專利名稱：利用變壓器繞組振動(dòng)識(shí)別變壓器勵(lì)磁涌流的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電力變壓器的勵(lì)磁涌流及磁路飽和的識(shí)別，屬于電力變壓器狀態(tài)監(jiān)測及繼電保護(hù)領(lǐng)域，可用于構(gòu)成變壓器差動(dòng)保護(hù)新原理和判據(jù)。本發(fā)明適用于發(fā)電廠升壓變壓器、輸配電系統(tǒng)的變壓器的勵(lì)磁涌流識(shí)別，既可直接用于變壓器主保護(hù)，也可用于變壓器運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)測。
背景技術(shù)：
電力變壓器是電力系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，實(shí)現(xiàn)不同電壓等級(jí)的能量傳遞和轉(zhuǎn)換。在發(fā)電廠側(cè)實(shí)現(xiàn)電壓升高并連接到輸電網(wǎng)，在電網(wǎng)側(cè)實(shí)現(xiàn)能量在不同電壓等級(jí)的傳輸和用電。電力變壓器的故障不但會(huì)燒毀變壓器，更會(huì)直接導(dǎo)致大面積停電或電力送出受限。變壓器采用電流差動(dòng)保護(hù)作為主保護(hù)，而變壓器差動(dòng)保護(hù)的核心技術(shù)是靈敏、可靠地區(qū)分勵(lì)磁涌流和短路電流?，F(xiàn)有的識(shí)別勵(lì)磁涌流的方法主要是通過變壓器原邊、副邊電流的差動(dòng)電流波形來識(shí)別，具體原理和方法主要包括幾類:1)計(jì)算差動(dòng)電流中二次諧波分量的比例，當(dāng)比例達(dá)到一定數(shù)值，認(rèn)為發(fā)生勵(lì)磁涌流；2)識(shí)別差動(dòng)電流中的間斷角的大小，認(rèn)為電流波形在過零點(diǎn)附近存在較長時(shí)間，形成的間斷角達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，判為勵(lì)磁涌流；3)識(shí)別差動(dòng)電流波形上下半波的對(duì)稱性，認(rèn)為去除分周期分量的差動(dòng)電流波形上下半波存在較大不對(duì)稱時(shí)，則判為勵(lì)磁涌流；4)引入原邊、副邊的電壓量計(jì)算勵(lì)磁電抗，認(rèn)為當(dāng)勵(lì)磁電抗發(fā)生較大突變時(shí)，判為勵(lì)磁涌流。完全從差動(dòng)電流波形特征中識(shí)別勵(lì)磁涌流的原理受一次電流互感器和二次電流互感器的傳變特性影響?，F(xiàn)有原理未能十分有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)電力變壓器勵(lì)磁涌流的識(shí)別，在工程中仍然存在識(shí)別錯(cuò)誤導(dǎo)致的變壓器保護(hù)拒動(dòng)和誤動(dòng)。電力變壓器產(chǎn)生勵(lì)磁涌流的根本原因在于其磁路飽和。電力變壓器的制造工藝非常復(fù)雜，大型電力變壓器具有磁通密度越來越大、變壓器越來越接近于飽和臨界點(diǎn)運(yùn)行的技術(shù)趨勢(shì)。電力系統(tǒng)的故障和操作導(dǎo)致的電壓驟變都可能導(dǎo)致變壓器的磁路飽和，進(jìn)而產(chǎn)生勵(lì)磁涌流。變壓器勵(lì)磁支路的磁通由穩(wěn)態(tài)磁通和暫態(tài)磁通組成，穩(wěn)態(tài)磁通相對(duì)穩(wěn)定，暫態(tài)磁通是引發(fā)磁路飽和的關(guān)鍵。當(dāng)總磁通超過變壓器鐵芯的飽和磁通后磁路飽和，開始出現(xiàn)勵(lì)磁涌流。磁路飽和產(chǎn)生勵(lì)磁涌流的同時(shí)，也引發(fā)變壓器繞組受瞬時(shí)電動(dòng)力激勵(lì)下的振動(dòng)。在現(xiàn)有的識(shí)別勵(lì)磁涌流的技術(shù)中，繞組振動(dòng)特征被忽略了。本發(fā)明提出利用磁路飽和引發(fā)的繞組振動(dòng)特征識(shí)別勵(lì)磁涌流。變壓器繞組的電動(dòng)力與繞組中流過的電流和磁通密度成正t匕，在勵(lì)磁涌流過程中，電流最大驟增到負(fù)荷電流的6-8倍，同時(shí)磁通密度大幅提高，這兩個(gè)因素都導(dǎo)致繞組電動(dòng)力的增大，直接驅(qū)動(dòng)變壓器繞組振動(dòng)強(qiáng)度驟增。