基于励磁支路非线性特性的变压器保护新原理的研究

1、1 姓名： 焦邵麟导师： 刘万顺 教授副导师：肖仕武2005310 2论文选题的意义1、大型变压器在高压电网中发挥着枢纽作用。2、变压器保护正确动作率比较低（2003，220kv及以上变压器保护共动作206次，正确动作157次，不正确动作49次（误动49次，拒动0次），正确动作率为76.21 % ）。3、更高性能的变压器保护原理的研究具有重要的理论意义和实践意义，能更好的为电力系统的安全稳定运行提供保障。3一 、理论研究部分新型励磁涌流识别判据的研究基于等效瞬时励磁电感识别励磁涌流基于波形相关度识别励磁涌流新型变压器主判据的研究基于全电流波形相关性主判据基于故障分量波形相关性主判据二 、试验环

2、节保护样机的开发与调试论文的主要工作41、现有识别励磁涌流判据的归总1 利用电流波形的特征进行识别 二次谐波制动，间断角原理，波形对称原理，波形拟合 原理，波形相关性分析等2 综合利用电流、电压信息量进行识别 磁通特性，励磁电感的时间特性，差有功等 3 等值电路参数识别法 4 利用非线性数学工具 如模糊理论，小波，神经网络等一 理论研究部分52.1 基于等效瞬时励磁电感时域特性识别励磁涌流的研究其原边绕组回路方程为 dtdirdtdiLirumm11111双绕组变压器T型等效模型dtdiLdtdididdtdmmmm*mL等效瞬时励磁电感等效瞬时励磁电感的定义：从原边绕组端口看进去的瞬时电感

3、2 新型励磁涌流识别判据的研究6dtdiLriu空载合闸发生涌流与内部故障时变压器统一方程式采用在k时刻和k+1时刻的电流和电压的瞬时值得到两个不相关的方程式，联立求解得：)2()()1()1()1(2)(2)()1()1()(*2kkkkkkkkkkiiiiiiiuiuTLT为采样周期。 7铁芯严重饱和时 接近空心电感值。由于铁磁材料的磁导率远远大于非铁磁材料的磁导率，即 ，所以有 。coreaircoreairLLa irL 下图给出了一般的 及 关系曲线，mimmLi8 变压器的励磁涌流是变压器铁芯饱和所致。当变压器发生励磁涌流时，其铁心将交替经历饱和与非饱和过程，励磁电感 L 的瞬时值

4、将随励磁涌流瞬时值 的变化发生较大变化。i变压器空载合闸和内部短路的励磁特性曲线涌流时瞬时励磁电感波形9基于等效瞬时励磁电感时域特性的判据思路：由基本原理分析可知，在差流出现间断时，铁芯没有饱和，等效瞬时励磁电感值较大，而匝间短路时，等效瞬时励磁电感值较小。利用这个规律，可以用一个较低的电流门槛截取电流采样值接近零的部分，计算出这部分电流对应的等效瞬时励磁电感平均值。 11( )MavriLL iM 将平均等效瞬时励磁电感与门槛值比较，若大于门槛值，则判为励磁涌流，闭锁保护；反之，保护出口动作。 10判 别 方 案 （A A）空投涌流）空投涌流0.000.010.020.030.0402000

5、40006000800010000mkI差流间时0.000.010.020.030.040102030405060励磁电感（B B）匝间短路）匝间短路0.000.010.020.030.04-5000-4000-3000-2000-10000100020003000mkI差流间时0.000.010.020.030.04024励磁电感平均等效瞬时励磁电感求解示意图识别励磁涌流判据为： avrmkavrmkLLLL励磁涌流匝间短路 电流门槛的选取（动态定值）120%mkII1I为电流基波有效值励磁电感门槛的选取（动态定值）30%mkwtLL11判别方案的仿真验证 EMTP的仿真结果 EMTP仿真用

