【文章內(nèi)容簡介】 變 ，磁通中出 現(xiàn)了非 周期性的 瞬時(shí) 分量，與 鐵 芯剩磁 一起使 變 壓 器 鐵 芯 飽 和 ，由于 電壓 是交 變 的，因而在一 個(gè) 周波 內(nèi)變壓 器 鐵 芯周期性地 進(jìn)入飽 和 區(qū) 和退出 飽 和 區(qū) ； 當(dāng)進(jìn)入飽 和 區(qū)時(shí) ， 勵(lì) 磁 電 流的瞬 時(shí) 值很大， 這就 是 勵(lì) 磁涌流；而退出 飽 和 區(qū)時(shí) ，只有正常的 勵(lì) 磁 電 流，其瞬 時(shí) 值很小，所以 勵(lì) 磁涌流有 間斷 角。 4 間斷 角原理就是利用 勵(lì) 磁涌流波形 間 存在 較 大的 間斷 角，而短路 電 流波形 間無間斷 角的 兩 種波形 間 的差 別 ， 區(qū)別 出是涌流 還 是短路。 該 原理面 臨著 因 電 流互感器 傳變 引起的 間斷角變形問題 。 當(dāng)電 流互 感器 飽 和 時(shí) ，在 涌流的 間斷 角 區(qū)域 將產(chǎn) 生 反向 電 流， 電 流 互感器 飽 和越 嚴(yán)重 則 反向 電 流越大，最 終 使 得涌流 間斷 角消失 ； 對(duì) 于 內(nèi) 部故 障 電 流而言 ，電 流互感器 飽 和 將導(dǎo) 致差流的 間斷 角增 大，而且 電 流互感器 飽 和越 嚴(yán) 重，其差流 間斷 角 越大。 前者 將使得 變壓 器 發(fā) 生 涌流 時(shí) 差 動(dòng) 保護(hù)誤 動(dòng) ，后 者將使得變壓 器 內(nèi) 部故障 時(shí) 差 動(dòng)保護(hù) 拒 動(dòng) 。 此外，用微機(jī) 實(shí)現(xiàn)間斷 角原理 時(shí) 硬件成本高，主要表 現(xiàn) 在以下兩個(gè)方面： a. 需要 較 高的采 樣 率以準(zhǔn)確 測 量 間斷 角， 結(jié) 果 對(duì) CPU 的 計(jì) 算速度提出了更高的要求。 b. 涌流 間斷 角 處 的 電 流非常小，幾乎接近于 0，而 A/D轉(zhuǎn)換 芯片正好在零點(diǎn) 附近的 轉(zhuǎn)換誤 差最大。因此，要正確 判 斷電 流是否已 經(jīng)進(jìn) 入“ 間斷 ”范 圍 ，需要高分辨率的 14位 ADC，甚至 16位 ADC，而一般微機(jī)保護(hù) 只需 10～ 12位 ADC[3]。 波形 對(duì)稱 原理 [4] 在 內(nèi) 部故障 時(shí) ， 各側(cè)電 流 經(jīng) 電流互感器 CT變換 后，差 電 流的波形是 基本 對(duì)稱 的，而 勵(lì) 磁涌流 經(jīng) CT變換 后，有大量的 諧 波分量存在，波形是 間斷不對(duì)稱 的。因此 鑒別經(jīng) CT變換 后的波形 對(duì)稱 性，就可 區(qū) 分 勵(lì) 磁涌流和內(nèi) 部故障。波形 對(duì)稱 原理就是比 較 一周波 數(shù) 據(jù) 窗內(nèi) 前后半波 對(duì)稱 的程度 ，并用 對(duì)稱 系 數(shù) K來 表征 該對(duì)稱 程度。 從 不同的角 度來 定 義對(duì)稱 系 數(shù) K，就構(gòu)造了幾種波形 對(duì)稱 判據(jù)，如 積 分型波形 對(duì)稱 法， 電 流 導(dǎo)數(shù) 波形 對(duì)稱 法，波形相 關(guān) 法原理等。 