CN102171905B - 产生指示变压器中线圈故障的故障信号的方法及保护设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于产生故障信号的方法,该故障信号指示变压器中的线圈故障、特别是匝间短路,该方法包括利用至少一个电流测量值和至少一个电压测量值形成触发测量值;将该触发测量值与预先给定的触发边界值进行比较;以及如果该触发测量值达到或超过该预先给定的触发边界值,则产生故障信号。

Description

产生指示变压器中线圈故障的故障信号的方法及保护设备
技术领域
本发明涉及一种用于产生指示变压器中的线圈故障的故障信号的方法及保护设备。
背景技术
在国际专利申请WO 2005/064759Al中公开了一种用于识别变压器中匝间短路的方法。该方法基于对变压器高压侧和低压侧的逆相序系统电流的确定以及方向的比较。
对变压器中的线圈故障(如匝间短路)的识别要求灵敏的保护机制。这样的匝间短路一般来说难以识别,因为它们仅在变压器的端子上造成很小的电流上升。而由于匝间短路在故障位置的电流则很高并且对于变压器非常危险。目前通常采用的保护装置在变压器的两侧采集导线电流并检测通过在匝间短路情况下出现的差动电流造成的内部故障,但由此一般不能实现用于早期识别匝间短路的足够的灵敏度。
匝间短路例如可能出现在接通变压器时,因为出现的高接通电流会在线圈中产生强振荡并由此造成可能导致匝间短路的强机械负荷。目前的差分保护装置或差分保护继电器大多在接通阶段通过在对差动电流中第二谐波的分析的基础上的接通电流稳定而被禁止,从而使其根本不可能识别在接通阶段出现的匝间短路。
发明内容
因此,本发明要解决的技术问题在于,提供一种能够非常灵敏并且特别是在变压器接通期间采集匝间短路的方法。
本发明的技术问题通过具有权利要求1的特征的方法来解决。该方法的优选实施方式在从属权利要求中给出。
按照本发明的方法,利用至少一个电流测量值和至少一个电压测量值形成触发测量值,将该触发测量值与预先给定的触发边界值进行比较,并且如果该触发测量值达到或超过该预先给定的触发边界值,则产生故障信号。
本发明方法的主要优点在于其极高的灵敏性,因而能够很快地识别匝间短路。
本发明方法的另一主要优点在于其极高的灵敏性,从而使线圈在接通变压器期间也能非常可靠地工作。
根据本发明方法的一特别优选的实施方式,在引入零序电流和零序电压以及零序电流的时间导数的情况下形成触发测量值。
例如,利用电流转换器在地线路(Erdpfad)中在变压器星形点测量所述零序电流或者利用变压器的导线电流计算出该零序电流。
零序电压例如可以在变压器星形点进行测量或利用变压器的导线电压计算得出。
优选地,对所述导线电流、导线电压、零序电流和/或零序电压在变压器的星形连接的变压器一侧进行测量。
就高触发灵敏性而言,优选地通过将至少三个电压辅助值相加来确定所述触发测量值,其中,第一电压辅助值通过将零序电流的时间导数与第一辅助系数相乘形成,第二电压辅助值通过将零序电流与第二辅助系数相乘形成,而第三电压辅助值通过将零序电压与第三辅助系数相乘形成。
优选地根据以下公式形成触发测量值:
Umess=3*L12*i0′+3*R12*i0+(-3)*u0
其中,Umess是触发测量值,L12是预先给定的电感值,i0′是零序电流的时间导数,R12是预先给定的电阻值,i0是零序电流,而u0是零序电压。
在星形-三角形变压器,即星形-三角形连接的变压器的情况下,如果在引入零序电流、零序电压、零序电流的时间导数、从变压器的三角形绕组中的电流导出的三角形电流参数以及该三角形电流参数的时间导数的条件下形成触发测量值,则能够实现更好的灵敏性。优选地,利用设置在三角形绕组中的附加电流转换器来测量三角形绕组中的电流。
