一种新型变压器差动保护起动元件

谢 伟，何人望，宋海燕

(1.华东交通大学电气与电子工程学院，江西南昌330013;2.湖南大学电气与信息工程学院，湖南长沙410082)

变压器在电力系统中具有重要作用，电网对变压器保护的要求也越来越高。据文献[1]统计:目前，变压器差动保护的动作正确率不到70%，远低于其他电力设备保护的运行水平，因此我们必须对变压器的保护方法做深入的探讨研究。文献[2]指出，变压器差动保护原理上只反应内部短路，并很好的取得了变压器内部故障时保护动作的灵敏性、快速性和选择性。但是差动保护只适用于满足电流基尔霍夫定律的纯电路设备，而在变压器差动保护范围内，不仅包含电路，而且包含非线性的铁心磁路，因此当变压器本身无故障空载合闸、外部故障切除电压恢复和过励磁时，差动保护中会过很大的励磁电流，从而导致变压器差动保护误动作。

目前，实际运行的变压器差动保护主要是采用以二次谐波制动原理和间断角原理来判别励磁涌流，其中二次谐波制动原理应用最为广泛。但是由于CT饱和，无功补偿用的并联电容或超高压长输电线分布电容的存在，使得变压器发生内部故障时也会产生很大的二次谐波，而且随着大型变压器铁心采用冷轧硅钢片后，饱和磁通倍数由1.4降至了1.2～1.3，甚至低至1.1，使励磁涌流的二次谐波含量有时低至10%以下，这样二次谐波制动原理的制动比很难选取，保护就可能存在不正确动作。为了克服谐波制动原理的缺陷，人们又研究各种区分变压器故障电流与励磁涌流的方法，包括间断角原理、波形对称原理、小波变换原理、磁通特性原理、等值电路原理、序阻抗原理、比率差动保护原理等，但是以上判别原理仍有不足之处[3]。

因此，摆脱现有技术束缚，探寻新的变压器保护原理是今后研究的重点方向[4]。本文提出了一种新型的变压器差动保护起动元件——基于小波变换的行波识别起动元件，它将有效的判别变压器的励磁涌流与内部故障，从而能大大提高变压器差动保护的可靠性。

1 起动元件的起动判据及其工作原理

小波变换是一种较新的数字信号处理工具，其最大特点是具有时间-频率局部化的性能，因而非常适合分析暂态行波这种具有奇异性质的突变信号[5]。小波变换的奇异性检测理论是在行波中提取故障信息的理论基础，其中不同尺度下的小波变换模极大值准确地包含了故障点的主要故障信息，它们是:

(1)行波信号突变量的幅值与陡度;(2)行波信号突变量极性;(3)故障出现的位置和时间;(4)不同尺度下模极大值的变化情况。

因此小波变换的出现，为电流、电压行波在保护方面的的应用奠定了坚实的数学基础[6-10]。且为电压、电流行波分析在变压器差动保护方面的应用提供了可靠的科学依据。本文的研究主要用到小波变换下行波信号突变的幅值与陡度和不同尺度下模极大值的变化情况。

一个函数(信号)f(t)∈R在某点的奇异性常用其奇异性指数Lipischitzα来刻画，即信号的奇异检测理论[4]。

定义 设0≤α≤1，在点t0，若存在常数K，对t0的临域x使得下式成立

则称函数f(t)在点t0的奇异性指数是α。

如果α=1，则函数f(t)在t0是可微的，称函数f(t)没有奇异性;如果α=0，则函数f(t)在t0间断。α越大，说明奇异函数f(t)越不奇异;α越小，说明奇异函数f(t)在t0点越尖锐。

变压器差动保护的原理是基于进入网络的电流和离开网络的电流相等，但差动原理用到电力变压器的内部保护上，则存在励磁涌流，可能造成差动保护误动作[1]209，所以如何识别励磁涌流与内部故障是解决问题的关键。

对励磁涌流与内部故障行波信号进行小波变换，作者得出励磁涌流和内部故障行波信号在小波变换下模极大值的变换规律:对于励磁涌流，其小波变换模极大值随s=2j(尺度因子)的增大而迅速衰减;而内部故障行波信号的小波变换模极大值随尺度因子的增大而增大或保持不变。据此起动元件的起动条件可以设定为:对于起动元件所检测到的信号，如果其小波变换的模极大值增大或不变，则判定为行波故障信号到来，起动元件起动，否则起动元件不动作，用式子可表示成

图1 起动原理框图

综合(2)和(3)就可以构成基于小波变换的行波识别起动元件。则基于小波变换的行波识别起动元件的起动原理框图如图1。

从而变压器差动保护动作的原理框图如图2。

图2 变压器差动保护动作框图

2 基于simulink及wavemenu的实例仿真

MATLAB中的simulink Power System提供了电力系统的各种电力元件，可以用来建立仿真模型，确定好模型的各项参数，就能得到正确的涌流和短路电流波形的模型仿真。另外，MATLAB中的wavemenu为得到的各电流波形提供了各种小波变化工具，本文主要用二进小波在不同s(s为尺度因子)下的db3连续小波变换。

本文利用饱和单相双绕组变压器建立了励磁涌流模型和短路故障模型，如图3和图5所示，得出励磁涌流波形和变压器短路故障波形及各波形在不同尺度因子下的小波变换波形图，如图4和图6所示，仿真型变压器参数如表1。

表1 变压器仿真模型参数

图3 变压器励磁涌流仿真模型

图4 励磁涌流原始信号以及各尺度小波变换波形图

图5 变压器内部故障仿真模型

图6 变压器短路电流原始信号以及各尺度小波变换波形图

从励磁涌流原始信号以及各尺度小波变换波形图(见图4)可以看出:对于变压器励磁涌流，其小波变换模极大值随尺度因子的增大而迅速衰减;从变压器短路电流原始信号以及各尺度小波变换波形图(见图6)可以看出:对于变压器短路故障电流，其小波变换模极大值随尺度因子的增大而增大或保持不变。因此，利用上述规律来设计出的基于小波变换的行波识别起动元件是完全合理可行的，进而大大提高变压器差动保护的可靠性。

3 结束语

小波分析具有多尺度分析和良好的时频局部化特性，可以准确地捕捉突变信号特征。本文通过将变压器励磁涌流与内部短路故障电流的仿真波形进行小波变换后发现，二者在不同尺度因子的小波变换下，其模极大值存在差异明显的变化规律，能够对变压器励磁涌流和内部短路电流进行准确的识别，从而得出一种新型的变压器差动保护起动元件——基于小波变换的行波识别起动元件。

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