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1、 长春工程学院毕业设计（论文） 目 录前言2第一章 变压器差动保护原理及不平衡电流分析41.1变压器差动保护的基本原理41.2差动保护不平衡电流分析61.3差动保护不平衡电流的克服方法7第二章 励磁涌流分析及识别方法的研究92.1单相变压器励磁涌流分析92.2三相变压器励磁涌流分析112.3励磁涌流对变压器差动保护的影响132.4励磁涌流识别方法的分析与评价142.5本章小结18第三章 小波分析及其在电力系统中的应用183.1小波分析的基本概念183.2多分辨率分析203.3小波分析用于信号奇异性检测原理233.4小波分析在电力系统中的应用263.5本章小结28结论29参考文献30致谢32前言
2、1.课题研究的背景变压器利用电磁感应原理把一种电压的交流电能转变成频率相同的另一种电压的交流电能，在电力系统中，需要用变压器将电压升级进行远距离传输，以降低线路损耗，当电能到达用户区后，再采用不同等级的变压器将电能降压使用，因此，变压器的正常运行对保持系统的稳定与安全有着特殊的意义。变压器的损坏轻者意味着与之相连的输电线路无法正常工作，造成区域性停电；重者有可能使整个变电站断电，影响系统功率平衡，引起大面积停电。基于变压器的重要性，必须为其装设性能良好，工作可靠的继电保护装置。因此，变压器保护在继电保护领域中占有重要地位。长期以来，变压器保护作为主设备保护，其正确动作率与线路保护相比较一直偏低
3、，以2004年全国220KV及以上变压器保护的运行情况为例1，其正确动作率仅为79.05%,而同期全国电网交流系统全部继电保护装置正确动作率为99.88%，220kV及以上系统继电保护装置平均正确动作率为99.21%，远远高于变压器保护的动作正确率。文献12给出了近年来220KV及以上变压器保护运行情况。变压器保护正确动作率偏低的原因是多方面的，如现场运行人员将TA极性接反，保护的整定有误，TA的Y/接法不正确，运行维护不良等等，但另一方面，对变压器保护的原理了解不够，尤其对变压器保护中励磁涌流鉴别方法的认识不清，未充分理解各种涌流制动方法的优缺点，导致原理上的缺陷也是一个重要因素。同时，随着
4、电力系统的发展和变压器制造工艺的改进，使得变压器保护的复杂程度加大。如现代变压器为改善耐冲击过电压的性能，普遍采用纠结式绕组，增大了变压器匝间短路的可能性，传统的差动保护能否有效地动作于变压器匝间故障是一个需要考虑的问题；又比如现代变压器多采用冷轧晶粒定向的硅钢材料，与传统的变压器铁磁材料相比，其磁滞曲线较“硬”，即磁滞回环较窄，饱和磁通曲线部分较平，用这种材料制造的变压器，其额定工作磁通高，剩磁大，导致变压器励磁涌流波形特性变“弱”(二次谐波含量和间断角均变小)；再比如，现行电力系统经常采用无功补偿电容来提高系统电压的稳定性，这使得变压器内部故障时波形中的谐波含量大大增加；另外，随着微机在继
5、电保护中的应用，变压器保护中的差流门槛定值已大大降低，且均在变压器额定电流以下(一般为20%40%的额定电流)，这使得TA断线与变压器内部故障的识别成为变压器保护正确动作的重要一环。所有这些，都加大了变压器保护的复杂性。因而对变压器保护做进一步的研究也就变得十分必要。2.变压器保护的发展及现状追溯变压器保护的发展历史，1931年R.E Cordray提出了比率差动的变压器保护3，这标志着差动保护作为变压器主保护时代的到来。差动保护以其原理简单、选择性好、可靠性高的特点在变压器保护中获得了极其成功的应用。但由此带来的技术难题是如何将变压器的励磁涌流与内部故障区分开来。变压器保护的发展史也自此成为
