At h e s i ss u b m i t t e dt o Z h e n g z h o uU n i v e r s i t y f o rt h ed e g r e eo fM a s t e r R e s e a r c ho nD i s t i n g u i s h i n gI n r u s hC u r r e n to fP o w e r T r a n s f o r m e rB a s e do nW a v e l e t A n a l y s i s B y T a oJ i S u p e r v i s o r ：A s s o c i a t eP r o f M i n g d o n gW a n g E l e c t r i c a lE n g i n e e r i n g 一一 S c h o o lo fE l e c t r i c a lE n g i n e e r i n g O c t o ，2 0 1 5 萬方數據 學位論文原創性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的學位論文，是本人在導師的指導下，獨立進行研 究所取得的成果。除文中已經注明引用的內容外，本論文不包含任何其他個人 或集體已經發表或撰寫過的科研成果。對本文的研究作出重要貢獻的個人和集 體，均已在文中以明確方式標明。本聲明的法律責任由本人承擔。 學位論文作者：紀手舀 日期：年月 日 學位論文使用授權聲明 本人在導師指導下完成的論文及相關的實物作品，知識產權歸屬鄭州大學。 根據鄭州大學有關保留、使用學位論文的規定，同意學校保留或向國家有關部 門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱；本人授權鄭州 大學可以將本學位論文的全部或部分編入有關數據庫進行檢索，可以采用影印、 縮印或者其他復制手段保存論文和匯編本學位論文。本人離校后發表、使用學 位論文或與該學位論文直接相關的學術論文或成果時，第一署名單位仍然為鄭 州大學。保密論文在解密后應遵守此規定。 學位論文作者：鄉己喪參 萬方數據 摘要 摘要 近些年以來，隨著電力事業的發展，我們已經發現我們的生活中已經離不開 電了，無論是各種電子產品的應用，還是互聯網、多媒體的傳播過程中，都離 不開電的作用。在這個高速發展的社會，沒有電力事業的支持，我們就無法如 此輕松地獲取各種知識，這對于我們的生活的影響無疑是巨大的。隨之而來與 電力相關的問題就出現了，其中為了使電力系統的各個環節可以安全穩定地運 行，電力變壓器的選擇及保護成了一個大問題。一旦變壓器出現問題將對系統 的正常運行產生嚴重的后果，又由于變壓器造價高、檢修困難等等原因，做好 電力變壓器的保護工作很重要。人們使用差動保護的方法來提高變壓器的可靠 性和靈敏性，防止其出現故障。而勵磁涌流所導致的差動保護誤動作問題是差 動保護過程中最難解決的。圍繞著上述問題，繼電保護研究人員提出了很多勵 磁涌流的識別方法。 本文綜述了國內外典型的勵磁涌流識別方法，簡單闡述了其優缺點。分析 了變壓器涌流暫態過程的復雜問題，并且科學地分析研究了產生變壓器各種涌 流的機制，以及相關的影響因素，并且綜合展示了各種涌流的波形特征。在理 解小波分析理論的基礎上，闡述了小波包分析方法的基本原理及其實現算法。 論文從能量的角度出發，闡述了測量小波包的新方法，通過仿真系統模擬變壓 器涌流和內部故障電流在不同情況下的狀態，得到全新的數據進行小波包的數 據分析，求得頻帶W ( 4 ，3 ) 的能量時譜。又因為勵磁涌流擁有不同的機理，所以 可以得到不同的能量時譜，通過對不同時譜的對比，就可以得出相應的數據， 并將所有數據整合成合理的判據。這種方法是通過大量的實驗總結出來的，所 以這種方法可以被廣泛地應用于各種小波分析中。 關鍵詞：勵磁涌流；內部故障；小波包變換；變壓器差動保護；能量時譜 萬方數據 A b s t r a c t I nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h ed e v e l o p m e n t o fe l e c t r i cp o w e r , w eh a v ef o u n dt 1 1 a tw e c a nn o tl i v ew i 廿1 0 u te l e c t r i c i t y , w h e t h e ri t i sav a r i e t yo fe l e c 廿o m cp r o d u c t s ，o r 廿l e h a t e m e t , t h et r a n s m i s s i o no fm u l t i m e d i a , a r en o ts e p a r a t e d f r o mt h er 0 1 eo fe l e c t r i c i “ mt h j sl l i 曲。