波形 對(duì)稱 原理比 間斷 角 原理容易 實(shí)現(xiàn) 。但是，涌流波形與 許 多因素 有關(guān) ，具有不確定性、多 樣 性，如果 K值取得太大，保 護(hù)可 能 誤動(dòng) ；而故 障電 流也并非 總 是正弦波， 實(shí)際系統(tǒng) 中必 須 考 慮 故障情 況 的多 樣 性和故障波形的復(fù) 雜 性。 當(dāng) 系 統(tǒng)有 分布 電 容 較 大的 電纜線 路存在 時(shí) ， 故障波形 中就含有大量的 諧 波，此 時(shí)如 果 K值 選 得太小，保 護(hù) 就有可能拒 動(dòng) ；而且 電流互感器 飽 和必 將 引起差流 變形 [3]。 因此， 要將該 原 理的 應(yīng) 用 于實(shí)際， 必須先解決如何確定比 較閾 值 K及 對(duì)稱范圍（對(duì)稱角度）的問題，然而這 兩個(gè)問題 很 難 通 過嚴(yán)格的理論分 析或推 導(dǎo) 予以解 決 ， 應(yīng) 用中只能根據(jù) 實(shí)際情 況 ，通 過試驗(yàn) 的方式 設(shè) 定 或修正， 結(jié) 果 潛 伏了 誤判的隱 患 [3]。 第一章 緒 論 5 利用 變壓 器 電壓 量 鑒別 涌流 [2] 利用 電壓 量 鑒別 涌流，其基本思想是： 當(dāng)變壓 器因 勵(lì) 磁涌流出 現(xiàn)嚴(yán) 重飽 和 時(shí) ，端 電壓會(huì)發(fā) 生 嚴(yán) 重畸 變 ，其中包 含較 大的 諧 波分量，可以用 來鑒別勵(lì) 磁涌流。 與二次 電 流 諧 波制 動(dòng) 相比， 諧 波 電壓 制 動(dòng)對(duì) LC振 蕩 不敏感，二次 諧 波制 動(dòng) 的某些不足得以改善。同 時(shí) ，因 為電壓 制 動(dòng) 原理的 應(yīng) 用和系 統(tǒng) 阻抗的大小密切相 關(guān)， 因此 運(yùn) 用 該 原理的保 護(hù) 必然要求 對(duì) 系 統(tǒng) 阻抗有比 較 精確的了解，存在整定復(fù) 雜 性。很 多時(shí) 候假 設(shè) 系 統(tǒng) 阻抗 為 零（系 統(tǒng)為無 限大），此 時(shí) 保 護(hù) 容易拒 動(dòng) 。因此在系 統(tǒng) 阻 抗 較 小 時(shí) ， 該 原理的保 護(hù) 的 動(dòng)作特性有可能 變 壞。 利用磁通特性 識(shí)別 涌流 利用磁通量以 鑒別 涌流是一 個(gè) 比 較活躍 的研究方向，目前大體有以下三種主要的磁通特性方案，其中，基于 Ψ 2id 曲線 的斜率不同的 方案 [2]兼有其它 兩 種磁通特性方案的優(yōu) 點(diǎn) ，且可以克服它 們 的 兩個(gè) 不足。 變壓 器在正 常狀況、內(nèi) 部 輕 微故障和 內(nèi) 部 嚴(yán) 重故障 時(shí) 的 Ψ 2id 曲線 同樣 是各不相同， 內(nèi) 部故障 時(shí) 的 Ψ 2id 曲線上當(dāng) 前 時(shí) 刻的切 線 斜率 總 是與半周波 前對(duì)應(yīng) 的切 線 斜率相等 ，而出 現(xiàn)勵(lì) 磁涌流 時(shí) ， 則 不 滿 足 這個(gè)條 件。 令 )()( )( 39。 tΨtdi tdΨd ?，在離散化后定 義 一 個(gè)檢測 函 數(shù) D， 為： )1()( 39。39。 ??? kΨkΨD （ 14） )]1()(/[)]1()([)(39。 ????? kikikΨkΨkΨ dd （ 15） 式中， k為離散時(shí)間標(biāo)志。因此，內(nèi)部故障時(shí)， D=0；勵(lì) 磁涌流時(shí)， D≠ 0；只要建立一個(gè)合適的門坎值 Dth，并建立 一個(gè)制動(dòng)計(jì)數(shù) 器 Kd，就是實(shí)現(xiàn) 對(duì)勵(lì)磁涌流的判別。對(duì) 于 Kd，當(dāng) D的絕對(duì)值小 于等于 Dth時(shí) ，令 Kd 自增 1；當(dāng)D的 絕對(duì) 值大 于 Dth時(shí)， 令 Kd 自減 1，為 了防 止 Kd 為 負(fù)值 ，當(dāng) D的 絕對(duì) 值大于 Dth而 Kd 的當(dāng) 前值 為 零時(shí) ，保持 Kd 的值 不變。 這樣 就可以 確定一 個(gè)門坎值 ， 從而 能 構(gòu)成 判據(jù) ： KK ? ，則為 故障 ； KK ? ，則為勵(lì)磁涌流。 基于 變壓 器 勵(lì) 磁阻抗 變 化的 識(shí)別 方法 與磁通特性法 闡 述的 理論 基 礎(chǔ) 一致， 從 變壓 器 勵(lì) 磁涌流的 產(chǎn) 生是由 于變壓 器 勵(lì) 磁阻抗的 變 化出 發(fā) ，提出了一種利用 測 量阻抗 變 化 區(qū) 分 勵(lì) 磁涌流與短路 電 流的方法 [5]。與磁通特性 識(shí)別法 和等值 電 路 參數(shù)鑒別法 都需 要變壓器參數(shù)或系統(tǒng)參數(shù)不同 ， 該 方法利用在 勵(lì) 磁涌流 時(shí) ， 變壓 器的 勵(lì) 磁阻抗急 劇變 化，而在正常 運(yùn) 行或故障 時(shí)勵(lì) 磁阻抗基本不 變這 一特征 來區(qū) 6 分 變壓 器 勵(lì) 磁涌流和短路故障，因而不需要 變壓 器 參數(shù) 和系 統(tǒng)參數(shù) 。 在正常 運(yùn) 行 時(shí)發(fā) 生匝 間 短路， 變壓 器 鐵 芯中的磁通是 減 小的，而且 工作在 線 性 區(qū) ，保持 勵(lì) 磁阻抗基本不 變 ， 當(dāng)變壓 器 發(fā) 生匝 間 短路 時(shí) ，可以把短路部分看作第三 繞組 S ， 這就 相 當(dāng) 于一臺(tái)三 繞組變壓 器在第三 繞組發(fā) 生短路，等效 電 路如下， 當(dāng)變壓 器 發(fā) 生匝 間 短路的 時(shí) 候空投 ，即使 Zm的 變 化 很大，但是因 為 Zs 很小，和 Zm并 聯(lián) 之 后的測 量阻抗 Z 也就基本不 變 了，而且，短路匝 數(shù) 越多， Zs 越小 ，測 量阻抗 Z 的 變 化就越小 。而 對(duì)應(yīng) 于 勵(lì) 磁涌流的 間斷 角，勵(lì) 磁 電 流上升 時(shí)勵(lì) 磁阻抗 Zm呈反比下 降， 勵(lì) 磁 電 流很小 時(shí) Zm 很大，所 以在空 載合閘時(shí) ， Zm 的最大值與最小值可能相差幾百倍甚至上千倍 [5]。 所以 ，測 量阻抗 Z (或 勵(lì) 磁 電 感 L ) 在 正常 運(yùn) 行和故障 時(shí) 是基本不 變的 ， 而 當(dāng)勵(lì) 磁涌流 時(shí)則是 急 劇變 化的。因此，可以利用 測 量阻抗的 變化來 判 別 涌流與故障。 