一种基于差流基波分量相位的励磁涌流识别方法与流程

本发明涉及一种变压器继电保护技术，尤其涉及一种基于差流基波分量相位的励磁涌流识别方法。

背景技术：

作为变压器主保护，差动保护在现场保护设备应用中最为普遍。励磁涌流是差动保护运行过程中无法避免的问题。随着变压器铁芯材料的改进，励磁涌流的波形特征逐渐减弱，现场保护装置广泛采用的以二次谐波含量和间断角为原理的方法已难以有效识别励磁涌流。因此，如何准确识别励磁涌流，已经成为研究人员长期致力于解决的难题。

国内外专家学者提出了许多方法，但这些方法存在着不同的问题，例如：磁通特性法、等效瞬时电感法、动态阻抗法等，这些以励磁涌流的原理为出发点的方法，均需要引入电压量，在电压回路断线时可能无法正确动作；以励磁涌流的波形特征为原理的小波分析法，方法需要的采样频率较高，不利于应用到现场保护装置中；以励磁涌流各分量的衰减速率为原理的方法，方法用时较长导致短路电流对变压器的损害较大。

技术实现要素：

针对背景技术中的问题，本发明提出了一种基于差流基波分量相位的励磁涌流识别方法，具体的励磁涌流识别方法包括：

1)获取变压器三相差流的波形数据，采用傅里叶算法计算出三相差流各自的二次谐波含量、基波分量幅值和相位；

2)根据下式计算出各相差流的判断阈值kset：

kset＝0.12+0.08·(ie/id1)

其中，ie为变压器高压侧额定电流，id1为某相差流的基波分量幅值，id1＝max{ie，id1}；

3)将三相差流的二次谐波含量与各自的kset进行比较：

①若两相差流或三相差流的二次谐波含量高于相应的kset，则判定为励磁涌流；

②若仅有一相差流的二次谐波含量高于相应的kset：将二次谐波含量低于kset的那两相差流的基波分量分别记为基波分量一和基波分量二，判断基波分量一和基波分量二的相位差是否大于180°-θ1：如基波分量一和基波分量二的相位差大于180°-θ1，则判定为短路电流，如基波分量一和基波分量二的相位差小于180°-θ1，则判定为励磁涌流；

③若三相差流的二次谐波含量均低于相应的kset，将三相差流的基波分量分别记为基波分量三、基波分量四和基波分量五，继续判断是否存在基波分量三和基波分量四的相位差在(60°-θ2，60°+θ2)的范围内，且基波分量五与相位夹角平分线的相位差在(180°-θ2，180°+θ2)的范围内，如前述判据成立则判定为励磁涌流，如前述判据不成立则判定为短路电流；所述相位夹角平分线为：基波分量三的相位角和基波分量四的相位角的夹角的角平分线。

本发明的原理是：发生励磁涌流时，由于三相电压的对称性，铁芯的三相剩磁之和应为0，励磁涌流的自由分量会使两相涌流偏向时间轴的同侧，一相涌流偏向时间轴的另一侧。当两相涌流自由分量确定时，偏向时间轴不同侧的两相涌流合成的励磁涌流会比偏向时间轴同侧的两相涌流合成的励磁涌流，二次谐波含量更低。方案中的判断阈值kset根据当前的基波分量幅值计算得到，可以较好地适应励磁涌流饱和程度的变化，使判定结果更加准确。

kset的数值范围通常为0.12～0.2，为了便于分析，暂将三相差流所对应的kset均设为一定值0.15；发生三相励磁涌流二次谐波含量均低于定值的条件是：由偏向时间轴同侧的两相涌流合成的励磁涌流的二次谐波含量低于定值；发生两相励磁涌流二次谐波含量低于定值的条件是：由偏向时间轴不同侧的两相涌流合成的励磁涌流的二次谐波含量低于定值。

