毕业设计(论文)-基于瞬时励磁电感的变压器励磁涌流判别小波分析方法.doc
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1、分类号 学校代号 10561 UDC 密级 学 号 200034002203012 毕业设计(论文)说明书 基于瞬时励磁电感的变压器励磁 涌流判别小波分析方法 学位申请人 李志铿李志铿 指导教师 专业名称电气工程及其自动化 所在学院电路学院 论文提交日期2004-6-11 II 华南理工大学毕业设计(论文)说明书华南理工大学毕业设计(论文)说明书 基于瞬时励磁电感的变压器励磁基于瞬时励磁电感的变压器励磁 涌流判别小波分析方法涌流判别小波分析方法 A WAVELET-ANALYSIS TECHNIQUE FOR IDENTIFYING MAGNETIZING INRUSH IN TRANSFOR
2、MERS BASING ON INSTANTANEOUS EXCITATION INDUCTANCE Li Zhikeng 指导教师: 申请学位级别:工学学士 专业名称: 电气工程及其自动化 论文提交日期:2004-6-11 论文答辩日期:2004-6-15 学位授予单位和日期:华南理工大学 答辩小组组长: 杨 向 宇 I 毕毕 业业 设设 计(论计(论 文)任文)任 务务 书书 兹发给 电气 00(3) 班学生 毕业设计任务书,内容如下: 1、题目: 基于瞬时励磁电感的变压器励磁涌流判别小波分析方法 2、内容及应完成的任务: (1) 了解目前国内外变压器差动保护涌流识别方案的研究现状。 (2
3、) 了解基于瞬时励磁电感频率特性的励磁涌流识别方案,研究 CT 饱和对该方案性能的影响。 (3) 研究励磁涌流的机理,建立变压器内部故障和饱和 CT 的仿真模型。 (4) 了解小波分析方法的原理,研究基于瞬时励磁电感频率特性励磁涌流识别的小波分析方法。 3、参考资料 (1) Prtrick BASTARD,Pierre BERTRAND,Michel MEUNIER,A TRANSFORMER MODEL FOR WINDING FAULT STUDIES,IEEE Transactions on Power Delivery,1994,9(2) (2) 王维俭。电气主设备继电保护原理与应用。
4、第二版,中国电力出版社,2002 (3) 葛宝明,苏鹏声,王祥珩,王维俭。基于瞬时励磁电感频率特性判别变压器励磁涌流,电力 系统自动化,2002,26(17) 4、本任务书于 年 月 日发出,应于 2004 年 6 月 11 日前完成,然后提交学 士论文答辩委员会进行答辩。 电力学院电力系负责人 审核 年 月 日 指导教师 签发 年 月 日 年 月 日 II 毕业设计(论文)评语:毕业设计(论文)评语: 毕业设计论文总评成绩: 毕业设计论文答辩组长签字: 年 月 日 摘 要 I 摘 要 变压器差动保护的研究已有相当多年的历史,以其明确选择性、快速性和高灵敏 性成为变压器等主设备的主要保护,在继
5、电保护的发展过程中,有着独特的地位。然 而,如何让保护装置正确识别内部故障电流和励磁涌流以降低误动率,仍然是目前变 压器差动保护研究急需解决的问题。为此,国内外先后提出了多种涌流识别方案,如 谐波制动原理,波形对称原理和磁通特性识别方案等,然而这些方案尚存在很多缺点 而影响它们的实际应用。因此,对其涌流识别方案的进一步研究,有很重要的现实意 义。 本文研究分析了变压器差动保护的原理,并介绍了国内外各种涌流识别方案,指 出由于励磁涌流的波形受很多因素的影响,仅仅根据电流量为判断依据,理论基础薄 弱,因此,变压器差动保护的发展趋势,是利用更好的数学工具,抛弃了传统思想, 抛弃传统的差动电流作为判据
6、的理论,提出一种无须鉴别励磁涌流基于完全参数辨识 原理的变压器保护方法。 基于变压器瞬时励磁电感频率特性的识别方案,源于变压器产生励磁涌流的根本 原因,所提特征鲜明,实现了励磁涌流与内部故障本质上的判别。其理论依据是:涌 流时变压器铁心必然经历饱和与非饱和过程,瞬时励磁电感是时变、交替变化的,具 有较大的基频分量;内部故障时, 变压器铁心工作于线性区,瞬时励磁电感恒为常数, 无基频分量,算法与实现简单,动作门坎裕度较大,整定容易,计算量小。然而由于 保护装置所检测的是电流互感器(CT)二次侧的电流量,而 CT 的饱和会使电流的波 形发生畸变,相应地瞬时励磁电感的波形也发生变化,这将会影响上述涌
7、流识别方案 的可靠性。本文先研究了变压器内部故障和发生励磁涌流的机理,并建立了变压器内 部故障的导纳支路模型、饱和的电流互感器(CT)模型和变压器涌流模型,对 CT 饱和 后的瞬时励磁电感波形进行仿真计算,并把结果与没考虑 CT 饱和的仿真结果比较,发 现 CT 的饱和会使上述涌流识别方案的保护裕度降低。 小波分析方法是 20 世纪 80 年代逐步形成并完善成熟的数学理论,它比傅立叶分 析更适合用于分析非平稳信号。从这个角度出发,本文用小波变换对两种情况下(CT 饱和与 CT 不饱和)的瞬时励磁电感波形进行仿真分析并加以比较,引入了系统状态特 征量来描述系统的状态。计算结果表明,用小波分析方法
8、对变压器瞬时励磁电感的波 形进行分析,可以不受 CT 饱和的影响,克服了上述涌流识别方案的缺点,提高其保护 裕度。 II 【关键词关键词】:变压器保护 励磁涌流 故障电流 小波分析 摘 要 III Abstract Power transformer differential protection that has quite a long history is just on the stage of development. The study on Power transformer differential protection is of practical significance
