毕业设计(论文)基于matlab的变压器励磁涌流抑制控制研究

1、必神娉高新学院毕业设计（论文）变压器励磁涌流抑制控制器设计系别：机电信息学院专业名 称：电气工程及其自动化学生姓名：学号：指导教师姓名、职称：完成日期 2011 年12 月8论文题目：变压器励磁涌流抑制控制器设计专业：电气工程及其自动化（签名）（签名）本科生：文晨指导教师：李忠当变压器空载合闸或外部故障切除后电压恢复时，由于铁芯饱和会产生很大的励磁涌 流，在最不利的情形下，可达到到正常励磁电流的上百倍，或者说可达到变压器额定电流 的5 7倍。这一大大超过正常励磁电流的空载合闸电流称为励磁涌流。励磁涌流的大小 和衰减时间与外加电压的相位、 铁芯中剩磁的大小和方向、电源容量的大小、回路的阻抗、 变

2、压器容量的大小和铁芯饱和程度轶芯的剩磁以及合闸时的相角等因素有关。同时，在变 压器空载合闸这一瞬变过程中，电流、电压的波形也会发生畸变，产生谐波；在一定的条件下，还可能会引起电力系统谐振，产生过电压。变压器差动保护动作正确率长期偏低的一个主要原因是励磁涌流的存在。而识别励磁 涌流有很多方法，由于受变压器铁芯材料磁饱和点的降低、TA暂态饱和等诸多因素的影响， 其可靠性可能大幅降低。因此有待研究一种可靠性更高的识别，抑制励磁涌流的新方法。本文利用MATLA啾件的仿真平台，在变压器各种运行情况下进行计算机仿真，并对 所产生励磁涌流的特点进行分析。基于这些仿真分析，提出抑制变压器励磁涌流的方法， 并且

3、对于这些方法进行仿真分析，确实这些方确实简单易行。关键词：变压器；励磁涌流；励磁涌流抑制；差动保护Subject : Transformer inrush current suppression controller designSpecialty : Electrical system and automationName： wen chen(signature) Instructor： li zhong(signature) AbstractWhen closing or external transformer no-load voltage recovery after fault c

4、learing ,As the core saturation will have a huge inrush current ,In the worst case, can reach to a hundred times the normal excitation current, or up to the rated current of the transformer 5 to 7 times . This greatly exceeds the normal no-load excitation current is called inrush current closing . I

5、nrush current size and decay time and the applied voltage, phase, iron core in the size anddirection of the remanence, the power capacity of the size of the loop impedance, the transformer core saturation capacity of the size and extent of Yi and closing at the core of theremanence the phase angle a

6、nd other factors.Meanwhile, the transient in the transformer no-load closing process, the current and voltage waveform distortion can occur, resulting in harmonic ; In certain conditions, may also cause power system resonance, resulting in over-voltageTransformer differential protection accuracy is

7、a major cause of long-term low inrush currentexists .And there are many ways to identify the magnetizing inrush current, the magnetic material due to transformer core saturation point lower, TA transient saturated and many other factors, maysignificantly reduce the reliability .So to be studying a m

8、ore reliable identification, the new method of magnetizing inrush currentsuppression.This simulation platform using MATLAB software, the operation of the transformer under a variety of computer simulation, and the resulting analysis of the characteristics of magnetizing inrush current. Based on thes

9、e simulation analysis, the method of magnetizing inrush currentsuppression, and simulation analysis for these methods, does the party really simpleKeywords: transformer；inrush current;inrush current suppression differential protection内容摘要 IIABSTRAC.TIII第 1 章 绪 论 11.1 研究的背景及意义 11.2 励磁涌流的危害性 11.3 励磁涌流

10、产生的原因及特点 25791.4本章小结 10第 2 章 防止励磁涌流引起的误动方法 112.1 励磁涌流对差动保护的影响 112.2 电流辨别励磁涌流的方法 12121314151616172.3 基于电流电压识别励磁涌流的方法 171819212222232.4 新型技术在励磁涌流识别方面的应用 242525 252.5 本章小结 26第 3 章 变压器仿真计算模型研究 283.1 MATLAB软件介绍 283.2 仿真模型 3030313.3 仿真结果分析 3131 343.4 本章小结 35第 4 章 几种抑制变压器励磁涌流的方法 364.1 控制三相合闸时间法 3636384.2 中

11、性点串电阻法 4040424.3 回路串联电阻延迟合闸综合抑制法 434344454.4 性能评价 464646464.5 本章小结 46第 5 章 结 论 475.1 主要结论 475.2 总结与展望 47附录1 仿真模型中各个元件的参数设置 48参考文献 52致谢 54第 1章 绪 论1.1 研究的背景及意义电力系统由发、输、变、配、用等环节构成，各环节相辅相成、相互影响。其中，变电环节主要由变压器来完成。因此，变压器是电力系统中不可缺少的重要电气元件。它的安全运行与否直接关系到电力系统能否连续稳定地工作和电力生产的安全，同时大容量的电力变压器也是十分昂贵的设备，应根据变压器容量等级、重要

