有效区分变压器励磁涌流和内部故障电流，尤其是对于变压器内部发生小匝比故障具有较高的识别灵敏度。

Description

基于瞬时功率的变压器励磁涌流和内部故障电流的识别方法

技术领域

本发明涉及电力系统微机继电保护领域，尤其涉及变压器的励磁涌流和内部故障电流的识别方法。

背景技术

变压器是电力系统中重要的电气设备之一，随着超高压远距离输电系统越来越多地投入运行，大容量变压器日益增多，对变压器保护的可靠性和快速性提出了更高的要求。传统的变压器主保护由于受条件的限制，仅依靠电流量来实现，鉴于电流差动保护原理在众多电气设备上应用的成功，电流差动保护在变压器保护中也得以应用，并发挥了重要的作用。但由于基于电流量的差动保护对于通过磁路耦合的双绕组或多绕组变压器在原理上存在缺陷(即对于非纯电路，基尔霍夫电流定律并不适用)，导致在变压器空载合闸或外部故障切除后电压恢复过程中产生励磁涌流时，会使差动保护误动，因而人们不得不长期致力于解决如何正确识别变压器内部故障电流和励磁涌流的问题。目前，国内外文献上已提出的众多区分方法中，本质上大多以识别内部故障电流和励磁涌流的波形特征为主，虽然该类方法具有一定的识别效果，但由于其仅从“波形”这一外在的表征现象入手，并没有从本质上反映出内部故障电流和励磁涌流的差别，因而其无法做到“万无一失”。长期以来变压器主保护的正确动作率一直徘徊不前，与此也不无关系。探寻识别变压器励磁涌流和内部故障电流的新技术已成为提高变压器主保护正确动作率的迫切需要。

发明内容

为解决上述存在的问题，本发明主要用于解决变压器励磁涌流和内部故障电流的鉴别问题，通过对变压器两侧三相瞬时功率之差的不同频率分量的分析，合理利用各分量之间的相互关系构成了一种可以有效识别变压器励磁涌流和内部故障电流的创新方法。

附图说明

图1显示了仿真系统结构图；

图2显示了典型的变压器励磁涌流波形；

图3显示了变压器空载合闸时三相差瞬时功率波形及其幅频特性，其中(a)为三相差瞬时功率波形，(b)为三相差瞬时功率的幅频特性；

图4显示了变压器两侧三相电流波形(星型侧A相绕组发生14％匝地短路)，其中(a)为变压器角型侧的三相电流，(b)为变压器星型侧的三相电流；

图5显示了变压器星型侧A相绕组发生14％匝地短路时三相差瞬时功率波形及其幅频特性，其中(a)为三相差瞬时功率波形，(b)为三相差瞬时功率的幅频特性；

图6显示了带有内部故障的变压器空投时三相电流波形；

图7显示了带内部故障的变压器空投时三相差瞬时功率波形及其幅频特性，其中(a)为三相差瞬时功率波形，(b)为三相差瞬时功率的幅频特性；

图8显示了变压器Y_n/D-1接线方式。

具体实施方式

首先描述本发明的理论基础。

传统的电工理论中，若二端网络输入端口的电压和电流分别为u(t)和i(t)，则此二端网络吸收的瞬时功率s(t)及有功功率(平均功率)P分别为：

s(t)＝u(t)i(t)                                (1)

$P=\frac{1}{T}\underset{0}{\overset{T}{\∫}}s\left(t\right)\mathrm{dt}=\frac{1}{T}\underset{0}{\overset{T}{\∫}}u\left(t\right)i\left(t\right)\mathrm{dt}----\left(2\right)$

根据电力系统计算中常用的电压电流表达式及其组合，分以下3种情况讨论：

1.当电压和电流均是正弦周期分量时，记

由(1)，(2)式可得：

s(t)＝u(t)i(t)＝2UIsin(wt+_u)sin(wt+_i)

                                                    (3)

    ＝UIcosφ[1-cos2(wt+_u)]-UIsinφsin2(wt+_u)