s P e e dd e v e l o p m e n to f t h ec o m m u n i t yw i t h o u tt h es u p p o no f e l e c t r i c p o w 玳c 趾n o tb eS Oe a s yt oo b t a i na v a r i e t yo fk n o w l e d g e ，w h i c hi su 1 1 d o u b t e d l v ag r e a t1 1 n p a c to no u r l i f e F o l l o w e dw i t hp o w e rr e l a t e dp r o b l e m s ，w h i c hi n o r d e rt 0 m a k et h ep o w e rs y s t e mc a nb ea s a f ea n ds t a b l eo p e r a t i o no f t 1 1 ep o w e r s y s t 鋤，p o w e r 訂a n s 士- 0 m e rs e l e c t i o na n d p r o t e c t i o nh a sb e c o m eab i gp r o b l e m ，o n c et h e 衄l s f 0 衄e r p m b l e m sw i l lh a v es e r i o u sc o n s e q u e n c e sf o rt h en o r m a lo p e r a t i o no f t h es y s t e m ，a n d d u et ot h eM g hc o s Io ft r a n s f o r m e r s ，m a i n t e n a n c e d i f f i c u l t i e sa n ds oo n ，s od om e p o w e r s f o r m e rp r o t e c t i o ni sv e r yi m p o r t a n t P e o p l el l s et h em e t h o do f d i 丘e r e n t i a J p r o t e c t l o nt o1 n l p r o V et h er e l i a b i l i t ya n ds e n s i t i v i t yo ft h et r a n s f o r m e r t op r e v e n t 血e t a j l mo ft h et r a n s f c I r m e r T h ed i f f e r e n t i a l p r o t e c t i o nc a u s e db ym a g n e t i z 魄m s h c u 玎e n t1 8t h em o s td i f f i c u l tt oc o n t r o li nt h ep r o c e s so f d i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o n A m u I l d t h e s ep r o b l e m s ，t h er e l a yp r o t e c t i o nr e s e a r c h e r sh a v ep r 叩o s e da l o to fm e t h o d sf o r t h ei d e n t i f i c a t i o no f i n r u s hc u r r e n t I nt h i s p a p e r ，ar e v i e wi sm a d eo nt h e t y p i c a le x c i t a t i o ni n r u s hc u 玎e n t 1 d e n t l f i c a t i o nm e t h o d ，a n di t sa d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e sa r eb r i e f l yd e s c 曲e d n e c o m p I e x p r o b l e mo ft r a n s f o r m e ri n r u s hc u r r e n tt r a n s i e n t p r o c e s si sa n a l y z e d ，a 1 1 d 血e s c l e n t l f i ca n a l y s i Sa n dR e s e a r c ho nt h em e c h a n i s ma n dt h er e l a t e d f a c t o r so ft 1 1 e t r a n s 士o m 叭I l m s hc u r r e n t ，a