专利名称：利用变压器绕组振动识别变压器励磁涌流的方法
技术领域：
本发明涉及电力变压器的励磁涌流及磁路饱和的识别，属于电力变压器状态监测及继电保护领域，可用于构成变压器差动保护新原理和判据。本发明适用于发电厂升压变压器、输配电系统的变压器的励磁涌流识别，既可直接用于变压器主保护，也可用于变压器运行状态在线监测。
背景技术：
电力变压器是电力系统的关键设备，实现不同电压等级的能量传递和转换。在发电厂侧实现电压升高并连接到输电网，在电网侧实现能量在不同电压等级的传输和用电。电力变压器的故障不但会烧毁变压器，更会直接导致大面积停电或电力送出受限。变压器采用电流差动保护作为主保护，而变压器差动保护的核心技术是灵敏、可靠地区分励磁涌流和短路电流。现有的识别励磁涌流的方法主要是通过变压器原边、副边电流的差动电流波形来识别，具体原理和方法主要包括几类:1)计算差动电流中二次谐波分量的比例，当比例达到一定数值，认为发生励磁涌流；2)识别差动电流中的间断角的大小，认为电流波形在过零点附近存在较长时间，形成的间断角达到一定数值时，判为励磁涌流；3)识别差动电流波形上下半波的对称性，认为去除分周期分量的差动电流波形上下半波存在较大不对称时，则判为励磁涌流；4)引入原边、副边的电压量计算励磁电抗，认为当励磁电抗发生较大突变时，判为励磁涌流。完全从差动电流波形特征中识别励磁涌流的原理受一次电流互感器和二次电流互感器的传变特性影响。现有原理未能十分有效地实现对电力变压器励磁涌流的识别，在工程中仍然存在识别错误导致的变压器保护拒动和误动。电力变压器产生励磁涌流的根本原因在于其磁路饱和。电力变压器的制造工艺非常复杂，大型电力变压器具有磁通密度越来越大、变压器越来越接近于饱和临界点运行的技术趋势。电力系统的故障和操作导致的电压骤变都可能导致变压器的磁路饱和，进而产生励磁涌流。变压器励磁支路的磁通由稳态磁通和暂态磁通组成，稳态磁通相对稳定，暂态磁通是引发磁路饱和的关键。当总磁通超过变压器铁芯的饱和磁通后磁路饱和，开始出现励磁涌流。磁路饱和产生励磁涌流的同时，也引发变压器绕组受瞬时电动力激励下的振动。在现有的识别励磁涌流的技术中，绕组振动特征被忽略了。本发明提出利用磁路饱和引发的绕组振动特征识别励磁涌流。变压器绕组的电动力与绕组中流过的电流和磁通密度成正t匕，在励磁涌流过程中，电流最大骤增到负荷电流的6-8倍，同时磁通密度大幅提高，这两个因素都导致绕组电动力的增大，直接驱动变压器绕组振动强度骤增。另一方面，变压器的绕组和铁芯的制造工艺使得绕组机械结构较为理想，与发电机定子绕组工艺相比，通常变压器不容易产生绕组松动，这使得变压器绕组振动具有更好的一致性。通过检测绕组振动识别磁路饱和以及励磁涌流，相对于其他通过励磁涌流电流波形特征的识别方法具有更清晰的物理概念和鲁棒性，是一种全新的监测方法。该方法的核心技术要点在于:1)如何快速地识别出振动特征；2)如何滤除振动信号中的噪声，做到可靠识别。励磁涌流和短路电流一样，是变压器运行中突然发生的电磁现象，需要快速检测并准确识别励磁涌流才能应用于变压器差动保护的涌流闭锁。这点不同于旋转机械振动故障诊断的技术和算法，因此需要通过快速识别振动测量中的突变，利用有限的振动数据采集提取特征分量来识别。

发明内容
本发明涉及电力变压器的励磁涌流识别，公开了一种独立于变压器电流的、仅依靠变压器绕组振动的实时特征识别变压器励磁涌流的方法及其算法。该方法利用变压器磁路饱和导致的绕组电动力特征的变化，从变压器绕组的多个位置采集绕组振动信号，提取振动信号的多模态特征，利用振动特征模态的相对比例判别励磁涌流。特征模态选择振动信号中的50Hz模态、IOOHz模态以及150Hz模态，其中50Hz模态对应磁路中的直流偏磁、150Hz模态对应励磁涌流中的二次谐波电流。此外本发明采用一个工频周期内的振动短时窗数据作为计算输入，利用短时窗数据的多周期延拓和窄带无限冲击响应滤波算法的配合实现窄带模态特征提取，从而在一个工频周期时间内快速识别励磁涌流，并具有理想的抗干扰能力和鲁棒性。