基于波形相关程度鉴别变压器励磁涌流与故障电流

基于波形相关程度鉴别变压器励磁涌流与故障电流

0交流谐波制动原理和间断角在过载和外部故障切除后，电压恢复时，铁心非常饱和，在临时过程中会出现很大的励磁涌流。励磁涌流作为差动电流,如果没有相应的防范措施,纵差保护很容易误动。目前现场主要采用二次谐波制动原理防止励磁涌流引起纵差保护误动,但随着变压器制造技术的提高和制造材料的改进,现代变压器的饱和磁密低,饱和时二次谐波成分显著减小。在这样的条件下,当给低饱和磁密的变压器充电时,纵差保护可能会误动。但如果降低二次谐波比,由于大型变压器电压等级高且常在端部接较长的输电线,输电线的电容效应十分明显,加之静止无功补偿的大容量电容器的广泛使用,当大型变压器内部发生严重故障时,电感与电容之间的谐振可使短路电流中的谐波含量明显增加,有可能引起纵差保护延时动作。此外,由于二次谐波制动方法不易采用分相闭锁方式,导致在带轻微故障合闸时,纵差保护动作很慢。虽然另外一种间断角原理的励磁涌流鉴别方法不存在上述问题,但是电流互感器饱和时,由于传变到互感器二次侧的励磁涌流产生反向电流,波形变形,造成涌流的间断角消失,要准确地恢复原始间断角并非易事。二次谐波制动原理和间断角原理只是利用了励磁涌流与故障电流之间某一方面的差异特征,因而存在局限性。近些年来,提出了一类根据波形相关或相似程度鉴别励磁涌流与故障电流的方法,它综合利用波形中的形状、大小及变化率等多种特征,提高了鉴别励磁涌流的能力。文献根据最大面积法将数据窗内的信号严格等分成尽可能不相关的2部分,在励磁涌流波形前后半周期总是很不对称、而故障电流总是非常对称的基础上,计算2部分的波形系数,区分励磁涌流和故障电流。文献在此基础上,通过改进最大面积法的累加点数和波形相关系数的计算方法,进一步提高了此方法的性能。文献根据初始有限个采样点,采用最小二乘拟合算法拟合出一个标准正弦波,利用标准正弦波与实际采样波形的相似程度识别励磁涌流与故障电流。文献通过计算采样数据的前半周期与差分后的后半周期的波形相似度,区分励磁涌流与故障电流。但是,当变压器带轻微匝间故障合闸时,恰逢故障相发生涌流,一个周期内的前后半波相似度很差,以上方法都有可能使纵差保护经较长延时,待涌流衰减后才能动作。本文提出通过短数据窗内差流采样点的代数和识别出变压器的非饱和工作区域,进一步构造出相同长度的标准正弦波,分析非饱和区内的实际采样波形与构造的标准正弦波的相关程度,区分励磁涌流与故障电流。1基本原则1.1交流变压器带短路电流故障的特征在励磁涌流发生的过程中,变压器不断进入饱和、退出饱和、再进入饱和,对应励磁电流将由小变大、再变小,循环往复,变化剧烈。对应变压器非饱和区域的励磁涌流出现间断角,此间断角部分的电流波形与标准正弦波相差很大。当变压器运行中发生短路故障时,其稳态故障电流与正弦波十分相似,在暂态过程中,若去掉直流衰减分量也是与正弦波很相似。对于变压器带故障空载合闸时,若故障较严重,故障电流占主要成分,波形与运行中发生短路故障的波形相近,类似于正弦波;但对轻微匝间短路故障、故障相同时出现励磁涌流情况,由于短路电流小,励磁涌流大,从电流的一个整周期波形来看,表现出励磁涌流的特征,与正弦波相差较大。但此时若从电流的局部波形来看,尽管在变压器饱和区域时,励磁涌流较大可能掩盖故障电流的特征,但是当变压器退出饱和进入非饱和区域时,电流将表现出故障电流的特征,与正弦波相似。根据以上分析可知,变压器在非饱和区域内电流波形的特点能够正确反映变压器的运行状态,基于非饱和区域波形相关分析的励磁涌流鉴别方法充分利用这一共同区域的不同特点,利用包含非饱和区内电流的波形构造出标准正弦波,根据两者的相关程度来识别励磁涌流与故障电流。1.2涉及非饱和区的差流的确定用于构造标准正弦波的短数据窗应具有以下特点:励磁涌流时,对应包含非饱和区域的间断角部分;故障电流时,对应包含正弦波部分。