CN101091295A - 用于n－绕组三相电力变压器中的故障检测的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种用于n－绕组三相电力变压器中的故障检测的方法和装置。该方法包括步骤：为每个绕组(Wi)测量三相电流(I_{L1_Wi}；I_{L2_Wi}；I_{L3_Wi})；根据至少一个用户设置(k_Wi)为每个绕组(Wi)判断(7)是否要执行零序电流(I_{0_Wi})降低(2)，以及如果判断为是则从每个三相电流(I_{L1_Wi}；I_{L2_Wi}；I_{L3_Wi})中减除零序电流(I_{0_Wi})；通过对前一步骤的结果执行幅度补偿(3)和相角偏移补偿(4)为每个绕组(Wi)产生规一化电流；为三相(Lx)中的每相比较单个绕组的规一化电流与所有其他绕组的规一化电流；以及如果单个绕组(W1)与所有其他绕组(W2，...，Wn)之间的差超过预定义水平则为每相(Lx)产生故障信号。

Description

用于n-绕组三相电力变压器中的故障检测的方法和装置

技术领域

本发明涉及用于n-绕组三相电力变压器中的高级和改进的故障检测的方法和装置。该方法和装置可以使用于包括相移变压器的所有类型电力变压器的差动保护。

背景技术

差动电流测量是使用于各种电力系统应用的技术。例如，该技术常常使用于诸如变压器、发电机、电动机等电力系统设备的保护。一般而言，差动电流测量技术包括：对装置的输入端子和输出端子二者处的电流进行监视、对所测输入电流和输出电流进行规一化以补偿可能在正常工作期间由该装置引起的所测电流的相位和幅度的变化、然后对规一化输入电流和输出电流进行比较。如果规一化输入电流与输出电流之差为零，则该装置可假定为工作正常。反而言之，检测到的规一化输入电流与输出电流之差可以表明该装置内的故障。响应于检测到故障，差动继电器向相关断路器发出跳闸命令，以便切断供给保护对象的电力和防止进一步的损坏。

由于以电市场自由化为主要目标的电力工业的重构，针对电气设施提出了对于有功和无功功率流控制的更多严格要求。这一过程表明对于用以控制给定网络内的功率流的适当工具有着越来越多的需要。用于这一目的的最常用装置是具有专门构造的电力变压器，常常称之为相移变压器(PST)或者相角调节变压器(PAR)。

在原理上，相移变压器的技术方面相当简单：它提供了初级端子与次级端子之间清晰的但是可改变的相移。通常可以通过使用一个或多个有载抽头变换器(OLTC)以明确的步骤在工作期间改变该相移。在多数情况下，可以将该相移的符号反转以从超前变为滞后。

当前有不同类型的PST设计可以运用。这使得用于每类PST的保护方案相当独特并因此具有难度。目前还没有无论所有这些装置的设计如何都能够为之提供唯一的差动保护继电器的继电器制造商。

在这一技术领域内，数项发明尝试着解决此类问题，而且一些专利已经授权。

现有技术

标准的电力变压器是提供该电力变压器上的电压幅度变化和恒定相角偏移的电气装置。视特定变压器构造细节而定，该相移可以具有n×30°(n是在0与11之间的整数)的值。

电力变压器差动保护已经使用了数十年。利用静态或者机电继电器，使用了外部插入式CT以便补偿受保护的电力变压器两侧之间的相角偏移和电流幅度变化。然而公知有以下缺点：

·仅能针对有载抽头变换器(即OLTC)的中间位置来平衡差动继电器

·一旦从中间位置移开OLTC就再也无法完全地平衡该差动继电器

·通过插入CT仅能补偿30°的倍数的电力变压器相移

利用数值继电器就不需要外插式CT。通过软件在该继电器内提供内部补偿。以下是数值差动继电器的特性：

·如果将OLTC的位置给予差动继电器(即针对任一位置来平衡继电器)，则继电器可以补偿由OLTC造成的电流幅度变化

·通过软件设置能补偿必须是30°的倍数的固定电力变压器相移

非标准的电力变压器被定义为具有可变相角偏移或除30°或者30°的倍数以外的固定相角偏移的电力变压器。

当前有已知为PST的专门电力变压器的不同设计可以运用，如在国际标准IEC 62032中所述。这使得用于每类PST的保护方案颇为独特并因此具有难度，如在IEEE/PSRC特别报告“Protection of Phase Angle RegulatingTransformers(PAR)”中所述。目前还没有无论任一PST的设计和最大相角偏移如何都能够为之提供差动保护的差动继电器。

其原因在于由于连续变化的PST相移，将出现误差动电流。根据下式可以估算这一误差动电流的幅度：

$I_d=I_{\mathrm{load}}\·2\sin \left(\frac{\mathrm{\Θ}}{2}\right)---\left(1.1\right)$

其中：

I_d是误差动电流的幅度，

I_load是通载(through-load)PST电流，以及

Θ是PST两侧之间的相角偏移。

在专利US6507184中公开了一种用于三相电力系统中的差动电流测量的方法和装置。此发明设计成测量第一端子与第二端子之间的差动电流以及针对每相获得这些电流的测量值。然而，此方法既不允许对零序电流进行可设置的降低也不提供幅度补偿。