n dt h er e l a t e df a c t o r s ，a n dt h ec o m p r e h e n s i v e d i s p l a yo f m ew 州e f o mc h 雒a c t e r i s t i c so ft h ec u r r e n t O nt h eb a s i so f u n d e r s t a z l d 魄t I l et h e o r y o fw a y e l e ta n a l y s i s ，t h eb a s i cp r i n c i p l eo fw a v e l e t p a c k e ta n a l y s i sm e t h o da 1 1 di t s 1 m p l e m e m a t l o na l g o r i t h ma led e s c r i b e d F r o mt h ev i e w p o i n to f e n e r g y ，an e wm e t l l o d o tm e a S u m gt h ew a v e l e tp a c k e ti s p r o p o s e d T h es t a t eo ft h et r a n s f o m e ri 咖s h c 岍e n ta 1 1 dt h ei n t e r n a lf a u l tc u r r e n ta r es i m u l a t e di nd i f f e r e n t c o n d i t i o n s T h en e w d a t ai s0 b t a i n e d b yt h en e w d a t aa n a l y s i s T h ee n e r g y s p e c t r u mo f4 ，3 ( i so e d T T 萬方數據 A b s t r a c t B e c a u s et h ei n r u s hc u r r e n th a sd i f f e r e n tm e c h a n i s m ，S Oi tC a l lg e td i f f e r e n te n e r g y s p e c t r u m T h r o u g ht h ec o m p a r i s o no fd i f f e r e n tt i m es p e c t r u m ，w eC a l ld r a wt h e c o r r e s p o n d i n gd a t a , a n di n t e g r a t ea l lt h ed a t ai n t oar e a s o n a b l ec r i t e r i o n T h i sm e t h o d i sc o n c l u d e db yal o to fe x p e r i m e n t s ，S Ot h i sm e t h o dc a r lb ew i d e l yu s e di nv a r i o u s w a v e l e ta n a l y s i s K E YW O R D S ：i n r u s hc u r r e n t ；i n t e r n a lf a u l t ；w a v e l e tp a c k e tt r a n s f o r m ；t r a n s f o r m e r d i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o n ；e n e r g ys p e c t r u m I I I 萬方數據 目錄 目錄 摘要I A b s t r a c t I I 1 緒論1 1 1 課題的背景和意義1 1 2 變壓器涌流國內外研究現狀3 1 2 1 勵磁涌流研究現狀3 1 2 2 和應涌流的研究現狀1 0 1 2 3 恢復性涌流的研究現狀1 0 1 3 論文的主要工作1 1 2 變壓器涌流分析1 3 2 1 變壓器勵磁涌流的分析1 3 2 2 變壓器和應涌流的分析1 7 2 3 變壓器恢復性涌流的分析2 1 2 4 本章小結。2 5 3 小波分析理論2 7 3 1 小波分析的基本概念2 7 3 1 1 小波變換理論的提出2 7 3 1 2 連續小波變換2 8 3 1 3 離散小波變換。2 9 3 2 多分辨率分析2 9 3 3 小波包分析3 0 3 3 1 小波包基本原理31 3 3 2 小波包能量3 2 3 4 小波函數與分解尺度的選取3 2 3 4 1 小波函數的選取3 2 3 4 2 分解尺度的確定3 4 I V 萬方數據 目錄 3 5 本章小結3 9 4 應用小波包分析識別變壓器涌流4 0 4 1 建立電力系統仿真模型4 0 4 2 基于小波包的變壓器勵磁涌流識別研究4 1 4 2 1 仿真結果分析4 1 4 2 2 算法設計4 3 4 3 算法驗證4 5 4 4 本章小結5 4 5 結論5 5 參考文獻5 6 致謝6 1 作者簡介6 2 V 萬方數據 緒論 1 緒論 1 1 課題的背景和意義 近年來，我國經濟建設的高速發展，導致電力工業迅猛發展，進而使得電 網總裝機容量大幅上升。