9、. The paper introduces the principle of Power transformer differential protection and points out the main problem in it, thats how to distinguish inrush from internal fault. Emphasizing introduces the main schemes which has been proposed to solve this problem. Then give a brief introduce to the curr
10、ent development of Power transformer differential protection. Because many factors will affect the inrush, merely base on the current information to make judgments wont be reliable. The identify scheme basing on excitation inductances frequency characteristic has been proved to be good effect. After
11、 do research on the mechanism of transformers internal fault and the inrush, then built the model of internal fault, inrush and saturated CT, the paper point out because the current transformers(CT) saturation will make the current aberrance, so do the excitation inductances frequency characteristic
12、 ,that will make affect to the protection scheme. The paper do simulate to the instantaneous excitation inductances frequency characteristic after considered the CTs saturation, and give a comparison between the tow results.( CT saturation or not).At last ,the result show that CTs saturation will ma
13、ke the above scheme become less reliable. The wavelet analysis is a math theory which become consummate in 1980s. It has been proved that for non-steady signals, wavelet analysis has a better effect than Fourier analysis. In that view point , the paper study the excitation inductances frequency char
14、acteristic using wavelet analysis and importing the quantification of system status to describe the systems statuses. By compared the two result(using wavelet analysis or Fourier analysis),the paper show that for studying the excitation inductances frequency characteristic, using wavelet analysis wi
15、ll not be affected by CTs saturation and make the above scheme more reliable. Key words: transformer protection;inrush ; internal fault ; wavelet analysis 目 录 I 目目 录录 摘摘 要要.I ABSTRACT III 第一章第一章 绪绪 论论.1 1.1 研究背景.1 1.2 变压器差动保护及其发展现状.1 1.2.1 变压器差动保护的原理 1 1.2.2 变压器差动保护原理的研究现状 2 1.3 变压器差动保护的发展趋势.10 1.4
16、本论文的主要内容.11 第二章第二章 变压器内部故障模型的仿真变压器内部故障模型的仿真.12 2.1 变压器的匝地故障模型 13 2.2 变压器的匝间故障模型 14 2.3 漏感因子(LEAKAGE FACTORS)的计算 15 2.4 变压器内部故障的仿真 16 2.4.1 变压器的参数16 2.4.2 变压器故障模型的支路参数矩阵 .16 2.5 本章小结 20 第三章第三章 基于瞬时励磁电感频率特性的涌流识别基于瞬时励磁电感频率特性的涌流识别21 3.1 从等效瞬时电感角度观测励磁涌流与内部故障的特征 21 3.1.1 涌流时瞬时励磁电感的特征 .21 3.1.2 故障时瞬时励磁电感的特
