基于波形相關程度鑒別變壓器勵磁涌流與故障電流

基于波形相關程度鑒別變壓器勵磁涌流與故障電流

0交流諧波制動原理和間斷角在過載和外部故障切除后，電壓恢復時，鐵心非常飽和，在臨時過程中會出現(xiàn)很大的勵磁涌流。勵磁涌流作為差動電流,如果沒有相應的防范措施,縱差保護很容易誤動。目前現(xiàn)場主要采用二次諧波制動原理防止勵磁涌流引起縱差保護誤動,但隨著變壓器制造技術的提高和制造材料的改進,現(xiàn)代變壓器的飽和磁密低,飽和時二次諧波成分顯著減小。在這樣的條件下,當給低飽和磁密的變壓器充電時,縱差保護可能會誤動。但如果降低二次諧波比,由于大型變壓器電壓等級高且常在端部接較長的輸電線,輸電線的電容效應十分明顯,加之靜止無功補償?shù)拇笕萘侩娙萜鞯膹V泛使用,當大型變壓器內(nèi)部發(fā)生嚴重故障時,電感與電容之間的諧振可使短路電流中的諧波含量明顯增加,有可能引起縱差保護延時動作。此外,由于二次諧波制動方法不易采用分相閉鎖方式,導致在帶輕微故障合閘時,縱差保護動作很慢。雖然另外一種間斷角原理的勵磁涌流鑒別方法不存在上述問題,但是電流互感器飽和時,由于傳變到互感器二次側的勵磁涌流產(chǎn)生反向電流,波形變形,造成涌流的間斷角消失,要準確地恢復原始間斷角并非易事。二次諧波制動原理和間斷角原理只是利用了勵磁涌流與故障電流之間某一方面的差異特征,因而存在局限性。近些年來,提出了一類根據(jù)波形相關或相似程度鑒別勵磁涌流與故障電流的方法,它綜合利用波形中的形狀、大小及變化率等多種特征,提高了鑒別勵磁涌流的能力。文獻根據(jù)最大面積法將數(shù)據(jù)窗內(nèi)的信號嚴格等分成盡可能不相關的2部分,在勵磁涌流波形前后半周期總是很不對稱、而故障電流總是非常對稱的基礎上,計算2部分的波形系數(shù),區(qū)分勵磁涌流和故障電流。文獻在此基礎上,通過改進最大面積法的累加點數(shù)和波形相關系數(shù)的計算方法,進一步提高了此方法的性能。文獻根據(jù)初始有限個采樣點,采用最小二乘擬合算法擬合出一個標準正弦波,利用標準正弦波與實際采樣波形的相似程度識別勵磁涌流與故障電流。文獻通過計算采樣數(shù)據(jù)的前半周期與差分后的后半周期的波形相似度,區(qū)分勵磁涌流與故障電流。但是,當變壓器帶輕微匝間故障合閘時,恰逢故障相發(fā)生涌流,一個周期內(nèi)的前后半波相似度很差,以上方法都有可能使縱差保護經(jīng)較長延時,待涌流衰減后才能動作。本文提出通過短數(shù)據(jù)窗內(nèi)差流采樣點的代數(shù)和識別出變壓器的非飽和工作區(qū)域,進一步構造出相同長度的標準正弦波,分析非飽和區(qū)內(nèi)的實際采樣波形與構造的標準正弦波的相關程度,區(qū)分勵磁涌流與故障電流。1基本原則1.1交流變壓器帶短路電流故障的特征在勵磁涌流發(fā)生的過程中,變壓器不斷進入飽和、退出飽和、再進入飽和,對應勵磁電流將由小變大、再變小,循環(huán)往復,變化劇烈。對應變壓器非飽和區(qū)域的勵磁涌流出現(xiàn)間斷角,此間斷角部分的電流波形與標準正弦波相差很大。當變壓器運行中發(fā)生短路故障時,其穩(wěn)態(tài)故障電流與正弦波十分相似,在暫態(tài)過程中,若去掉直流衰減分量也是與正弦波很相似。對于變壓器帶故障空載合閘時,若故障較嚴重,故障電流占主要成分,波形與運行中發(fā)生短路故障的波形相近,類似于正弦波;但對輕微匝間短路故障、故障相同時出現(xiàn)勵磁涌流情況,由于短路電流小,勵磁涌流大,從電流的一個整周期波形來看,表現(xiàn)出勵磁涌流的特征,與正弦波相差較大。