本发明直接反映电力变压器的磁路饱和及磁通的偏置直流分量，具有理想的识别励磁涌流的灵敏度、实时性和可靠性。变压器运行中的振动主要包括变压器原边、副边绕组振动、铁芯振动、冷却风扇振动。其中，绕组振动与绕组中的电流大小和磁通密度成正比；铁芯振动与变压器运行电压相关，空载运行的振动以铁芯振动为主，铁芯振动在变压器运行中变化不大；变压器冷却风扇及其他附件在工作中的振动较小，且振动信号的特征频率处于50Hz以下，易于区分。对于励磁涌流来说，绕组中流过较大电流、磁路出现饱和，这使得该工况下的变压器振动的主体是绕组振动。绕组振动经变压器油及铁芯的支撑部分从内部传递到变压器器壳，在器壳的不同位置的振动测量差异较小。变压器绕组振动的激励源为绕组在磁场中所受的电动力，电动力与绕组中的瞬时电流和磁感应强度成正比，如公式(I):F = nILB(I)其中F是电动力，η是匝数，I是电流，L是导线在垂直于磁场方向的长度，B为磁感应强度。在发生磁路饱和时的磁感应强度如公式(2):
权利要求
1.一种利用电力变压器分相绕组振动特征模态识别变压器励磁涌流的方法，该方法通过提取变压器绕组的振动特征模态，利用不同特征模态之间的相对比例识别磁路饱和，进而判别励磁涌流的发生，具体包括步骤: 1)传感器配置:在电力变压器的各相铁芯绕组的上端和下端分别装设振动传感器，振动信号经电缆接入位于变压器就地的振动测量单元，做连续振动采样测量； 2)突变量启动的判别:定时5ms计算一次变压器三相振动信号的2倍工频分量幅值，即IOOHz分量幅值，以该时刻最新的36个采样数据作为输入，记为{S0, S1,...，S35I，利用整周傅氏算法计算信号幅值并形成时间序列，记为{A(k-n)，...，A(k-2)，A(k-l)，A(k)}，判别100Hz分量的幅值时间序列中相邻20ms是否存在突变量，判据为|A(k)_A(k_4) | > ΛΑ，分别计算A、B、C三相上、下振动测点的突变量，当有一个测点的突变量超过突变量设定门槛值Λ A，则判定突变量启动； 3)计算特征模态的幅值:当步骤2)识别出突变量启动后，选取当前的20ms振动采样值，做周期延拓，作为特征量计算输入的长数据样本；对各相振动测点分别采用窄带数字滤波器组提取频率为50Hz的模态1、频率为IOOHz的模态2、频率为150Hz的模态3，取窄带数字滤波器组滤波输出的最后一个周波数据，用于计算模态幅值，计算结果记为AM1，Am2, Am3 ； 4)励磁涌流的判别:计算特征模态幅值的相对比例
2.根据权利要求1所述的一种利用电力变压器分相绕组振动特征模态识别变压器励磁涌流的方法，其中所述的计算特征模态的幅值，其特征在于利用短时窗采样数据延拓获得长数据样本作为特征模态计算的输入，延拓的周期数不小于25 ;各特征模态的窄带数字滤波器组由窄带带通滤波器和若干带阻滤波器级联构成，其中窄带带通滤波器的通带中心频宽为5Hz，带阻滤波器的阻带中心频宽为5Hz。
3.根据权利要求1所述的一种利用电力变压器分相绕组振动特征模态识别变压器励磁涌流的方法，其中所述的励磁涌流的判别，其特征在于采用
全文摘要
本发明涉及电力变压器的励磁涌流识别，公开了一种独立于变压器电流的、仅依靠变压器绕组振动的实时特征识别励磁涌流的方法及其算法。该方法利用变压器磁路饱和导致的绕组电动力变化特征，采集绕组振动信号并提取其特征模态，利用振动特征模态的相对关系判别励磁涌流。特征模态选择振动信号中的50Hz工频及其二倍频率、三倍频率信号，其中工频模态对应磁路中的直流偏磁、三倍频模态对应励磁涌流中的二次谐波电流。算法采用一个工频周期的振动短时窗数据经多周期延拓生成长数据样本，利用窄带数字滤波器组算法实现特征模态提取，从而在一个工频周期时间内快速识别励磁涌流，并具有理想的抗干扰能力和鲁棒性。
文档编号G01H11/08GK103149470SQ201310033050
公开日2013年6月12日 申请日期2013年1月29日 优先权日2013年1月29日
发明者李娟 申请人:北京信息科技大学