另外一種通 過檢測瞬時(shí)勵(lì) 磁 電 感基 頻 分量的 有無來區(qū) 分 勵(lì) 磁涌流和內(nèi) 部故障的方法， 本文將于第三章詳細(xì)介紹， 其 理論 依據(jù) 是： 涌流時(shí)變壓器鐵心必然經(jīng)歷飽和與非飽和過程 ， 瞬時(shí)勵(lì) 磁電感是時(shí)變 、 交替變化的 ， 具有較大的基頻分量 ； 內(nèi)部故障時(shí) , 變壓器鐵心工作于線性區(qū) ， 瞬時(shí)勵(lì)磁電感恒為常數(shù) ， 無基頻分量 [6]。 這兩 種方法具有異曲同工之妙，很 有應(yīng) 用前景，而且容易整定。但 是，目前它 們僅 適 合于三 單 相 變壓 器 組 ，尚 未推 廣 到三 柱式 或五柱 式 變壓 器[3]。 導(dǎo)納 等值 電 路 參數(shù) 識(shí) 別法 對(duì) 于 變壓 器的 內(nèi) 部故障和 勵(lì) 磁涌流， 變壓 器的 導(dǎo)納 等值 電 路的 參數(shù) 都表 現(xiàn) 出很大的不同， 導(dǎo)納 等值 電 路 參數(shù) 識(shí) 別法 就是 通 過實(shí)時(shí)檢測 變壓 器導(dǎo)納 型等值 電 路的 各個(gè) 參數(shù) 的變化情況 ，而做出相 應(yīng) 的判 斷 。 無論 是 勵(lì)磁涌流 還是內(nèi) 部故障，三 繞 組變壓 器都有 統(tǒng) 一導(dǎo)納等值 電 路。 對(duì) 于 該電 路，有如下特 點(diǎn) ： a. 三相的互 導(dǎo)納 Y13， Y23和 Y12與 變壓 器 運(yùn) 行 狀況無關(guān) ，是一 個(gè)常數(shù) 。 b. 三相自 導(dǎo)納 Y10 ， Y20和 Y30與 變壓 器的 運(yùn) 行 狀況 相 關(guān)，對(duì) 于 內(nèi) 部故第一章 緒 論 7 障和 勵(lì) 磁涌流，它 們 表 現(xiàn) 出極大的不同。 該 方法的特 點(diǎn) 是快速， 對(duì)內(nèi) 部故障和 勵(lì) 磁涌流都能 識(shí)別 ，即 使是內(nèi) 部故障疊加涌流，一般在半 個(gè) 周波只能就能正確判 斷 。但是， 該 方法需要獲 取 變壓 器漏 電 感 參數(shù) ，以求取 Y13， Y23和 Y12 ， 進(jìn) 而根據(jù) 實(shí)時(shí) 采 樣 得到的各相 繞組電壓 、 電 流值 計(jì) 算 瞬時(shí)導(dǎo)納 Y10和 Y30 ；而且整定 較難 [3]。 基于 變壓 器回路方程的算法 該 方法基于 變壓 器原、副 邊 的互感磁 鏈 平衡方程與原、副 邊電壓關(guān)于電 流和互感磁 鏈 的方程，消去互感磁 鏈 ，得到只包含原、副 邊電壓 和電 流的 線 性模型。 該 模型不直接反映 變壓 器 鐵 心磁通的非 線 性，只表 達(dá)變壓 器原、副 繞組 漏感 (L 1， L2) 、 電阻 (r1， r2) 、 電壓 ( u 1， u2) 及 電流 ( i1， i2) 間的關(guān) 系，以 單 相 變壓 器 為 例，有如下表 達(dá)式 (設(shè)變 比 為 1) ： dtdilirdtdiliru 2222111121 u ???＋＝ （ 16） 以這個(gè)線性模型為基礎(chǔ)，可以從 兩個(gè)方面發(fā)展涌流識(shí)別判據(jù)： a. 以單相變壓器為例， 當(dāng)變壓 器 無 故障 時(shí) （包括發(fā)生勵(lì)磁涌流的情況） ，式 (16) 恒等；而 發(fā)生 內(nèi) 部故障 時(shí) ，式 (16)不再成立。 