但此時若從電流的局部波形來看,盡管在變壓器飽和區(qū)域時,勵磁涌流較大可能掩蓋故障電流的特征,但是當變壓器退出飽和進入非飽和區(qū)域時,電流將表現(xiàn)出故障電流的特征,與正弦波相似。根據(jù)以上分析可知,變壓器在非飽和區(qū)域內(nèi)電流波形的特點能夠正確反映變壓器的運行狀態(tài),基于非飽和區(qū)域波形相關分析的勵磁涌流鑒別方法充分利用這一共同區(qū)域的不同特點,利用包含非飽和區(qū)內(nèi)電流的波形構造出標準正弦波,根據(jù)兩者的相關程度來識別勵磁涌流與故障電流。1.2涉及非飽和區(qū)的差流的確定用于構造標準正弦波的短數(shù)據(jù)窗應具有以下特點:勵磁涌流時,對應包含非飽和區(qū)域的間斷角部分;故障電流時,對應包含正弦波部分。若每周期采樣點數(shù)為n,取2個周期長度為2n的變壓器差電流i(k)作為觀測數(shù)據(jù)窗(這里沒有采用文獻中將1個周期采樣信號等周期延拓形成2個周期觀測窗的做法,因為由于直流衰減分量的作用,這樣會人為增加波形的不對稱度),取短數(shù)據(jù)窗的長度為n/2—1(奇數(shù)),例如每周期為24點采樣時,短數(shù)據(jù)窗長度為11,短數(shù)據(jù)窗的長度為奇數(shù),主要是下面一種構造正弦波的方法是以數(shù)據(jù)窗中的峰值作為正弦波的峰值和中心位置。具體確定包含非飽和區(qū)域短數(shù)據(jù)窗的方法如下:1)判斷差流的偏置方向。尋找觀測數(shù)據(jù)窗內(nèi)差流的最大值imax和最小值imirn,如果|imax|—imin|≥0,為正向偏置差流;如果|imax|—|imin|<0,為負向偏置差流。對于勵磁涌流,以上做法實質上是判斷勵磁涌流方向。2)尋找包含非飽和區(qū)的差流原始采樣數(shù)列。由觀測數(shù)據(jù)窗的起點開始,依次向后移動一個采樣點,計算短數(shù)據(jù)窗內(nèi)各采樣點的代數(shù)和S(k),k=1～n/2+1,比較n/2+1個短數(shù)據(jù)窗內(nèi)采樣點代數(shù)和的大小。如果為正向偏置差流,取對應代數(shù)和最小的短數(shù)據(jù)窗;如果為負向偏置差流,取對應代數(shù)和最大的短數(shù)據(jù)窗,該短數(shù)據(jù)窗組成原始采樣數(shù)列X。圖1所示為非飽和區(qū)域差流的確定與標準正弦波的構造圖。對于單側勵磁涌流,按以上標準選取的短數(shù)據(jù)窗內(nèi)的原始數(shù)據(jù)主要由非飽和區(qū)的勵磁電流構成,它與正弦波形相差很大,如圖1(a)中虛線方框所示。對于雙側(對稱)勵磁涌流,因為間斷角的存在,按以上標準選取的短數(shù)據(jù)窗內(nèi)的原始數(shù)據(jù)由非飽和區(qū)和飽和區(qū)的勵磁電流構成,它同樣與正弦波形相差很大,如圖1(b)中虛線方框所示。對于故障電流,選取的是幅值較小的部分波形,它與正弦波很相似,如圖1(c)中虛線方框所示。這樣選取短數(shù)據(jù)窗的好處還在于,當帶故障合閘時,雖然故障相勵磁涌流較大,但按上述做法,可將波形中呈現(xiàn)故障電流特征的部分包含在短數(shù)據(jù)窗內(nèi),如圖1(d)中虛線方框所示。