无法通过应用传统电力变压器差动保护解决的另一问题是在仅有少数匝的电力变压器绕组短路时对低水平匝间故障的识别。在这一情况下，变压器端子处仅有很小的电流变化将是可测的，而高的故障电流出现在短路的匝中。这一点归因于作为整体的变压器绕组与少数短路项之间比较高的变换比。故障检测方法在至今所知的差动保护期间的灵敏度尚不足以在这一绕组匝间故障发展成更严重的接地故障之前识别它，该接地故障修复起来代价不菲，尤其是在它影响到电力变压器的铁芯时更是如此。无法检测的匝间故障也可能是电力变压器油箱内有害电弧的肇因。

一种检测这种匝间故障的方式可以是使用所谓的Buchholz继电器，又称之为气体式继电器或者骤压式继电器。该Buchholz继电器应用于充油式变压器，该变压器配备有称作储油箱的外部油容器。当出现匝间故障时，气体产生并上升到油的顶部。所造成的油流量变化通过继电器中的浮动操作开关来检测。Buchholz继电器的缺点在于在匝间故障的出现与它的实际检测之间经过的时间，该时间通常达到50至100ms。这一时间段可能长到足以使初始的匝间故障演变成更严重的故障。

这一时间流逝可能举足轻重，在过去多年对现代电力变压器击穿记录的研究表明了这一点。在其总数的70％与80％之间的变压器故障最终追溯到内部绕组绝缘性故障。绕组绝缘性故障主要归因于逐渐老化的过程，该过程导致绝缘系统由于热、电和机械应力以及湿度而退化。在增加的应力之下，已经退化的绝缘性可能经历相邻匝之间的电介质故障，从而产生匝间故障。由于老化是通常不可避免的过程，所以在故障检测期间将匝间故障纳入考虑之中是至关重要的。

发明内容

本发明的一个目的在于解决上述问题以及提供一种用于n-绕组三相电力变压器中的高效故障检测的方法和装置，其中该故障检测适于用在对包括具有非标准相移的变压器在内的任何电力变压器的差动保护中。

本发明的另一目的在于提供动态的电流幅度补偿。

本发明的又一目的在于提供对保护对象两侧之间的任意相移的动态相角补偿。

本发明的再一目的在于提供独立(即每侧)的零序电流降低。

本发明的另一目的在于补偿同一电力变压器内的一个、两个或者甚至更多OLTC。

本发明的另一目的在于提供借助高级数值技术的差动保护。借助这样的装置将可能为由于OLTC操作而具有任意相移和电流幅度变化的电力变压器提供通用的差动保护。

通过如权利要求1中所述的方法、如权利要求8中所述的装置、以及如权利要求15中所述的计算机程序产品，根据本发明来实现这些目的。

附图说明

将参照附图来更好地理解本发明。

图1图示了一种测量和计算保护对象的差动电流以便执行差动保护的方法的流程图。

图2针对2-绕组电力变压器或者PST更具体地图示了根据图1的方法。

具体实施方式

结合图1来描述根据本发明的方法，其中在流程图中揭示了三相电力系统中的保护对象、特别是PST的差动保护的原理。第一步骤1a、b用以针对如图2中限定的保护对象10的每侧、在它的两侧测量保护对象10的所有相电流。第二步骤2a、b用以判断是否进行零序电流降低。这依赖于用户设置7a、b。如果应当进行零序电流降低，则减除零序电流12a、b。在11a、b中插入零序电流的值。

第三步骤3a、b用以通过使用基电流(base current)8a、b来执行幅度补偿。第四步骤4a、b用以通过使用保护对象10相应侧的相角9a、b来执行相角补偿。

然后在第五步骤5中组合来自两侧的所得信号并且计算差动电流。

最后在步骤6中执行差动保护算法。

在图2中通过框图更具体地揭示了根据图1的方法。沿用了与图1中对应的标号以求简化对本发明的理解。

保护对象10可以是包括相移变压器的任一类型电力变压器。保护对象10在两侧(第1侧和第2侧)连接到电网。

在包括A/D转换、预滤波、DFF(相量提取)等的步骤1中测量相电流。在步骤7中进行零序电流减法设置(“On-Off”)。在该图的框8和9中确定用以执行幅度和相角补偿的必要数据。在保护对象10耦合到有载抽头变换器(OLTC)的情况下，在框13中确定OLTC的位置。信号是诸如零序电流降低2、幅度补偿3和相角补偿4的计算所需要的，因此来自保护对象10两侧的所得信号分别输入到框12、3和4。在框5中最终计算差动电流。当差动电流达到某一信号电平时，从框6释放跳闸信号，该跳闸信号将保护对象10从电力系统的其余部分断开。

在下文中更具体地描述本发明的基本原理。

幅度补偿

为了实现电流幅度补偿，必须通过将所测相电流除以基电流，在所有电力变压器侧上将它们规一化。以初级安培数表示的基电流具有如下值，该值应当按照下式针对每个电力变压器侧来加以计算：