整個電力系統也變得越來越復雜多樣化，所以對電網 安全穩定運行的要求也越來越高。變壓器是電力系統的重要設備，在電力系統 中起著不可磨滅的作用，一旦發生故障而遭受破壞時，會造成電力系統的嚴重 損失。為了提高電力系統的安全保障性，變電器的運行可靠性必須得到保障。 相對來說，變壓器的結構越復雜，其故障影響范圍就越大，檢修的難度和所消 耗的時間也都有所提升，所以對于現代大型高等級高容量的變壓器來說，擁有 良好性能的繼電保護裝置非常重要。所以我們要進一步深入對于保護變電器相 關的研究和探索，以提高電力變電器的速動性及靈敏性。 在電路保護方面，人們一直以來在尋找一種原理簡單易懂，靈敏程度高， 反應迅速的方法，特別是在大型電力設施上，比如大型的發電機和變壓器。經 過長時間的研究，在純電路電氣設備保護方面，人們提出了電流差動保護的理 論和方法，并應用于大型電力設施，得到了良好的效果。但是在變壓器保護方 面，由于電生磁、磁生電的相互克制性，基爾霍夫電流定律無法很好的應用其 中。在變壓器的內部，由電壓變動產生的故障電流打破了純電路的電流平衡。 在一些特殊情況下，比如斷電的重啟、新的設備投入或切除等都會出現驟大驟 小的電流變化。變壓器勵磁涌流便屬于這種情況。當變壓器空載合閘，或外部 故障切除后電壓恢復過程中，差動回路將出現很大的勵磁涌流( 為額定電流的 仁8 倍) 。噸1 ，可能會引發差動保護裝置誤動作。因此，快速、準確地識別勵磁 涌流和內部故障電流直接決定著差動保護的性能，開展相關研究十分必要。 從近年來的繼電保護動作情況統計中我們可以看出，其實我國的繼電保護 發展的整體技術還是比較快的，屬于國際的先列水平，尤其是其中的正確動作 率一直屬于上升趨勢。但是相比較來說，繼電保護技術中的變壓器差動保護的 正確率卻遲遲上升不起來，一直處于一個偏低的水平。接下來我們來對比一下 近幾年的保護動作情況( 如表1 1 、表1 2 所示) 。這份數據是由國家電網總局在 2 0 1 3 年所進行的統計分析提供的來的。 萬方數據 緒論 表1 12 0 0 9 2 0 1 3 年2 2 0 k V 及以上系統變壓器保護動作情況 T a b 1 12 0 0 9 - 2 013p o w e rs y s t e mo fm o r et h a n2 2 0 k Vt r a n s f o r m e rp r o t e c t i o nm o v e m e n ts i t u a t i o n 表1 22 0 1 3 年2 2 0 k V 及以上電網元件保護動作情況 T a b 1 22 0 1 3p o w e rs y s t e mc o m p o n e n t so f m o r et h a n2 2 0 k Vp r o t e c t i o nm o v e m e n ts i t u a t i o n 由表對比得知，其實我國的繼電保護發展水平一直在穩步上升的階段，是 一個整體進步的狀態。可是唯一出現不同的就是關于變壓器保護的正確率改變 情況，一直處于上升緩慢的狀態。這一事實也說明目前我們國家對于變壓器保 護相關的研究并不完善，總是存在一些無法解決的問題，所以我們要著力于研 究變壓器保護的相關問題。在已有的理論和技術中去其糟粕，更好的完善變電 器保護原理，提高其繼電保護的能力。 在人們發現勵磁涌流會影響差動保護后，又逐漸發現了另一種可以影響差 動保護的涌流，它的原理就是在兩臺變壓器之間產生相互影響的作用，運行在 變壓器中，就會產生和應涌流現象，導致變壓器之間的縱差保護誤動。這種操 作就會導致變壓器差動保護裝置誤動，使間斷角消失，使二次諧波變少。 在此過程中，變壓器本身并沒有發生故障，故障是發生在變壓器間完成空 投之后的經過空投的一段時間，就會使很多的實驗數據消失，或者產生誤差， 2 萬方數據 緒論 使人們很難尋找得到變壓器發生故障的原因。在繼電保護中和應涌流的問題過 去一直被人們忽略，目前這方面的研究才剛剛起步，所以對于和應涌流全方面 的研究還有待深入。由此我們可知，對和應涌流進行全面的分析研究，以提高 變壓器的保護程度，是一件非常重要的事情。我們應該尋找到一種具有實踐與 理論都過關的措施，對變壓器的發展會有很大的意義。 近年來，偶然會有變壓器差動保護區外故障切除后誤動的現象出現。這一 誤動現象的產生與電壓恢復性涌流有關。但長期以來，我們還是會把變壓器的 空載合閘現象與其電壓的恢復過程混為一談。但事實上，卻有另一種特性在影 響著這種電壓的恢復，那就是其電磁暫態的過程，這種特性不能被忽略，同樣 應該對其進行分析，以進一步的尋找涌流與變壓器保護之間的聯系。 