17、征 .22 3.1.3 新型判别方法 .22 3.2 等效瞬时电感的求取.22 3.3 计算误差对判别方法的影响.23 3.4 ATP 仿真分析23 3.4.1 内部故障时的情况 .24 3.4.2 发生励磁涌流时的情况 .26 3.4.3 发生励磁涌流时和内部故障时仿真结果的比较 .28 3.5 电流互感器(CT)饱和对仿真结果的影响28 3.5.1 饱和的电流互感器(CT)模型30 II 3.5.2 考虑电流互感器(CT)饱和后仿真分析31 3.6 本章小结.35 第四章第四章 瞬时励磁电感的小波分析瞬时励磁电感的小波分析.36 4.1 小波变换原理.36 4.1.1 小波变换 .36 4
18、.2 小波分析和傅立叶分析的比较.37 4.3 基于小波分析的谐波检测.37 4.4 仿真分析及其结果.38 4.5 本章小结.39 结结 论论.40 参考文献参考文献.41 致致 谢谢.43 第一章 绪 论 1 第一章第一章 绪绪 论论 1.11.1 研究背景研究背景 电力系统不断向高电压、远距离、大容量的方向发展,系统的网架结构和运行方式 也日益复杂,用电设备的功率及发电机容量日益增大,对电力系统继电保护四性的要 求也越来越高。电力变压器是电力系统中十分重要的供电组件,它的故障将对供电可 靠性和系统的正常运行带来严重的影响,因此,必须根据变压器的容量和重要程度考 虑装设性能良好,工作可靠的
19、继电器保护装置。 差动保护方式以其明确选择性、快速性和高灵敏性成为变压器等主设备的主要保护, 其问世已有近百年历史,在继电保护的发展过程中,有着独特的地位。 然而变压器差动保护遇到最大的困难是,在空载变压器突然合闸时,或者变压器外 部短路被切除变压器端电压突然恢复时,暂态励磁电流(即励磁涌流)的大小可与短 路电流相比拟,对差动保护系统而言,必须在这样大的不平衡电流下而不误动。解决 问题的关键,是如何让保护装置正确、快速的判别出是内部短路电流还是励磁涌流。 为此,国内外很多专家学者提出各种各样的涌流识别方案,而实际应用中,它们都 遇到各种困难。目前,对变压器差动保护涌流识别方案的研究,已经非常迫
20、切。 1.21.2 变压器差动保护及其发展现状变压器差动保护及其发展现状 1.2.11.2.1 变压器差动保护的原理变压器差动保护的原理 与电流、电压和距离保护等截然不同,差动保护是基于节点电流定律的,所以它 在原理上只反应被保护设备的内部短路电流,而不管外部发生多严重的故障。当被保 护设备无故障时: (1-1) n i i I 1 0 式中,Ii 为流向被保护设备的各个端口的电流。当被保护设备发生短路时,有: (1-2) n i Ki II 1 差动保护就是反应于这个内部短路电流IK而决定动作与否:当大于整定值时, K I zd I 保护装置动作;反之,保护装置闭锁。 由节点电流定律可知,式
21、(1-1)对电路成立,因而对于电抗器、发电机或电动机 的定子绕组、电容器、和输电线路均适用;但是对于通过磁路耦合的变压器来说,励 磁电流的存在,使即使在变压器内部没有短路的情况下,式(1-1)也不再成立,而是: 2 (1-3) n i i II 1 式中,为变压器的励磁电流。 I 在变压器正常工作时,励磁电流仅为变压器额定电流的很小一部分,约为百分之几 到千分之几,式(1-2)与式(1-3)十分接近。但是外部故障切除,电压恢复或空载 合闸时产生的励磁电流的幅值可达变压器额定电流的数倍到数十倍(此励磁电流称为 “励磁涌流” ) ,在大小上很难与变压器内部故障电路电流相区别,使式(1-3)中的 大
22、于,差动保护势必误动。 I zd I 因此,目前一般变压器用的差动继电器保护系统,其灵敏度不能设计得如发电机及 母线等所用的一样灵敏,以避免因受励磁涌流的影响而可能误动作,另外,下来因素 在设计一般电力变压器保护系统时,也需分别考虑。 变压器各侧不同的电压等级,包括分接头使用值。 变压器各侧不同的电流互感器分接头使用值及其接线法。 因变压器 Y-接线而引起的 30 相角差。 变压器 Y 接线绕组侧的中点接地情况。 变压器侧有无接地故障零相电流电源 变压器组铁心的设计。 所有上述各种因素的影响,都可以在设计时由继电器与电流互感器,使用正确的接 线及比率匹配配合解决。唯有励磁涌流对变压器的差动系统
23、影响最大1,因此,如何 让保护装置识别出励磁涌流和故障电流,是解决变压器差动保护容易误动的问题的关 键。 1.2.21.2.2 变压器差动保护原理的研究现状变压器差动保护原理的研究现状 由于差动保护原理在众多电气设备上应用的成功,人们积极研究如何克服它的缺点, 让差动保护更好的应用在变压器上。 目前,普遍以一个或多个电气量为依据,来判断是涌流还是故障。按照判别励磁涌 流时所依据的电气量,可将涌流识别方案分为三类2: (1) 只利用变压器的电流来判断涌流,如二次谐波制动原理,间断角原理等。 (2) 只利用变压器的电压来判断涌流,如电压制动原理。 (3) 同时利用变压器的电流和电压来判断涌流,如磁
24、通特性原理,等值电路原理等。 1.2.2.1 二次谐波制动原理 二次谐波制动的基本原理利用励磁涌流中有较大的二次谐波分量,而短路电流中几 乎没有二次谐波分量这一特征,以三相差动电流中的二次谐波分量作为励磁涌流闭锁 第一章 绪 论 3 判据,用以躲过变压器空投时励磁涌流造成的保护误动。 二次谐波制动原理简单明了,有多年的运行经验, 差动组件的输入为采自变压器 各绕组的经过滤波、归算、补偿的对应于基波、二次、四次谐波电流采样值。但是, 采用二次谐波制动原理的变压器保护,面临着以下几个问题: a. 对于瞬时信号而言,傅立叶变换的周期延拓将导致错误的结果,而励磁涌流是瞬 时电流,显然不适合用基于傅立叶
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