$\mathrm{Ibase}=\frac{\mathrm{Sr}\max }{\sqrt{3}\·\mathrm{Ur}}---\left(1.2\right)$

其中：

Srmax是具有最大额定值的受保护电力变压器的绕组的额定表观功率，以及

Ur是受保护变压器的相关侧上的额定相间无载电压(no-load voltage)。

应当注意，通常至少在电力变压器的一侧，Ur对于不同的OLTC位置而言可以具有不同的值。因此，基电流对于不同的OLTC位置而言也具有不同的值。因此，在OLTC所在的一侧，应当针对每个OLTC使用不同的Ibase值以便补偿电流幅度变化。一旦执行了所测电流的规一化，来自两侧的电流就被置于同一标度上(即现在它们以pu为单位)，而且它们可以用来计算以pu为单位的差动电流。

应当注意，上文的公式是针对以初级安培数表示的基电流而给出的。对于一些继电器而言，可以通过将初级值除以相关CT比率，将此电流转换成CT的次级侧。在下文中将以初级安培数示出所有计算。

相角偏移补偿

在下文中将假设已经执行了对来自两侧的电流的幅度规一化，而且将仅提供用于补偿相角偏移的过程。

电力变压器和PST装置的共同特征在于它们产生了第1侧电压与第2侧电压之间的相角偏移Θ。

标准的电力变压器还产生了它们的端子电压之间的相移。标准电力变压器与PST变压器之间的仅有区别在于：

·关于标准电力变压器的相移Θ是固定的，而且依赖于特定绕组连接和变压器矢量组，可以是30°的倍数(即n×30°；n＝0，1，2，...，11)，

·关于PST的相移Θ是可变的。通常一个或多个有载抽头变换器(OLTC)用来执行这一可变相移。可以在宽的范围(多达±75°)中更改相角偏移，同时OLTC可以具有10到70级。

如Electrical Transmission and Distribution Reference Book，Chapter 5，4^thEdition，Westinghouse Electric Corp.，East Pittsburgh，PA 1950中所示，对于电力变压器两侧的正序、负序和零序无载电压之间的相角偏移而言存在严格的规则。

一旦电力变压器加有负载，此电压关系将由于变压器上的电压降而不再有效。然而，如Electrical Transmission and Distribution Reference Book，Chapter 5，4^thEdition，Westinghouse Electric Corp.，East Pittsburgh，PA 1950中所示，现在同一关系对于在第1侧流入变压器中而在第2侧从电力变压器流出的序电流而言将是有效的。

因此对于来自电力变压器或者PST两侧(即绕组)的正序、负序和零序电流而言可以写出以下关系：

IPS_W1＝e^jθ·IPS_W2(1.3)

INS_W1＝e^-jθ·INS_W2(1.4)

IZS_W1＝IZS_W2  (1.5)

以下所述对于序电流而言将成立：

来自第2侧的正序电流将比来自第1侧的正序电流准确地滞后角度Θ(对于正序无载电压而言是同一关系)。

来自第2侧的负序电流将比来自第1侧的负序电流准确地超前角度Θ(对于负序无载电压而言是同一关系)。

当零序电流完全从保护对象的一侧传送到另一侧时，来自第2侧的零序电流将与来自第1侧的零序电流准确地同相(对于零序无载电压而言是同一关系)。

对于差动保护而言，如图2中所示，通常以向着保护对象的同一参考方向来测量来自保护对象所有侧的电流。因此从现在开始将这样的参考方向用于电流测量。

由于保护对象两侧的序电流之间的关系已知，所以可以根据以下三个等式来计算序差动电流；

Id_PS＝IPS_W1+e^jθ·IPS_W2

(1.6)正序差动电流。

Id_NS＝INS_W1+e^-jθ·INS_W2

(1.7)负序差动电流。

Id_ZS＝IZS_W1+IZS_W2

(1.8)零序差动电流。

通过使用序和相位量之间的基本关系，则对于按相的(phase-wise)差动电流而言可以写出以下关系：

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{Id}\_L1\\ \mathrm{Id}\_L2\\ \mathrm{Id}\_L3\end{array}\right]=A\·\left[\begin{array}{c}\mathrm{Id}\_\mathrm{ZS}\\ \mathrm{Id}\_\mathrm{PS}\\ \mathrm{Id}\_\mathrm{NS}\end{array}\right]---\left(1.9\right)$

其中：

$A=\left[\begin{array}{ccc}1& 1& 1\\ 1& a^2& a\\ 1& a& a^2\end{array}\right]---\left(1.10\right)$

$A^{-1}=\frac{1}{3}\·\left[\begin{array}{ccc}1& 1& 1\\ 1& a& a^2\\ 1& a^2& a\end{array}\right]---\left(1.11\right)$

