專利名稱：利用變壓器繞組振動識別變壓器勵磁涌流的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及電力變壓器的勵磁涌流及磁路飽和的識別，屬于電力變壓器狀態(tài)監(jiān)測及繼電保護領域，可用于構成變壓器差動保護新原理和判據(jù)。本發(fā)明適用于發(fā)電廠升壓變壓器、輸配電系統(tǒng)的變壓器的勵磁涌流識別，既可直接用于變壓器主保護，也可用于變壓器運行狀態(tài)在線監(jiān)測。
背景技術：
電力變壓器是電力系統(tǒng)的關鍵設備，實現(xiàn)不同電壓等級的能量傳遞和轉換。在發(fā)電廠側實現(xiàn)電壓升高并連接到輸電網(wǎng)，在電網(wǎng)側實現(xiàn)能量在不同電壓等級的傳輸和用電。電力變壓器的故障不但會燒毀變壓器，更會直接導致大面積停電或電力送出受限。變壓器采用電流差動保護作為主保護，而變壓器差動保護的核心技術是靈敏、可靠地區(qū)分勵磁涌流和短路電流?，F(xiàn)有的識別勵磁涌流的方法主要是通過變壓器原邊、副邊電流的差動電流波形來識別，具體原理和方法主要包括幾類:1)計算差動電流中二次諧波分量的比例，當比例達到一定數(shù)值，認為發(fā)生勵磁涌流；2)識別差動電流中的間斷角的大小，認為電流波形在過零點附近存在較長時間，形成的間斷角達到一定數(shù)值時，判為勵磁涌流；3)識別差動電流波形上下半波的對稱性，認為去除分周期分量的差動電流波形上下半波存在較大不對稱時，則判為勵磁涌流；4)引入原邊、副邊的電壓量計算勵磁電抗，認為當勵磁電抗發(fā)生較大突變時，判為勵磁涌流。完全從差動電流波形特征中識別勵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現(xiàn)對電力變壓器勵磁涌流的識別，在工程中仍然存在識別錯誤導致的變壓器保護拒動和誤動。電力變壓器產(chǎn)生勵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運行的技術趨勢。電力系統(tǒng)的故障和操作導致的電壓驟變都可能導致變壓器的磁路飽和，進而產(chǎn)生勵磁涌流。變壓器勵磁支路的磁通由穩(wěn)態(tài)磁通和暫態(tài)磁通組成，穩(wěn)態(tài)磁通相對穩(wěn)定，暫態(tài)磁通是引發(fā)磁路飽和的關鍵。當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)勵磁涌流。磁路飽和產(chǎn)生勵磁涌流的同時，也引發(fā)變壓器繞組受瞬時電動力激勵下的振動。在現(xiàn)有的識別勵磁涌流的技術中，繞組振動特征被忽略了。本發(fā)明提出利用磁路飽和引發(fā)的繞組振動特征識別勵磁涌流。變壓器繞組的電動力與繞組中流過的電流和磁通密度成正t匕，在勵磁涌流過程中，電流最大驟增到負荷電流的6-8倍，同時磁通密度大幅提高，這兩個因素都導致繞組電動力的增大，直接驅動變壓器繞組振動強度驟增。另一方面，變壓器的繞組和鐵芯的制造工藝使得繞組機械結構較為理想，與發(fā)電機定子繞組工藝相比，通常變壓器不容易產(chǎn)生繞組松動，這使得變壓器繞組振動具有更好的一致性。通過檢測繞組振動識別磁路飽和以及勵磁涌流，相對于其他通過勵磁涌流電流波形特征的識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。該方法的核心技術要點在于:1)如何快速地識別出振動特征；2)如何濾除振動信號中的噪聲，做到可靠識別。勵磁涌流和短路電流一樣，是變壓器運行中突然發(fā)生的電磁現(xiàn)象，需要快速檢測并準確識別勵磁涌流才能應用于變壓器差動保護的涌流閉鎖。這點不同于旋轉機械振動故障診斷的技術和算法，因此需要通過快速識別振動測量中的突變，利用有限的振動數(shù)據(jù)采集提取特征分量來識別。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及電力變壓器的勵磁涌流識別，公開了一種獨立于變壓器電流的、僅依靠變壓器繞組振動的實時特征識別變壓器勵磁涌流的方法及其算法。該方法利用變壓器磁路飽和導致的繞組電動力特征的變化，從變壓器繞組的多個位置采集繞組振動信號，提取振動信號的多模態(tài)特征，利用振動特征模態(tài)的相對比例判別勵磁涌流。特征模態(tài)選擇振動信號中的50Hz模態(tài)、IOOHz模態(tài)以及150Hz模態(tài)，其中50Hz模態(tài)對應磁路中的直流偏磁、150Hz模態(tài)對應勵磁涌流中的二次諧波電流。