变压器励磁涌流识别方法研究

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目 次

1 绪论 ........................................................................................................ 1 1.1研究课题的背景与意义 ...................................................................... 1 1.2励磁涌流研究现状 .............................................................................. 1 1.3本文的主要工作 .................................................................................. 3 2 变压器励磁涌流分析 .......................................................................... 5 2.1空载合闸励磁涌流产生原理 .............................................................. 5 2.2外部故障切除后电压恢复性励磁涌流产生原理 .............................. 7 2.3本章小结 .............................................................................................. 9 3 励磁涌流与故障电流的仿真 ............................................................ 10 3.1 MATLAB软件简介 .......................................................................... 10 3.2空载合闸励磁涌流仿真 .................................................................... 10 3.3电压恢复性励磁涌流仿真 ................................................................ 15 3.4内部故障电流仿真 ............................................................................ 17 3.5本章小结 ............................................................................................ 19 4 基于数学形态学原理的故障电流与励磁涌流识别 .......................... 20 4.1数学形态学基本理论 ........................................................................ 20 4.2数学形态学区分励磁涌流与故障电流 ............................................ 21 4.3本章小结 ............................................................................................ 29 5 基于二次小波变换与局部模极大值的故障电流与励磁涌流识别 .. 30 5.1小波变换基础理论 ............................................................................ 30 5.2小波基函数的选取 ............................................................................ 30 5.3非对称励磁涌流与故障电流识别方法实现 .................................... 31 5.4本章小结 ............................................................................................ 33 结 论 ...................................................................................................... 34 致 谢 ..................................................................................................... 365 参考文献 ................................................................................................. 356

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1 绪论

1.1 研究课题的背景与意义

由于近几年我国电力事业经济发展很快，相应的电力系统工业也得到了高速的发展。据统计，2000年我国电网总装机容量为3.19亿千瓦，到了2009年则增长到了8.74亿千瓦，增长势头强劲。可以想象，今后电力系统的结构将会变得更大更复杂，那么对于电网运行安全性的要求，也将会提高一个新的层面[1]。变压器在电力系统中的地位非常重要，一个完整的电力系统不能缺少变压器，它起到了枢纽转换的作用，必须要保证它运行的可靠性与安全性[4]。

在纯电路的设备中，根据KCL定律所形成的电流差动保护，已很完美。特别是在发电机保护与线路保护中，它的优势被充分的体现出来。但是对于电力变压器来说，由于其内部构造，从本质上看已经不能再满足KCL定律[5]。在变压器空载合闸时，外部故障切除后电压恢复时以及过励磁时，变压器均会产生励磁涌流，导致误动。

我国变压器保护一直处于较低水平，但近几年我国继保方面的技术有了明显提高。近几年我国电力网络的各个继电保护动作情况如表1.1所示。

表1.1 2005~2009年220kV及以上变压器保护装置动作情况

年份

动作总次数/次 正确动作数/次 不正确误动 拒动次数/次数 正确动作率/%

2005 253 209 44 1 82.45

2006 215 164 55 1 78.77

2007 207 153 47 1 76.91

2008 254 213 52 0 79.08

2009 229 198 32 1 89.04

表1.1的统计结果显示，我国电力变压器保护技术已有明显进步。但是也可看出，目前我国变压器保护这一方面还不够完善，还存在着很多有待解决的问题。所以，我们需要找出变压器保护所存在的薄弱环节进行深层次的研究，从而可以改善变压器保护原理并且提高其保护性能。

伴随着我国计算机技术以及其他相关联的理论的研究发展，许多之前收到硬件等多方面限制的保护原理也得到了广泛地应用，并且也产生了各种应用新的数学理论来实现变压器保护的方法，比如小波分析、模糊数学等方法。

1.2 励磁涌流研究现状

目前提出的识别励磁涌流的方法，按照原理特性来分，最常用的鉴别励磁涌流的

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方法为利用间断角原理鉴别与利用二次谐波制动原理鉴别[7]。 1.2.1 采用速饱和中间变流器

为了减小TA中的差动不平衡电流以避免误动，常采用将速饱和中间变流器接入变压器差动回路的方法[8]。当铁芯迅速饱和时，随着局部磁滞回线的变化，铁芯磁通也发生相应变化，但一个周期内的变化量很小，且不会轻易传送到TA二次侧。当只有周期分量流入差动电流时，铁芯磁通随着磁滞回线发生很大变化，这就很容易传变到TA二次侧，因此，需引入一些辅助设施来减少变压器差动回路中的不平衡电流，防止误动。