通过将等式(1.6)、(1.7)和(1.8)组合成等式(1.9)而且进行一些基本的重新整理，可以导出下式：

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{Id}\_L1\\ \mathrm{Id}\_L2\\ \mathrm{Id}\_L3\end{array}\right]=A\·\left[\begin{array}{c}\mathrm{IZS}\_W1\\ \mathrm{IPS}\_W1\\ \mathrm{INS}\_W1\end{array}\right]+A\·\left[\begin{array}{c}\mathrm{IZS}\_W2\\ e^{\mathrm{j\θ}}\·\mathrm{IPS}\_W2\\ e^{-\mathrm{j\θ}}\·\mathrm{INS}\_W2\end{array}\right]=A\·\left[\begin{array}{c}\mathrm{IZS}\_W1\\ \mathrm{IPS}\_W1\\ \mathrm{INS}\_W1\end{array}\right]+A\·\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& e^{\mathrm{j\θ}}& 0\\ 0& 0& e^{-\mathrm{j\θ}}\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}\mathrm{IZS}\_W2\\ \mathrm{IPS}\_W2\\ \mathrm{INS}\_W2\end{array}\right]--\left(1.13\right)$

通过进一步的基本数学运算，可以导出下式(1.14)：

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{Id}\_L1\\ \mathrm{Id}\_L2\\ \mathrm{Id}\_L3\end{array}\right]=A\·\left[\begin{array}{c}\mathrm{IZS}\_W1\\ \mathrm{IPS}\_W1\\ \mathrm{INS}\_W1\end{array}\right]+A\·\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& e^{\mathrm{j\θ}}& 0\\ 0& 0& e^{-\mathrm{j\θ}}\end{array}\right]\·(A^{-1}\·A)\left[\begin{array}{c}\mathrm{IZS}\_W2\\ \mathrm{IPS}\_W2\\ \mathrm{INS}\_W2\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\mathrm{IL}1\_W1\\ \mathrm{IL}2\_W1\\ \mathrm{IL}3\_W1\end{array}\right]+A\·\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& e^{\mathrm{j\θ}}& 0\\ 0& 0& e^{-\mathrm{j\θ}}\end{array}\right]\·A^{-1}\·\left[\begin{array}{c}\mathrm{IL}1\_W2\\ \mathrm{IL}2\_W2\\ \mathrm{IL}3\_W2\end{array}\right]---\left(1.14\right)$

等式(1.14)现在表示按相的差动电流与来自保护对象两侧的各个电流之间的基本关系。

为了进一步简化等式(1.14)，在下式中定义和简化了新的矩阵M(Θ)：

$M\left(\mathrm{\θ}\right)=A\·\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& e^{\mathrm{j\θ}}& 0\\ 0& 0& e^{-\mathrm{j\θ}}\end{array}\right]\·A^{-1}=\frac{1}{3}\·\left[\begin{array}{ccc}1+2\·\cos \mathrm{\θ}& 1-\cos \mathrm{\θ}-\sqrt{3}\·\sin \mathrm{\θ}& 1-\cos \mathrm{\θ}+\sqrt{3}\·\sin \mathrm{\θ}\\ 1-\cos \mathrm{\θ}+\sqrt{3}\·\sin \mathrm{\θ}& 1+2\·\cos \mathrm{\θ}& 1-\cos \mathrm{\θ}-\sqrt{3}\·\sin \mathrm{\θ}\\ 1-\cos \mathrm{\θ}-\sqrt{3}\·\sin \mathrm{\θ}& 1-\cos \mathrm{\θ}+\sqrt{3}\·\sin \mathrm{\θ}& 1+2\·\cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]---\left(1.15\right)$

或者通过使用公知的三角关系cos(x±y)＝cos(x)·cos(y)sin(x)·sin(y)，可以获得下式：

因此现在可以将等式(1.14)改写为如下：

请注意可以将M(0°)赋给第一侧绕组电流，因为此侧取作具有零度相移的参考侧。

用以获得正确相角补偿值的可选技术

所提供的方法完全依赖于相角补偿的正确值可用于故障检测算法。此相角可以通过以下方式中的任一方式来获得：

1.对于标准电力变换器而言，它是由用户作为设置参数而输入的受保护电力变压器矢量组来确定的固定值，

2.来自查找表，该查找表描述不同的OLTC位置与受保护电力变压器/PST/FACTS装置的对应幅度和相角变化之间的关系，

3.对于具有多个OLTC的装置而言，来自两个、三个或更多与以上第2点中描述的查找表类似的查找表，

4.经由通信网络来自保护对象的外部控制系统，作为准确的当前值(主要适用于FACTS装置如UPFC)，

5.借助内部算法，该算法在稳态工作条件期间在PST没有负载时测量来自两个PST侧的正序电压之间的相角差，抑或在PST加有负载时测量来自两个PST侧的正序电流之间的相角。

