小波分析法在变压器纵差保护中的应用

冷海滨

摘要：纵联差动保护是目前电力变压器的主保护，但由于正常运行时产生不平衡电流的因素多，差动保护容易误动。运用小波分析法对于正确识别变压器励磁涌流和内部短路故障电流，保证差动保护的可靠性有一定的帮助。

关键词：小波分析；励磁涌流；变压器；纵差保护

中图分类号：TM407 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）01-0038-02

变压器纵联差动保护的可靠性主要依赖于正常运行时励磁涌流和内部短路故障电流的鉴别。

1 变压器纵差保护的原理

纵联差动保护是按比较被保护变压器两侧电流的大小和相位的原理来实现的。变压器两侧电流互感器二次侧按环流法接线。正常运行时，流过差动继电器的电流（在理想情况下）等于零或者有一个很小的不平衡电流，保护装置不动作。当变压器内部发生相间短路时，流过差动继电器的电流为互感器两个二次电流之和，即，该电流为短路电流，数值较大，从而使差动继电器动作，变压器两侧断路器跳闸。

但在正常运行时，如果不平衡电流较大，保护则容易误动作，所以必须设法减小不平衡电流。形成不平衡电流的因素很多，其中最主要的是励磁涌流的产生。

2 励磁涌流分析

变压器空载合闸或外部短路故障切除后电压恢复时，由于铁心中总磁通不能突变，在变压器电源侧绕组中将产生很大的励磁电流，也就是一种暂态励磁电流，该电流通常称为励磁涌流。其波形如图1（b）所示。

如果变压器空载合闸，电源电压瞬时值u为零，由于铁心中磁通总是落后于外加电压90，如图1（a）所示，这时铁心中周期分量的磁通Φ1瞬时值恰好达到负的最大值-Φm。因为合闸瞬间铁心中总磁通不能突变，在铁心中将出现一个非周期分量的磁通Φ2，初始幅值为+Φm。经半周期后，若不考虑Φ2的衰减，铁心中总磁通将达到最大值2Φm，见图1（a）中的ΦΣ。此时，变压器铁心处于高度饱和状态，励磁电流剧烈增大，可达到变压器额定电流的

6～8倍。

由图1可知，变压器励磁涌流的波形具有如下特点：

（1）波形中含有很大成分的非周期分量，使曲线偏于时间轴的一侧，形状为尖顶波。

（2）波形包含大量的高次谐波，以二次谐波所占比例最大。

（a）电源电压u=0合闸时的各磁通波形

（b）励磁涌流波形

图1 变压器励磁涌流的产生及波形

（3）励磁涌流的波形出现间断，即有间断角α。

（4）励磁涌流的衰减常数与铁芯的饱和程度、变压器容量有关，铁芯越饱和，衰减越快。变压器容量越大，衰减的持续时间越长。

3 小波变换方法

多年来，变压器差动保护新原理有很多国内外的专家在研究，涌现出了很多判别励磁涌流的新方法，例如波形相关原理、二次谐波制动原理、间断角原理、波形对称原理、磁通特性原理等。由于涌流间断角处的电流非常小，绝对值接近于零，故需要高分辨率的A/D转换芯片，对硬件的要求较高。而二次谐波制动原理的问题在于制动比如何去选择。

小波变换最初由法国石油信号处理工程师J.Morlet在1974年首先提出，小波变换具有时-频局部化特性，在时-频域自动调节取样的疏密频率高时密、频率低时疏，所以它可以根据信号不同的频率成分，通过对信号进行多尺度变换分析，精确地提取信号中的特征信息。小波变换时域分析图如图2所示：

图2 小波变换时域分析图

小波分析法的奇异性检测理论应用于差动保护的案例较多。它的基本核心思想是：故障电流与励磁涌流虽然都是暂态量，但还有些区别。因为两种电流产生的机理不同，谐波成分不同。谐波成分相对于基波是较小的，基波的影响可能造成涌流与故障电流间微小差别的消失，各奇异点分布在不同的地方，如果可通过小波变换找出这些各自的某些隐蔽的奇异点，就可以将故障电流和励磁涌流区分开来。

