基于瞬时功率的变压器励磁涌流和内部故障电流的识别方法技术

一种用于变压器的励磁涌流和内部故障电流的识别方法，其特征在于：　　　　分析变压器两侧三相瞬时功率之差的不同频率分量；　　　　利用各分量之间的相互关系对变压器的励磁涌流和内部故障电流进行识别。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及电力系统微机继电保护领域，尤其涉及变压器的励磁涌流和内部故障电流的识别方法。
技术介绍
变压器是电力系统中重要的电气设备之一，随着超高压远距离输电系统越来越多地投入运行，大容量变压器日益增多，对变压器保护的可靠性和快速性提出了更高的要求。传统的变压器主保护由于受条件的限制，仅依靠电流量来实现，鉴于电流差动保护原理在众多电气设备上应用的成功，电流差动保护在变压器保护中也得以应用，并发挥了重要的作用。但由于基于电流量的差动保护对于通过磁路耦合的双绕组或多绕组变压器在原理上存在缺陷(即对于非纯电路，基尔霍夫电流定律并不适用)，导致在变压器空载合闸或外部故障切除后电压恢复过程中产生励磁涌流时，会使差动保护误动，因而人们不得不长期致力于解决如何正确识别变压器内部故障电流和励磁涌流的问题。目前，国内外文献上已提出的众多区分方法中，本质上大多以识别内部故障电流和励磁涌流的波形特征为主，虽然该类方法具有一定的识别效果，但由于其仅从“波形”这一外在的表征现象入手，并没有从本质上反映出内部故障电流和励磁涌流的差别，因而其无法做到“万无一失”。长期以来变压器主保护的正确动作率一直徘徊不前，与此也不无关系。探寻识别变压器励磁涌流和内部故障电流的新技术已成为提高变压器主保护正确动作率的迫切需要。
技术实现思路
为解决上述存在的问题，本专利技术主要用于解决变压器励磁涌流和内部故障电流的鉴别问题，通过对变压器两侧三相瞬时功率之差的不同频率分量的分析，合理利用各分量之间的相互关系构成了一种可以有效识别变压器励磁涌流和内部故障电流的创新方法。附图说明图1显示了仿真系统结构图；图2显示了典型的变压器励磁涌流波形；图3显示了变压器空载合闸时三相差瞬时功率波形及其幅频特性，其中(a)为三相差瞬时功率波形，(b)为三相差瞬时功率的幅频特性；图4显示了变压器两侧三相电流波形(星型侧A相绕组发生14％匝地短路)，其中(a)为变压器角型侧的三相电流，(b)为变压器星型侧的三相电流；图5显示了变压器星型侧A相绕组发生14％匝地短路时三相差瞬时功率波形及其幅频特性，其中(a)为三相差瞬时功率波形，(b)为三相差瞬时功率的幅频特性；图6显示了带有内部故障的变压器空投时三相电流波形；图7显示了带内部故障的变压器空投时三相差瞬时功率波形及其幅频特性，其中(a)为三相差瞬时功率波形，(b)为三相差瞬时功率的幅频特性；图8显示了变压器Yn/D-1接线方式。具体实施例方式首先描述本专利技术的理论基础。传统的电工理论中，若二端网络输入端口的电压和电流分别为u(t)和i(t)，则此二端网络吸收的瞬时功率s(t)及有功功率(平均功率)P分别为s(t)＝u(t)i(t)(1)P=1T∫0Ts(t)dt=1T∫0Tu(t)i(t)dt----(2)]]>根据电力系统计算中常用的电压电流表达式及其组合，分以下3种情况讨论1.当电压和电流均是正弦周期分量时，记 由(1)，(2)式可得 s(t)＝u(t)i(t)＝2UIsin(wt+u)sin(wt+i)(3)＝UIcosφ-UIsinφsin2(wt+u)p=1T∫0Ts(t)dt=UIcosφ----(4)]]>其中φ＝u-i。2.当电压是正弦周期分量，而电流是非正弦周期分量时，记 由(1)，(2)式可得此时的瞬时功率和平均功率如下所示 3.