對于變壓器空載合閘,產(chǎn)生勵磁涌流使電流互感器發(fā)生飽和時,盡管二次側電流會在原本間斷角處產(chǎn)生與勵磁涌流方向相反的電流,但該電流很快衰減,所選取短數(shù)據(jù)窗內(nèi)的原始數(shù)據(jù)由電流互感器進入飽和區(qū)和退出飽和區(qū)的電流構成,它同樣與正弦波形相差很大,如圖1(e)中虛線方框所示。1.3標準正弦波自適應變式這里根據(jù)所選短數(shù)據(jù)窗的原始波形構造2種標準正弦波:一種是以短數(shù)據(jù)窗內(nèi)原始波形的峰值i。作為構造標準正弦波的峰值,再以該峰值點為中心,在其左右以2π/n為間隔構造n/4—1個點,該n/2—1個點組成構造標準正弦波數(shù)列Y1,Y1k=ipsin(π/2—2πk/n),k=1～(n—1)/2;另一種也是以短數(shù)據(jù)窗內(nèi)原始波形的峰值ip作為構造標準正弦波的峰值,但該峰值位置與原始數(shù)據(jù)數(shù)列相同,設位置為m,再按照Y2k=ipsin(π/2—2π(k—m)/n),k=1～(n—1)/2,構造標準正弦波數(shù)列Y2。對于單側勵磁涌流如圖1(a)所示,構造的2個標準正弦波數(shù)列Y1,Y2與原始采樣波形相差較大,Y1,Y2本身也相差較大。對于雙側(對稱)勵磁涌流如圖1(b)所示,Y1,Y2與原始采樣波形也相差較大,Y1,Y2本身也相差較大。對于內(nèi)部故障如圖1(c)所示,Y1,Y2與原始采樣波形很相似,Y1,Y2本身也相似。對于帶故障合閘如圖1(d)所示,Y1,Y2與原始非飽和區(qū)域采樣波形比較相似,Y1,Y2本身也較相似,這樣就能夠不受勵磁涌流的影響,盡可能地正確反映故障特征。對于空載合閘電流互感器發(fā)生飽和如圖1(e)所示,Y1,Y2與原始采樣波形相差較大。由于間斷角原理僅利用波形整體是否有間斷角,而沒有充分利用波形的局部特點,導致其在空載合閘電流互感器發(fā)生飽和間斷角消失時不能正確判別。1.4次諧波制動裝置的改進在原始波形數(shù)列X的基礎上構造出標準正弦波數(shù)列Y1,Y2后,分別按下列公式計算X與Y1的相關系數(shù)rXY1和X與Y2的相關系數(shù)rXY2。式中:X,Y1,Y2分別為數(shù)列X,Y1,Y2的平均值。相關系數(shù)反映了2個波形的相似程度。2個波形越相似,其相關系數(shù)越大;反之,相關系數(shù)越小。鑒別勵磁涌流與故障電流的判據(jù)為:判據(jù)形式1:判據(jù)形式2:當rxy>rset時,判斷為故障電流;當rxy<rset時,判斷為勵磁涌流。其中,rset為rxy的整定值,根據(jù)大量的仿真和試驗結果分析,通常取0.8。與常規(guī)的二次諧波制動判據(jù)類似,將相關系數(shù)與縱差保護配合使用,就可以構成以波形相關系數(shù)制動的變壓器縱差保護。通過構造2個標準正弦波采用式(3)計算的好處在于:對于內(nèi)部故障,構造2個標準正弦波數(shù)列Y1與Y2很接近,因而不會降低波形的相關系數(shù);而對于勵磁涌流,Y1與Y2相差較大,計算的相關系數(shù)相差較大,按式(3)計算可使判據(jù)具有很高的可靠性,但可能閉鎖縱差保護的時間稍長些。根據(jù)大量的試驗結果對比分析,按式(4)計算可以在動作速度和可靠性上達到很好的平衡。以下的試驗結果分析均按式(4)計算判據(jù)的相關系數(shù)。為進一步提高可靠性,充分利用間斷角原理的思想,如果用于構造標準正弦波的原始短數(shù)據(jù)窗內(nèi)的峰值,Ⅰ0為變壓器額定空載勵磁電流,則令rxy=0,直接閉鎖縱差保護。