隨著現代社會的發展，越來越多的保護原理被應用起來，其中包含曾經因 為沒有足夠硬件支持所不得不放棄的保護方法，也有一些新的數學理論方法。 雖然這些被應用于變壓器保護的全新的理論方法大多都屬于實驗期，并不能大 量的運用，但是它們對保護研究的影響卻還是可以帶給研究人員新的靈感的， 同時也會更加地促進變壓器保護的發展。 1 2 變壓器涌流國內外研究現狀 1 2 1 勵磁涌流研究現狀 為了防止變壓器差動保護誤動，國內外學者做了很多的研究，根據勵磁涌 流與內部短路電流的差別，找到了很多的方法。而這些方法是否可行，是否可 以因此實現對這兩種電流的區分，我們要加以論證： 1 ) 基于電流量的勵磁涌流判別技術 ( 1 ) 二次諧波制動原理口咱1 通過多種數據我們可以發現勵磁涌流中存在比內部短路電流更多的二次諧 波分量，所以通常我們會用這種特性來區分勵磁涌流和短路電流。只要是通過 計算，滿足了公式( 1 1 ) ，就可以判斷出來哪一個才是勵磁涌流，哪一個是正 常的短路電流，并對因為勵磁涌流而引起的差動保護進行閉鎖，防止勵磁涌流 破壞系統的運作。 1 d 2 K ，( 1 1 ) J d l r 3 萬方數據 緒論 式中，I d l 、I d 2 分別為差動電流中的基波和二次諧波的幅值；K 2 為二次諧波制動 系數。 二次諧波制動原理已被應用在國內外各個變壓器領域，這種簡單的容易在 微機保護中實現的原理，非常適用于當今的社會。但是，隨著大型變壓器越來 越廣泛使用，采用二次諧波制動原理區分涌流和故障電流也有其局限性： a 對于超高壓、大容量變壓器，由于制造工藝和材料以及結構上的特點等 方面的原因，尤其是對于廣泛采用高導磁冷軋晶粒硅鋼材料的現代變壓器鐵芯， 剩磁較大并且飽和點低，勵磁涌流中二次諧波含量就會很小，使得二次諧波制 動原理無法準確識別勵磁涌流，從而誤動差動保護系統。 b 因為二次諧波會使差動保護的系統不能夠按照正常的時間進行運作，會 發生延時。而現代的遠距離輸電變壓器多數以容量大著稱，所以這樣就會使其 內部故障時出現大容量的二次諧波，出現上述情況。 C 二次諧波的制動原理通常采用一相制動三相的方案，即采用或I - J N 動。 當變壓器空載合閘時的二次諧波不明顯，則會導致保護誤動。有的時候，其中 一相的二次諧波過大也會發生不一樣的后果，當出現匝間故障的時候，這種情 況同樣會使保護的動作發生延時的情況。因此，勵磁涌流二次諧波“含量高” 的特征，由于運行方式的增多和系統的擴大已不再是其獨有的。 d 一般來說，當變壓器的飽和磁通為額定磁通的1 4 倍時二次諧波最小。 考慮這種情況，二次諧波制動比通常取1 5 1 7 。然而現代的變壓器達到飽和 狀態時的磁通倍數卻更低，導致其二次諧波的最小含量也會下降，同比例的下 降很多，可能會因此誤動變壓器的差動保護模式。 ( 2 ) 間斷角原理n “1 根據這個特別的角度，對勵磁涌流進行判斷。其依據為 以 6 5 0 ： o o 6 5 0 就判定電流為勵磁涌流，閉鎖差動保護。 在勵磁涌流的二次諧波比較小的情況下，間斷角原理也可以簡單可靠地識 別勵磁涌流，但當應用微機保護實現間斷角原理時，由于該方法是以精確測量 間斷角為基礎的，因此有以下難點： 4 萬方數據 緒論 a 用微機實現間斷角原理時，由于A D 轉換芯片可以使零點附近的轉換誤 差升到最大值，同樣也可以使涌流間斷角處的電流降到最小，因此，需要高分 辨率的A D 轉換芯片。硬件成本越高，C P U 的質量越高，相應高的計算速度可 以提高A D 采樣率，為間斷角的測量提供幫助。 b 當電流互感器飽和時，內部故障電流的差動電流的間斷角增大，而且差 動電流的間斷角隨著電流互感器飽和嚴重度變化，飽和越嚴重，其間斷角越大； 對于勵磁涌流而言，由于涌流將在電流間斷角區域內的電流方向會發生變化， 所以會導致間斷角消失的局面。而電流互感器飽和度越嚴重就會加劇這種局面 的形成。變壓器差動保護在前一種內部故障情況拒動，而在后一種情況產生涌 流使得差動保護誤動。 ( 3 ) 基于波形對稱性的識別原理 我們都知道在一個周期內的勵磁涌流它的前后半波形是不同的，而一個周 期內的內部故障電路的前后半波形卻是對稱的，所以我們所研究出的各種各樣 的方法都是根據這個原理構建出來的。根據這個差異找出勵磁涌流，并立即對 其作出相應的活動。波形對稱原理的判別式如下： K K 。， ( 1 3 ) 式中，K 塒為整定值，K 為波形不對稱系數。 利用波形對稱性特征的識別原理從本質上來講，是由間斷角原理的衍生和 改進而成，也是利用涌流波形存在間斷而造成波形不對稱的特點，但間斷角原 理與其算法相比不易實現。在實際應用中，K 值只能根據大量試驗的方式以及實 際情況來確定，而涌流波形卻很難確定，因為會受到很多因素的制約。并且并 沒有嚴格的理論和公式可以證實，所以很有可能會發生誤判斷。 a 波形比較法阻3 數據窗為差動電流的一個周波，數據窗內的差流可用適當的方法分解成有 明顯差異的兩段波形x O ) 和y O ) ( 每段長度為1 2 周波) ，不對稱度K 可通過計算 兩段波形的相關系數來得到： K ：C 0 1 v ( 可x , 廣y ) ( 1 4 ) 盯( x 廠 5 萬方數據 緒論 式中，盯( f ) 為x ( f ) 的均方差，C o v ( x ，y ) 為x O ) 與y O ) 的協方差。