因此，本发明可用于以下装置的差动保护：

(1)任何构造的相移变压器，

(2)具有非标准相角偏移例如22.5°的特殊工业变压器，该变压器常用于大型“中压驱动器(MV Drive)”或者其他特殊应用，

(3)具有n-绕组的任何标准变压器，

(4)符合上述原理的任何FACTS装置。

零序电流消除

由于零序电流有时没有适当地从一侧传送到另一侧，有时有必要从一个或者两个电力变压器侧减除零序电流。

当没有适当地传送零序电流时，必须将它们从那一电力变压器侧明确地减除。在这样的情况下，可以使用等式(1.17)的以下更一般的形式：

其中：

Io_W1是保护对象第1侧上的零序电流，

Io_W2是保护对象第2侧上的零序电流，以及

k_W1和k_W2是可以具有值0或者1的设置参数，该参数由终端用户设置以便启用/禁用两侧中任一侧上的零序电流降低。

进一步观察等式(1.18)，显然在实际上有可能用以下两种方式来减除零序电流：

·如在专利US5790357中描述的那样通过测量绕组公共中性点处的零序电流

·通过根据单独测量的三相绕组电流对零序电流进行的内部计算

$\mathrm{Io}=\frac{I_{L1}+I_{L2}+I_{L3}}{3}---\left(1.19\right)$

在第二种情况下则有可能通过定义新的矩阵M0(Θ)将零序电流降低包含到M(Θ)矩阵中，该新的矩阵根据下式来同时执行相移补偿和所需的零序电流消除：

或者通过附加的数学运算

因此现在可以将等式(1.18)改写如下：

应当注意，等式(1.22)和等式(1.17)实际上具有同一形式。仅有的区别在于实际使用哪一个矩阵(即M(Θ)或者M0(Θ))。应当注意，实际上有可能在一个等式中混合(即使用两个)矩阵。在那一情况下，在使用矩阵M(Θ)的一侧将不去除零序电流，而在使用矩阵M0(Θ)的另一侧将去除零序电流。这例如对于YNd连接的电力变压器的差动保护而言是典型的要求。

应当注意，矩阵M0(Θ)实际上是广义规一化变换的数值等效变换，这在专利US6507184中有述。

然而，关于专利US6507184应当注意以下事项：

·当在保护对象的所有侧使用M0(Θ)矩阵时，在没有必要去除零序电流的侧，不必要地减小了差动保护灵敏度

·当在保护对象的所有侧使用M0(Θ)时，可能不必要地破坏瞬时差动电流的计算，这对于2次和5次谐波闭锁/抑制准则的恰当工作而言可能造成问题

因此在本文中提供的本发明在这一方面具有明显优势。

幅度、相角和零序的同时补偿

如果现在在一个等式中将所有三种上述补偿安排在一起，则在二绕组电力变压器或者PST的情况下可以写出以下完整的等式：

最后，对于n-绕组电力变压器的以下最一般的等式可以写为以下形式：

$\left[\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{Diff}\_L1}\\ I_{\mathrm{Diff}\_L2}\\ I_{\mathrm{Diff}\_L3}\end{array}\right]=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{I_{b\_\mathrm{Wi}}}\·M\left({\mathrm{\Θ}}_{\mathrm{Wi}}\right)\·\left[\begin{array}{c}{I}_{L1\_\mathrm{Wi}}-k_{\mathrm{Wi}}\·I_{0\_\mathrm{Wi}}\\ I_{L2\_\mathrm{Wi}}-k_{\mathrm{Wi}}\·I_{0\_\mathrm{Wi}}\\ I_{L2\_\mathrm{Wi}}-k_{\mathrm{Wi}}\·I_{0\_\mathrm{Wi}}\end{array}\right]---\left(1.24\right)$

其中：

n是受保护变压器内的绕组数目，n＝1，2，3，...，n(通常n≤6)，

I_{Diff_Lx}是以u为单位的按相的差动电流，

I_{b_Wi}是如等式(1.2)中定义的相关绕组的基电流(如果绕组结合有OLTC则它是可变值)，

M(Θ_Wi)是3×3矩阵，该矩阵在PST的情况下根据OLTC位置对所测绕组相电流执行动态的相角偏移补偿，

I_{Lx_Wi}是所测绕组相电流，

k_Wi是如下设置，该设置确定是否应当从所测绕组相电流中减去零序电流(即它可以具有值0或者1)，以及

I_{0_Wi}是所测或者所计算的绕组零序电流。

作为选择，当基于 $I_{0\_\mathrm{Wi}}=\frac{I_{L1\_\mathrm{Wi}}+I_{L2\_\mathrm{Wi}}+I_{L3\_\mathrm{Wi}}}{3}$ 通过内部计算来执行零序降低时，等式(1.24)可以改写为如下：

$\left[\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{Diff}\_L1}\\ I_{\mathrm{Diff}\_L2}\\ I_{\mathrm{Diff}\_L3}\end{array}\right]=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{I_{b\_\mathrm{Wi}}}\·\mathrm{MX}\left({\mathrm{\Θ}}_{\mathrm{Wi}}\right)\·\left[\begin{array}{c}{I}_{L1\_\mathrm{Wi}}\\ I_{L2\_\mathrm{Wi}}\\ I_{L3\_\mathrm{Wi}}\end{array}\right]$

其中：

MX(Θ_Wi)在不去除零序电流的情况下等于M(Θ_Wi)(见等式(1.16))或者在应当去除零序电流的情况下等于M0(Θ_Wi)(见等式(1.20))。

等式(1.24)说明了本发明的创造性。它用来针对在差动绕组之前具有任意相角偏移的电力变压器来计算差动电流。它可以在任何电力变压器、PST和FACT装置的保护(即差动电流计算)期间直接使用。如等式(1.13)中所示，差动电流包括来自保护对象所有侧的正序、负序和零序电流，但是作为选择，如果保护对象的特性需要，则可以从保护对象的任一侧去除零序电流。