12、程度及故障类型装设性能良好、动作可靠的继电保护装置。近十年来，我国的电力工业正处于日新月异的发展阶段。大容量、超高压的大型变压器不断投产，系统规模不断扩大。而与之相比，变压器保护的发展却相对滞后，拒动情况时有发生，误动情况相当严重。变压器是利用电磁感应原理将某一电压等级的交流电变换成同频率的另一电压等级的交流电静止电磁的装置。根据不通用途，变压器可分为多种类型。变压器除了能够改变电压等级外，还具有变换电流、变换阻抗和改变相位等作用。随着超高压、远距离输电在电力系统中的应用越来越广泛，大容量变压器的应用日益增多。电力变压器在空载合闸投入电网或外部故障切除后电压恢复时会产生很大的励磁涌流，同时波形

13、严重畸变，可能造成差动保护误动。稳态情况下，变压器的励磁涌流很小，只有额定电流的1%左右。但是变压器空载合闸或外部短路被突然切除时，暂态励磁电流（ 即励磁涌流） 的大小有时可以与短路电流相比拟，这个暂态过程将持续几个周波甚至几秒钟的时间。此外，变压器在运行过程中经常承受短时过负荷和短时过电压的作用。经验表明，很多的变压器严重故障就是许 多次轻微故障以及各种非正常的暂态过程的损坏累积造成损失。1.2 励磁涌流的危害性（ 1）引发变压器的继电保护装置误动，使变压器的投运频频失败；（ 2）变压器出线短路故障切除时所产生的电压突增，诱发变压器保护误动，使变压器各侧负荷全部停电；（3） A电站一台变压器

14、空载接入电源产生的励磁涌流，诱发邻近其他B电站、C电站等正在运行的变压器产生“和应涌流”（sympathetic inrush） 而误跳闸，造成大面积停电；（ 4）数值很大的励磁涌流会导致变压器及断路器因电动力过大受损；（ 5）诱发操作过电压，损坏电气设备；（ 6）励磁涌流中的直流分量导致电流互感器磁路被过度磁化而大幅降低测量精度和继电保护装置的正确动作率；（ 7）励磁涌流中的大量谐波对电网电能质量造成严重的污染。（ 8）造成电网电压骤升或骤降，影响其它电气设备正常工作。数十年来人们对励磁涌流采取的对策是“躲”，但由于励磁涌流形态及特征的多样性,通过数学或物理方法对其特征识别的准确性难以提高，

15、以致在这一领域里励磁涌流已成为历史性难题。1.3 励磁涌流产生的原因及特点抑制器的重要特点是对励磁涌流采取的策略不是“躲避”，而是“抑制”。理论及实践证明励磁涌流是可以抑制乃至消灭的，因产生励磁涌流的根源是在变压器任一侧绕组感受到外施电压骤增时，基于磁链守恒定理，该绕组在磁路中将产生单极性的偏磁，如偏磁极性恰好和变压器原来的剩磁极性相同时，就可能因偏磁与剩磁和稳态磁通叠加而导致磁路饱和，从而大幅度降低变压器绕组的励磁电抗，进而诱发数值可观的励磁涌流。由于偏磁的极性及数值是可以通过选择外施电压合闸相位角进行控制的，因此，如果能掌握变压器上次断电时磁路中的剩磁极性，就完全可以通过控制变压器空投时的

16、电源电压相位角，实现让偏磁与剩磁极性相反，从而消除产生励磁涌流的土壤磁路饱和，实现对励磁涌流的抑制。长期以来，人们认为无法测量变压器的剩磁极性及数值，因而不得不放弃利用偏磁抵消剩磁的想法。从而在应对励磁涌流的策略上出现了两条并不畅通的道路，一条路是通过控制变压器空投电源时的电压合闸相位角，使其不产生偏磁，从而避免空投电源时磁路出现饱和。另一条路是利用物理的或数学的方法针对励磁涌流的特征进行识别，以期在变压器空投电源时闭锁继电保护装置，即前述“躲避”的策略。这两条路都有其致命的问题，捕捉不产生偏磁的电源电压合闸角只有两个，即正弦电压的两个峰值点（90°或270°），如果偏离了

17、这两点，偏磁就会出现，这就要求控制合闸环节的所有机构（包括断路器）要有精确、稳定的动作时间，因为如动作时间漂移1毫秒，合闸相位角就将产生18°的误差。此外，由于三相电压的峰值并不是同时到来，而是相互相差120°，为了完全消除三相励磁涌流，必须断路器三相分时分相合闸才能实现，而当前的电力操作规程禁止这种会导致非全相运行的分时分相操作，何况有些断路器在结构上根本无法分相操作。用物理和数学方法识别励磁涌流的难度相当大，因为励磁涌流的特征和很多因素有关，例如合闸相位角、变压器的电磁参数等。大量学者和工程技术人员通过几十年的不懈努力仍不能找到有效的方法，因其具有很高的难度，也就是说“

