基于小波分析和故障特征量的电力变压器故障诊断方案研究

为解决电力变压器内部隐蔽故障诊断难题，研究人员提出了一种基于离散小波变换(DWT)和故障特征量的新型保护方案。该研究通过分析差动电流的细节系数(DET)和近似系数(APPRO)，构建β准则和ω标识指数，有效区分内部故障(TEF/TTF)、外部故障及励磁涌流，并在ATP-EMTP仿真平台上验证了db1小波家族的最优性能。该方案具有抗CT饱和、负载波动敏感性低等优势，为智能电网中变压器保护提供了高可靠性解决方案。

　　

电力变压器作为电网核心设备，其内部隐蔽故障可能导致灾难性停电事故。传统差动保护面临励磁涌流误动、CT饱和干扰等挑战，尤其当外部故障伴随CT饱和时，故障特征与内部故障高度相似，现有方法难以精准区分。据统计，70%-80%的变压器故障源于匝间短路(TTF)和匝地短路(TEF)，但常规保护方案对高阻故障灵敏度不足，且缺乏统一的故障类型判别标准。

针对这些行业痛点，研究人员开展了一项创新性研究，提出基于离散小波变换(DWT)的多维度故障诊断体系。该研究首先构建了115/22 kV变压器ATP-EMTP仿真模型，通过BCTRAN子程序模拟不同故障场景。关键技术包括：1)采用改进递归小波滤波器消除噪声干扰；2)提取差动电流的DET和APPRO系数构建β故障指数；3)设计ω标识指数实现TEF/TTF分类；4)引入γ非故障指数识别励磁涌流。研究选用Daubechies(db1)作为最优母小波，因其在突变信号分析中的卓越性能。

研究结果部分：

1. 小波家族优选评估
   通过对比Coif1、db4、Bior2.2等小波性能，证实db1在故障检测准确率(100%)、分类精度(100%)和响应速度(1.25秒)上均最优，其DET系数在300Ω高阻故障下仍保持显著特征。

2. 内部故障诊断验证
   TEF案例显示，当A相发生60%绕组接地故障时，β指数跃升至14.27(阈值0.27)，APPRO_A达1726，DET_A达50.24，较健康状态增长70倍。TTF故障则呈现三相ω指数均衡分布特征，与TEF的相位集中特性形成鲜明对比。

3. 外部故障抗干扰能力
   在CT深度饱和条件下(150Ω故障)，β指数维持在1.18以下，APPRO系数波动小于5%，系统成功闭锁。这归功于算法专注高频DET系数分析，规避了饱和导致的低频畸变干扰。

4. 励磁涌流鉴别
   涌流状态下γ指数达11.49，其特有的低频谐波特征通过APPRO/DET系数差异被有效捕捉。即使伴随20%TEF的复合故障，β指数仍能在0.18秒内触发保护。

5. 扩展性验证
   方案在500/220 kV(750MVA)变压器测试中保持100%检测率，但在66/11 kV(25MVA)设备上出现分类误差，表明对小容量变压器需参数调优。

结论部分指出，该方案创新性地将小波分析与自适应阈值相结合，解决了三大行业难题：1)CT饱和下的可靠闭锁；2)高阻故障(300Ω)检测；3)复合故障快速判别。相比传统谐波制动方案，将动作时间缩短至1/4周期内，且无需历史数据训练。未来可进一步优化小波分解层数，并探索与深度学习融合的混合诊断框架。

这项发表于《Results in Engineering》的研究为智能电网时代变压器保护提供了新范式，其工程实用价值已通过32-750MVA不同容量变压器的严格验证，特别适用于含分布式电源的复杂电网环境。研究团队强调，该方案的模块化设计使其可直接嵌入现有继电器硬件，具备显著的产业化应用前景。