6、一部变压器励磁涌流鉴别技术发展史。1941年，C.D .Hayward首次提出了利用谐波制动的差动保护4，将谐波分析引入到变压器差动保护中，并逐渐成为国外研究励磁涌流制动方法的主要方向。1958年，R.L .Sharp和W.E .GlassBurn提出了利用二次谐波鉴别变压器励磁涌流的方法5，并在模拟式保护中加以实现，同时，还提出了差动加速的方案，以差动加速、比率差动、二次谐波制动来构成整个谐波制动式保护的主体并一直延续至今。微机变压器保护的研究开始于60年代末70年代初。1969年，Rockerfeller6首次提出数字式变压器保护的概念，揭开了数字式变压器保护研究的序幕，之后，O.P .M
7、alik和Degens对变压器保护的数字处理和数字滤波做出了研究；1972年，Skyes发表了计算机变压器谐波制动保护方案7，使得微机式变压器保护的发展向实用化方向迈进。变压器保护在进入数字微机时代后，利用微机强大的运算和处理能力，新的励磁涌流鉴别方法不断被提出，在国内外形成研究热潮。间断角原理从分析励磁涌流波形本质出发，为励磁涌流的鉴别提供了新思路，沿着这个思路，波形比较法、波形对称法和积分型波形对称法相继被提出。现在实用的微机变压器保护中识别励磁涌流的方法也主要是：二次谐波闭锁、间断角闭锁、波形对称原理等。实践表明，在过去几十年间，上述原理基本上能达到继电保护要求。然而，随着电力系统以及变
8、压器制造技术的日益发展，利用涌流特征的各种判据在实用中均遇到了一些无法协调的矛盾。在高压电力系统中，由于TA饱和、补偿电容或长线分布电容等因素的影响，内部故障时差流中的二次谐波分量显著增大，造成保护误闭锁和延时动作。另一方面，现代大型变压器多采用冷轧硅钢片，饱和磁密较低而剩磁可能较小，使得变压器励磁涌流中的二次谐波和间断角均明显变小。不断出现的问题推动了研究的不断深入，文献8提出的“虚拟三次谐波制动法”从理论上可在半周的时间使保护动作，而且采用奇次谐波鉴别使其对对称性励磁涌流的鉴别能力大大强于二次谐波制动。文献9提出的采样值差动原理与励磁涌流波形无关，减少了计算量，提高了保护速度。近年来，新器
9、件、新技术的应用为变压器保护的研究与发展提供了一个广阔的天地。数字信号处理器DSP(Digital Signal Processor)的出现，不但可以提高微机保护数据采样与计算的速度和精度，甚至可能改变往常微机保护装置的设计思想10。现代数学工具如：模糊控制，神经网络，专家系统，小波分析等开始越来越多的融入到变压器保护的研究领域，一方面为传统的变压器保护方法提供了更有效的工具，另一方面，采用多个信息量，可提高变压器保护的“智能化”程度，改善可靠性和适应性。随着新的传感元件和测量元件的出现，故障诊断及预测充分利用各种现代数学分析手段对变压器的各个运行状态量进行监测与分析，越来越融入到变压器保护中
10、。它实质上是传统变压器保护中电量与非电量保护的一个扩展，它的研究与发展，为变压器保护的研究与发展提供了一个新的思路。3.本课题的主要工作及研究意义差动保护作为变压器故障的主保护，其误动的主要原因是不能准确识别励磁涌流和故障电流，因此对变压器差动保护的研究主要集中在励磁涌流的识别上。在变压器励磁涌流和故障电流的识别上方法有很多，但许多还处于研究探索阶段，应用到实际中最多的还是二次谐波检测，实际运行表明这种检测方法会在变压器空载合闸、切除外部故障出现保护延时动作或是在发生内部故障出现保护拒动的情况。因此，研究一种可靠识别励磁涌流的判据对改善目前差动保护运行情况十分重要。本课题的主要工作可归纳为：(