18、躲避”的策略困难重重，这一策略的另一致命弱点是容忍励磁涌流出现，它对电网的污染及电器设备的破坏性依旧存在。单相变压器励磁涌流的特征电力系统中的电力变压器都是三相的，但为了清晰地说明励磁涌流产生的原因，先以一台单相变压器空载合闸为例分析励磁涌流形成的物理过程及其特点，然后进一步分析三相变压器励磁涌流的特性。为了方便表达，一变压器的额定电压的幅值和额定磁通的幅值为基值的标幺值来表示电压u和磁通小。变压器的额定磁通是指变压器运行电压等于额定电压时，铁芯中产生的磁通。用表压值表示时，电压和磁通之间的关系为u= d 小/dt(1.1)设变压器在t=0时刻空载时，加在变压器上的电压为 u=Usin (t+

19、 a)。与(1.1 )式 联合解得小= cos ( t+ a ) +(0)(1.2)式中 cos (t+ a )为磁通分量，其中m=U/；(0)为自由分量，如考虑变压器的损 耗，(°)应该是衰减的分周期分量，这里不考虑损耗，所以是直流分量。由于铁芯的磁通 不变，可求得(0)= mCOS (a )十 r(1.3)式中是变压器铁芯剩磁，其大小方向与变压器切除时刻的电压(磁通)有关。电力变压器的饱和磁通一般为sat = 1.151.4,而变压器运行电压一般不会超过额定电 压的10%,相应的磁通小不会尝过磁通sat。所以在变压器稳态运行时，铁芯是不会造成 饱和的。但在变压器空载合闸时产生的暂

20、态过程中，由于(0)的作用使小可能会大于sat,造成铁芯饱和。若铁芯的剩磁r>0.cos a>0,合闸半个周期(t二冗)后小达到最大 值，即小二2/，远大于饱和磁通sat,造成变压器的严重饱和。此时(a=0)合闸，小最大值为2m+r,远大于饱和的磁通sat,造成变压器的严重饱和。此时小的波形如图 1-1所示用8=cot+ a来代替时间，这样小的波形是以2冗为周期变化的。在(0,2冗)周期内， 8 1< 8 < 2冗一8 1时发生饱和，而8 二冗事饱和最严重。令小二sat,由于图1-1可得0 1二arccos( mcos a + r sat ) / & , 0&l

21、t; 8 1 兀(1.4)变压器暂态磁通1-1如下图1-2所示是变压器的近似磁化曲线，铁芯不饱和时，磁化曲线的斜率很大，励 磁电流i也近似为零；铁芯饱和后，磁化曲线的斜率L4艮小，i也大大增加，形成励磁涌流。其中波形与一sat只相差一个L 一故在(0,2九)周期内有i 尸0, 00808 1或 8学2九九i ,=I m (cos 0 1 cos 0), 0 1<0<2Tt 0(1.5)变压器近似磁化曲线1-2励磁涌流的波形如图1-3所示，波形完全偏离时间轴的一侧，而且是间断的。波形问点的宽度被称为励磁涌流的间断角9 J,显然有9 j=2 91.6励磁涌流波形1-3间断角8 j是区别

22、励磁涌流和故障电流的一个重要特征，饱和越严重间断角越小。9 j 的数值与变压器电压（稳态磁通）幅值m合闸角a以及铁芯剩磁有关，通常只关心各 种情况下的最小间断角，在计算n=1.1 , a =。，sat=1.15。则取最大剩磁。变压器的 最大声词与许多因素有段，现场实测也很困难，具体数值目前还有争议，较为保守地可取 =0.7。据此按式（1.5）和式（1.6）算得8 j=108 0 。上面讨论的是正向饱和即>0）的情况。若（。）<0,则会发生反向饱和，情况与 正向饱和类似，只是8 =2冗时饱和最严重，里两次涌流达到最大；而在计算8 1时，式（1.4）sat前应加“”号，而则取 0.7,

23、九的范围为九<8 1<2几。励磁涌流中除了基波分量外，还有大量的非周期分量和谐波分量。由于励磁涌流是周 期函数，可以展开成傅里叶级数-b0-(an sin bn cosn )(1.7)2 n 1an i sin n dn0(1.(8)1 2>bn i cosn dn 0J励磁涌流中各次谐波分量的幅值可以根据傅里叶级数的系数an和bn确定：非周期(直流)分量为i 0 =bo /2,基波分量为i 1 a； b2 ,高次谐波分量为I n ，02bn2 , n=2,3,4将式(1.5)带入式(1.8),就可以计算出非周期分量和各次谐波分量。通常关心的 是励磁涌流中非周期分量和高次谐波

24、分量的含量(即她们与基波分量的相对大小)。显现在上述简化的饱和特想的前提下，它们至于间断角有段，与励磁涌流的幅值I无关综上所述，单相变压器励磁涌流有以下特点(1)在变压器空载合闸时，涌流是否城市女生及涌流的大小与合闸角有关，合闸角 a =0和a =冗时励磁涌流最大。(2)波形完全偏离时间轴一侧，并且出现间断。涌流越大，间断叫越小。(3)含有很大成分的非周期分量，间断角越小，非周期分量越大。(4) 含有大量的高次谐波分量，而以二次谐波为主，间断角越小，二次谐波分量 越小。三相变压器励磁涌流的特征目前各国电力系统均采用三相制，所以电力系统中的变压器大多是三相变压器。三 相变压器可以用三个单相变压器