由于采用積分方 法計算不對稱度K ，此算法抗飽和能力強且具有較好的穩定性。 b 波形擬合法”0 、 首先選取一個標準正弦波作為參照波形，通過其與實際電流波形之間的差 異比較，反映出波形的不對稱度。其中，標準正弦波是利用差動電流的實時采 樣值擬合而成的。即： K = ( 1 5 ) 式中，l y 0 】為濾除直流分量后的差流離散值，l y7 b ) l 為擬合正弦波的離散值。該 方法具有較短的數據窗，因此特征明顯且識別速度快。 c 波形對稱原理“幻 首先通過微分算法濾除差動電流中的直流分量，然后根據分析處理后差流 的前半波與后半波作對稱性的結果來判斷差流是否為勵磁涌流。設f ( 甩) 為差動電 流采樣值序列，f ( 甩) 為其導數序列，計算K 值如下： K=I麗i(n)碉+i(n-N2)I ( 1 6 ) 當K K 刪時判斷為波形對稱，K K 卵，時判斷為波形不對稱。該方法充分 地利用了差動電流中二次諧波以上的偶次諧波分量來制動，因此，差動保護的 勵磁涌流制動能力有了提高。 ( 4 ) 虛擬三次諧波制動原理 虛擬三次諧波制動式變壓器差動保護通過半周傅氏算法計算擬合波形中基 波以及三次諧波含量構成鍆。擬合波形的前半周為勵磁涌流波形中的半個周波。 它是以尖脈沖為中心形成的，但是后半周則是通過其他的原則擬合而成的。由 于對稱性涌流和單側尖脈沖性涌流含有較多的三次諧波分量，且該原理僅利用 半個周波就可做出判斷，因此可以有效地防止保護誤動。雖然虛擬三次諧波制 動原理是非常簡單的保護算法，但很難在模擬式保護中實現，而由于數據窗位 置的影響，保護整定值的選取和直流分量的影響等因素的存在，其在微機保護 中實現也存在一些問題需要解決。 t 6 萬方數據 緒論 2 ) 基于電流量和電壓量的勵磁涌流判別技術 ( 1 ) 磁通特性保護原理。帕 磁通特性保護原理利用變壓器空載合閘和內部短路時變壓器差動電流與 磁鏈y 曲線的差別來識別勵磁涌流。 圖1 1 單相變壓器空載合閘運行 F i g 1 1U n l o a d e dT r a n s f o r m e rO p e r a t i o n 圖1 1 為雙繞組單相變壓器空載運行時的情況，忽略變壓器繞組電阻，則流 入繞組的電流與該變壓器磁鏈y 之間的關系為： “，一厶墮：坐 ( 1 7 ) d td t 式中，厶為變壓器原邊繞組的漏電抗；y 為繞組回路磁鏈：U ，為原方繞組端電 壓：屯為變壓器差動電流( 空載合閘時為勵磁電流) 。 變壓器各種運行情況下的一屯曲線如圖1 2 所示，曲線1 和2 是變壓器產 生涌流時的狀態，其中曲線2 還考慮了剩磁的影響。隨著毛的變化d y d i d 發生 周期性的變化，變壓器進入飽和區域時的斜率d y d i d 要小于變壓器未飽和時的 d g d i d 。曲線3 對應于變壓器內部故障狀態，d g , , d i d 數值較小且基本不變。 勵磁涌流識別可以通過對d y d i d 所落區域的判斷來實現。 J。多 氣 i紗3 。 I 斫j 0 7 - 一 萬方數據 緒論 圖1 2y 一屯勵磁特性曲線 F i g 1 2y 一屯M a g n e t i z i n gC u r v e ( 2 ) 基于勵磁阻抗或瞬時勵磁電感的變壓器保護原理”朝 根據變壓器鐵芯磁路飽和的機理，即勵磁涌流產生的本質原因，可得到基 于瞬時勵磁電感的識別方法。由于基頻特性不同，所以在處理空載合閘和內部 短路勵磁電感時，應用傅里葉分解的方法來區分，并通過判斷分解后是否存在 基頻分量實現對勵磁涌流的識別。 定義瞬時勵磁電感三。如下： 朋= 孚 ( 1 8 ) a t ” 式中，f 。、y 分別表示變壓器的勵磁電流和勵磁磁鏈。因為瞬時勵磁電感難以 盡或缺的獲得，所以實際應用中常借助從變壓器原邊繞組端口看進去的瞬時電 感來代替。但是卻具有一定的局限性，這只是通過實驗模型獲得結果，并不精 準。 ( 3 ) 功率差動原理n 6 ”3 從能量守恒角度考慮電流、電壓綜合信息的功率差動原理是一種全新的不 依賴勵磁涌流波形特征的保護方法。通過研究可知：在正常運行時和在絕緣損 壞時變壓器所消耗的有功是不同的，在絕緣損壞時將消耗大量的功，所以為了 更好地判斷變壓器是否發生內部故障，我們可以根據他消耗的有功進行判斷。 但是這種方法仍存在一些不足，需要解決： a 變壓器采用Y A 接線方式時無法獲取側繞組內部電流，保護的靈敏度 由于無法確定銅損耗而降低。 b 由于勵磁涌流的存在鐵損耗增加，整定變困難，銅損耗難以精確計算。 3 ) 現代信號處理技術在涌流識別中的應用 ( 1 ) 小波分析在勵磁涌流識別方面的應用 小波分析是2 0 世紀8 0 年代后期發展起來的新理論。小波分析可以準確地 提取頻帶寬、持續時間短的電力系統故障暫態信號，更好地識別勵磁涌流和內 部故障電流。他完全的克服了其他信號的處理缺陷。 