$p=\frac{1}{T}\underset{0}{\overset{T}{\∫}}s\left(t\right)\mathrm{dt}=\mathrm{UI}\cos \mathrm{\φ}----\left(4\right)$

其中φ＝_u-_i。

2.当电压是正弦周期分量，而电流是非正弦周期分量时，记

由(1)，(2)式可得此时的瞬时功率和平均功率如下所示：

3.当电压和电流均是非正弦周期分量时，记

由(1)，(2)式可得此时的瞬时功率和有功功率如下所示：

观察(3)～(12)式，若将各种不同情况下的瞬时功率s(t)均表示成 $s\left(t\right)=\stackrel{\‾}{s}+\tilde{s}\left(t\right)$ 的形式，其中 s表示瞬时功率s(t)中的直流成份，而 表示瞬时功率s(t)中的交流成份，则不难发现瞬时功率中的直流分量 s即为相应情况下的有功功率P。

同样，对于电力系统三相瞬时功率s(t)也可以表示成 $s\left(t\right)=\stackrel{\‾}{s}+\tilde{s}\left(t\right)$ 的形式，且其中的直流分量 s即为三相系统的有功功率P，而交流分量

在不同条件下的构成成份有所不同。

在变压器空投产生励磁涌流情况下，由电机学中的相关理论知，励磁涌流是由无功的磁化电流和有功的铁耗电流两部分组成，此时无功电流占主要成分，它对应于变压器与系统之间能量交换的部分；而有功电流只占很小一部分，它对应于变压器的有功损耗，此时有功损耗较小。在励磁涌流情况下变压器空投侧的三相电压一般可以认为是三相正弦对称的，此时瞬时功率可近似用式(7)来表示。由(7)式可知：当n＝1时，即只在基频电流的作用下，瞬时功率s(t)可以分解为直流分量UI₁ cos(_i1-_u)和二次谐波分量UI₁ cos(2ωt+_i1+_u)；当n＝2时，即只在二次谐波电流的作用下，瞬时功率s(t)可以分解为基频分量UI₂ cos(ωt+_i2-_u)和三次谐波分量UI₂ cos(3ωt+_i2+_u)；其余情况以此类推，由此便构成了瞬时功率s(t)的频谱分布特性。励磁涌流是在变压器空载合闸或外部故障切除后电压恢复过程中由于磁路饱和等原因而产生的，因而涌流内含有较多的谐波分量，其中又以二次谐波分量为主。由上述分析知，二次谐波电流产生瞬时功率s(t)中的基频分量和3次谐波分量。因而，在励磁涌流的情况下，瞬时功率s(t)中会含有较多的基频分量。同时，由于励磁涌流情况下变压器消耗的有功功率较小，因而三相差瞬时功率中的直流分量含量较低，合理利用三相差瞬时功率s(t)中直流分量和基频分量的这种“此消彼长”相对关系就可以识别出在变压器空投或外部故障切除后电压的恢复过程中出现的励磁涌流。

当变压器内部发生匝间短路故障时，一方面由于短路匝内的故障电流很大，另一方面由于故障点的弧光电阻加上短路部分的绕组电阻可与短路部分的绕组等效电抗相比拟，功率因数提高，因而此时变压器的有功损耗较大。进行适当滤波处理后(滤除非周期分量及高次谐波)，只考虑基频分量的影响，在电压电流均不对称的情况下，可以证明三相瞬时功率p可以表示成如下的形式：

p＝P⁺+P^-+P⁰-3V⁺I^-cos(2wt+α⁺+β^-)

   -3V^-I⁺cos(2wt+α^-+β⁺)-3V⁰I⁰cos(2wt+α⁰+β⁰)

当变压器内部发生小匝比故障时，三相电压可以近似认为正弦对称，此时三相瞬时功率p可以简化表示成如下的形式：

p＝P⁺-3VI^-cos(2wt+β^-)