另一方面，變壓器的繞組和鐵芯的制造工藝使得繞組機(jī)械結(jié)構(gòu)較為理想，與發(fā)電機(jī)定子繞組工藝相比，通常變壓器不容易產(chǎn)生繞組松動(dòng)，這使得變壓器繞組振動(dòng)具有更好的一致性。通過檢測繞組振動(dòng)識(shí)別磁路飽和以及勵(lì)磁涌流，相對(duì)于其他通過勵(lì)磁涌流電流波形特征的識(shí)別方法具有更清晰的物理概念和魯棒性，是一種全新的監(jiān)測方法。該方法的核心技術(shù)要點(diǎn)在于:1)如何快速地識(shí)別出振動(dòng)特征；2)如何濾除振動(dòng)信號(hào)中的噪聲，做到可靠識(shí)別。勵(lì)磁涌流和短路電流一樣，是變壓器運(yùn)行中突然發(fā)生的電磁現(xiàn)象，需要快速檢測并準(zhǔn)確識(shí)別勵(lì)磁涌流才能應(yīng)用于變壓器差動(dòng)保護(hù)的涌流閉鎖。這點(diǎn)不同于旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)故障診斷的技術(shù)和算法，因此需要通過快速識(shí)別振動(dòng)測量中的突變，利用有限的振動(dòng)數(shù)據(jù)采集提取特征分量來識(shí)別。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及電力變壓器的勵(lì)磁涌流識(shí)別，公開了一種獨(dú)立于變壓器電流的、僅依靠變壓器繞組振動(dòng)的實(shí)時(shí)特征識(shí)別變壓器勵(lì)磁涌流的方法及其算法。該方法利用變壓器磁路飽和導(dǎo)致的繞組電動(dòng)力特征的變化，從變壓器繞組的多個(gè)位置采集繞組振動(dòng)信號(hào)，提取振動(dòng)信號(hào)的多模態(tài)特征，利用振動(dòng)特征模態(tài)的相對(duì)比例判別勵(lì)磁涌流。特征模態(tài)選擇振動(dòng)信號(hào)中的50Hz模態(tài)、IOOHz模態(tài)以及150Hz模態(tài)，其中50Hz模態(tài)對(duì)應(yīng)磁路中的直流偏磁、150Hz模態(tài)對(duì)應(yīng)勵(lì)磁涌流中的二次諧波電流。此外本發(fā)明采用一個(gè)工頻周期內(nèi)的振動(dòng)短時(shí)窗數(shù)據(jù)作為計(jì)算輸入，利用短時(shí)窗數(shù)據(jù)的多周期延拓和窄帶無限沖擊響應(yīng)濾波算法的配合實(shí)現(xiàn)窄帶模態(tài)特征提取，從而在一個(gè)工頻周期時(shí)間內(nèi)快速識(shí)別勵(lì)磁涌流，并具有理想的抗干擾能力和魯棒性。本發(fā)明直接反映電力變壓器的磁路飽和及磁通的偏置直流分量，具有理想的識(shí)別勵(lì)磁涌流的靈敏度、實(shí)時(shí)性和可靠性。變壓器運(yùn)行中的振動(dòng)主要包括變壓器原邊、副邊繞組振動(dòng)、鐵芯振動(dòng)、冷卻風(fēng)扇振動(dòng)。其中，繞組振動(dòng)與繞組中的電流大小和磁通密度成正比；鐵芯振動(dòng)與變壓器運(yùn)行電壓相關(guān)，空載運(yùn)行的振動(dòng)以鐵芯振動(dòng)為主，鐵芯振動(dòng)在變壓器運(yùn)行中變化不大；變壓器冷卻風(fēng)扇及其他附件在工作中的振動(dòng)較小，且振動(dòng)信號(hào)的特征頻率處于50Hz以下，易于區(qū)分。對(duì)于勵(lì)磁涌流來說，繞組中流過較大電流、磁路出現(xiàn)飽和，這使得該工況下的變壓器振動(dòng)的主體是繞組振動(dòng)。繞組振動(dòng)經(jīng)變壓器油及鐵芯的支撐部分從內(nèi)部傳遞到變壓器器殼，在器殼的不同位置的振動(dòng)測量差異較小。變壓器繞組振動(dòng)的激勵(lì)源為繞組在磁場中所受的電動(dòng)力，電動(dòng)力與繞組中的瞬時(shí)電流和磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比，如公式(I):F = nILB(I)其中F是電動(dòng)力，η是匝數(shù)，I是電流，L是導(dǎo)線在垂直于磁場方向的長度，B為磁感應(yīng)強(qiáng)度。在發(fā)生磁路飽和時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度如公式(2):
權(quán)利要求