由于励磁涌流和内部短路电流所包含的各次谐波不同，将电流信号进行小波分解后，分布在各高频段的能量也不同，涌流和内部故障电流在这个频率段呈现明显差异，励磁涌流情况下具有较大的奇异度。当判据λ>1时，判断其为励磁涌流。以此作为鉴别励磁涌流的判据的

依据。

三相奇异度和值的涌流制动判据：

（1）

λ的计算方法：

λ=|WTxd（ f1）|+|WTxd（ f2）|+|WTxd（ f3）|+|WTxd（ f4）| （2）

|WTxd（ f1）|+|WTxd（ f2）|+|WTxd（ f3）|+|WTxd（ f4）|分别为采样数据窗内频率含量最多的四个相对小波系数，一个数据窗计算一个奇异度。

小波奇异度判据的优点：

（1）对于电力系统中出现的各种相间短路、单相短路以及各种匝间故障，小波分析法都能在故障后很短的时间内作出正确判断，判出涌流，闭锁差动保护，防止保护误动作，可靠性高。

（2）对于电力变压器的空投后发生的故障，小波奇异度判据能及时解除涌流制动，不会造成差动保护的拒动，这一点比二次谐波判据等其他的判据要好得多。当电力变压器空投单相短路、匝间短路时，二次谐波持续时间较长，差动保护的动作时间也长，应用其他的判据很有可能会导致变压器的差动保护延时动作，严重时甚至可能会拒动，从而导致事故的扩大。而小波奇异度判据基本上能在极短的时间范围内判出故障，不会造成电力变压器差动保护的延时，可以满足继电保护装置的速动性和可靠性、灵敏性。

（3）当出现保护区外故障切除后在端电压恢复过程中产生的涌流，其他的判据有可能不能辨别，但小波奇异度判据可以在极短的时间内作出判断，不会造成差动误

动作。

综上所述，将小波奇异度判据应用在电力变压器故障电流和励磁涌流的判断上以及保护区内与保护区外的故障判断上，在保护装置的可靠性、灵敏性、快速性上都有较明显的优点，值得推广应用。

4 结语

依据传统原理设计的差动保护应用于变压器时，越来越难以胜任高的技术要求，出现误动事故增多。本文在变压器差动保护原理的基础之上，分析了变压器的励磁涌流特性，然后探讨了将小波变换奇异性检测理论用于差动保护，具有良好的鉴别性能。

参考文献

[1] 钱莉莉.元件保护新原理的探索—基于小波分析的

变压器保护原理的研究[D].华北电力大学，

1999.

[2] 李升健.小波变换在变压器微机保护中的应用研究

[D].西安科技大学，2004.

[3] 钟荣安.论励磁涌流对变压器差动保护的影响[J].广

东输电与变电技术，2007.

[4] 吴丹.变压器继电保护中励磁涌流识别方法的研究

[D].湖南大学，2007.

摘要：纵联差动保护是目前电力变压器的主保护，但由于正常运行时产生不平衡电流的因素多，差动保护容易误动。运用小波分析法对于正确识别变压器励磁涌流和内部短路故障电流，保证差动保护的可靠性有一定的帮助。

关键词：小波分析；励磁涌流；变压器；纵差保护

中图分类号：TM407 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）01-0038-02

变压器纵联差动保护的可靠性主要依赖于正常运行时励磁涌流和内部短路故障电流的鉴别。

1 变压器纵差保护的原理

纵联差动保护是按比较被保护变压器两侧电流的大小和相位的原理来实现的。变压器两侧电流互感器二次侧按环流法接线。正常运行时，流过差动继电器的电流（在理想情况下）等于零或者有一个很小的不平衡电流，保护装置不动作。当变压器内部发生相间短路时，流过差动继电器的电流为互感器两个二次电流之和，即，该电流为短路电流，数值较大，从而使差动继电器动作，变压器两侧断路器跳闸。

但在正常运行时，如果不平衡电流较大，保护则容易误动作，所以必须设法减小不平衡电流。形成不平衡电流的因素很多，其中最主要的是励磁涌流的产生。

2 励磁涌流分析

变压器空载合闸或外部短路故障切除后电压恢复时，由于铁心中总磁通不能突变，在变压器电源侧绕组中将产生很大的励磁电流，也就是一种暂态励磁电流，该电流通常称为励磁涌流。其波形如图1（b）所示。