6、的变压器为D/Yn-11接线，稳态时A、B、C三相的等效瞬时励磁电感分别为4.426H、4.371H和4.494H。门槛值(30%)分别为1.328H、1.311H和1.347H。 以空投涌流和角侧A相匝间短路为例12avrLavrL实验类型平均励磁电感(单位H)A B C实验类型平均励磁电感(单位H)A B C10度空投9.5944.7266.8795匝间0.0114.4010.00840度空投6.52910.017.94210匝间0.005244.3710.003870度空投4.75066.8669.590650匝间0.000644.3700.0004100度空投10.0067.956.5

7、71空投于5匝间0.1067.84650.0482130度空投6.85339.5874.7762空投于10匝间0.004846.44940.0024160度空投7.97346.61410.006空投于50匝间0.000547.04170.0004190度空投9.5844.8036.841 13TEQSIM的仿真结果 avrLavrL实 验 类型平均励磁电感(单位H)A B C实 验 类型 平均励磁电感(单位H)A B C0度空投0.89953.02592.3908120度空投1.04640.82541.946730度空投0.79822.39372.8843150度空投1.61080.57792

8、.606060度空投0.83651.88622.1028180度空投1.52610.95992.105390度空投1.65111.64071.9253 稳态时A、B、C三相的等效瞬时励磁电感分别为1.58H、1.767H和1.837H。门槛值分别为0.474H、0.53H和0.551H。 空投涌流143.5匝间（16匝）0.15840.4714010.5匝间（48匝）0.08480.15740.07匝间（32匝）0.03580.20411.2514匝间（64匝）0.12760.24270.0空投3.5匝间（16匝）0.09870.2001.126空投10.5匝间（48匝）0.19710.361

9、2.996空投7匝间（32匝）0.0980.2641.450空投14匝间（64匝）0.06970.1281.595角侧A相发生匝间短路 空投于角侧A相发生匝间短路 15用一个较低的电流门槛截取电流采样值接近零的部分，计算出这部分电流对应的等效瞬时励磁电感平均值 。 avr lL11( )Mavr liLL iM用一个较高的电流门槛截取电流采样值接近峰值的部分，计算出这部分电流对应的等效瞬时励磁电感平均值 。avr hL11( )Navr hiLL iN改进型判据avr havr LLKL16励磁涌流时，比例系数K值较小，接近于0。而内部故障时，比例系数较大，接近于1。 （A A）空投涌流）空投

10、涌流（B B）匝间短路）匝间短路0.000.010.020.030.040200040006000800010000hIlI差流间时0.000.010.020.030.040102030405060励磁电感0.000.010.020.030.04-5000-4000-3000-2000-10000100020003000hIlI差流间时0.000.010.020.030.04024励磁电感17识别励磁涌流判据为： mkmkKKKK励磁涌流匝间短路 电流门槛的选取： 120%lII 170%hII 比例系数K0.6mkK18改进型方案的仿真验证 EMTP的仿真结果 空投涌流KK实验类型励磁电感比

11、值系数A B C实验类型励磁电感比值系数A B C10度空投0.001020.001480.00066130度空投0.000870.000850.0007540度空投0.001610.001410.00046160度空投0.000470.000640.0017670度空投0.000750.000930.00085190度空投0.000840.000760.00082100度空投0.001540.000470.00065 19KK实验类型励磁电感比值系数A B C实验类型励磁电感比值系数A B C5匝间0.999470.999960.00046空投于5匝间0.00430.000713.05761

12、0匝间1.000250.999851.00007空投于10匝间79.1620.00078170.01150匝间1.000390.999530.99938空投于50匝间0.907210.00083.0576角侧A相匝间短路和空投的角侧A相匝间短路情况20小结 上述识别方法物理意义清晰，通过励磁电感的变化可以识别励磁涌流。在励磁涌流时能够可靠不动作，在故障时动作速度快，灵敏度高，识别轻微匝间故障的能力强，即使在空投于轻微匝间故障的变压器，保护也能很快地动作。改进型判据将定值归一化，整定方便，有利于推广到实际应用中。 212.2 基于波形相关度识别励磁涌流的方法思路：对差分后的差流通过面积最大原理将