因此可以 定義 誤差函數(shù) ? ： dtdilirdtdiliru 2222111121 u ??????? （ 17） 并預(yù)先整定閥值 α， 當(dāng) | ? | α 時(shí) ， 判斷 變壓 器 為內(nèi) 部故障 ，反之，為勵(lì)磁涌流 [3]。 b. 變壓器在正常運(yùn)行、外部故障和發(fā)生勵(lì)磁涌流時(shí) ， 變壓器繞組的匝數(shù)和漏磁通所 經(jīng)過磁路均未發(fā)生變化 ， 變壓器繞組的漏感亦不會(huì)發(fā)生變化 ； 然而變壓器繞組發(fā)生單相接地故障、各相繞組之間發(fā)生相間短路或單相繞組部分線匝之間發(fā)生匝間短路時(shí) ， 繞組電流通過的繞組匝數(shù)會(huì)發(fā)生變化 ， 漏電感 定會(huì)發(fā)生變化 [7]。 基于這個(gè)特性，即可以變壓器繞組的漏感和電阻值是否變化作為涌流識(shí)別方案的判據(jù)。 基于上述兩個(gè)方向的研究而構(gòu)成的涌流識(shí)別方案，從理論上完全與勵(lì)磁電流（勵(lì)磁涌流或過勵(lì)磁電流）無關(guān)，構(gòu)思新穎，原理簡明。但是在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)以下困難 [8]： (1) 難以從理論計(jì)算和試驗(yàn)測量中獲得變壓器繞組的漏感 (2) 由于勵(lì)磁涌流和過勵(lì)磁電流波形 復(fù)雜畸變，通常 600～ 1200Hz的采樣頻率不可能真實(shí)的再現(xiàn)實(shí)際波形，容易導(dǎo)致誤動(dòng) (3) 對(duì)于三繞組或更多繞組的變壓器，基于本原理的保護(hù)方案，計(jì)算量 8 及其復(fù)雜程度特別大。 差有功法 [3] 差有功法的基本原理是：正常 運(yùn) 行 時(shí)變 壓 器消耗有功非常?。?銅損 耗和 鐵損 耗之和小于 變壓 器容量的 1%）， 勵(lì) 磁涌流 時(shí) 由于 繞組 存 儲(chǔ) 磁能，第 1個(gè) 周期流入 變壓 器的有功 較 大，但是第 2個(gè) 周期之后 變壓 器消耗的有功 卻 非常小 （盡 管涌流 時(shí)鐵損 耗和 銅損 耗都有所增加）；然而 當(dāng)變壓 器絕緣損 壞 時(shí) ， 電 弧放 電發(fā)熱將 消耗大量的有功。所以，通 過檢測變壓 器消耗有功的大小，即差有功，可判 別變壓 器是否 發(fā)生內(nèi) 部故障。 差有功法不再 糾纏 于 勵(lì) 磁涌流波形特征 ， 從 物理機(jī)理出 發(fā)綜 合考 慮電壓 、 電 流信息，提高了保 護(hù) 的 靈 敏度和速度是一種全新的主保 護(hù) 方案。 然而， 該 方法仍 無 法回避 勵(lì) 磁涌流 帶來 的不利影 響 ，首先需要避 開 涌流 時(shí)變壓 器第一周期的充 電過 程 (如上述第一 個(gè) 周期流入 變壓 器的有功較 大 )， 結(jié) 果 導(dǎo) 致判 別 延 時(shí) ；其次，由于涌流 時(shí)銅 損 耗很 難 精確 計(jì) 算， 鐵損 耗增加，整定不容易。而且， 變壓 器外部故障 時(shí) 由于 變壓 器流 過較 大的穿越 電 流，使 變壓 器消耗 較 大的有功，其 對(duì) 差有功法的影 響也 不容忽視 。 利用小 波變換 的方法 識(shí)別 涌流 傳統(tǒng) 的信 號(hào) 分