公式的具体推导请参见文献(O.Usta，M.Bayrak，M.A.Redfern，A New DigitalRelay for Generator Protection Against Asymmetrical Faults，IEEE TRANS.PowerDelivery，Vol.17，No.1)，由此可见三相瞬时功率中的二倍频分量的幅度与负序电流大小有关。在变压器内部发生匝间短路故障情况下，电流中二次谐波含量较低，由前述分析可知，此时三相差瞬时功率中的基频分量较小，而此时三相差瞬时功率中直流分量(对应于有功损耗)和二倍频分量(对应于负序电流)较大，因而合理地利用变压器三相差瞬时功率中的直流分量，基频分量和二倍频分量的相对关系就可以识别出变压器发生了内部匝间故障。

现以双绕组变压器为例：

图8给出变压器Y_n/D-1接线方式，各电流的正方向如图所示，其中

表示变压器角型侧与abc三相对应的绕组电流。

去除零序分量后，变压器角型侧的绕组电流为

变压器星型侧电压和电流的零序分量分别为：

变压器星型侧三相瞬时功率的和

变压器角型侧三相瞬时功率的和

变压器两侧三相瞬时功率之差的获取(以图8所示的正方向为例)：

P_σ＝P_Y∑-P_Δ∑

实际中，当保护启动判据动作后，利用变压器两侧三相电压电流的采样值，计算出变压器两侧的三相瞬时功率，并求取变压器两侧三相瞬时功率之差，取三相差瞬时功率的第一周波数据进行FFT变换，得到幅频特性。构造新判据如下：

$\frac{p_0}{p_1}*\frac{p_0+p_2}{p_1}>K$ 判为内部故障

$\frac{p_0}{p_1}*\frac{p_0+p_2}{p_1}<K$ 判为励磁涌流

其中p₀表示三相差瞬时功率中直流分量的幅度，p₁表示三相差瞬时功率中基频分量的幅度，p₂三相差瞬时功率中二倍频分量的幅度，K取值为1。实际计算时，可用p₀*(p₀+p₂)直接与p₁*p₁做比较，避免除法运算。

下面描述本发明的仿真计算结果

为验证本发明的有效性和可靠性，在华北电力大学(北京)智能保护与控制部级重点实验室进行了有关变压器的仿真实验，实验平台是加拿大魁北克TEQSIM公司生产的HYBRISIM(Hybrid Simulator)，即电力系统数字/模拟混合实时仿真系统，其中发电机、无穷大电源、动态负荷等元件采用数字模型；而输电线、变压器、电抗器、补偿电容器等均为物理模型。需要特别说明的是其中变压器模型采用的是物理元件，可以进行变压器的内外部故障实验、空载合闸的励磁涌流实验以及变压器绕组内部的匝间匝地短路实验等，可以真实反映出实际变压器在上述条件下的物理现象，其实验结果与物理动模实验的结果是极为接近的，可以有效验证保护算法的性能。构建的仿真系统结构如图1所示，其中变压器采用Yn/D-1的接线形式。

1.变压器励磁涌流实验

图2是由HYBRISIM得到的变压器励磁涌流波形(角型侧空载合闸)，经适当滤波处理后，由变压器两侧电压、电流的采样值计算得到的三相差瞬时功率波形如图3(a)所示，取用涌流发生后三相差瞬时功率的第一周波数据做FFT变换，得到的幅频特性如图3(b)所示。

表1给出了变压器在不同合闸初相角情况下发生励磁涌流时，应用新判据的计算结果。

               表1不同合闸初相角励磁涌流情况下，新判据的计算结果

合闸初相角	0°	30°	60°	90°	120°	150°	180°
								新判据	0.073	0.086	0.093	0.102	0.096	0.089	0.106