如果变压器空载合闸，电源电压瞬时值u为零，由于铁心中磁通总是落后于外加电压90，如图1（a）所示，这时铁心中周期分量的磁通Φ1瞬时值恰好达到负的最大值-Φm。因为合闸瞬间铁心中总磁通不能突变，在铁心中将出现一个非周期分量的磁通Φ2，初始幅值为+Φm。经半周期后，若不考虑Φ2的衰减，铁心中总磁通将达到最大值2Φm，见图1（a）中的ΦΣ。此时，变压器铁心处于高度饱和状态，励磁电流剧烈增大，可达到变压器额定电流的

6～8倍。

由图1可知，变压器励磁涌流的波形具有如下特点：

（1）波形中含有很大成分的非周期分量，使曲线偏于时间轴的一侧，形状为尖顶波。

（2）波形包含大量的高次谐波，以二次谐波所占比例最大。

（a）电源电压u=0合闸时的各磁通波形

（b）励磁涌流波形

图1 变压器励磁涌流的产生及波形

（3）励磁涌流的波形出现间断，即有间断角α。

（4）励磁涌流的衰减常数与铁芯的饱和程度、变压器容量有关，铁芯越饱和，衰减越快。变压器容量越大，衰减的持续时间越长。

3 小波变换方法

多年来，变压器差动保护新原理有很多国内外的专家在研究，涌现出了很多判别励磁涌流的新方法，例如波形相关原理、二次谐波制动原理、间断角原理、波形对称原理、磁通特性原理等。由于涌流间断角处的电流非常小，绝对值接近于零，故需要高分辨率的A/D转换芯片，对硬件的要求较高。而二次谐波制动原理的问题在于制动比如何去选择。

小波变换最初由法国石油信号处理工程师J.Morlet在1974年首先提出，小波变换具有时-频局部化特性，在时-频域自动调节取样的疏密频率高时密、频率低时疏，所以它可以根据信号不同的频率成分，通过对信号进行多尺度变换分析，精确地提取信号中的特征信息。小波变换时域分析图如图2所示：

图2 小波变换时域分析图

小波分析法的奇异性检测理论应用于差动保护的案例较多。它的基本核心思想是：故障电流与励磁涌流虽然都是暂态量，但还有些区别。因为两种电流产生的机理不同，谐波成分不同。谐波成分相对于基波是较小的，基波的影响可能造成涌流与故障电流间微小差别的消失，各奇异点分布在不同的地方，如果可通过小波变换找出这些各自的某些隐蔽的奇异点，就可以将故障电流和励磁涌流区分开来。

由于励磁涌流和内部短路电流所包含的各次谐波不同，将电流信号进行小波分解后，分布在各高频段的能量也不同，涌流和内部故障电流在这个频率段呈现明显差异，励磁涌流情况下具有较大的奇异度。当判据λ>1时，判断其为励磁涌流。以此作为鉴别励磁涌流的判据的

依据。

三相奇异度和值的涌流制动判据：

（1）

λ的计算方法：

λ=|WTxd（ f1）|+|WTxd（ f2）|+|WTxd（ f3）|+|WTxd（ f4）| （2）

|WTxd（ f1）|+|WTxd（ f2）|+|WTxd（ f3）|+|WTxd（ f4）|分别为采样数据窗内频率含量最多的四个相对小波系数，一个数据窗计算一个奇异度。

小波奇异度判据的优点：

（1）对于电力系统中出现的各种相间短路、单相短路以及各种匝间故障，小波分析法都能在故障后很短的时间内作出正确判断，判出涌流，闭锁差动保护，防止保护误动作，可靠性高。

（2）对于电力变压器的空投后发生的故障，小波奇异度判据能及时解除涌流制动，不会造成差动保护的拒动，这一点比二次谐波判据等其他的判据要好得多。当电力变压器空投单相短路、匝间短路时，二次谐波持续时间较长，差动保护的动作时间也长，应用其他的判据很有可能会导致变压器的差动保护延时动作，严重时甚至可能会拒动，从而导致事故的扩大。而小波奇异度判据基本上能在极短的时间范围内判出故障，不会造成电力变压器差动保护的延时，可以满足继电保护装置的速动性和可靠性、灵敏性。