此外本發(fā)明采用一個工頻周期內(nèi)的振動短時窗數(shù)據(jù)作為計算輸入，利用短時窗數(shù)據(jù)的多周期延拓和窄帶無限沖擊響應濾波算法的配合實現(xiàn)窄帶模態(tài)特征提取，從而在一個工頻周期時間內(nèi)快速識別勵磁涌流，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，具有理想的識別勵磁涌流的靈敏度、實時性和可靠性。變壓器運行中的振動主要包括變壓器原邊、副邊繞組振動、鐵芯振動、冷卻風扇振動。其中，繞組振動與繞組中的電流大小和磁通密度成正比；鐵芯振動與變壓器運行電壓相關，空載運行的振動以鐵芯振動為主，鐵芯振動在變壓器運行中變化不大；變壓器冷卻風扇及其他附件在工作中的振動較小，且振動信號的特征頻率處于50Hz以下，易于區(qū)分。對于勵磁涌流來說，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的主體是繞組振動。繞組振動經(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測量差異較小。變壓器繞組振動的激勵源為繞組在磁場中所受的電動力，電動力與繞組中的瞬時電流和磁感應強度成正比，如公式(I):F = nILB(I)其中F是電動力，η是匝數(shù)，I是電流，L是導線在垂直于磁場方向的長度，B為磁感應強度。在發(fā)生磁路飽和時的磁感應強度如公式(2):
權利要求
1.一種利用電力變壓器分相繞組振動特征模態(tài)識別變壓器勵磁涌流的方法，該方法通過提取變壓器繞組的振動特征模態(tài)，利用不同特征模態(tài)之間的相對比例識別磁路飽和，進而判別勵磁涌流的發(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振動傳感器，振動信號經(jīng)電纜接入位于變壓器就地的振動測量單元，做連續(xù)振動采樣測量； 2)突變量啟動的判別:定時5ms計算一次變壓器三相振動信號的2倍工頻分量幅值，即IOOHz分量幅值，以該時刻最新的36個采樣數(shù)據(jù)作為輸入，記為{S0, S1,...，S35I，利用整周傅氏算法計算信號幅值并形成時間序列，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，分別計算A、B、C三相上、下振動測點的突變量，當有一個測點的突變量超過突變量設定門檻值Λ A，則判定突變量啟動； 3)計算特征模態(tài)的幅值:當步驟2)識別出突變量啟動后，選取當前的20ms振動采樣值，做周期延拓，作為特征量計算輸入的長數(shù)據(jù)樣本；對各相振動測點分別采用窄帶數(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周波數(shù)據(jù)，用于計算模態(tài)幅值，計算結果記為AM1，Am2, Am3 ； 4)勵磁涌流的判別:計算特征模態(tài)幅值的相對比例
2.根據(jù)權利要求1所述的一種利用電力變壓器分相繞組振動特征模態(tài)識別變壓器勵磁涌流的方法，其中所述的計算特征模態(tài)的幅值，其特征在于利用短時窗采樣數(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聯(lián)構成，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)權利要求1所述的一種利用電力變壓器分相繞組振動特征模態(tài)識別變壓器勵磁涌流的方法，其中所述的勵磁涌流的判別，其特征在于采用
全文摘要
本發(fā)明涉及電力變壓器的勵磁涌流識別，公開了一種獨立于變壓器電流的、僅依靠變壓器繞組振動的實時特征識別勵磁涌流的方法及其算法。該方法利用變壓器磁路飽和導致的繞組電動力變化特征，采集繞組振動信號并提取其特征模態(tài)，利用振動特征模態(tài)的相對關系判別勵磁涌流。特征模態(tài)選擇振動信號中的50Hz工頻及其二倍頻率、三倍頻率信號，其中工頻模態(tài)對應磁路中的直流偏磁、三倍頻模態(tài)對應勵磁涌流中的二次諧波電流。算法采用一個工頻周期的振動短時窗數(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)字濾波器組算法實現(xiàn)特征模態(tài)提取，從而在一個工頻周期時間內(nèi)快速識別勵磁涌流，并具有理想的抗干擾能力和魯棒性。
文檔編號G01H11/08GK103149470SQ201310033050
公開日2013年6月12日 申請日期2013年1月29日 優(yōu)先權日2013年1月29日
發(fā)明者李娟 申請人:北京信息科技大學