CN102323503A - 基于罗氏线圈的变压器涌流畸变检测方法 - Google Patents

基于罗氏线圈的变压器涌流畸变检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于罗氏线圈的变压器涌流畸变检测方法，属于电力***继电保护技术领域。该方法包括测量变压器一次侧电流，得到微分电压模拟信号；得到相应的微分电压数字信号；判断是否出现异常电流；将微分电压数字信号经过加余弦窗的傅里叶变换处理，求出各次谐波有效值，计算畸变度：根据畸变度判断是否出现涌流等步骤。采用本发明能够可靠地保证差动保护在变压器空载合闸时不误动，以及严格区分励磁电流与故障电流，判据值具有很高的冗余度，判断精确可靠。

Description

基于罗氏线圈的变压器涌流畸变检测方法
技术领域
本发明涉及一种判别变压器异常原因的方法，尤其是一种基于罗氏线圈的变压器涌流畸变检测方法，属于电力***继电保护技术领域。 
背景技术
罗氏线圈是一种采用将导线均匀地绕在截面均匀的非磁性材料框架上，让通有大电流的导线垂直穿过线圈的中心，通过被测载流导体所产生的磁通的变化，感应出能反应被测电流大小的电压信号的测量装置。二次侧感应出的电压信号是一次侧大电流的微分量，因此罗氏线圈具有微分特性。 
在如今的变压器保护中，由于差动保护性能良好，而其它一些先进保护技术成本高，实现难，因此差动保护是目前变压器的主要保护手段。 
变压器在空载合闸时会产生励磁涌流，此涌流与变压器出现故障时的畸变电流具有虚假的相似性，容易导致继保装置误动。因此需要对涌流和故障电流进行鉴别。目前比较成熟的方法有：二次谐波法；对称波形法；间断角检测法等。 
由于变压器铁芯材料的特性、铁芯的工作磁密、饱和磁密、剩磁、空投时的合闸角等等（其中剩磁与合闸角是随机的），都会不同程度影响变压器励磁电流畸变。因此，涌流的畸变程度不是唯一的，需要检测的特征量也是不确定的。励磁涌流中二次谐波所占基波比例虽然相对其他谐波所占比例比较大，但具有不确定性，会在一定范围内变化。在涌流程度较低的情况下，有可能出现二次谐波含量很低的情况，从而易导致保护装置误动。 
间断角的定值一般取在60度-70度之间，这只能保证饱和磁密与工作磁密之比为1.1-1.3，剩磁为0.5左右时可用。其实间断角随励磁因素变化的变化也很大，有时可能几乎没有间断角的出现。波形对称只能应用在出现对称涌流的情况下的偶次谐波制动，在某些特定的情况下才会出现，而且在变压器出现过激磁时, 其励磁电流波形虽是对称的，但也无法用波形对称法判别励磁涌流。总之，目前的各种方法均仅仅从电流畸变程度的某一个方面反映涌流的畸变，没有全面反映涌流的畸变情况，因此均具有明显的局限性，冗余度较低，容易出现误动或动作延时。 
发明内容
本发明的目的是：针对上述现有变压器涌流畸变检测方法存在的局限性，提出一种可以较全面反映涌流畸变程度、冗余度高的基于罗氏线圈的变压器涌流畸变检测方法，从而显著提高差动保护正确动作率。 
为了达到上述目的，申请人在对变压器励磁涌流录波数据进行离线分析后发现，采用傅里叶变换（FFT）求各次谐波的有效值时，如果将涌流先微分后再进行傅里叶变换，则发现 
Figure 2011102243682100002DEST_PATH_IMAGE001
次谐波的有效值被扩大了倍。由此联想到。如果利用被扩大了的谐波有效值来进行暂态时的涌流判别，则判据的冗余度必将大幅提高，再结合罗氏线圈的微分特性，即利用罗氏线圈对变压器一次侧大电流进行测量，对得到的微分电压信号的谐波进行全面分析，作为变压器涌流判别的新判据，则理论上可以达到上述发明目的。 
在此认识基础上，申请人提出的基于罗氏线圈的变压器涌流畸变检测方法包括以下步骤： 
第一步、借助罗氏线圈测量变压器一次侧电流
Figure 261378DEST_PATH_IMAGE002
，得到微分电压模拟信号
Figure 2011102243682100002DEST_PATH_IMAGE003
；
第二步、对微分电压模拟信号
Figure 931394DEST_PATH_IMAGE003
进行模数转换和滤波处理，得到相应的微分电压数字信号
Figure 918417DEST_PATH_IMAGE004
（
Figure 2011102243682100002DEST_PATH_IMAGE005
；根据现有采样精度的要求，
Figure 105815DEST_PATH_IMAGE006
的值一般取为20，即一个周波采样20个点）；
Figure 2011102243682100002DEST_PATH_IMAGE007
第三步、根据差动保护中对异常电流判断的判据（通常当相电流突变量大于0.5