M(Θ)矩阵的系数总是实数。因此应当注意，对于基频电流相量或者瞬时电流值(即采样)可以使用所提供的差动电流计算方法。因此对于保护对象可以通过与用于标准三相电力变压器的现有差动保护相同的方式来计算基频和瞬时差动电流。这意味着可以直接地再利用所有已有特征，如：

·偏置电流计算

·工作抑制特性

·无抑制工作电平

·2次谐波闭锁

·5次谐波闭锁

·波形闭锁

·交叉闭锁

·灵敏的基于负序的外部/内部故障鉴别器此原理已经在专利申请WO 2005/064759 A1中有所揭示。

通过使用等式(1.24)计算差动电流I_{Diff_Lx}，如果差动电流I_{Diff_Lx}之一开始不等于零则可以在理论上检测到电力变压器中的故障。这在电力变压器的正常通载工作条件之下、即在电力变压器未饱和时是成立的。在实践中，只有在差动电流之一超过预定界限时才检测到故障，以便增强该方法的故障安全性。差动电流不等于零表明在电力变压的规一化输入电流与规一化输出电流之间有差异。规一化输入电流对应于初级绕组W1的规一化电流，而n-绕组电力变压器的规一化输出电流对应于所有其他绕组W2至Wn的规一化电流之和，其中包含180°相移(见图2，输出电流I_{Lx_W2}的方向)。因此，基于等式(1.24)的一般故障检测方法可以描述为如下方法，其中比较初级绕组W1的规一化电流与所有其他绕组W2至Wn的规一化电流。

一种执行这一比较的方式是使用等式(1.24)来明确地计算差动电流I_{Diff_Lx}。

当以如下形式改写等式(1.24)时可以得到另一种方式：

$\left[\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{Diff}\_L1}\\ I_{\mathrm{Diff}\_L2}\\ I_{\mathrm{Diff}\_L3}\end{array}\right]=\frac{1}{I_{b\_W1}}\·M\left({\mathrm{\Θ}}_{W1}\right)\·\left[\begin{array}{c}{I}_{L1\_W1}-k_{W1}\·I_{0\_W1}\\ I_{L2\_W1}-k_{W1}\·I_{0\_W1}\\ I_{L3\_W1}-k_{W1}\·I_{0\_W1}\end{array}\right]+\underset{i=2}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{I_{b\_\mathrm{Wi}}}M\·\left({\mathrm{\Θ}}_{\mathrm{Wi}}\right)\·\left[\begin{array}{c}{I}_{L1\_\mathrm{Wi}}-k_{\mathrm{Wi}}\·I_{0\_\mathrm{Wi}}\\ I_{L2\_\mathrm{Wi}-k_{\mathrm{Wi}}}\·I_{0\_\mathrm{Wi}}\\ I_{L3\_\mathrm{Wi}}-k_{\mathrm{Wi}}\·I_{0\_\mathrm{Wi}}\end{array}\right]---\left(1.25\right)$

现在可以明确地看到作为等式(1.25)第一部分的初级绕组W1和所有其他绕组W2至Wn对差动电流I_{Diff_Lx}的贡献。

等式(1.24)也可以通过提取n个绕组之一的贡献来以任一其他方式进行改写，即例如可以针对绕组W2而不是W1来计算等式(1.25)的左侧。然后将这一单个绕组W2的贡献与其余绕组W1和W3至Wn的贡献相比较。因此，等式(1.24)最一般地可以视为如下方法的基础，该方法用以比较电力变压器的一个单个绕组的规一化电流与所有其他绕组的规一化电流。

正如已经指出的那样，如果没有发生内部故障而且在电力变压器的正常通载工作条件之下，差动电流I_{Diff_Lx}应当全部为零。因而，等式(1.25)的两个贡献部分的相量就它们的幅度而言是相等的，而且相对于彼此具有180°相位位移。在数学项中这可以通过改写等式(1.24)来表达；

$\frac{1}{I_{b\_W1}}\·\left({\mathrm{\Θ}}_{W1}\right)\·\left[\begin{array}{c}{I}_{L1\_W1}-k_{W1}\·I_{0\_W1}\\ I_{L2\_W1}-k_{W1}\·I_{0\_W1}\\ I_{L3\_W1}-k_{W1}\·I_{0\_W1}\end{array}\right]=-\underset{i=2}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{I_{b\_\mathrm{Wi}}}\·M\left({\mathrm{\Θ}}_{\mathrm{Wi}}\right)\·\left[\begin{array}{c}{I}_{L1\_\mathrm{Wi}}-k_{\mathrm{Wi}}\·I_{0\_\mathrm{Wi}}\\ I_{L2\_\mathrm{Wi}}-k_{\mathrm{Wi}}\·I_{0\_\mathrm{Wi}}\\ I_{L3\_\mathrm{Wi}}-k_{\mathrm{Wi}}\·I_{0\_\mathrm{Wi}}\end{array}\right]---\left(1.26\right)$