若每周期采样点数为n,取2个周期长度为2n的变压器差电流i(k)作为观测数据窗(这里没有采用文献中将1个周期采样信号等周期延拓形成2个周期观测窗的做法,因为由于直流衰减分量的作用,这样会人为增加波形的不对称度),取短数据窗的长度为n/2—1(奇数),例如每周期为24点采样时,短数据窗长度为11,短数据窗的长度为奇数,主要是下面一种构造正弦波的方法是以数据窗中的峰值作为正弦波的峰值和中心位置。具体确定包含非饱和区域短数据窗的方法如下:1)判断差流的偏置方向。寻找观测数据窗内差流的最大值imax和最小值imirn,如果|imax|—imin|≥0,为正向偏置差流;如果|imax|—|imin|<0,为负向偏置差流。对于励磁涌流,以上做法实质上是判断励磁涌流方向。2)寻找包含非饱和区的差流原始采样数列。由观测数据窗的起点开始,依次向后移动一个采样点,计算短数据窗内各采样点的代数和S(k),k=1～n/2+1,比较n/2+1个短数据窗内采样点代数和的大小。如果为正向偏置差流,取对应代数和最小的短数据窗;如果为负向偏置差流,取对应代数和最大的短数据窗,该短数据窗组成原始采样数列X。图1所示为非饱和区域差流的确定与标准正弦波的构造图。对于单侧励磁涌流,按以上标准选取的短数据窗内的原始数据主要由非饱和区的励磁电流构成,它与正弦波形相差很大,如图1(a)中虚线方框所示。对于双侧(对称)励磁涌流,因为间断角的存在,按以上标准选取的短数据窗内的原始数据由非饱和区和饱和区的励磁电流构成,它同样与正弦波形相差很大,如图1(b)中虚线方框所示。对于故障电流,选取的是幅值较小的部分波形,它与正弦波很相似,如图1(c)中虚线方框所示。这样选取短数据窗的好处还在于,当带故障合闸时,虽然故障相励磁涌流较大,但按上述做法,可将波形中呈现故障电流特征的部分包含在短数据窗内,如图1(d)中虚线方框所示。对于变压器空载合闸,产生励磁涌流使电流互感器发生饱和时,尽管二次侧电流会在原本间断角处产生与励磁涌流方向相反的电流,但该电流很快衰减,所选取短数据窗内的原始数据由电流互感器进入饱和区和退出饱和区的电流构成,它同样与正弦波形相差很大,如图1(e)中虚线方框所示。1.3标准正弦波自适应变式这里根据所选短数据窗的原始波形构造2种标准正弦波:一种是以短数据窗内原始波形的峰值i。作为构造标准正弦波的峰值,再以该峰值点为中心,在其左右以2π/n为间隔构造n/4—1个点,该n/2—1个点组成构造标准正弦波数列Y1,Y1k=ipsin(π/2—2πk/n),k=1～(n—1)/2;另一种也是以短数据窗内原始波形的峰值ip作为构造标准正弦波的峰值,但该峰值位置与原始数据数列相同,设位置为m,再按照Y2k=ipsin(π/2—2π(k—m)/n),k=1～(n—1)/2,构造标准正弦波数列Y2。对于单侧励磁涌流如图1(a)所示,构造的2个标准正弦波数列Y1,Y2与原始采样波形相差较大,Y1,Y2本身也相差较大。对于双侧(对称)励磁涌流如图1(b)所示,Y1,Y2与原始采样波形也相差较大,Y1,Y2本身也相差较大。对于内部故障如图1(c)所示,Y1,Y2与原始采样波形很相似,Y1,Y2本身也相似。对于带故障合闸如图1(d)所示,Y1,Y2与原始非饱和区域采样波形比较相似,Y1,Y2本身也较相似,这样就能够不受励磁涌流的影响,尽可能地正确反映故障特征。对于空载合闸电流互感器发生饱和如图1(e)所示,Y1,Y2与原始采样波形相差较大。由于间断角原理仅利用波形整体是否有间断角,而没有充分利用波形的局部特点,导致其在空载合闸电流互感器发生饱和间断角消失时不能正确判别。1.4次谐波制动装置的改进在原始波形数列X的基础上构造出标准正弦波数列Y1,Y2后,分别按下列公式计算X与Y1的相关系数rXY1和X与Y2的相关系数rXY2。式中:X,Y1,Y2分别为数列X,Y1,Y2的平均值。相关系数反映了2个波形的相似程度。2个波形越相似,其相关系数越大;反之,相关系数越小。鉴别励磁涌流与故障电流的判据为:判据形式1:判据形式2:当rxy>rset时,判断为故障电流;当rxy<rset时,判断为励磁涌流。