（3）当出现保护区外故障切除后在端电压恢复过程中产生的涌流，其他的判据有可能不能辨别，但小波奇异度判据可以在极短的时间内作出判断，不会造成差动误

动作。

综上所述，将小波奇异度判据应用在电力变压器故障电流和励磁涌流的判断上以及保护区内与保护区外的故障判断上，在保护装置的可靠性、灵敏性、快速性上都有较明显的优点，值得推广应用。

4 结语

依据传统原理设计的差动保护应用于变压器时，越来越难以胜任高的技术要求，出现误动事故增多。本文在变压器差动保护原理的基础之上，分析了变压器的励磁涌流特性，然后探讨了将小波变换奇异性检测理论用于差动保护，具有良好的鉴别性能。

参考文献

[1] 钱莉莉.元件保护新原理的探索—基于小波分析的

变压器保护原理的研究[D].华北电力大学，

1999.

[2] 李升健.小波变换在变压器微机保护中的应用研究

[D].西安科技大学，2004.

[3] 钟荣安.论励磁涌流对变压器差动保护的影响[J].广

东输电与变电技术，2007.

[4] 吴丹.变压器继电保护中励磁涌流识别方法的研究

[D].湖南大学，2007.

摘要：纵联差动保护是目前电力变压器的主保护，但由于正常运行时产生不平衡电流的因素多，差动保护容易误动。运用小波分析法对于正确识别变压器励磁涌流和内部短路故障电流，保证差动保护的可靠性有一定的帮助。

关键词：小波分析；励磁涌流；变压器；纵差保护

中图分类号：TM407 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）01-0038-02

变压器纵联差动保护的可靠性主要依赖于正常运行时励磁涌流和内部短路故障电流的鉴别。

1 变压器纵差保护的原理

纵联差动保护是按比较被保护变压器两侧电流的大小和相位的原理来实现的。变压器两侧电流互感器二次侧按环流法接线。正常运行时，流过差动继电器的电流（在理想情况下）等于零或者有一个很小的不平衡电流，保护装置不动作。当变压器内部发生相间短路时，流过差动继电器的电流为互感器两个二次电流之和，即，该电流为短路电流，数值较大，从而使差动继电器动作，变压器两侧断路器跳闸。

但在正常运行时，如果不平衡电流较大，保护则容易误动作，所以必须设法减小不平衡电流。形成不平衡电流的因素很多，其中最主要的是励磁涌流的产生。

2 励磁涌流分析

变压器空载合闸或外部短路故障切除后电压恢复时，由于铁心中总磁通不能突变，在变压器电源侧绕组中将产生很大的励磁电流，也就是一种暂态励磁电流，该电流通常称为励磁涌流。其波形如图1（b）所示。

如果变压器空载合闸，电源电压瞬时值u为零，由于铁心中磁通总是落后于外加电压90，如图1（a）所示，这时铁心中周期分量的磁通Φ1瞬时值恰好达到负的最大值-Φm。因为合闸瞬间铁心中总磁通不能突变，在铁心中将出现一个非周期分量的磁通Φ2，初始幅值为+Φm。经半周期后，若不考虑Φ2的衰减，铁心中总磁通将达到最大值2Φm，见图1（a）中的ΦΣ。此时，变压器铁心处于高度饱和状态，励磁电流剧烈增大，可达到变压器额定电流的

6～8倍。

由图1可知，变压器励磁涌流的波形具有如下特点：

（1）波形中含有很大成分的非周期分量，使曲线偏于时间轴的一侧，形状为尖顶波。

（2）波形包含大量的高次谐波，以二次谐波所占比例最大。

（a）电源电压u=0合闸时的各磁通波形

（b）励磁涌流波形

图1 变压器励磁涌流的产生及波形

（3）励磁涌流的波形出现间断，即有间断角α。

（4）励磁涌流的衰减常数与铁芯的饱和程度、变压器容量有关，铁芯越饱和，衰减越快。变压器容量越大，衰减的持续时间越长。

3 小波变换方法

多年来，变压器差动保护新原理有很多国内外的专家在研究，涌现出了很多判别励磁涌流的新方法，例如波形相关原理、二次谐波制动原理、间断角原理、波形对称原理、磁通特性原理等。由于涌流间断角处的电流非常小，绝对值接近于零，故需要高分辨率的A/D转换芯片，对硬件的要求较高。而二次谐波制动原理的问题在于制动比如何去选择。