此外,在星形-三角形变压器的情况下,优选地通过将至少五个电压辅助值相加来确定触发测量值,其中,第一电压辅助值通过将零序电流的时间导数与第一辅助系数相乘形成,第二电压辅助值通过将零序电流与第二辅助系数相乘形成,第三电压辅助值通过将零序电压与第三辅助系数相乘形成,第四电压辅助值通过将三角形电流参数的时间导数与第四辅助系数相乘形成,以及第五电压辅助值通过三角形电流参数与第五辅助系数相乘形成。
优选地,根据以下公式形成所述触发测量值:
Umess=3*L12*i0′+3*R12*i0+(-3)*u0+(L3/N)*id′+(R3/N)*id
其中,Umess是触发测量值,L12是预先给定的电感值,i0′是零序电流的时间导数,R12是预先给定的电阻值,i0是零序电流,u0是零序电压,id′是三角形电流参数的时间导数,id是三角形电流参数,R3是与内部三角形绕组相关的电阻值,L3是与内部三角形绕组相关的电感值。
为了避免错误触发,优选地仅当触发测量值在至少一个完整电网频率周期上达到或超过预先给定的触发边界值时才产生故障信号。
此外,本发明还涉及一种用于保护变压器的保护设备或保护继电器,其具有用于在变压器中出现线圈故障、特别是匝间短路时产生故障信号的控制装置。按照本发明,该控制装置设计用于执行以上所描述的方法。优选地,该控制装置具有被相应编程的数据处理装置。
附图说明
以下将借助实施例对本发明进行详细描述。与此相关地举例示出:
图1示出了两个用于防止匝间短路的测量参数电路;
图2示出了具有一个匝间短路的星形-三角形变压器的简化电路图;
图3示出了对于图2的变压器的变压器等效电路,没有三角形绕组中的电流转换器;
图4示出了对于图2的变压器的变压器等效电路,具有三角形绕组中的电流转换器;
图5示出了用于计算流程的电路方框图,在其中对相电压和相电流进行处理和分析;
图6示出了用于计算流程的电路方框图,在其中对零序系统参数进行处理和分析;
图7举例示出了对于变压器阻抗L3的不同值在变压器接通期间3*I0的变化;
图8示出了用于计算流程的电路方框图,在其中对零序系统参数以及三角形绕组内的电流进行处理和分析;
图9示出了在有内部故障的情况下根据不同方法计算出的触发测量值的变化;
图10示出了在变压器接通的情况下根据不同方法计算出的触发测量值的变化。
在附图中对相应或相同的组件始终采用相同的附图标记。
具体实施方式
以下基于变压器替换电路的差分方程举例描述本发明的方法。为了确定这些替换电路,优选地测量在星形连接的变压器侧的电流和电压。附加地还可以测量变压器三角形绕组中的电流。
例如在图1中举例示出了相应的测量参数的连接,即,在左侧的电路中具有用于测量三角形绕组中电流的附加电流转换器,而在右侧的电路中则没有用于测量三角形绕组中电流的附加电流转换器。
图2举例示出用于分析内部故障(相-地故障和绕组至绕组故障(所谓的匝间短路))的变压器替换电路。匝间短路(短接的绕组)总是限于一相的非对称故障。这在图2中以具有附图标记P的箭头标示的线圈以及仅在一相中的故障电流iz表示。可以利用附加的电流转换器来采集三角形绕组中的电流;图2中用附图标记i1d表示电流。
对于按照图2的变压器模型,在短路的情况下以下用于确定出现的差动电流的公式成立:
iop1=i1-i1d=i1-iCA=im1+iZ    (3.1a)
iop2=i2-(i1d-iA)=im2          (3.1b)
iop3=i3-(i1d+iC)=im3          (3.1c)
其中,
i1d  为所测得的三角形绕组中的电流,
im   为所考察的相中的磁化电流,
iZ   为内部故障电流,
iA,B,C,1,2,3  为在变压器端子上测得的电流,
iop  差动电流。