25、组成，这种三相变压器称为三相变压器组；如果把三个单相壳式变压器的铁芯构成一体，则称为三相壳式变压器；还有一种由铁扼把三个铁芯柱连在一起的三相变压器，称为三相心式变压器。三相变压器的磁路结构和绕组的连接方式很 多，它们对励磁涌流的大小和波形有较大的影响。大型变压器一般都是由三个单相变压器 组成的变压器组，由于三个铁芯的磁路完全独立，所以以上单相变压器励磁涌流的分析方 法也适用于这种三相变压器。三相变压器空载合闸时，三相绕组都会产生励磁涌流。对于YDll接线的三相变压器， 引入每项差动保护的电流为两个变压器绕组的差值，其励磁涌流也应该是两个绕组励磁涌流的差值，即 i .A.r i .A i .B，

26、i .B.r i .b i .c , i .C.r i .c i.A，.C.rc 1 .Ao两个励磁涌流相减后，涌流的时域特征和频域特征都有所变化：m 1.1, sat 1.15；三相剩磁r.A 0.7 ? r.B r.C0.7；A相的合闸角a 0。由于三相电压时对称的，故B 4/3,ac2 /3。经计算i A,i B,i C的波形如图1-4 (a)所示，i A r,i Br ,i Cr的波形分别如图.I . .1. .11-4 (b), (c), (d)所示。在图1-4 (a)中，要注意i .A,i .B,i .c最大值出现时刻：i .A是正向涌流，在t时达到最大值；i .B是反向涌流，因此

27、在 t 2 /3 (即t B 2 )时达到最大值；i .c也是反向涌流，最大值发生在t 4 /3处。i .A,i .B,i .c的间断角和二次谐波分别在 78.6°, 49.60, 78.60,和 14.8% , 37.6%, 14.8%。1三相变压器励磁涌流波图1-4分析三相变压器的励磁涌流是一个相当复杂的问题。在分析过程中往往要加入许多假 设和简化条件，这样才能求得空载合闸于最严重条件下的励磁涌流特征。根据上面的算例,对于一般情况下，三相变压器的励磁涌流有以下特点 ：(1)由于三相电压之间有 120o的相位差，因而三相励磁涌流不会相同，任何情况下 空载投入变压器，至少在两相中要出

28、现不同程度的励磁涌流。、(2)某相励磁涌流(i也.B.r)可能不再偏离时间轴的一侧，变成对称的励磁涌流。其他 两项仍为偏离时间轴一侧的非对称励磁涌流。对称性涌流的数值比较小。非对称性涌流仍 含有大量的非周期分量，但对称性涌流中无非周期分量。(3)三相励磁涌流仍有一相或两相二次谐波含量比较小，但至少有一相比较大。(4)励磁涌流的波形仍然是间断的，但间断角显著减小，但其中又以对称性涌流的 间断角最小，但对称性涌流有另外一个特点：励磁涌流的正向最大值与反相最大值之间的 相位相差120°.这个相位差称为波宽，显然稳态故障电流的波宽为180o外部故障切除后变压器恢复性涌流特点图1-5为变压器有

29、载合闸的等效电路模型图。其中内阻抗为Ri j Li入，原边电流为ir负载阻抗为R2 j L20负载电流为i2 ,励磁阻抗为纯电感Lm ,励磁电流为im,主磁通为。则根据基尔霍夫定律，有：Riii Lid1 R2i2 L2d2 Ui(1.9)dtdtLm 强 R2i2 L2 业(1.10)dtdti1i2im(1.11)d L dim dt m dt(1.12)由以上的几个式子整理可得到L 1 d-"3 U1(1.13)Lm L2 dt变压器有载合闸电路模型图1-5假定励磁电抗为常数，并且负载阻抗非常的小，可以忽略不计，同时忽略变压器漏磁的影响。设系统原边电源电压为UimSin( t)

30、，Lm采用平均电感Lmav后，L3的关系为:im mav则有:ddt1,，一.，T-KmU 1m sint旦sinX12旦sinX12teT2(1.14)其中：TiLmavRLmavL2T2LiRiarctan T2X12L1Km工U 1LmavL2合并整理式(1.14)可以得到mo sin tt 一 m1em2eT2(1.15)其中：m0U1mKmq 1k121m2U 1 mK m qT1cos1 K2T1 cosk1kl k2m2Kmk1k2Tl cosU1mk2 1k1RX12T22Ti1 arctan t1q 2 T12从式子（1.15）可以看出稳态分量外，还有两个自由分量，均按各自的