(1)对于由偏向时间轴同侧的两相涌流合成的励磁涌流，由于自由分量不可能令两相涌流同时饱和程度较大，所以只有在一相涌流饱和程度较大、一相涌流饱和程度较小的情况下，才会导致合成的励磁涌流的二次谐波含量低于定值，且在这种条件下，剩余那相涌流的饱和程度也应较大，导致三相励磁涌流的二次谐波含量均低于定值。三相励磁涌流的二次谐波含量均低于定值时，励磁涌流基波分量的向量如图1所示。图中，ia，ib，ic分别为三相涌流，ia-ib，ib-ic，ic-ia分别为三相励磁涌流，其中ib，ic是偏向时间轴同一侧的两相涌流，且ib的饱和程度较小，ic的饱和程度较大，ia是偏向于时间轴另一侧的涌流，p为ia-ib，ib-ic两相励磁涌流基波分量的相位角的夹角的等分线。由于ia，ic的饱和程度较大，基波分量幅值较大，ib的饱和程度较小，基波分量幅值较小，所以ia-ib的基波分量与ia的基波分量的相位差接近0°，ib-ic的基波分量与ic的基波分量的相位差接近180°。ia与ic的基波分量相位差为120°，则ia-ib，ib-ic的基波分量的相位差，即夹角1应接近60°，等分线p与ia-ib的相位差，即夹角2应接近30°。另外，三相差流的基波分量总共可形成三个相位差，三个相位差之和为360°，且各相位差应小于180°，所以不可能同时存在基波分量的两个或三个相位差在60°附近。由于ib相涌流基波分量幅值较小，ia与ic的基波分量幅值应较为接近，从而使得ia-ib与ib-ic的基波分量幅值也应较为接近。由于夹角1约为60°，ic-ia与ia-ib的基波分量相位差，即夹角3应接近30°，所以等分线p与ic-ia的基波分量的相位差应为180°左右。

(2)要令含有偏向时间轴另一侧的涌流的两相励磁涌流二次谐波含量低于定值，偏向时间轴另一侧的涌流饱和程度应较大。两相励磁涌流二次谐波含量低于定值时的三相励磁涌流基波分量的向量如图2所示。图中，由于ia饱和程度较大，ic-ia和ia-ib的二次谐波含量低于定值，两相励磁涌流的基波分量夹角，即夹角4为ic-ia，ia-ib，ib-ic构成的三角形的一个外角，ia与ib，ic基波分量幅值的差距决定了夹角4的大小。变压器发生励磁涌流时，三相涌流基波分量幅值的差距与发生短路故障时相比较小，夹角4与180°有一定的距离。变压器空载合闸于单相接地故障的三相差流基波分量的向量如图3所示。图中，由于ia与ib，ic基波分量幅值的差距过大，夹角4非常接近180°。

(3)当变压器发生短路故障时，由于短路电流的幅值远大于励磁涌流，且短路电流至少存在于两相差流中，导致差流的二次谐波含量低于定值。所以，当三相差流中存在两相或三相二次谐波含量高于定值时，应为励磁涌流。

基于前述方案，本发明还提出了如下的优选方案：所述θ1的取值范围为20°～30°，θ2的取值范围为5°～10°，θ3的取值范围为5°～10°。

在前述的优选方案基础上，θ1，θ2和θ3的具体数值还可采用如下的优选方案：θ1的取值为25°，θ2的取值为7°，θ3的取值为7°。

本发明的有益技术效果是：1、本发明方法采用傅里叶算法进行处理，算法运算量小，方法运算时间较短；2、kset由当前的基波分量幅值实时计算得到，可以较好适应励磁涌流饱和程度的变化；3、逻辑判据清晰，简单，能够可靠地识别出变压器励磁涌流；4、对采样频率要求较低，不需要引入电压量，方便应用在微机保护装置中。

附图说明

图1、变压器三相励磁涌流二次谐波含量低于定值时的三相励磁涌流基波分量向量示意图；

图2、变压器两相励磁涌流二次谐波含量低于定值时的三相励磁涌流基波分量向量示意图；

图3、变压器空载合闸时发生单相接地故障的三相差流基波分量向量示意图；

图4、本发明实施例变压器内部短路与励磁涌流仿真系统模型；

图5、变压器三相励磁涌流二次谐波含量低于定值时的三相差流波形示意图；

图6、变压器两相励磁涌流二次谐波含量低于定值时的三相差流波形示意图；

图7、变压器空载合闸时发生单相接地故障的三相差流波形示意图。

具体实施方式

一种基于差流基波分量相位的励磁涌流识别方法，其创新在于：所述励磁涌流识别方法包括：

1)获取变压器三相差流的波形数据，采用傅里叶算法计算出三相差流各自的二次谐波含量、基波分量幅值和相位；

2)根据下式计算出各相差流的判断阈值kset：

kset＝0.12+0.08·(ie/id1)

