通過磁通軌跡特征識別變壓器勵磁涌流方法介紹

2 勵磁涌流的磁通軌跡特征
選擇和提取特征是區(qū)分變壓器勵磁涌流和內部短路故障過程中的一個關鍵問題。由于發(fā)生勵磁涌流時，主磁通交替經(jīng)歷進入和退出飽和區(qū)的過程，則對于正方向的勵磁涌流，在電流最大點i_max附近，主磁通嚴重飽和，該處附近的磁通軌跡曲線與橫軸的夾角α近似為0°；在電流最小值i_min附近，磁通退出飽和，該處附近的磁通軌跡曲線與橫軸的夾角β近似為90°，如圖3(b)所示；而對于反方向的勵磁涌流，情形剛好相反。但在變壓器發(fā)生內部故障時，磁通變化范圍始終處于非飽和區(qū)，磁通軌跡曲線與橫軸的夾角在電流最大值與最小值附近基本相同，即α≈β，如圖3(a)所示。根據(jù)這一特點，我們提出采用最大、最小勵磁電流處磁通軌跡曲線傾角的正弦值之差作為區(qū)分勵磁涌流與內部故障的特征指標。定義特征指標：

k的取值范圍為0≤k≤1。顯然，對于勵磁涌流，由于α與β相差較大，測算出的k值將接近于1。而對于內部故障，由于α≈β，測算出的將接近于0。
應當注意的是，在最大、最小勵磁電流處磁通軌跡曲線的傾角通常經(jīng)歷了一個較大的變化過程，因此直接采用磁通軌跡曲線局部的微分或差分計算傾角α和β存在數(shù)值不穩(wěn)定問題。類似的問題在一些基于dΨ/di的方法中也常會遇到。為此，我們需要將傾角α和β理解為最大、最小勵磁電流附近相對較寬時間范圍內磁通軌跡曲線的平均傾角，例如，這個時間范圍可以取到1/10周期。我們將該時間段內的所有采樣數(shù)據(jù)點(Φ_m，Δi)擬合為一條直線，然后以該直線的傾角作為磁通軌跡曲線的平均傾角。
區(qū)分勵磁涌流與內部故障的判據(jù)為：如果k>k_cr則判為勵磁涌流，否則判定為內部故障。其中k_cr是一個由用戶整定的臨界值。通常情況下可設置為0.5。

3 仿真驗證
我們利用EMTP仿真程序對單相變壓器勵磁涌流與內部故障進行了仿真研究，并用這些仿真數(shù)據(jù)繪制了磁通軌跡圖，計算了勵磁涌流與內部故障的特征指標。
單相變壓器空載合閘與空載匝間短路故障仿真波形分別如圖5(a)、6(a)所示，其相應的磁通軌跡曲線如圖5(b)、6(b)所示。由于勵磁涌流和短路電流的實際數(shù)值可能很大，為了比較和計算方便起見，對磁通軌跡圖曲線進行歸一化處理，即磁通軸和電流軸分別除以其最大值與最小值之差。把電流最大值、最小值之前0.002s內的所有數(shù)據(jù)點用一條直線擬合。分別計算電流最大值處的擬合直線與橫軸夾角α的正弦值s₁和電流最小值處的擬合直線與橫軸夾角β的正弦值s₂。

對于圖5(a)中所示的空載合閘波形，求得s₁=0.2417，s₂=0.9982，k=‖s₁|- |s₂‖=0.7565；對于圖6(a)中所示的空載匝間短路故障波形，求得s₁=s₂=0.9495，k=‖s₁|-|s₂‖=0.0。顯然，按照k>0.5判據(jù)，可以很容易地識別出勵磁涌流。

4 動模實驗
下面用清華大學動模實驗室的單相雙繞組變壓器實驗數(shù)據(jù)，來驗證識別方案以及設定的門檻值。該變壓器的額定參數(shù)為：額定容量5kVA，額定電壓460V/400V，原副邊繞組匝數(shù)比為271/234。
單相變壓器空載合閘(勵磁涌流)、小匝數(shù)匝間短路、大匝數(shù)匝間短路時的電壓、電流波形以及經(jīng)過處理后的磁通軌跡圖分別如圖7、8、9所示。多次實驗均具有相似的波形。求得變壓器八次空投實驗(出現(xiàn)勵磁涌流)時k的值均大于0.9332，均滿足判據(jù)；求得變壓器四次空載匝間短路故障(包括大匝數(shù)短路和小匝數(shù)短路)時k的值均小于0.0434，均不滿足判據(jù)k>0.5。