31、时间常数衰减。1变压器空载励磁涌流与恢复性涌流的区别（1）产生的机理不同：1 ）空载励磁涌流就是电力变压器在空载合闸投入电网，在变压器线圈内所引起的冲 击电流电力变压器空载合闸瞬间铁芯磁通处于瞬变过程，会产生三相不对称磁通，导致电 力变压器绕组线圈迅速达到饱和，不过这种电流主要是非周期性变化的直流分量，它能导 致铁芯严重饱和，在最坏的情况下合闸主磁通可以突变到稳定磁通的3倍，而励磁涌流有可能达到额定电流的8-10倍当整定一台断路器控制一台变压器时，其速断可按变压器励 磁电流来整定。2 ）恢复性涌流是外部故障切除后电压恢复时，任何一侧发生电压骤增，基于磁链守 恒定律引起的瞬变过程产生偏磁导致铁芯

32、过度饱和，使励磁电流很大，可达到额定电流的 6- 8 倍。（2）涌流特征不同：1 ）变压器空载时励磁涌流特征涌流含有数值很大的高次谐波分量（主要是二次和二 次谐波），其变化曲线为尖顶波励磁涌流的衰减常数与铁芯的饱和程度有关饱和越深，电 抗越小，衰减越快含有较大的非周期分量，且波形存在间断角励磁涌流的数值很大，最大 可达额定电流的8 10倍。2 ）变压器外部故障切除后恢复性涌流特征峰值较小与空载合闸涌流相比，难以达到 差动保护的启动判据；二次谐波含量高，即使恢复性涌流能够满足差动保护的启动条件。 二次谐波制动判据也能够正确闭锁差动保护。（3）对变压器差动保护的影响不同：1 ）电力变压器在空载合闸

33、投人电网时，由于变压器铁芯磁通的饱和及铁芯材料的非线性特性，会产生幅值相当大的励磁涌流，而励磁涌流仅流经变压器的合闸电源侧，通过 电流互感器反应到差动回路中不能被平衡，由此可导致变压器差动仅护误动作。2 ）虽.然变压器外部故障切除后的恢复性涌流的二次谐波含量较高，大于 50%，但 其恢复性涌流的幅值较小，还达不到差动保护的启动条件，说明变压器外部故障切除后恢复性涌流本身不会引起差动保护误动。（ 4）对涌流的影响因素不同1 ）影响变压器空载励磁涌流的因素: 励磁涌流的大小与电压合闸初相角、剩磁大小和极性、铁芯磁化曲线有关同时其大小和衰减快慢取决于非周期衰减分量，衰减快慢与时间常数有关; 而励磁涌

34、流的衰减常数与铁芯的饱和程度有关，饱和越深，电抗越小，衰减越快。2 ）影响变压器恢复性涌流的因素: 变压器能否出现恢复性涌流以及出现恢复性涌流的大小与变压器外部故障发生时刻的电势相角a、故障严重程度h,故障切除时刻p以及故障回路的时间常数r这四个参数有关。21.4 本章小结本章从变压器励磁涌流的危害入手，较为详细的讲述了变压器励磁涌流的特征，简要分析了其产生原因，对变压器空载合闸产生的励磁涌流和电力系统故障切除的恢复性涌流做了详细对比。第 2 章 防止励磁涌流引起的误动方法本章变压器励磁涌流的产生对于变压器的差动保护有着严重影响。因此变压器励磁涌流的识别方法就十分重要，本章对于变压器励磁涌流的

35、判别方法做出归类分析。2.1 励磁涌流对差动保护的影响影响变压器差动保护安全性与可靠性的几个因素差动保护是变压器的主保护，它的安全可靠性对变压器保护影响最为关键。变压器差动保护在正常运行和外部短路时，理想情况下流入差动继电器的电流为零，保护装置可靠不动作。但实际上变压器在正常运行操作或外部短路时都有可能产生较大的不平衡电流，引起变压器差动保护的不正确动作。变压器差动保护主要有以下几个比较重要的问题：（ 1） TA不同型问题。变压器有两个及更多电压等级，构成差动保护所用的电流互感器 的额定参数各不相同，由此产生的差动保护稳态不平衡电流较大。（ 2）二次TA 接线复杂。在构成变压器差动保护时各侧电

36、流大多需进行星三角变换，引起变压器差动保护接线复杂，无形当中增加了不平衡电流的来源。（ 3）分接头调整问题。变压器高压绕组常有调压分接头，有的还要求带负荷调节，导致不平衡电流增大。（ 4）涌流问题。一般情况下电力变压器工作在线性区域，变压器铁芯没有饱和，其励磁电流非常小，差动保护不容易误动，但在一些过渡过程中（ 如正常的空载合闸，外部故障恢复 ） ，变压器铁芯容易在暂态过程中饱和，产生几倍甚至十几倍额定电流的励磁涌流，引起变压器差动保护误动。（ 5）过励磁问题。变压器在稳态过励磁情况下，也会导致励磁电流剧增，引起差动保护非选择性的误动。（6） TA饱和问题。如在区外故障过程中，一次侧电流的非周