1.2.2 二次谐波制动原理

差动电流中的基波分量幅值与二次谐波分量幅值分别表示为I1、I2，用K2来表示二次谐波制动比，则二次谐波制动保护动作判据为I2/I1K2，按躲过不同情况下励磁涌流中的最小二次谐波含量来整定，一般情况下K2=15%~20%。

然而若是电力系统中存在电容分量较大的装置如静止无功补偿，那么在故障电流中会产生暂态二次谐波分量，这就大大影响到了差动保护的速动性，导致保护动作时间增加到几百毫秒。 1.2.3 间断角鉴别的方法

利用励磁涌流波形中会出现间断角这个特征，便能鉴别内部故障电流与励磁涌流

[10]

，简单地说就是观察电流波形是否存在间断角，并且其间断角是否大于整定值，若

是就将保护闭锁。

暂态高次谐波分量在内部故障时会使电流波形发生畸变，此时一般不会产生间断角，但是电流波形宽度会受到影响。对大型变压器的纵差动保护来说，一种比较好的配置方案就是同时应用这两种保护原理，它们能够起到互补作用，加快保护的动作速度。

除了以上介绍的这三种主要方法之外，在频域和时域中还有许多其他的方法，比如电压制动原理、波形正弦度算法、小波变换法、数学形态学、磁通特征识别法等等。 1.2.4 数学形态学法

现在电力系统中信号处理方法都有相应的缺点，比如窗口的宽度比较长、数值计算量较大、采样速率要求较高等问题。所以，在对电力系统进行信号处理时，需要引入一种数学形态学算法。经过大量实践证明，数学形态学能够广泛用于计算机模式识别、形状分析以及视觉校验。

1964年，J.Serra和G.Matheron几乎同时提出了击中与不击中、开闭运算等等术

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语，两年后正式提出数学形态学[11]。随后，Sternberg与Serra等人又将二值形态学算子从二值形态学处理推广到了灰度图像处理当中。

数学形态学处理信号相位不衰减，幅值不偏移，处理速度快而且数据窗短。 1.2.5 小波变换法

小波变换通过近几十年的理论研究与应用研究，基本的理论体系已经形成[12]。因为傅里叶变换只能利用单个变量来显示信号，且信号中只有频域的信息，而不能显示时域的信息。之后人们提出，利用短时傅里叶分析来分割时间窗，通过每一个时间窗将信号分解到频域上，便可得到信号的频域信息，然而短时傅里叶变换也有他自己的问题，那就是其时域的区分度过于依赖时间窗，而时间窗的大小又是固定不变的，这样一来，一些瞬时变化的信号将不能得到足够的分解。

暂态信号在电力系统发生各种故障时，其持续的时间都比较短、频带较宽，所以傅里叶变换的分析结果不尽人意。小波变换的原理就是对信号进行多层次的分解，通过多角度的分析，将噪声、频率波动以及整次谐波分量从电力系统中提取出来，避免这些分量影响到微机保护。另外，在小波变换中的时间窗是可调的，对于非平稳暂态信号这方面的处理显示出特有的优势，小波变换还有快速算法，因此，小波分析可以充分提取电力系统中信号的暂态信息。

1.3 本文的主要工作

变压器故障的主保护为差动保护，又有以上分析所知其主要误动原因是不能够准确识别内部故障电流与励磁涌流， 本文所做工作是研究一种能够有效识别励磁涌流与故障电流的新方法。

本文的主要内容如下：

1)简单阐述目前国内外鉴别故障电流与励磁涌流的方法的研究现状。

2)了解变压器励磁涌流产生原理及过程，借助MATLAB/Simulink仿真平台，建立起变压器励磁涌流仿真模型，以及变压器内部故障仿真模型。并对仿真结果和波形特点进行分析。

3)详细介绍数学形态学的基本概念和其基本的运算法则，包括相关的集合解释。通过形态滤波原理，构造出比较理想的抗噪型形态梯度检测算子。而其中产生的对称性涌流的形态梯度与非对称涌流、内部故障电流的形态梯度曲线差异较大这一显著特性，在MATLAB/Simulink仿真平台运用数学形态学的形态梯度检测算子对励磁涌流波形进行特征提取，分析内部故障电流波形、非对称励磁涌流与对称励磁涌流的形态