13、波形分为尽量不相关的两部分，比较这两部分的相关度来区分变压器内部故障和励磁涌流。 方法一（林）222cov( , )* ( )( ) * ( )x yd yKd xd xcov( , )x y2( )d x2( )d y为波形x，y的协方差分别为波形x、y的方差 22方法二12211( ) ( )max( ),( )NiNNiix i y iKx iy i用上式所求得的相关度来表示某段时间内1N点的两个离散信号和之间的相关度 。计算数据窗长N的取值也可长可短。当 时，相关度 ；当 时，相关度 。1K)()(nynx)()(nynx1K 1K 23对比验证两种方法(EMTP)差分处理后的30度空

14、投涌流 波形相关性原理基于波形对称原理，所以波形应先进行差分处理,去掉非周期分量的影响。0.000.020.040.060.080.100.12-1500-1000-500050010001500200025003000A差分后的差流-6-5-4-3-2-101方法一-0.30-0.25-0.20-0.15-0.10-0.050.00方法二0.000.020.040.060.080.10-2000-10000100020003000AB024681012D-0.050.000.050.100.150.200.250.300.35F0.000.020.040.060.080.100.12-150

15、0-1000-50005001000150020002500AB0246810D-0.050.000.050.100.150.20F240.000.020.040.060.080.100.12-600-400-2000200400600A差分后的差流-2.0-1.6-1.2-0.8-0.40.00.40.81.21.6方法一0.00.20.40.60.81.0方法二0.000.020.040.060.080.100.12-202AB0.00.20.40.60.81.0D0.00.20.40.60.81.0F0.000.020.040.060.080.100.12-600-400-2000200

16、400600AB-0.8-0.40.00.40.81.21.62.0D0.00.20.40.60.81.0F差分处理后的A相5匝间短路 25基于自适应思想的波形相关性原理的改进 对于间断角较小的波形，经差分处理后，间断角变得更小且波形呈对称趋势，增加了识别的难度，我们引入模糊定值的概念；间断角较大的波形则不存在这个问题。minmax,KK模糊定值区域为模糊定值下限，当 时，直接判定为励磁涌流。minKminKK为模糊定值上限，当 时，直接判定为内部故障。maxKKmaxK26当 时，盲目的判断容易误动，为了防止误动，我们将延时t时刻进行计算，当K持续增大则为内部短路；当K变小则为励磁涌流。mi

17、nmax,KKK小结：1 综合考虑方法二的效果比方法一的好，2 恰当设置模糊定值区域，波形较好的可以快速识别涌流和短路，3 当间断角较小时，相关系数落在模糊定值区，通过延时判断，减小了误动的可能性，提高了可靠性。273 新型变压器主判据的研究思路： 当变压器区外发生故障时，变压器中流过穿越电流，变压器每一相的原边电流和经相角、幅值折算后的副边电流基本一致，相关度接近1。 变压器区内异常时，如空投涌流和匝间短路时，两侧电流差异较大，相关度远小于1， 因此，可以通过两侧电流相关度的大小清楚地区分变压器区内和区外故障。3.1 基于相关度的采样值差动保护新判据 28连续判断NN点相关度，计算相关度的数

18、据窗长为N 12211() ()max(),()NinNNiix ni y nixniyniNNn, 2 , 1 求取这NN点相关度的平均值： NNNNnnave1具体判据：如果 ，则为外部故障。 如果 ，则为内部故障。 setavesetave29相位变换方式 方法一 (角变星)对侧 对侧 )(31)(31)(31icibiaicicicibiaibibicibiaiaia3/)(3/)(3/)(iCiBiCiBiAiBiAiCiA方法二(星变角)对侧 对侧 iciaicibicibiaibiaiCiCiBiBiAiA 以变压器外部星型侧线路A相发生接地短路为例比较两种变换方法的精度 300

19、.000.020.040.060.080.100.12-15000-10000-50000500010000150002000025000Y Axis TitleX Axis Title ia1 ia20.000.020.040.060.080.100.120.860.880.900.920.940.960.981.00Y Axis TitleX Axis Title A相相关度 B相相关度 C相相关度方法一方法二(精度高)0.000.020.040.060.080.100.12-25000-20000-15000-10000-5000050001000015000Y Axis TitleX