8 萬方數據 緒論 目前小波分析在勵磁涌流的識別方面已取得了一定的成果”H 們。文獻幢刀提出 了一種新的方法，用于區分勵磁涌流和內部短路電流，這種方法就是有小波分 析得出的。 通過僅流經變壓器一側且小波變換后一側無故障跳，以及內部故障兩側具 有符號相反故障跳等特點，構建了勵磁涌流新的算法，并利用仿真證明了所提 出的判據簡單，計算量小，且能在故障或是空載合閘瞬間迅速做出判斷。文獻洶3 提出了一種可以識別勵磁涌流和內部短路電流的新方法，這種方法是通過多分 辨率和小波分析共同得出。通過一種特殊的小波分解故障電流和勵磁涌流，并 找出經過小波分解后的各層小波系數的差異，即故障電流的高頻成分在初始階 段逐漸減小，而隨著時間的推移，勵磁涌流的高頻成分逐漸增大，該方法可以 有效識別輕微匝間短路，可靠性和靈敏度都較高。文獻隆們的方法則是用小波變換 來識別匝間的兩種電流。該方法對仿真波形采用B 樣條小波進行分析，通過李氏 指數值的大小識別故障電流和勵磁涌流，李氏指數值可用來表征信號奇異度大 小，可利用分解后的局部模極大值處對應的小波系數求得。 以上的文獻都表明了小波分析的發展已經逐漸成熟，已經逐漸被應用到各 個領域。它在分析領域的優勢被逐漸放大。它給人們帶來的結果也是滿意的， 無疑是一個成功的科學案例。 ( 2 ) 模糊理論在勵磁涌流識別方面的應用m 、3 將模糊理論有機的融入到變壓器保護中，利用各種模糊的識別、控制、決 策理論對涌流識別進行模擬應用，以提高涌流識別的可靠性。將不同置信度給 予多個輸入量及相關保護判據，通過模糊推理得到最終的動作決策，按照這個 基本思想，可以根據實際情況分別置于不同的置信度，綜合判別差動電流間斷 角特征、波形對稱度、二次諧波含量等幾種常用判據。這種方法是一種新的嘗 試，可以解決變壓器勵磁涌流的識別問題，但是它所存在的弊端還是有許多， 有很多問題待解決。 ( 3 ) 人工神經網絡技術在勵磁涌流識別方面的應用 1 9 9 4 年，變壓器差動保護首次利用人工神經網絡優秀的模式識別能力判別 勵磁涌流口羽，之后便越來越多地出現此類應用3 叫3 。人工神經網絡已被多處的 9 萬方數據 緒論 用在識別勵磁涌流和內部故障電流中，但是國內外學者并不局限于此，他們想 要可以實現的更多就像文獻口踟不僅考慮了勵磁涌流和內部故障電流的識別問題， 還將人工神經網絡用于區別變壓器的外部故障和內部故障。 1 2 2 和應涌流的研究現狀 雖然變壓器的和應涌流現象很早就已經被國內外學者發現 3 6 】，但學者們近 些年才逐漸重視起和應涌流。N 夕I - 早在1 9 4 1 年就有和應涌流現象的報道。通過 對變壓器差動保護誤動原因的分析，學者們發現不僅在變壓器剛合閘時會出現 較大暫態激勵電流，在與其并網運行的變壓器中也會出現該電流口刀。至此，學者 們開始了對和應涌流的深入研究。文獻帕對兩臺并聯運行的變壓器進行仿真，其 中一臺為帶負荷、有并聯電容器或空載的變壓器而另外一臺變壓器空載合閘， 在對兩組數據的對比分析，確實得出了變壓器和應涌流之間存在聯系口9 、刪。 國內對和應涌流的認識著重點在于電流波動變化和其自身特點，如文獻H 觀察記錄兩個相同效率的電路模型輸出的磁通數據分析變壓器和應涌流存在的 聯系和特點。而文獻H 幻通過建立了級聯和并聯運行的兩臺單相變壓器模型，在簡 化線性化的基礎上，對正在運行的變壓器和應涌流產生機理及影響因素做了定 性分析。文獻H 3 3 就指出偏磁也是影響和應涌流的重大原因之一。闡述了和應涌流 在并聯和串聯兩種情況下對變壓器差動保護、其他相關保護變壓器及后備保護 的影響。文獻m 1 之所以電路會出現和應涌流是因為新并入電路的變壓器突然工作 會有勵磁涌流，而這股電流會通過整個電力系統的電阻，在整個電路系統中并 聯或串聯的正在工作的變壓器電線路電壓不正常，這一產生的原因和特點全是 基于勵磁涌流偏向時間軸一側，這就是和應涌流出現的根本原因。 目前雖然和應涌流的問題受到了廣大專家學者的重視，但是由于整個電力 系統的復雜和龐大，以及變壓器自身內部電流的復雜因素，還不能很清楚的知 道其中影響電力系統保護的原因，所以，對于這一重要問題還需要更加深入的 研究才能更好地保護電力系統。 1 2 3 恢復性涌流的研究現狀 1 0 萬方數據 緒論 在以往的研究中，當變壓器出現故障并且修復后的回復工作的過程中和變 壓器剛剛并入電路系統中的變化是一樣的，這也是被世界學者所認同的【枷。但是 近幾年，隨著研究難題的突破，學者們發現以往認同的過程出現差異并且各自 有些自身特征。文獻H 朝里提到了分析變壓器從故障開始到排除的整個過程，記錄 了期間的所有數據。文獻H 町中也提到的了在通過對仿真電路變壓器模型的分析， 并且提出了在變壓器出現故障和排除故障并入電路的過程中有可能會出現電路 系統的過載狀態，保護誤動的概念由此提出。對于這個國內外都為之頭疼的問 題，人們主要都是集中于對勵磁涌流的研究，而忽略了對其他涌流的重視。雖 然得到了很多的成果，但是卻仍然不全面。