现在可以通过简单地比较等式(1.26)的左手侧与右手侧来检测故障，其中每相Lx(x＝1，2或者3)的所得相量应当具有同一幅度，而且相对于彼此具有0°相移，即同相。

根据本发明的一个实施例，已经发现等式(1.26)现在尤其地适于对低水平匝间故障的检测。在低水平匝间故障的情况下，由于作为整体的受影响电力变压器与少数短路项之间比较高的变换比，所以等式(1.26)两侧的幅度相对于彼此将几乎表现不出相对差异。但是与此同时，由于短路匝中的高电流，所以在等式(1.26)的对应相中将出现取不同于0°的任意值的相移。

因此，通过监视对等式(1.25)的差动电流的两个贡献之间的相角，或者类似地通过持续地而且针对三相中的每相来监视等式(1.26)两侧之间的相移，实现了一种用以检测低水平匝间故障的灵敏而简单的方法。一旦相移达到预定水平例如4°就通报匝间故障。

除监视各个相电流之外，对正序分量贡献与负序分量贡献之间的相移的监视也可以用作又一检查准则。

为了进一步改进故障检测方法的故障安全性，可以包括确定和评估等式(1.26)的三相中每相的相角偏移这一附加步骤。如果三相中的每相实际上表现同一相角偏移，则指示了相角补偿有问题，因为不大可能出现三相故障。为了进一步证实存在相角补偿问题，可以通过比较绕组W1与所有其他绕组W2至Wn来确定正序电流的相角偏移。如果此第四相角偏移与等式(1.26)的三相相角偏移同值，则认可对错误相角补偿的指示。

由于等式(1.25)和(1.26)分别地要求正常的通载条件，所以当在实践中作为偏置电流的直通电流(through-going current)取预定义电流值段以外的值时，应当禁用对相角或者相移的监视，其中该电流值段由最小和最大电流电平来限定。

Claims (19)

1.一种用于n-绕组三相电力变压器中的故障检测的方法，包括步骤：

·对于每个所述绕组(Wi，其中i＝1，...，n)：

о测量三相电流(I_{L1_Wi}；I_{L2_Wi}；I_{L3_Wi})，

о根据至少一个用户设置(k_Wi)判断(7)是否要执行零序电流(I_{0_Wi})降低(2)，以及如果判断为是则从每个所述三相电流(I_{L1_Wi}；I_{L2_Wi}；I_{L3_Wi})中减除所述零序电流(I_{0_Wi})，

о通过对前一步骤的结果执行幅度补偿(3)和相角偏移补偿(4)来产生规一化电流，

·然后对于每相(Lx，其中x＝1，2，3)：

о比较(5)单个绕组的规一化电流与所有其他绕组的规一化电流，以及

о如果所述单个绕组与所有其他绕组之间的差超过预定义水平则产生(6)故障信号。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述单个绕组是初级绕组(W1)，而所有其他绕组是第二绕组和随后的绕组(W2，...，Wn)。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中对于每相(Lx)，通过将所述单个绕组(W1)的规一化电流与所有其他绕组的规一化电流之和相加来比较规一化电流，由此根据以下两式确定按相的差动电流：

$\left[\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{Diff}\_L1}\\ I_{\mathrm{Diff}\_L2}\\ I_{\mathrm{Diff}\_L3}\end{array}\right]=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{I_{b\_\mathrm{Wi}}}\·M\left({\mathrm{\Θ}}_{\mathrm{Wi}}\right)\·\left[\begin{array}{c}{I}_{L1\_\mathrm{Wi}}-k_{\mathrm{Wi}}\·I_{0\_\mathrm{Wi}}\\ I_{L2\_\mathrm{Wi}}-k_{\mathrm{Wi}}{\·I}_{0\_\mathrm{Wi}}\\ I_{L2\_\mathrm{Wi}}-k_{\mathrm{Wi}}\·I_{0\_\mathrm{Wi}}\end{array}\right]$

和

以及其中如果所述按相的差动电流(I_{Diff_Lx})超过预定义水平则产生故障信号。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其中对于每相(Lx)，通过根据以下两式比较所述单个绕组(W1)的规一化电流的相量与所有其他绕组(W2，...，Wn)的规一化电流之和的负相量来比较规一化电流：

$\frac{1}{I_{b\_W1}}\·M\left({\mathrm{\Θ}}_{W1}\right)\·\left[\begin{array}{c}{I}_{L1\_W1}-k_{W1}\·I_{0\_W1}\\ I_{L2\_W1}-k_{W1}\·I_{0\_W1}\\ I_{L3\_W1}-k_{W1}\·I_{0\_W1}\end{array}\right]=-\underset{i=2}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{I_{b\_\mathrm{Wi}}}\·M\left({\mathrm{\Θ}}_{\mathrm{Wi}}\right)\·\left[\begin{array}{c}{I}_{L1\_\mathrm{Wi}}-k_{\mathrm{Wi}}\·I_{0\_\mathrm{Wi}}\\ I_{L2\_\mathrm{Wi}}-k_{\mathrm{Wi}}\·I_{0\_\mathrm{Wi}}\\ I_{L3\_\mathrm{Wi}}-k_{\mathrm{Wi}}\·I_{0\_\mathrm{Wi}}\end{array}\right]$