其中，ie为变压器高压侧额定电流，id1为某相差流的基波分量幅值，id1＝max{ie，id1}；

3)将三相差流的二次谐波含量与各自的kset进行比较：

①若两相差流或三相差流的二次谐波含量高于相应的kset，则判定为励磁涌流；

②若仅有一相差流的二次谐波含量高于相应的kset：将二次谐波含量低于kset的那两相差流的基波分量分别记为基波分量一和基波分量二，判断基波分量一和基波分量二的相位差是否大于180°-θ1：如基波分量一和基波分量二的相位差大于180°-θ1，则判定为短路电流，如基波分量一和基波分量二的相位差小于180°-θ1，则判定为励磁涌流；

③若三相差流的二次谐波含量均低于相应的kset，将三相差流的基波分量分别记为基波分量三、基波分量四和基波分量五，继续判断是否存在基波分量三和基波分量四的相位差在(60°-θ2，60°+θ2)的范围内，且基波分量五与相位夹角平分线的相位差在(180°-θ2，180°+θ2)的范围内，如前述判据成立则判定为励磁涌流，如前述判据不成立则判定为短路电流；所述相位夹角平分线为：基波分量三的相位角和基波分量四的相位角的夹角的角平分线。

具体实施时，θ1，θ2，θ3可根据变压器的饱和特性曲线选取，本发明提出如下的优选取值范围：所述θ1的取值范围为20°～30°，θ2的取值范围为5°～10°，θ3的取值范围为5°～10°。

进一步地，θ1的取值为25°，θ2的取值为7°，θ3的取值为7°。θ1，θ2，θ3可根据变压器的饱和特性曲线选取，θ1可取为20～30之间，θ2，θ3可取为5～10之间。例如：θ1可取值为25，θ2，θ3取值为7。

下面通过实施例来进一步讲解本发明：

建立如图4所示的变压器内部短路与励磁涌流仿真系统模型，其中变压器接线方式为yd11，变压器参数为：额定容量为6.3mva，额定变比为110/10kv，等效电阻为0.00271(pu)，等效电抗为0.0525(pu)，励磁曲线为0,0；0,1.1；1,1.6(pu)。

实施例1：在图4模型条件下，设置a相合闸角为20°，变压器空载合闸发生励磁涌流，得到的三相差流的波形如图5所示。经过计算，三相差流的kset分别为：13.915％，14.02％，13.04％。经过傅里叶算法计算，三相差流二次谐波含量分别为：9.67％,13.84％,6.65％，三相差流分别低于各自的kset，三相差流基波分量的相位分别为：-65.4°，233.1°，84.8°。其中，a，b两相差流基波分量相位差为61.5°，c相差流基波分量与a，b两相差流基波分量的相位夹角平分线的相位差为179.05°。三相差流基波分量相位满足判据，判定为励磁涌流。

实施例2：在图4模型条件下，设置a相合闸角为0°，变压器空载合闸发生励磁涌流，得到的三相差流的波形如图6所示。经过计算，三相差流的kset分别为：13.66％，14.42％，13.12％。经过傅里叶算法计算，三相差流二次谐波含量分别为：8.41％，33.14％，11.77％。a，c两相差流二次谐波含量分别低于相应的kset，两相差流基波分量相位分别为-82.6°，66°，相位差为148.6°，不满足差流基波分量相位判据，判别为励磁涌流。

实施例3：在图4模型条件下，设置变压器空载合闸时发生单相接地故障，接地电阻为1欧姆，在该模型下，得到的三相差流的波形如图7所示。经过计算，三相差流的kset分别为：12.01％，14.15％，12.01％。经傅里叶算法计算，三相差流的二次谐波含量分别为：3.15％，45.71％，3.17％。a，c两相差流二次谐波含量分别低于相应的kset，两相差流基波分量相位分别为：12.8°，192.8°，相位差为180°，满足差流基波分量相位判据，判定为短路电流。

以上所述仅为本发明的优选实施方式，但本发明不限于上述实施方式。凡是在不改变本发明核心原理的前提下，对本发明所做的等效流程变换或替代，均包括在本发明的专利保护范围内。