目前對變壓器和應涌流及恢復性涌 流的研究還較少，對和應涌流及恢復性涌流的產生機理和影響因素研究結論還 沒有得到廣泛的共識，因此還需要更加深入的研究這個項目，以得到系統化的 結論。 1 3 論文的主要工作 通過之前的論述，我們可以發現由于短路電流和勵磁涌流的差別很小，所 以當繼電器中出現該涌流時，并不易識別，造成差動保護的偏差。所以如何正 確的識別這兩種電流成為人們關于變壓器差動保護的重點問題。雖然現存的識 別方法有很多，但是大多數都沒有得到驗證，還是處于研究的階段。然而隨著 電力系統規模的不斷擴大，即使變壓器差動保護過程中精準度已經有所提高， 但是出現誤動拒動的情況還是有的，所以本文的目的就是為了要尋找正確的識 別方法，通過小波分析的理論進行分析與前人研究的成果相結合，組合成一種 暫態保護的判斷依據。 本文介紹的主要內容概述為： ( 1 ) 簡要分析目前變壓器保護面臨的主要問題，綜述目前國內外涌流識別 技術的研究和應用現狀，通過這些分析闡明了論文的研究意義和研究目標。 ( 2 ) 分析變壓器勵磁和應恢復性涌流的暫態機理，明確了三種涌流各自 的產生原理、影響因素、各自特征。 萬方數據 緒論 ( 3 ) 在小波分析理論基礎上提出了基于小波包能量的涌流識別方法。通過 M A T L A B 軟件建立變壓器仿真模型，分析了經小波包分解的涌流及故障電流暫 態信號的能量變化情況，根據能量變化趨勢的不同，制定新的涌流識別方法和 保護判據，并驗證其準確性。 1 2 萬方數據 變壓器涌流分析 2 變壓器涌流分析 2 1 變壓器勵磁涌流的分析 在正常情況下，變壓器繞組的勵磁電感會很大，所以所帶來的勵磁電流就 會很小很小，不會出現勵磁涌流的情況，這也是由于變電器在正常情況下是不 處于飽和狀態的，所以它的導磁率就會很大。但是每當出現外部故障需要檢修， 檢修切除過后恢復原本電壓的過程中或者空載合閘變壓器的時候都有可能出現 數值很大的勵磁電流，成為勵磁涌流。出現該涌流的原因時由于變壓器鐵芯中 的磁通量突變，使鐵芯瞬時飽和，變壓器繞組的電感就會隨之下降，勵磁電流 也會出現改變，會比額定電流的值大很多。 由于短路電流和勵磁涌流的差別很小，所以當繼電器中出現該涌流時，并 不易識別，造成差動保護的偏差。所以如何正確的識別這兩種電流成為人們關 于變壓器差動保護的重點問題。因此我們要通過對這種涌流全方面的分析，加 深加深對勵磁涌流的進一步認識，以減少差動保護的錯誤率。 圖2 1 空載合閘時單相變壓器的等效電路 F i g 2 1S i n g l e - p h a s et r a n s f o r m e rn o l o a dc l o s i n gw h e nt h ee q u i v a l e n tc i r c u i t 圖2 1 中，為系統側等效電感，0 為系統側等效電阻，厶。為變壓器勵磁 電感，l 用為變壓器勵磁電阻，厶盯為變壓器的一次繞組漏電感，1 口為變壓器的 一次繞組漏電阻。變壓器T 1 在t = O 時空載合閘，口為電壓初始合閘角，可列寫 合閘回路電壓方程為t U s ( ，) = U ，s i n ( c o t + a ) = 腫譬 ( 2 1 ) “f 式中，甲為合閘回路的總磁鏈，= + r l 。+ r l m 為回路的電阻，同時滿足： 13 萬方數據 變壓器涌流分析 = ( 厶+ L w ) f + 5 c ，r = ( L 。+ 厶口+ L l 。) f = L i ( 2 2 ) 式中，變壓器鐵芯磁鏈g r = 】r ，1 為變壓器原方繞組匝數，r 為變壓器鐵芯 磁通。勵磁電感厶。產生的磁鏈可用等效，即g r = 厶。i ，勵磁電感厶。是一個 非線性電感。為了定性分析勵磁涌流暫態過程，將非線性方程式( 2 1 ) 進行線 性化處理，得到的微分方程以磁鏈沙為變量： U 朋s i n ( o ) t + c t ) = 導y + 譬 ( 2 3 ) 求解微分方程( 2 3 ) 得： y = y ，s i n ( c o t + 口一伊) + y ，一y 。s i n ( a - q 0 e 叫“ ( 2 4 ) 式中，y 朋為磁鏈穩態分量最大值，且滿足 一L U 。 4 r 2 + ( c o L ) 2 一= = = = = = = = = = = = = = = = = ”為鐵芯剩磁鏈， r = L r 為變壓器一次側合閘回路時間常數，伊= a r c t a n ( c o L r ) 。 公式( 2 4 ) 表明，變壓器的暫態磁鏈杪由穩態交流分量和衰減的暫態直流 分量兩部分組成。一般情況下，合閘回路的電抗遠大于電阻，因此可以忽略回 路電阻，公式( 2 4 ) 可簡化為： y = 一y 。c o s ( o ) t + 口) + y ，+ C O S t z ( 2 5 ) 得出變壓器磁鏈的公式以后，依據變壓器鐵芯磁化特性曲線y = f ( i ) ( 或 B = 廠( H ) 曲線) 及空載合閘的鐵芯磁通就可以求出勵磁涌流，如圖2 2 所示。 ( a ) 鐵芯磁化曲線( b ) 鐵芯磁鏈與勵磁涌流 圖2 2 變壓器鐵芯磁化特性曲線及勵磁涌流說明圖 F