当电压和电流均是非正弦周期分量时，记 由(1)，(2)式可得此时的瞬时功率和有功功率如下所示 观察(3)～(12)式，若将各种不同情况下的瞬时功率s(t)均表示成s(t)=s‾+s~(t)]]>的形式，其中s表示瞬时功率s(t)中的直流成份，而 表示瞬时功率s(t)中的交流成份，则不难发现瞬时功率中的直流分量s即为相应情况下的有功功率P。同样，对于电力系统三相瞬时功率s(t)也可以表示成s(t)=s‾+s~(t)]]>的形式，且其中的直流分量s即为三相系统的有功功率P，而交流分量 在不同条件下的构成成份有所不同。在变压器空投产生励磁涌流情况下，由电机学中的相关理论知，励磁涌流是由无功的磁化电流和有功的铁耗电流两部分组成，此时无功电流占主要成分，它对应于变压器与系统之间能量交换的部分；而有功电流只占很小一部分，它对应于变压器的有功损耗，此时有功损耗较小。在励磁涌流情况下变压器空投侧的三相电压一般可以认为是三相正弦对称的，此时瞬时功率可近似用式(7)来表示。由(7)式可知当n＝1时，即只在基频电流的作用下，瞬时功率s(t)可以分解为直流分量UI1cos(i1-u)和二次谐波分量UI1cos(2ωt+i1+u)；当n＝2时，即只在二次谐波电流的作用下，瞬时功率s(t)可以分解为基频分量UI2cos(ωt+i2-u)和三次谐波分量UI2cos(3ωt+i2+u)；其余情况以此类推，由此便构成了瞬时功率s(t)的频谱分布特性。励磁涌流是在变压器空载合闸或外部故障切除后电压恢复过程中由于磁路饱和等原因而产生的，因而涌流内含有较多的谐波分量，其中又以二次谐波分量为主。由上述分析知，二次谐波电流产生瞬时功率s(t)中的基频分量和3次谐波分量。因而，在励磁涌流的情况下，瞬时功率s(t)中会含有较多的基频分量。同时，由于励磁涌流情况下变压器消耗的有功功率较小，因而三相差瞬时功率中的直流分量含量较低，合理利用三相差瞬时功率s(t)中直流分量和基频分量的这种“此消彼长”相对关系就可以识别出在变压器空投或外部故障切除后电压的恢复过程中出现的励磁涌流。当变压器内部发生匝间短路故障时，一方面由于短路匝内的故障电流很大，另一方面由于故障点的弧光电阻加上短路部分的绕组电阻可与短路部分的绕组等效电抗相比拟，功率因数提高，因而此时变压器的有功损耗较大。进行适当滤波处理后(滤除非周期分量及高次谐波)，只考虑基频分量的影响，在电压电流均不对称的情况下，可以证明三相瞬时功率p可以表示成如下的形式p＝P++P-+P0-3V+I-cos(2wt+α++β-)-3V-I+cos(2wt+α-+β+)-3V0I0cos(2wt+α0+β0) 当变压器内部发生小匝比故障时，三相电压可以近似认为正弦对称，此时三相瞬时功率p可以简化表示成如下的形式p＝P+-3VI-cos(2wt+β-)公式的具体推导请参见文献(O.Usta，M.Bayrak，M.A.Redfern，A New DigitalRelay for Generator Protection Against Asymmetrical Faults，IEEE TRANS.PowerDelivery，Vol.17，No.1)，由此可见三相瞬时功率中的二倍频分量的幅度与负序电流大小有关。在变压器内部发生匝间短路故障情况下，电流中二次谐波含量较低，由前述分析可知，此时三相差瞬时功率中的基频分量较小，而此时三相差瞬时功率中直流分量(对应于有功损耗)和二倍频分量(对应于负序电流)较大，因而合理地利用变压器三相差瞬时功率中的直流分量，基频分量和二倍频分量的相对关系就可以识别出变本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：郑涛，刘万顺，焦邵华，肖仕武，刘建飞，庄恒建，
申请(专利权)人：华北电力大学北京，
类型：发明
国别省市：