小波变换最初由法国石油信号处理工程师J.Morlet在1974年首先提出，小波变换具有时-频局部化特性，在时-频域自动调节取样的疏密频率高时密、频率低时疏，所以它可以根据信号不同的频率成分，通过对信号进行多尺度变换分析，精确地提取信号中的特征信息。小波变换时域分析图如图2所示：

图2 小波变换时域分析图

小波分析法的奇异性检测理论应用于差动保护的案例较多。它的基本核心思想是：故障电流与励磁涌流虽然都是暂态量，但还有些区别。因为两种电流产生的机理不同，谐波成分不同。谐波成分相对于基波是较小的，基波的影响可能造成涌流与故障电流间微小差别的消失，各奇异点分布在不同的地方，如果可通过小波变换找出这些各自的某些隐蔽的奇异点，就可以将故障电流和励磁涌流区分开来。

由于励磁涌流和内部短路电流所包含的各次谐波不同，将电流信号进行小波分解后，分布在各高频段的能量也不同，涌流和内部故障电流在这个频率段呈现明显差异，励磁涌流情况下具有较大的奇异度。当判据λ>1时，判断其为励磁涌流。以此作为鉴别励磁涌流的判据的

依据。

三相奇异度和值的涌流制动判据：

（1）

λ的计算方法：

λ=|WTxd（ f1）|+|WTxd（ f2）|+|WTxd（ f3）|+|WTxd（ f4）| （2）

|WTxd（ f1）|+|WTxd（ f2）|+|WTxd（ f3）|+|WTxd（ f4）|分别为采样数据窗内频率含量最多的四个相对小波系数，一个数据窗计算一个奇异度。

小波奇异度判据的优点：

（1）对于电力系统中出现的各种相间短路、单相短路以及各种匝间故障，小波分析法都能在故障后很短的时间内作出正确判断，判出涌流，闭锁差动保护，防止保护误动作，可靠性高。

（2）对于电力变压器的空投后发生的故障，小波奇异度判据能及时解除涌流制动，不会造成差动保护的拒动，这一点比二次谐波判据等其他的判据要好得多。当电力变压器空投单相短路、匝间短路时，二次谐波持续时间较长，差动保护的动作时间也长，应用其他的判据很有可能会导致变压器的差动保护延时动作，严重时甚至可能会拒动，从而导致事故的扩大。而小波奇异度判据基本上能在极短的时间范围内判出故障，不会造成电力变压器差动保护的延时，可以满足继电保护装置的速动性和可靠性、灵敏性。

（3）当出现保护区外故障切除后在端电压恢复过程中产生的涌流，其他的判据有可能不能辨别，但小波奇异度判据可以在极短的时间内作出判断，不会造成差动误

动作。

综上所述，将小波奇异度判据应用在电力变压器故障电流和励磁涌流的判断上以及保护区内与保护区外的故障判断上，在保护装置的可靠性、灵敏性、快速性上都有较明显的优点，值得推广应用。

4 结语

依据传统原理设计的差动保护应用于变压器时，越来越难以胜任高的技术要求，出现误动事故增多。本文在变压器差动保护原理的基础之上，分析了变压器的励磁涌流特性，然后探讨了将小波变换奇异性检测理论用于差动保护，具有良好的鉴别性能。

参考文献

[1] 钱莉莉.元件保护新原理的探索—基于小波分析的

变压器保护原理的研究[D].华北电力大学，

1999.

[2] 李升健.小波变换在变压器微机保护中的应用研究

[D].西安科技大学，2004.

[3] 钟荣安.论励磁涌流对变压器差动保护的影响[J].广

东输电与变电技术，2007.

[4] 吴丹.变压器继电保护中励磁涌流识别方法的研究

[D].湖南大学，2007.