Figure 622247DEST_PATH_IMAGE008
——
Figure 338531DEST_PATH_IMAGE008
为差动定值，或者当差流大于0.8
Figure 409255DEST_PATH_IMAGE008
，则判断变压器出现异常电流），判断是否出现异常电流，如是则进行下一步，如否则返回第一步；
第四步、从出现异常电流后的第一个周波起，将微分电压数字信号
Figure 993820DEST_PATH_IMAGE004
经过加余弦窗的傅里叶变换处理，求出各次谐波有效值
Figure 2011102243682100002DEST_PATH_IMAGE009
（
Figure 240125DEST_PATH_IMAGE010
；
Figure 2011102243682100002DEST_PATH_IMAGE011
），将谐波有效值
Figure 251943DEST_PATH_IMAGE009
代入下式计算畸变度
Figure 950909DEST_PATH_IMAGE012
：
Figure 2011102243682100002DEST_PATH_IMAGE013
式中：
Figure 339165DEST_PATH_IMAGE009
（
Figure 439976DEST_PATH_IMAGE014
）为暂态时微分电压信号第
Figure 622696DEST_PATH_IMAGE016
个周波的第
Figure 2011102243682100002DEST_PATH_IMAGE017
次谐波有效值；
Figure 904DEST_PATH_IMAGE006
为一个周波的采样点数；
Figure 549697DEST_PATH_IMAGE018
为第个周波的基波有效值；
Figure 44264DEST_PATH_IMAGE020
为暂态时存在谐波的周波个数（由于变压器暂态衰减明显，故
Figure 842455DEST_PATH_IMAGE020
为存在明显暂态情况的前
Figure 179371DEST_PATH_IMAGE020
个周波，
Figure 848250DEST_PATH_IMAGE020
的值一般取为3）；
第五步、根据畸变度
Figure 638352DEST_PATH_IMAGE012
判断是否出现涌流，当
Figure 533626DEST_PATH_IMAGE012
大于阀值则判定为励磁涌流，小于阀值则判定为内部故障（涌流畸变度判别的阀值可以经过实验获得，反复实验验证求得为12.5）。
本发明采用加余弦窗插值的快速傅里叶（FFT）算法精确地求出微分电压信号量第
Figure 536217DEST_PATH_IMAGE016
个周波第
Figure 590761DEST_PATH_IMAGE017
次谐波的有效值，再求谐波总量
Figure 161551DEST_PATH_IMAGE007
Figure 2011102243682100002DEST_PATH_IMAGE021
与基波有效值
Figure 934335DEST_PATH_IMAGE018
的比值，此比值即为第
Figure 881562DEST_PATH_IMAGE016
个周波的涌流畸变度
Figure 259454DEST_PATH_IMAGE022
(
Figure 391358DEST_PATH_IMAGE022
=
Figure 2011102243682100002DEST_PATH_IMAGE023
),然后对
Figure 261225DEST_PATH_IMAGE022
（
Figure 136777DEST_PATH_IMAGE010
）求均方根值
Figure 41279DEST_PATH_IMAGE012
，即用
Figure 547347DEST_PATH_IMAGE012
的值来定义暂态时涌流畸变度值。考虑到变压器差动保护的高实时性要求和励磁涌流快速衰减的特点，在选取异常周波数据窗时（即第四步选取异常周波数据窗），选取前三个周波的数据较为合适。 
与现有技术相比，本发明的显著实质性特点一是借助罗氏线圈测量变压器一次侧大电流信号，得到反应大电流信号特性的微分电压信号，对此电压信号进行谐波分析，对谐波含量有效值的数值进行扩大以扩大判据的冗余度和增强其有效性；二是采用加余弦窗的快速傅里叶变换（FFT）算法准确计算各次谐波的有效值，此算法是针对传统快速傅里叶变换（FFT）算法准确度不高的缺点提出的一种改进算法；三是用均方根法最终确定涌流畸变度值，能有效地降低计算误差。 
当异常电流为故障电流时，因为谐波含量极小，比值