37、期分量较大，如变压器各 侧的电流互感器饱和特性不一样，易引起某一侧的电流互感器饱和，产生暂态不平衡电流，可能会引起差动保护误动。在外部故障切除过程中，由于TA 的局部暂态饱和也可能会引起差动保护的误动。（ 7）内部轻微匝间故障灵敏度问题。变压器内部轻微匝间故障时，虽然流过短路环的电流很大，但流入差动回路的电流可能很小，影响差动保护的灵敏动作。（ 8）数字滤波器数据窗暂态问题。选择合适的数字滤波器对差动保护也很关键。同样一个差动保护装置，如果采用的滤波算法不同，其表现的性能也不一样。全波傅氏算法的精度较高，但滤波器的数据窗暂态延时较大，某些状况 （如TA饱和、变压器励磁涌流引起的数据窗暂态） 下

38、的性能反而不如数据窗短的半波傅氏算法好。综上所述，在实现变压器差动保护时，要求差动保护能够躲过稳态、暂态不平衡电流，同时保证在内部轻微匝间故障时也具有较高的灵敏度，是相当复杂和困难的技术问题。主要需要解决的问题是:（ 1）有效的防止由于TA 不同型与接线复杂及分接头调整引起的稳态不平衡与非饱和暂态不平衡电流的影响，这可通过比率制动特性的差动保护原理来克服。（ 2）正确识别励磁涌流和内部故障时的短路电流，这取决于有效的涌流识别判据。（3）外部故障电流导致二次侧 TA饱和引起保护误动，还包括外部故障切除后 TA局部 暂态饱和引起的差动保护误动，目前关于 TA局部暂态饱和的问题还没有引起足够的重视；

39、（ 4）正确识别变压器的过励磁问题。（ 5）选择暂态性能最优的数字滤波器作为差动保护的滤波算法。数字变压器差动保护的开发研究前期，必须正确地研究这些因素的本质特征与消除影响的方案。传统的保护原理在现场应用已经非常成熟且积累了大量的经验，不能完全摒弃。本论文将就这些方面展开充分的研究与分析，并根据变压器故障、涌流等动态过程中的具体特征，提出适用于传统原理的磁化曲线计算方法，同时也针对新型变压器保护方案的要求，给出了相应电感参数的计算方法。22.2 电流辨别励磁涌流的方法二次谐波制动的方法励磁涌流中含有较大的偶次谐波分量，并且二次谐波分量最大，而故障电流中的二次谐波分量较小。因此计算出差流中的二次

40、谐波分量，如果其值较大就可以判断为励磁涌流。判别式为: I 2 K 2I 1 。其中I 1 ， I 2 分别称为差动电流中的基波分量和二次谐波分量的幅值；K 2 称为二次谐波制动比，按躲过各种励磁涌流最小的二次谐波分量下最小的二次谐波含量整定范围通常为K2 15% 20%二次谐波制动原理简单明了，有多年的运行经验，在微机变压器保护装置中得到了广泛采用。但随着电力系统容量增大、电压等级提高、变压器容量增大，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:(1) 对大型变压器，由于在高压输电系统中，长输电线的分布电容效应十分明显。在 变压器端部接长线或静补电容时，内部故障的暂态电流也可能产生

41、较大的二次谐波。因此 当大型变压器内部严重故障时，谐振而产生较大成分的二次谐波，使保护动作延时。(3) 励磁涌流是暂态电流，不适合用傅氏级数的谐波分析方法。因为严格地说，傅氏级数的谐波分析方法只适用于稳态交流分量的分析，励磁涌流是含有较大衰减直流分量的暂态电流，将衰减的直流分量在时间轴上截断并进行周期延拓，会导致产生离散的幅度谱，混叠到周期信号的频谱中，影响二次谐波分量的大小，甚至导致误判。5间断角原理间断角闭锁原理的变压器差动保护率先由我国于60 年代提出并制成样机，其模拟式保护装置己经得到广泛应用。间断角闭锁原理是利用励磁涌流波形具有较大的间断而短路电流波形连续变化不间断的特征作为鉴别判据

42、。该方法简单直接，但它是以精确测量间断角为基础，如遇到TA 暂态饱和传变会使涌流二次侧间断角发生畸变，有时会消失，必须采取某些措施来恢复间断角，但这却增加了保护硬件的复杂性; 同时间断角原理还要受到采样率、采样精度的影响及硬件的限制，因此该原理在实际数字差动保护中的应用效果并不十分理想间断角原理是我国继电保护工作者首先提出来并应用于实践，其模拟式保护装置已经得到应用。间断角原理是利用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。和二次谐波制动原理相比，间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