其中,rset为rxy的整定值,根据大量的仿真和试验结果分析,通常取0.8。与常规的二次谐波制动判据类似,将相关系数与纵差保护配合使用,就可以构成以波形相关系数制动的变压器纵差保护。通过构造2个标准正弦波采用式(3)计算的好处在于:对于内部故障,构造2个标准正弦波数列Y1与Y2很接近,因而不会降低波形的相关系数;而对于励磁涌流,Y1与Y2相差较大,计算的相关系数相差较大,按式(3)计算可使判据具有很高的可靠性,但可能闭锁纵差保护的时间稍长些。根据大量的试验结果对比分析,按式(4)计算可以在动作速度和可靠性上达到很好的平衡。以下的试验结果分析均按式(4)计算判据的相关系数。为进一步提高可靠性,充分利用间断角原理的思想,如果用于构造标准正弦波的原始短数据窗内的峰值,Ⅰ0为变压器额定空载励磁电流,则令rxy=0,直接闭锁纵差保护。2电流变压器饱和试验为验证以上鉴别方法的正确性和可靠性,在许继动模实验室Y0,d11三单相变压器组上做了多次空载合闸、带匝间故障空载合闸、运行中匝间短路故障等试验,在清华大学电机实验室Y0,d11三单相变压器组上做了空载合闸时电流互感器饱和试验。变压器两侧电流互感器二次都是星形接法,采用△→Y的电流相位补偿方式。录取试验中的波形,离线进行分析,分析中采样频率为1200Hz(每周期24点采样)。许继单相变压器参数为:额定容量10kVA,高压侧额定电压,低压侧额定电压为400V,高压侧额定电流17.3A,空载电流1.635%。清华单相变压器参数为:额定容量1kVA,高压侧额定电压220V,低压侧额定电压为110V,高压侧额定电流4.55A,空载电流9.38%。2.1相励磁涌流相变压器空载合闸发生励磁涌流时的三相差流和相关系数如图2所示。从三相差流可以看出,A相和B相为不对称励磁涌流,而C相为对称涌流。从相关系数的计算结果看,三相的相关系数都小于整定值0.8,所以可靠地闭锁纵差保护。2.2相关度的加强保护图3是不同鉴别方法在变压器带A相1.4%匝间故障空载合闸时三相差流及相关系数的计算结果对比。图3(a)是按照本文鉴别方法计算的结果,从A相差流可以看出,尽管A相发生励磁涌流,1个周期内的前后半个周期的波形相差很大,但A相计算的相关系数在经较短的延时后仍能够超过整定值0.8,可以开放纵差保护。图3(b)是按照文献中的判据计算的三相差流(采用Y→△的电流相位补偿方式)和波形系数,可以看出,由于A相发生涌流,1个周期内的前后半个周期的波形相差很大,一部分是涌流的特征,另一部分是故障特征。所以两者的相关度很差,以致很长时间内波形系数很小,低于整定值,将导致纵差保护在较长时间内不能动作。对比图3(a)与图3(b)可知,本文的方法使纵差保护动作得更快,关键是其充分利用了变压器在非饱和区域时电流波形的特点,在带故障合闸时,它反映了故障电流与正弦波相似的特征。2.3差流和相关系数变压器在运行中发生A相2.2%匝间短路故障时的三相差流和相关系数如图4所示,从三相差流的波形可以看出,它们都与正弦波相似,之间的相关程度高,计算的相关系数都很快超过整定值0.8,所以可以快速开放纵差保护。2.4a相由电流东北部输出图5是在变压器空载合闸下电流互感器发生饱和时本文方法的鉴别结果。不饱和时的差流是通过采样电阻(不会饱和)测量的电流,饱和时的差流是由电流互感器(可能饱和)测量的电流。可以看出,A相由电流互感器与采样电阻测量的电流一样,该相电流互感器没有饱和;而B相和C相电流由电流互感器与采样电阻测量的电流相差较大,电流互感器测量的电流由较大值迅速降为0,并且在与涌流相反的方向上有反方向充电电流产生,励磁涌流的间断角消失,B相和C相电流互感器饱和。按本文方法确定的变压器非饱和区内的差流波形与正弦波相差很大,计算的三相波形相关系数都小于整定值0.8,所以能够可靠闭锁纵差保护,不会引起误动,因而具有较强的抗电流互感器饱和的能力。3变压器非饱和区域差流波形与标准正弦波的关系变压器非饱和区内差流波形的特点能够正确反映