20、Axis Title ia1 ia20.000.020.040.060.080.100.120.800.850.900.951.001.051.10Y Axis TitleX Axis Title A相相关度 B相相关度 C相相关度31仿真验证(相位变化方法二) EMTP仿真结果区外故障 A相相关度B相相关度C相相关度A相单相接地0.997580.999590.99654AB两相接地0.999630.999550.99387AB相间接地0.999560.999560.99960ABC三相接地0.999530.999550.99774A相5匝间短路0.911860.999590.89448A相1

21、0匝间短路0.831410.999590.79251A相50匝间短路0.223560.999590.27121内部A相匝间短路0.7set320.000.020.040.060.080.100.12-20000-15000-10000-500005000100001500020000Y Axis TitleX Axis Title ia1 ia20.000.020.040.060.080.100.120.700.750.800.850.900.951.00Y Axis TitleX Axis Title A相相关度 B相相关度 C相相关度A相匝间5短路时变压器A相原边电流和折算后的副边电流波形

22、ABC相电流的相关系数误判为区外故障，拒动33 A相相关度B相相关度C相相关度B相单相接地0.984240.995190.98874BC两相接地0.991900.953420.97017BC相间短路0.990080.996070.98450TEQSIM仿真结果区外故障内部A相匝间短路角侧A相8匝间短路0.863260.874370.98039角侧A相16匝间短路0.676420.648730.98390角侧A相32匝间短路0.463520.454610.98849角侧A相48匝间短路0.259940.147000.93532角侧A相64匝间短路0.000270.075380.86229340.

23、040.060.080.100.120.14-0.8-0.6-0.4-0.20.00.20.40.60.8Y Axis TitleX Axis Title ia1 ia20.040.060.080.100.120.140.820.840.860.880.900.920.940.960.981.001.02Y Axis TitleX Axis Title A相相关度 B相相关度 C相相关度A相匝间8匝短路时变压器A相原边电流和折算后的副边电流波形ABC相电流的相关系数误判为区外故障，拒动353.2 基于故障分量相关度的变压器采样值差动保护新判据 思路： 当变压器在重负荷下发生内部轻微匝间短路时，

24、基于相关度的变压器采样值差动的灵敏度是很低的，在这种情况下有可能误判为区外故障。 为了增加这种情况下变压器采样值差动的灵敏度，需要采用故障分量的采样值进行相关度计算，这样就可以去处负荷电流的影响，增加基于相关度的变压器故障分量采样值差动的灵敏度。 36仿真验证 EMTP仿真结果区外A相单相接地短路故障0.000.020.040.060.08-16000-14000-12000-10000-8000-6000-4000-20000200040006000Y Axis TitleX Axis Title dia1 dia20.000.020.040.060.080.20.40.60.81.0Y A

25、xis TitleX Axis Title A相相关度 B相相关度 C相相关度A相匝间5短路故障0.000.020.040.060.08-0.8-0.6-0.4-0.20.00.20.40.60.81.0Y Axis TitleX Axis Title A相相关度 B相相关度 C相相关度A相原边电流和折算后的副边故障分量电流波形 0.000.020.040.060.080.100.12-5000-4000-3000-2000-1000010002000Y Axis TitleX Axis Title dia1 dia2370.040.060.080.100.12-0.6-0.4-0.20.00

26、.20.40.60.81.01.21.4Y Axis TitleX Axis Title B H0.040.060.080.100.12-0.20.00.20.40.60.81.0Y Axis TitleX Axis Title B0.040.060.080.100.12-0.10-0.08-0.06-0.04-0.020.000.020.040.060.080.10Y Axis TitleX Axis Title dia1 dia20.040.060.080.100.12-0.6-0.4-0.20.00.20.40.60.8Y Axis TitleX Axis Title BTEQSIM仿真结果区外BC相间短路故障A相匝间8匝短路故障A相原边电流和折算后的副边故障分量电流波形 38 当启动元件启动后，进行全电流采样值的相关度计算，当相关度小于定值，则为区内故障或励磁涌流，而当相关度大于定值时，如果盲目的判定为区外故障，则有误判的可能，为了增强保护的可靠性，对相关度大于定值的情况再进行基于故障分量的相关度计算，如果求得的