和

以及其中如果对于所述相(Lx)之一，对应的两个相量之间的幅度和/或相角超过预定义水平，则产生故障信号。

5.根据权利要求4所述的方法，其中还针对正序分量贡献和负序分量贡献来检查所述单个绕组(W1)与所有其他绕组(W2至Wn)之间的相角偏移。

6.根据权利要求4或5所述的方法，其中比较所述三相(Lx)的两个对应相量之间的三个相角，以及其中如果所述三个相角大小相等则指示所述相角偏移补偿(4)有故障。

7.根据权利要求5和6所述的方法，其中比较所述正序分量贡献的相角偏移与所述三个相角，以及其中如果它们全都大小相等则同意所述相角偏移补偿(4)有故障。

8.根据至少一个前述权利要求所述的方法，其中对于所述绕组(Wi)中的至少一个绕组，在绕组公共中性点测量零序电流(I_{0_Wi})。

9.根据前述权利要求1至7中至少一个权利要求所述的方法，其中对于所述绕组(Wi)中的至少一个绕组，使用下式根据三个所测相电流(I_{L1_Wi}；I_{L2_Wi}；I_{L3_Wi})确定所述零序电流(I_{0_Wi})：

$I_{0\_\mathrm{Wi}}=\frac{I_{L1\_\mathrm{Wi}}+I_{L2\_\mathrm{Wi}}+I_{L3\_\mathrm{Wi}}}{3}.$

10.根据至少一个前述权利要求所述的方法，其中对于每个所述绕组(Wi)，通过将所测相电流(I_{L1_Wi}；I_{L2_Wi}；I_{L3_Wi})除以使用下式的基电流(I_{b_Wi})来执行所述幅度补偿：

$I_{b\_\mathrm{Wi}}=\frac{S_{r\max \_\mathrm{Wi}}}{\sqrt{3}\·U_r},$ 其中：

S_{rmax_Wi}是对应绕组(Wi)的三相额定功率，而U_r是所述对应绕组(Wi)的额定相间无载电压。

11.根据至少一个前述权利要求所述的方法，其中对具有可变相角偏移或者除30°和30°的倍数以外的固定相角偏移的电力变压器执行故障检测。

12.根据至少一个前述权利要求所述的方法，其中在所述电力变压器耦合到有载抽头变换器(OLTC)的情况下，根据所述抽头变换器的位置(13)来确定对应绕组(Wi)的基电流(I_{b_Wi})。

13.根据至少一个前述权利要求所述的方法，其中通过读入由用户设置的至少一个固定参数为每个所述绕组(Wi)确定用于所述相角偏移补偿(4)的相角(Θi)。

14.根据权利要求12所述的方法，其中根据与所述有载抽头变换器的绕组(Wi)相对应的查找表确定用于所述相角偏移补偿(4)的相角(Θi)，所述查找表描述不同的有载抽头变换器位置与对应的相角变化之间的关系。

15.根据权利要求14所述的方法，其中在多个有载抽头变换器的情况下，按照抽头变换器的数目、根据多个查找表为对应绕组(Wi)确定用于所述相角偏移补偿(4)的相角(Θi)。

16.根据前述权利要求1至12中至少一个权利要求所述的方法，其中从外部控制系统经由通信网络为每个绕组(Wi)接收用于所述相角偏移补偿(4)的相角(Θi)。

17.根据前述权利要求1至12中至少一个权利要求所述的方法，其中在相移变压器(PST)的情况下，当所述PST没有负载时根据正序电压、或者当所述PST加有负载时根据正序电流、通过内部算法为每个绕组(Wi)确定用于所述相角偏移补偿(4)的相角(Θi)。

18.一种用于n-绕组三相电力变压器中的故障检测的装置，包括：

·用于为每个所述绕组(Wi，其中i＝1，...，n)测量三相电流(I_{L1_Wi}；I_{L2_Wi}；I_{L3_Wi})的装置，

·用于根据至少一个用户设置(k_Wi)为每个所述绕组(Wi)判断是否要执行零序电流(I_{0_Wi})降低(2)、以及如果判断为是则从每个所述三相电流(I_{L1_Wi}；I_{L2_Wi}；I_{L3_Wi})中减除所述零序电流(I_{0_Wi})的装置(7)，

·用于通过对前一步骤的结果执行幅度补偿和相角偏移补偿为每个所述绕组(Wi)产生规一化电流的装置(3，4)，

·用于为每相(Lx，其中x＝1，2，3)比较初级绕组(W1)的规一化电流与所有其他绕组(W2，...，Wn)的规一化电流的装置(5)，以及

·用于在所述初级绕组(W1)与所有其他绕组(W2，...，Wn)之间的差超过预定义水平时为每相(Lx)产生故障信号的装置(6)。

19.一种计算机程序产品，实现在用于实施根据权利要求1至17中至少一个权利要求所述的方法的一个或多个计算机可读介质上。

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