由表1可以看出，在变压器发生励磁涌流情况下，应用新判据的计算结果明显小于1，可以准确可靠地识别出励磁涌流。

2.变压器匝间短路实验

图4给出了由HYBRISIM得到的变压器星型侧A相绕组于近中性点处发生14％匝地短路时，变压器两侧的三相电流变化波形。图5(a)给出了经适当滤波处理后，利用变压器两侧电压、电流的采样值计算得到的三相差瞬时功率波形，取用故障后三相差瞬时功率的第一周波数据做FFT变换，得到的幅频特性如图5(b)所示。表2给出了新判据在变压器星型侧A相绕组内部发生不同短路匝比故障情况下的计算结果。

表2变压器星型侧A相绕组发生不同短路匝比故障情况下新判据的计算结果

短路匝比	1.7％			2.6％			14％
										短路匝位置	始端	中部	末端	始端	中部	末端	始端	中部	末端
新判据	329	938	73	2403	1968	1785	32	29	76

由表2可以看出，当变压器内部发生匝间短路故障时，应用新判据的计算结果明显大于1，而且小匝比短路故障比大匝比短路故障表现出更高的灵敏度。从此可以看出新判据的优势所在，因为传统的电流差动保护对于变压器内部发生小匝比故障识别灵敏度不足甚至无法感知，应用新判据可以有效地弥补传统电流差动保护在这方面的缺陷。

3.变压器带内部故障空载合闸实验

图6给出了由HYBRISIM得到的变压器星型侧A相绕组带有2.6％匝间短路时由角型侧空投变压器产生的三相电流波形。图7(a)给出了经适当滤波处理后，利用变压器两侧电压、电流的采样值计算得到的三相差瞬时功率波形，取用故障后三相差瞬时功率的第一周波数据做FFT变换，得到的幅频特性如图7(b)所示。表3给出了变压器空投于不同短路匝比故障情况下新判据的计算结果。

           表3变压器空投于不同短路匝比故障情况下新判据的结果

由表3可以看出，新判据在变压器空载合闸于内部小匝比短路故障情况下表现出优良的性能：对于2.6％的匝比故障可以在故障发生一周波后作出准确识别；即使对于像1.7％的小匝比故障，也能在故障后两周波之内作出准确判别；对于14％大匝比故障的识别有所延时，但也在两周波之内。若将新判据与目前常用的识别方法相配合，可以显著提高保护装置对变压器空投于内部故障识别的快速性、灵敏性和可靠性，提高保护装置的性能。

综合上述，本发明具有许多优点。它能够有效区分变压器励磁涌流和内部故障电流，尤其是对于变压器内部发生小匝比故障具有较高的识别灵敏度，而目前大多数方法对于此类故障的识别存在灵敏度不足的缺陷甚至无法感知。另外，应用该技术能够有效识别变压器空载合闸于内部故障，尤其对变压器空载合闸于内部小匝比故障能够准确识别，而目前大多数方法只能识别变压器空载合闸于内部严重故障，而且带有不同程度的延时，对于变压器空投于小匝比故障无法识别。

Claims (3)

1、一种用于变压器的励磁涌流和内部故障电流的识别方法，其特征在于：

分析变压器两侧三相瞬时功率之差的不同频率分量；

利用各分量之间的相互关系对变压器的励磁涌流和内部故障电流进行识别。

2、如权利要求1的方法，其中分析变压器两侧三相瞬时功率之差的不同频率分量包括步骤：

获取变压器两侧三相电压电流的采样值；

计算出变压器两侧的三相瞬时功率，并求取变压器两侧三相瞬时功率之差；取三相差瞬时功率的第一周波数据进行FFT变换，得到幅频特性。

3、如权利要求1的方法，其中利用各分量之间的相互关系对变压器的励磁涌流和内部故障电流进行识别包括：

$\frac{p_0}{p_1}*\frac{p_0+p_2}{p_1}>K$ 判为内部故障

$\frac{p_0}{p_1}*\frac{p_0+p_2}{p_1}<K$ 判为励磁涌流

其中p₀表示三相差瞬时功率中直流分量的幅度，p₁表示三相差瞬时功率中基频分量的幅度，p₂三相差瞬时功率中二倍频分量的幅度，K取值为1。

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