43、压器内部故障时能迅速跳闸; 具备一定的抗励磁。但是这种方法要求较高的AD采样率和AD采样精度，需要克服小电流识别误差大的问题，以便正确计算间断角，因此对硬件要求较高。另一方面，由于励磁涌流中的电流非周期分量有可能会引起C7， 饱和， 因而间断角可能会消失，甚至反向涌流，因而会引起误判。总之，间断角原理的微机实现在技术上是可行的，但硬件复杂且成本较高，在实用化过程中要作进一步经济技术分析和现场检验。间断角闭锁原理的变压器差动保护与二次谐波制动原理的差动保护相比，有如下显著特点 :(1) 一般采用按相闭锁的方式，某一相符合间断角涌流闭锁条件则闭锁该相比率差动元件，在变压器各种内部故障时能迅速动作跳

44、闸;(2) 具备较高的抗变压器过励磁能力，只有在过励磁倍数达到1.26 倍以上时，比率差动保护才有可能误动，所以一般不需要附设变压器过励磁时差动保护的闭锁判据。而二次谐波制动的比率差动保护必须附设其他过励磁闭锁判据(如五次谐波制动判据)。2波形对称原理波形对称原理是对流入继电器的差电流波形特征进行分析的一种方法，首先将流入继 电器的差电流进行微分，将微分后差流的前半波与后半波作对称比较，根据比较的结果去 判断是否发生了励磁涌流。内部故障时，由于波形对称，被测样点几乎全部满足对称性要 求;而励磁涌流时，由于存在间断角，至少有四分之一的采样点不能满足对称性要求。事 实上，这种算法其实是个数字滤波器

45、。它的滤波效果相当于滤除了奇次谐波保留了偶次谐 波。所以，它比二次谐波制动多反映了一些偶次谐波分量。基于波形对称性原理的基本原理可以概括为：首先对一个周期的差动电流进行预处 理，然后通过一定的算法确定出波形的不对称度K,最后根据不对称度K来判别差流是否为涌流，其主判据为：K >Kset。K=fK为波形的不对称度，Kset为整定值，算法的数据窗为 一个周波。对于本文前面提到的识别方法，其主要区别就在于对称度计算函数fK不同：(1)波形对称原理首先将流入继电器的差流进行微分(滤除直流分量)，将微分后的差流的前半波与后半 波作对称比较，求取不对称度 K,即：(2.1 )i k i k N/2f

46、K T 71 k ik N/2式中，ik为差电流导数前半波第k点的数值，ik N/2为后半波与第k点相对应的数值。从数字滤波的角度来分析，波形对称判据的构成实质上是差分后差动电流中偶次谐波 的瞬时值与奇次谐波包括基波分量的瞬时值相比。按判据的动作条件，输入电流中的偶次 谐波为动作量，奇次谐波为制动量。与二次谐波制动原理相比，波形对称判据充分利用了 二次谐波以上的偶次谐波分量，提高了保护躲励磁涌流误动的能力。(2)波形比较法设置一个长度为一周波的观测窗，采用适当的方法 .将观测窗内的差动电流i分解成 差异明显的两段波形x(t)和.v(t),每段的长度为半周波，然后求取两段波形的相关系数 来表征差

47、动电流的不对称度，即：(2.2)Cov(x,y)(x)2式中，Cov(x, y)为x 和y 之间的协方差，6 (x)为x(t的均方差。此方法中波形系数采用积分运算，算法的稳定性好，特征明显，抗 TA饱和能力强，并可以实现分相制动。(3)波形拟合法基于去除直流分量故障电流基本上为前后对称的正弦波这一特征，利用实际电流的前 几个采样点拟合出的标准正弦波，用这个拟合的标准正弦波作为参照波形，与实际电流波 形相比较，利用两个波形间的差异来反映波形的不对称度，即：fkyN*yNynN(2.3)ynN式中,yN二拟合出的正弓S波离散值，ynN为实际波形离散值(去除了直流分量)0这种方法具有所用数据窗较短，

48、识别迅速，特征明显等优点。利用波形对称性特征鉴别涌流方法，从实质上讲都是利用涌流波形会出现间断角从而 造成波形的不对称性这一特点的，都属于间断角原理的衍生和改进，且较间断角原理易于 实现。但由于涌流波形与许多因素有关，对于波形不对称度K的整定，很难通过严格的理论分析或推导来确定，应用中只能根据实际情况，以及大量试验的方式来确定，从而潜伏 了误判的隐患。26这种方法实际上是间断角原理的推广。它的提出正是基于对励磁涌流导数的波宽及问 断角的分析，但是它比间断角原理容易实现，克服了间断角原理对微机硬件要求太高的缺 点。但是由于波形对称原理对电流进行差分，而差分将放大电流中的高次谐波。因此若故 障电流

49、畸变比较严重，或高次谐波含量较高时，用该方法计算故障电流的上下对称系数可 能超过整定值，从而将故障电流误判为励磁涌流而闭锁保护。基于采样值差动的励磁涌流鉴别方法采样值差动鉴别励磁涌流的基本思路为：由励磁涌流和内部故障电流波形比较可知， 励磁涌流在1个周期内，三相差流(即流入继电器的电流)波形中有两相由于变压器饱和特 性的影响使波形总是有几个点靠近零点，电流数值上趋向于零，这几个采样点，其电流数 值不满足采样值差动的动作条件。这个规律实质上是和产生涌流时波形会出现间断角的规 律相一致。剩下的一相由于变压器绕组接线方式的影响往往呈现出周期性电流的特征，考 虑最严重的情况即为产生对称性涌流，此时该相