Figure 294723DEST_PATH_IMAGE012
会很小，且对于微分前后谐波有效值不会成倍数变化，故经过罗氏线圈微分后的各次谐波有效值基本不变；当为励磁涌流时，含有大量的整数次谐波，
Figure 583753DEST_PATH_IMAGE012
值将会很大，对于经过罗氏线圈微分后的微分量，其
Figure 936237DEST_PATH_IMAGE001
次谐波有效值比微分前的
Figure 144364DEST_PATH_IMAGE001
次谐波有效值扩大
Figure 582299DEST_PATH_IMAGE001
倍，则得到的涌流畸变度值将扩大数倍（经过试验证明
Figure 675020DEST_PATH_IMAGE012
的值将扩大3-4倍）；因此根据畸变度
Figure 413169DEST_PATH_IMAGE012
的大小很容易区分出变压器电流异常时是故障电流还是励磁涌流。并且畸变度
Figure 526618DEST_PATH_IMAGE012
全面地反映了变压器涌流的畸变程度，因此能够可靠地保证差动保护在变压器空载合闸时不误动，以及严格区分励磁电流与故障电流，判据值具有很高的冗余度，判断精确可靠，因此本发明具有突出的进步。 
附图说明
    下面结合附图对本发明作进一步的说明。 
图1为本发明一个实施例的***流程图。 
图2为三相与门制动方式结构示意图。 
图3为微分前采样数据波形图之一。 
图4为微分前前三个异常周波的谐波有效值图表之一。 
图 5为加罗氏线圈微分后采样数据波形图之一。 
图6为微分后前三个异常周波的谐波有效值图表之一。 
图7为微分前采样数据波形图之二。 
图8为异常后第一、二、三个周波的谐波有效值图表之二。 
图9为加罗氏线圈微分后采样数据波形图之二。 
图10为微分后前三个异常周波的谐波有效值图表之二。 
具体实施方式
实施例一 
本实施例的基于罗氏线圈的变压器涌流畸变检测方法的主要流程如图1所示，由罗氏线圈测量环节、模数转换和滤波环节、畸变度计算输出环节构成。各环节的具体步骤如下：
 1、在测量段采用罗氏线圈，测量变压器一次侧大电流
Figure 855444DEST_PATH_IMAGE002
，得到微分电压信号
Figure 610910DEST_PATH_IMAGE003
；
2、将
Figure 344511DEST_PATH_IMAGE003
送入模数转换和滤波（与现有技术类同，已有许多成熟的方法，不另赘述）环节处理后得到数字信号
Figure 628862DEST_PATH_IMAGE004
（
Figure 306968DEST_PATH_IMAGE005
；
Figure 741492DEST_PATH_IMAGE006
一个周波的采样点数）；
Figure 923074DEST_PATH_IMAGE007
3、根据差动保护中对异常电流判断的判据判断是否出现异常电流，如果出现异常电流则进入下面第4步的计算环节，当相电流突变量大于0.5
Figure 909485DEST_PATH_IMAGE008
（
Figure 215832DEST_PATH_IMAGE008
为差动定值），或者当差流大于0.8，则判断变压器出现异常电流；
4、将
Figure 349190DEST_PATH_IMAGE004
经过加余弦窗的傅里叶变换，求出各次谐波有效值
Figure 381868DEST_PATH_IMAGE009
（
Figure 503408DEST_PATH_IMAGE010
；），将谐波有效值
Figure 560543DEST_PATH_IMAGE009
代入畸变度求解公式中计算畸变度
Figure 764122DEST_PATH_IMAGE012
。
考虑到变压器差动保护的高实时性要求和变压器励磁涌流的快速衰减性，根据涌流出现的前三个周波对谐波信息反应的比较充分和全面，在差动保护的实际运用中，只截取异常出现后前三个周波的采样数据进行计算；在变压器差动保护中采样频率为1000HZ，即采样点数为20点，此足以满足变压器差保的计算要求。对于周期为20个采样点的励磁涌流，其高次谐波的值其实已经很小，根据快速傅里叶变换求出前10次谐波的有效值，故参与运算的谐波有效值只用取2-10次即可，则
Figure 904117DEST_PATH_IMAGE012
的值： 
             
Figure 812030DEST_PATH_IMAGE024
经过大量的仿真和试验求得：
Figure 229236DEST_PATH_IMAGE012
的临界阈值值可取到12.5，即当>12.5时判断为励磁涌流，当
