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1、識(shí)別變壓器勵(lì)磁涌流和內(nèi)部短路電流的小波能量 當(dāng)前變壓器差動(dòng)保護(hù)核心問(wèn)題之一是如何鑒別勵(lì)磁涌流和內(nèi)部短路電流[1]。近年來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出不少鑒別涌流的新方法,如依據(jù)磁通特性[2,3]、等值電路參數(shù)[4]、負(fù)功率方向[5]、涌流波形[6]、勵(lì)磁阻抗[7]等來(lái)識(shí)別勵(lì)磁涌流。這些方法需要對(duì)變壓器的某些參數(shù)作人為的假設(shè),應(yīng)用前景取決于理論上的進(jìn)一步的突破。目前國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)變壓器差動(dòng)保護(hù)裝置主要是基于間斷角[8]和二次諧波制動(dòng)原理[9]。文獻(xiàn)[1]研究表明:勵(lì)磁涌流在變壓器一次側(cè)有明顯的間斷角,但進(jìn)入差動(dòng)繼電器的二次涌流已大大
2、喪失這種特性,利用起來(lái)將增加裝置的復(fù)雜性。二次諧波制動(dòng)原理應(yīng)用較為成熟。同時(shí)文獻(xiàn)[1]也提出,在正常工況下,大容量的變壓器內(nèi)部短路電流的二次諧波含量約為7%,而在有串補(bǔ)電容的高壓系統(tǒng)及高壓電纜變壓器的短路電流中,二次諧波含量可能高達(dá)15%~20%,這對(duì)二次諧波制動(dòng)原理提出了新的挑戰(zhàn)?! ”娝苤?,勵(lì)磁涌流中的三次諧波含量是僅次于二次諧波的,但是因?yàn)樵谄渌r下,三次諧波電流也經(jīng)常出現(xiàn),特別是內(nèi)部短路電流很大時(shí)將有明顯的三次諧波成分,因此不能作為涌流的特征量來(lái)組成差動(dòng)保護(hù)的制動(dòng)或閉鎖部分。在具有差動(dòng)電流速斷輔助保護(hù)(防
3、止在很大內(nèi)部短路電流時(shí)差動(dòng)保護(hù)拒動(dòng))的條件下,吸收部分三次及更高的諧波分量作為差動(dòng)保護(hù)的制動(dòng)輔助量將是可取的[1]。 本文通過(guò)分析信號(hào)的小波能量譜圖,提出一種鑒別勵(lì)磁涌流和內(nèi)部短路電流的新方法-小波能量譜圖解法:將電流信號(hào)進(jìn)行小波分解,計(jì)算相關(guān)尺度的高頻段能量,將其變化率的比值作為模式識(shí)別的特征量。該特征量反映了電流中各次諧波含量的變化,以此為判據(jù)來(lái)區(qū)分變壓器勵(lì)磁涌流和內(nèi)部短路電流。大量仿真計(jì)算表明:該方法簡(jiǎn)單有效,具有應(yīng)用前景?! ?小波多分辨率分析理論 小波分析是傅立葉分析方法的重要發(fā)展,近年來(lái)成為眾多學(xué)科關(guān)
4、注的焦點(diǎn)。與傅立葉變換相比,小波變換具有時(shí)-頻局部化特性,通過(guò)對(duì)信號(hào)進(jìn)行多尺度變換分析,精確的提取信號(hào)中的特征信息,解決了傅立葉變換不能解決的許多困難問(wèn)題,它是近代調(diào)和分析發(fā)展史上的里程碑?! ≡O(shè):基小波Ψ(t)∈L2(R)滿足容許性條件 式中:是Ψ(t)傅立葉變換的共軛。由生成一個(gè)函數(shù)族: 多分辨率分析就是由不同的分辨率對(duì)信號(hào)進(jìn)行逐級(jí)逼近,用小波函數(shù)和尺度函數(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行不同尺度的分解,可以了解不同尺度下的局部信號(hào)特征,在信號(hào)分析中具有明顯的優(yōu)越性[10]: 設(shè):{VJ}是一給定的多分辨率分析,φ(
5、t),Ψ(t)分別為相應(yīng)的尺度函數(shù)和小波函數(shù),對(duì)”f(t)∈V0,有 多分辨率分析主要用來(lái)獲得兩個(gè)重要的特征:1、暫態(tài)信號(hào)的位置特性。2、信號(hào)的能量在不同頻段上的分布特性?! ?小波能量譜圖解法 由多分辨率分析可知,同一尺度上的小波函數(shù)Ψj,k(t)與尺度函數(shù)φj,k(t)正交。根據(jù)Parseval定理,對(duì)于完備正交函數(shù)集應(yīng)滿足: 即將信號(hào)f(t)小波分解后,其近似信號(hào)系數(shù)與細(xì)節(jié)信號(hào)系數(shù)的平方和等于原始信號(hào)在時(shí)域上的能量。所以小波變換后的能量與原始信號(hào)的能量之間存在等價(jià)關(guān)系。按照能量方式表示的小波分解結(jié)
6、果稱為小波能量譜。因此用小波能量譜來(lái)表示原始信號(hào)的能量分布是可靠的?! 〔浑y看出,對(duì)不同信號(hào)進(jìn)行小波分解,其在各頻帶的能量分布有較大的區(qū)別,因此對(duì)信號(hào)進(jìn)行多尺度分解,做出能量分布曲線,根據(jù)分布曲線的不同特征來(lái)鑒別信號(hào)的類型?! ∪绲?節(jié)所述,小波多分辨率分析實(shí)際是把信號(hào)f(t)分解到不同尺度上的近似信號(hào)和細(xì)節(jié)信號(hào)。本文將細(xì)節(jié)信號(hào)的能量作為尺度的函數(shù)。對(duì)離散信號(hào),通過(guò)二進(jìn)小波變換,得到在各尺度下的小波系數(shù)dj,k。定義細(xì)節(jié)能量函數(shù): 式中:j是尺度?! ∮捎趧?lì)磁涌流和內(nèi)部短路電流所包含的各次諧波不同,將電流信號(hào)進(jìn)
7、行小波分解后,分布在各高頻段的能量也不同。相鄰高頻段上能量的變化率為: 它反映了不同尺度間高頻段上的能量變化情況。當(dāng)K>M時(shí),判斷其為勵(lì)磁涌流;K 4仿真計(jì)算 通常設(shè)計(jì)制造變壓器時(shí),為了使鐵芯材料得到有效的利用,把正常運(yùn)行時(shí)的磁感強(qiáng)度B值選擇在磁化曲線的‘膝點(diǎn)’附近,內(nèi)部短路故障時(shí),鐵芯很容易飽和;當(dāng)變壓器空投或區(qū)外故障切除,電壓恢復(fù)正常的過(guò)程中,由于磁通不能突變,磁通中出現(xiàn)非周期的暫態(tài)分量,與鐵芯剩磁一起使變壓器鐵芯飽和。故本文重點(diǎn)分析在變壓器鐵芯飽和狀態(tài)下,短路電流和勵(lì)磁涌流的區(qū)別。對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行小波多
8、分辨率分析時(shí),選用不同小波函數(shù),在不同尺度上得到的時(shí)頻特性也不同。本文提取的信號(hào)在不同尺度上的頻率分布如圖1所示。 由于目前變壓器的二次諧波制動(dòng)大多采用“或”門制動(dòng)方式,故分析重點(diǎn)放在二次諧波顯著的一相電流中。正常工況下,典型勵(lì)磁涌流中二次諧波含量較大,短路電流中二次諧波較小,如表1所示。(以基波為基準(zhǔn)的各次諧波的含量)。