1.一種利用電力變壓器分相繞組振動(dòng)特征模態(tài)識(shí)別變壓器勵(lì)磁涌流的方法，該方法通過提取變壓器繞組的振動(dòng)特征模態(tài)，利用不同特征模態(tài)之間的相對(duì)比例識(shí)別磁路飽和，進(jìn)而判別勵(lì)磁涌流的發(fā)生，具體包括步驟: 1)傳感器配置:在電力變壓器的各相鐵芯繞組的上端和下端分別裝設(shè)振動(dòng)傳感器，振動(dòng)信號(hào)經(jīng)電纜接入位于變壓器就地的振動(dòng)測量單元，做連續(xù)振動(dòng)采樣測量； 2)突變量啟動(dòng)的判別:定時(shí)5ms計(jì)算一次變壓器三相振動(dòng)信號(hào)的2倍工頻分量幅值，即IOOHz分量幅值，以該時(shí)刻最新的36個(gè)采樣數(shù)據(jù)作為輸入，記為{S0, S1,...，S35I，利用整周傅氏算法計(jì)算信號(hào)幅值并形成時(shí)間序列，記為{A(k-n)，...，A(k-2)，A(k-l)，A(k)}，判別100Hz分量的幅值時(shí)間序列中相鄰20ms是否存在突變量，判據(jù)為|A(k)_A(k_4) | > ΛΑ，分別計(jì)算A、B、C三相上、下振動(dòng)測點(diǎn)的突變量，當(dāng)有一個(gè)測點(diǎn)的突變量超過突變量設(shè)定門檻值Λ A，則判定突變量啟動(dòng)； 3)計(jì)算特征模態(tài)的幅值:當(dāng)步驟2)識(shí)別出突變量啟動(dòng)后，選取當(dāng)前的20ms振動(dòng)采樣值，做周期延拓，作為特征量計(jì)算輸入的長數(shù)據(jù)樣本；對(duì)各相振動(dòng)測點(diǎn)分別采用窄帶數(shù)字濾波器組提取頻率為50Hz的模態(tài)1、頻率為IOOHz的模態(tài)2、頻率為150Hz的模態(tài)3，取窄帶數(shù)字濾波器組濾波輸出的最后一個(gè)周波數(shù)據(jù)，用于計(jì)算模態(tài)幅值，計(jì)算結(jié)果記為AM1，Am2, Am3 ； 4)勵(lì)磁涌流的判別:計(jì)算特征模態(tài)幅值的相對(duì)比例
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用電力變壓器分相繞組振動(dòng)特征模態(tài)識(shí)別變壓器勵(lì)磁涌流的方法，其中所述的計(jì)算特征模態(tài)的幅值，其特征在于利用短時(shí)窗采樣數(shù)據(jù)延拓獲得長數(shù)據(jù)樣本作為特征模態(tài)計(jì)算的輸入，延拓的周期數(shù)不小于25 ;各特征模態(tài)的窄帶數(shù)字濾波器組由窄帶帶通濾波器和若干帶阻濾波器級(jí)聯(lián)構(gòu)成，其中窄帶帶通濾波器的通帶中心頻寬為5Hz，帶阻濾波器的阻帶中心頻寬為5Hz。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用電力變壓器分相繞組振動(dòng)特征模態(tài)識(shí)別變壓器勵(lì)磁涌流的方法，其中所述的勵(lì)磁涌流的判別，其特征在于采用
全文摘要
本發(fā)明涉及電力變壓器的勵(lì)磁涌流識(shí)別，公開了一種獨(dú)立于變壓器電流的、僅依靠變壓器繞組振動(dòng)的實(shí)時(shí)特征識(shí)別勵(lì)磁涌流的方法及其算法。該方法利用變壓器磁路飽和導(dǎo)致的繞組電動(dòng)力變化特征，采集繞組振動(dòng)信號(hào)并提取其特征模態(tài)，利用振動(dòng)特征模態(tài)的相對(duì)關(guān)系判別勵(lì)磁涌流。特征模態(tài)選擇振動(dòng)信號(hào)中的50Hz工頻及其二倍頻率、三倍頻率信號(hào)，其中工頻模態(tài)對(duì)應(yīng)磁路中的直流偏磁、三倍頻模態(tài)對(duì)應(yīng)勵(lì)磁涌流中的二次諧波電流。算法采用一個(gè)工頻周期的振動(dòng)短時(shí)窗數(shù)據(jù)經(jīng)多周期延拓生成長數(shù)據(jù)樣本，利用窄帶數(shù)字濾波器組算法實(shí)現(xiàn)特征模態(tài)提取，從而在一個(gè)工頻周期時(shí)間內(nèi)快速識(shí)別勵(lì)磁涌流，并具有理想的抗干擾能力和魯棒性。
文檔編號(hào)G01H11/08GK103149470SQ201310033050
公開日2013年6月12日 申請(qǐng)日期2013年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月29日
發(fā)明者李娟 申請(qǐng)人:北京信息科技大學(xué)