Figure 824482DEST_PATH_IMAGE012
<12.5时判断为故障电流。
如图2所示，可以采用三相“与”门制动方式进行变压器三相的差动保护，这样可以确保在空投时变压器主保护装置不会误动。图中ra、rb、rc分别为A、B、C三相励磁涌流判断结果，r为ra、rb、rc相与的结果（ra,rb,rc根据A、B、C三相的判断结果取值为真或假）。 
下面以两组真实的录波数据为例进行说明。 
图3至图6是茬平IB3相励磁涌流的异常后的录波数据进行分析。其中图3、图4由本发明的畸变度计算公式计算涌流畸变度：R＝25.94；图5、图6由本发明的畸变度计算公式计算涌流畸变度：R＝81.08 
图7至图10是银川新城故障电流异常后的录波数据分析。其中图7、图8经过本发明计算后得出涌流畸变度值：R＝1.92；图9、图10经过本算法计算后得出涌流畸变度值：R＝1.68。 
由此可以证明，本实施例的方法切实可行，具有足够的有效性和可靠性。 
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。 

Claims (5)

1.一种基于罗氏线圈的变压器涌流畸变检测方法，其特征在于包括以下步骤：
第一步、借助罗氏线圈测量变压器一次侧电流                                                
Figure 226776DEST_PATH_IMAGE001
，得到微分电压模拟信号
Figure 169324DEST_PATH_IMAGE002
；
第二步、对微分电压模拟信号
Figure 138417DEST_PATH_IMAGE002
进行模数转换和滤波处理，得到相应的微分电压数字信号
Figure 965559DEST_PATH_IMAGE003
；
Figure 969287DEST_PATH_IMAGE004
第三步、根据差动保护中对异常电流判断的判据，判断是否出现异常电流，如是则进行下一步，如否则返回第一步；
第四步、从出现异常电流后的第一个周波起，将微分电压数字信号
Figure 220752DEST_PATH_IMAGE003
经过加余弦窗的傅里叶变换处理，求出各次谐波有效值
Figure 145983DEST_PATH_IMAGE005
，将谐波有效值
Figure 901449DEST_PATH_IMAGE005
代入下式计算畸变度
Figure 635050DEST_PATH_IMAGE006
：
式中：（
Figure 625506DEST_PATH_IMAGE008
）为暂态时微分电压信号第
Figure 2011102243682100001DEST_PATH_IMAGE009
个周波
Figure 744771DEST_PATH_IMAGE003
的第
Figure 200024DEST_PATH_IMAGE010
次谐波有效值；
为一个周波的采样点数；
为第
Figure 46254DEST_PATH_IMAGE013
个周波的基波有效值；
Figure 672407DEST_PATH_IMAGE014
为暂态时存在谐波的周波个数；
第五步、根据畸变度
Figure 590685DEST_PATH_IMAGE006
判断是否出现涌流，当
Figure 101432DEST_PATH_IMAGE006
大于阀值则判定为励磁涌流，小于阀值则判定为内部故障。
2.根据权利要求1所述的基于罗氏线圈的变压器涌流畸变检测方法，其特征在于：所述微分电压数字信号
Figure 257606DEST_PATH_IMAGE003
中的
Figure 585820DEST_PATH_IMAGE015
，所述
Figure 601180DEST_PATH_IMAGE011
的值取为20。
3.根据权利要求2所述的基于罗氏线圈的变压器涌流畸变检测方法，其特征在于：所述对异常电流判断的判据为相电流突变量是否大于0.5
Figure 774673DEST_PATH_IMAGE016
或者差流是否大于0.8
Figure 316512DEST_PATH_IMAGE016
，
Figure 690993DEST_PATH_IMAGE016
为差动定值。
4.根据权利要求3所述的基于罗氏线圈的变压器涌流畸变检测方法，其特征在于：所述暂态时存在谐波的周波个数
Figure 787125DEST_PATH_IMAGE014
的值取为3。
5.根据权利要求4所述的基于罗氏线圈的变压器涌流畸变检测方法，其特征在于：所述涌流畸变度判别的阀值为12.5。
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