50、差流的直流分量为零，完全为周期性电流。 但1个周期内仍然存在一定的间断角，受这个因素的影响，在1个周期内，该相电流满足采样值差动条件的点数与标准正弦基波相比要少，而变压器发生内部故障时，差流波形基 本上为正弦基波，故一般只在过零点前后才不满足采样值差动动作条件。利用这个规律， 可以用数字保护差流启动后R个采样点作为所需要的判别数据窗（R值对应的角度一般要求 小于2P ）,寻找定值S分相判别，当三相差流中有一相或多相的 R> S时，就可认为发生 了内部故障，输出动作信号，否则认为是励磁涌流而不动作。采样值差动不同于相量差动，它不但考虑波形幅值的大小，更重要的是它需要考察波形的集散度，即使波

51、形的幅值很大，若不具备较好的分布均匀性，同样无法满足采样值差动判据。正因为如此，采样值差动可有效地鉴别励磁涌流和制动外部故障TA饱和的差流,同时还具备抗过励磁的功能。采样值差动的数据窗只有一个点，因此它在变压器或TA进入线性区时，差动保护判据必然不满足，比采用全周数据窗的相量差动更能适应这种饱和 非线性。虚拟三次谐波式涌流制动方法在研究正弦基波与奇次谐波叠加的特征以及基波与偶次谐波叠加的特征基础上，提出27】虚拟三次谐波制动方案是利用涌流中信息量最为丰富的以尖脉冲为中心的半周波形作为前半周信息，利用“平移”和“变号”原则虚拟构成后半周信息，前后合起来构成一个完整的周波信息，这一合成信号符合奇对

52、称原则，其三次谐波含量较大; 而变压器内部短路电流基本上是正弦波， “虚拟”后的波形中三次谐波含量较小，故可由此将两者区分开来。研究表明，不仅在单侧尖脉冲性涌流时含有丰富的三次谐波分量，而且在对称性涌流时，也含有比较多的三次谐波分量。该方案的原理仅用工频半周期信息，可使算法要求的数据窗缩短，加快了保护的动作速度，保护可在故障后半个周波加一个采样点的时间，约1052ms即可发出跳闸脉冲，加上出口继电器动作时间，约15ms即可跳闸。该方案数字实现时，算法简单，实际上相当 于用半周傅氏算法计算基波及三次谐波的运算量。该原理的波形虚拟过程，从滤波器的角度来看其实就是滤除偶次谐波，保留奇次谐波的过程，充

53、分利用虚拟后的尖顶波中的三次谐波分量来确定涌流波形。27小波变换识别方法小波变换是90 年代兴起的一门新的理论，它克服了工程界一直应用的Fourier 变换不能同时在时、频域取得局部化特性的缺点。小波变换根据信号的变化特征，通过对小波基的伸缩和平移，可自适应地调整分析窗的宽窄来更好地分析暂态突变信号或微弱变化信号。当电力系统发生故障时，其暂态突变信号包含了所有反应故障的有用信息; 况且，电力系统故障暂态信号具有持续时间短、所占频带宽等特点，传统的付里叶变换和加窗付里叶变换均难以对其进行有效的分析。而小波变换由于具有时频局部化性质和时空域的平移不变性， 因此从理论上来说，小波变换更加适合于象变压

54、器励磁涌流这样的奇异信号检测。目前，小波变换在励磁涌流和故障电流识别方面的应用主要集中于高次谐波检测和奇异点检测。实质上，这两种方法都是间断角原理的推广，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。若差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理论，检测的是差流状态突变而产生的第2 类间断点，奇异点与涌流间断角相对应。但是对于微机保护来讲，获得高频分量则需要提高采样频率，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躁声的考验，有

55、待进一步的研究。实际上小波变化距离实际应用还有一定的距离。主要有以下三个原因：（ 1）要想获得好的检测效果，则要求信号的采样率较高，同时算法本身计算量也很大，这对保护的软硬件提出了很高的要求，目前还很难达到。（ 2）算法本身受系统谐波的影响较大，必须提高其抗干扰能力。（ 3）相关研究人员对小波变换的认识还不够深入，将其应用到涌流检测还停留在比较初步的阶段，需要对其进一步的分析研究。基于数学形态学提取涌流的方法数学形态学是一门新兴的学科，它包括两种基本运算: 腐蚀和膨胀，并由这两种运算进一步拓展外开运算和闭运算，这两种运算具有滤波的功能，开运算可以抑制采样信号中的峰值噪声，而闭运算可以抑制采样信号中的低谷噪声。在此基础上，利用这两种形态算子的不同组合方式可以构造出不同形式的形态滤波器，使信号的特征更加明显，目前被广泛应用于数字图像识别和边缘检测中。近年来，数学形态学也被电力研究人员引入到电力系统相关研究中，文献【28】提出了一种利用数学形态学原