一種新型變壓器差動保護起動元件

謝 偉，何人望，宋海燕

(1.華東交通大學電氣與電子工程學院，江西南昌330013;2.湖南大學電氣與信息工程學院，湖南長沙410082)

變壓器在電力系統中具有重要作用，電網對變壓器保護的要求也越來越高。據文獻[1]統計:目前，變壓器差動保護的動作正確率不到70%，遠低于其他電力設備保護的運行水平，因此我們必須對變壓器的保護方法做深入的探討研究。文獻[2]指出，變壓器差動保護原理上只反應內部短路，并很好的取得了變壓器內部故障時保護動作的靈敏性、快速性和選擇性。但是差動保護只適用于滿足電流基爾霍夫定律的純電路設備，而在變壓器差動保護范圍內，不僅包含電路，而且包含非線性的鐵心磁路，因此當變壓器本身無故障空載合閘、外部故障切除電壓恢復和過勵磁時，差動保護中會過很大的勵磁電流，從而導致變壓器差動保護誤動作。

目前，實際運行的變壓器差動保護主要是采用以二次諧波制動原理和間斷角原理來判別勵磁涌流，其中二次諧波制動原理應用最為廣泛。但是由于CT飽和，無功補償用的并聯電容或超高壓長輸電線分布電容的存在，使得變壓器發生內部故障時也會產生很大的二次諧波，而且隨著大型變壓器鐵心采用冷軋硅鋼片后，飽和磁通倍數由1.4降至了1.2～1.3，甚至低至1.1，使勵磁涌流的二次諧波含量有時低至10%以下，這樣二次諧波制動原理的制動比很難選取，保護就可能存在不正確動作。為了克服諧波制動原理的缺陷，人們又研究各種區分變壓器故障電流與勵磁涌流的方法，包括間斷角原理、波形對稱原理、小波變換原理、磁通特性原理、等值電路原理、序阻抗原理、比率差動保護原理等，但是以上判別原理仍有不足之處[3]。

因此，擺脫現有技術束縛，探尋新的變壓器保護原理是今后研究的重點方向[4]。本文提出了一種新型的變壓器差動保護起動元件——基于小波變換的行波識別起動元件，它將有效的判別變壓器的勵磁涌流與內部故障，從而能大大提高變壓器差動保護的可靠性。

1 起動元件的起動判據及其工作原理

小波變換是一種較新的數字信號處理工具，其最大特點是具有時間-頻率局部化的性能，因而非常適合分析暫態行波這種具有奇異性質的突變信號[5]。小波變換的奇異性檢測理論是在行波中提取故障信息的理論基礎，其中不同尺度下的小波變換模極大值準確地包含了故障點的主要故障信息，它們是:

(1)行波信號突變量的幅值與陡度;(2)行波信號突變量極性;(3)故障出現的位置和時間;(4)不同尺度下模極大值的變化情況。

因此小波變換的出現，為電流、電壓行波在保護方面的的應用奠定了堅實的數學基礎[6-10]。且為電壓、電流行波分析在變壓器差動保護方面的應用提供了可靠的科學依據。本文的研究主要用到小波變換下行波信號突變的幅值與陡度和不同尺度下模極大值的變化情況。

一個函數(信號)f(t)∈R在某點的奇異性常用其奇異性指數Lipischitzα來刻畫，即信號的奇異檢測理論[4]。

定義 設0≤α≤1，在點t0，若存在常數K，對t0的臨域x使得下式成立

則稱函數f(t)在點t0的奇異性指數是α。

如果α=1，則函數f(t)在t0是可微的，稱函數f(t)沒有奇異性;如果α=0，則函數f(t)在t0間斷。α越大，說明奇異函數f(t)越不奇異;α越小，說明奇異函數f(t)在t0點越尖銳。

變壓器差動保護的原理是基于進入網絡的電流和離開網絡的電流相等，但差動原理用到電力變壓器的內部保護上，則存在勵磁涌流，可能造成差動保護誤動作[1]209，所以如何識別勵磁涌流與內部故障是解決問題的關鍵。

對勵磁涌流與內部故障行波信號進行小波變換，作者得出勵磁涌流和內部故障行波信號在小波變換下模極大值的變換規律:對于勵磁涌流，其小波變換模極大值隨s=2j(尺度因子)的增大而迅速衰減;而內部故障行波信號的小波變換模極大值隨尺度因子的增大而增大或保持不變。據此起動元件的起動條件可以設定為:對于起動元件所檢測到的信號，如果其小波變換的模極大值增大或不變，則判定為行波故障信號到來，起動元件起動，否則起動元件不動作，用式子可表示成

圖1 起動原理框圖

綜合(2)和(3)就可以構成基于小波變換的行波識別起動元件。則基于小波變換的行波識別起動元件的起動原理框圖如圖1。

從而變壓器差動保護動作的原理框圖如圖2。

圖2 變壓器差動保護動作框圖

2 基于simulink及wavemenu的實例仿真

MATLAB中的simulink Power System提供了電力系統的各種電力元件，可以用來建立仿真模型，確定好模型的各項參數，就能得到正確的涌流和短路電流波形的模型仿真。另外，MATLAB中的wavemenu為得到的各電流波形提供了各種小波變化工具，本文主要用二進小波在不同s(s為尺度因子)下的db3連續小波變換。

本文利用飽和單相雙繞組變壓器建立了勵磁涌流模型和短路故障模型，如圖3和圖5所示，得出勵磁涌流波形和變壓器短路故障波形及各波形在不同尺度因子下的小波變換波形圖，如圖4和圖6所示，仿真型變壓器參數如表1。

表1 變壓器仿真模型參數

圖3 變壓器勵磁涌流仿真模型

圖4 勵磁涌流原始信號以及各尺度小波變換波形圖

圖5 變壓器內部故障仿真模型

圖6 變壓器短路電流原始信號以及各尺度小波變換波形圖

從勵磁涌流原始信號以及各尺度小波變換波形圖(見圖4)可以看出:對于變壓器勵磁涌流，其小波變換模極大值隨尺度因子的增大而迅速衰減;從變壓器短路電流原始信號以及各尺度小波變換波形圖(見圖6)可以看出:對于變壓器短路故障電流，其小波變換模極大值隨尺度因子的增大而增大或保持不變。因此，利用上述規律來設計出的基于小波變換的行波識別起動元件是完全合理可行的，進而大大提高變壓器差動保護的可靠性。

3 結束語

小波分析具有多尺度分析和良好的時頻局部化特性，可以準確地捕捉突變信號特征。本文通過將變壓器勵磁涌流與內部短路故障電流的仿真波形進行小波變換后發現，二者在不同尺度因子的小波變換下，其模極大值存在差異明顯的變化規律，能夠對變壓器勵磁涌流和內部短路電流進行準確的識別，從而得出一種新型的變壓器差動保護起動元件——基于小波變換的行波識別起動元件。

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