11、1)详细介绍了差动保护的基本原理，阐述了差动保护回路中的不平衡电流产生的原因，介绍了一些解决不平衡电流方法；(2)分析励磁涌流的产生机理和特点，研究现在国内外判别励磁涌流和故障电流的多种原理和方法，分析其优缺点；(3)阐述小波分析理论的基本原理，小波变换的多尺度分析和奇异性信号的检测原理。并通过例子说明小波变换比傅立叶变换更适合提取信号的奇异点。(4)使用MATLAB中的电力系统工具箱，建立励磁涌流及内部故障电流仿真模型，取得仿真数据，在间断角原理的基础上，利用小波变换对变压器励磁涌流特征进行提取，建立判据，识别励磁涌流和内部故障电流，并检验其效果。1 变压器差动保护原理及不平衡电流分析众所周
12、知，差动保护是一切电气主设备的主保护，它灵敏度高、选择性好，在变压器保护上运用较为成功。它可以用来反映变压器绕组的相间短路故障、中性点接地侧绕组的接地故障以及引出线的相间短路故障、中性点接地侧引出线的接地故障。但是变压器差动保护一直存在励磁涌流难以鉴定的问题，虽然已经有几种较为有效的闭锁方案，又因为超高压输电线路长度的增加、静止无功补偿容量的增大以及变压器硅钢片工艺的改进、磁化特性的改善等因素，变压器差动保护的固有原理性矛盾更加突出1112。差动保护还受到互感器采集不平衡电流的影响，在本章将研究差动保护的基本原理、不平衡电流的产生及克服方案。1.1变压器差动保护的基本原理差动保护在发电机上的应
13、用比较简单，但是作为变压器内部故障的主保护，差动保护却面临许多困难。变压器具有两个或更多个电压等级，构成差动保护所用电流互感器的额定参数各不相同，由此产生的差动保护不平衡电流将比发电机的大得多，差动保护是利用比较被保护元件各端电流的幅值和相位的原理构成的，根据KCL基本定理，即：当被保护设备没有故障时，恒有=0即各端流入电流之和必等于各端流出电流之和。当被保护设备内部本身发生故障时，短路点成为一个新的端子，此时0，但是实际上在外部发生短路时还存在一个不平衡电流，所以差动保护的动作判据应改写为：= （1-1）式中：差动回路的差动电流；差动保护的最大不平衡电流。对于双绕组变压器，实现差动保护的原理
14、接线如图1.1所示：由于变压器高压侧和压侧的额定电流不同，因此为了保证差动保护的正确工作，就必须适当选择两侧电流感器的变比，使得在正常运行和外部故障时两个二次电流相等。在图1.1中应使：= （1-2）或= (1-3)式中：高压侧电流互感器的变化； 低压侧电流互感器的变化；变压器的变化；变压器高压侧一次电流；变压器低压侧一起电流；高压侧电流互感器二次电流；低压侧电流互感器二次电流。差动保护动作判据用下式表示： （1-4）式中：I差动保护动作整定电流。当变压器正常运行及外部故障时，此时差电流小于动作整定电流，保护不动作。当变压器内部故障时，继电器反应两侧电流之和，此时差电流大于动作整定电流，保护装
15、置动作。对于差动保护动作判据中的，要按躲过外部短路时最大短路电流对应的最大不平衡电流I整定，这时I数值较大，如图1.2中直线1所示，直线以下为制动区，直线以上为动作区。如果内部短路电流较小，则差动电流的值小于最大不平衡电流I，该点处于直线1以下(制动区)，保护不动作，这时保护的灵敏度不能满足要求。由于变压器差动保护的不平衡电流随一次穿越电流的增大而增大，因此，利用该穿越电流产生制动作用使动作电流随制动电流而变化，这样在任何内部短路情况下动作电流都大于相应的不平衡电流，同时又具有较高的灵敏度。基于此，人们提出了带有制动特性的差动保护，如图1.2曲线2所示曲线以上为动作区，曲线以下为制动区。动作特性曲线2与直线1相比，图中阴影部分能够正确动作。事实上，外部发生短路故障时，因为外部短路时电流很大，特别是暂态过程中含有非周期分量电流，使电流互感器的励磁电流急剧增大，而呈饱和