2電流變壓器飽和試驗為驗證以上鑒別方法的正確性和可靠性,在許繼動模實驗室Y0,d11三單相變壓器組上做了多次空載合閘、帶匝間故障空載合閘、運行中匝間短路故障等試驗,在清華大學電機實驗室Y0,d11三單相變壓器組上做了空載合閘時電流互感器飽和試驗。變壓器兩側電流互感器二次都是星形接法,采用△→Y的電流相位補償方式。錄取試驗中的波形,離線進行分析,分析中采樣頻率為1200Hz(每周期24點采樣)。許繼單相變壓器參數(shù)為:額定容量10kVA,高壓側額定電壓,低壓側額定電壓為400V,高壓側額定電流17.3A,空載電流1.635%。清華單相變壓器參數(shù)為:額定容量1kVA,高壓側額定電壓220V,低壓側額定電壓為110V,高壓側額定電流4.55A,空載電流9.38%。2.1相勵磁涌流相變壓器空載合閘發(fā)生勵磁涌流時的三相差流和相關系數(shù)如圖2所示。從三相差流可以看出,A相和B相為不對稱勵磁涌流,而C相為對稱涌流。從相關系數(shù)的計算結果看,三相的相關系數(shù)都小于整定值0.8,所以可靠地閉鎖縱差保護。2.2相關度的加強保護圖3是不同鑒別方法在變壓器帶A相1.4%匝間故障空載合閘時三相差流及相關系數(shù)的計算結果對比。圖3(a)是按照本文鑒別方法計算的結果,從A相差流可以看出,盡管A相發(fā)生勵磁涌流,1個周期內(nèi)的前后半個周期的波形相差很大,但A相計算的相關系數(shù)在經(jīng)較短的延時后仍能夠超過整定值0.8,可以開放縱差保護。圖3(b)是按照文獻中的判據(jù)計算的三相差流(采用Y→△的電流相位補償方式)和波形系數(shù),可以看出,由于A相發(fā)生涌流,1個周期內(nèi)的前后半個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。所以兩者的相關度很差,以致很長時間內(nèi)波形系數(shù)很小,低于整定值,將導致縱差保護在較長時間內(nèi)不能動作。對比圖3(a)與圖3(b)可知,本文的方法使縱差保護動作得更快,關鍵是其充分利用了變壓器在非飽和區(qū)域時電流波形的特點,在帶故障合閘時,它反映了故障電流與正弦波相似的特征。2.3差流和相關系數(shù)變壓器在運行中發(fā)生A相2.2%匝間短路故障時的三相差流和相關系數(shù)如圖4所示,從三相差流的波形可以看出,它們都與正弦波相似,之間的相關程度高,計算的相關系數(shù)都很快超過整定值0.8,所以可以快速開放縱差保護。2.4a相由電流東北部輸出圖5是在變壓器空載合閘下電流互感器發(fā)生飽和時本文方法的鑒別結果。不飽和時的差流是通過采樣電阻(不會飽和)測量的電流,飽和時的差流是由電流互感器(可能飽和)測量的電流?？梢钥闯?A相由電流互感器與采樣電阻測量的電流一樣,該相電流互感器沒有飽和;而B相和C相電流由電流互感器與采樣電阻測量的電流相差較大,電流互感器測量的電流由較大值迅速降為0,并且在與涌流相反的方向上有反方向充電電流產(chǎn)生,勵磁涌流的間斷角消失,B相和C相電流互感器飽和。按本文方法確定的變壓器非飽和區(qū)內(nèi)的差流波形與正弦波相差很大,計算的三相波形相關系數(shù)都小于整定值0.8,所以能夠可靠閉鎖縱差保護,不會引起誤動,因而具有較強的抗電流互感器飽和的能力。3變壓器非飽和區(qū)域差流波形與標準正弦波的關系變壓器非飽和區(qū)內(nèi)差流波形的特點能夠正確反映