从图2可以看出,内部短路很难识别,首先是在同时还存在接通过程时。即便是匝间短路单独存在,通过差分保护装置测得的、用于识别的差动电流一般来说也太小。
图3和图4示出了没有和带有对三角形绕组中的电流采集的星形-三角形变压器的替换电路。在此,所有变压器参数例如都与变压器的星形侧相关。由此为了描述可以引入“理想的”变压器。通过与变压器的星形侧相关可以省去公式中对电压的变换。参数L1、R1、L2、R2与变压器的高压侧相关(L1+L2=L12,R1+R2=R12)。参数L3、R3则代表中压侧或低压侧。
参数L1和L2表示星形连接的高压侧的等效电感;索引“1”以及“2”考虑了绕组中短路的位置。参数L1和L2表示散射损耗。由于空气或真空也可能导引磁场的事实,磁场不仅存在于铁芯中而且还作为散射场存在于铁芯的周围。该散射场在周围的所有金属部件中感应出感应电压,这些感应电压在其一侧造成具有相应损耗的电流,即散射损耗。该散射损耗被解释为感应电抗XS(L1,L2)。散射损耗可以在空转试验中测量。要测量的是空转电流或磁化电流,大多由制造商测量并以额定电流的百分比给出,由此给出总等效电感L12,其由部分电感的组合算出(L12=L1+L2)。
参数R1和R2表示高压侧的等效电阻;索引“1”和“2”考虑了绕组中短路的位置。参数R1和R2代表铜损耗或绕组损耗。绕组损耗由于绕组材料的电阻R12而产生并且是纯粹的电流热损耗。绕组损耗可以在短路试验中测量。要测量的是短路电压;由变压器制造商测量绕组损耗并由此间接地给出由部分电阻R1和R2的组合(R12=R1+R2)给出的总等效电阻R12,通常以uk[%]给出。
参数L3表示变压器的内部三角形绕组与铁芯之间的散射电感。参数L3一般非常小;相应地,对于电阻R3也是如此,其涉及变压器的内部三角形绕组中的欧姆损耗。
利用图3和图4所示的等效电路例如可以导出以下用于识别匝间短路的保护准则:
-利用相电压和相电流的保护准则,
-利用零序系统电压和零序系统电流的保护准则,
-利用相电压、相电流和三角形绕组中的电流的保护准则,
-利用零序系统电压、零序系统电流和三角形绕组中的电流的保护准则。
以下将结合图5对采用相电压和相电流而不采集三角形绕组中的电流的实施例进行描述。在此,图5示出了说明计算流程的电路方框图。在框10中根据公式3.5b(见以下)利用相电压和相电流来计算触发条件。在框20中对计算结果进行滤波,而在框30中做出触发决定并在必要时产生故障信号F。
框10、20和30例如可以构成用于保护变压器的保护设备40或保护继电器。保护设备40或保护继电器在变压器出现线圈故障、特别是匝间短路时产生故障信号F。
由图3所示的等效电路得到:
i1-iZ-im1=iAC    (3.2a)
i2-im2=iBA       (3.2b)
i3-im3=iCB       (3.2c)
如果写成各相位电压的网络方程,则得到:
u1=L1i1′+R1i1+L2(i1′-iZ′)+R2(i1-iz)+L3iAC′+R3iAC+uA    (3.3a)
u2=L12i2′+R12i2+L3iBA′+R3iBA+uB                          (3.3b)
u3=L12i3′+R12i3+L3iCB′+R3iCB+uC                          (3.3c)
将公式3.3a从3.3b中减去得到:
u2-u1=L12(i2′-i1′)+R12(i2-i1)+L3(iBA′-iAC′)+R3(iBA-iAC)+L2iZ′+R2iZ+
(uB-uA)
                                                            (3.4a)
在使用中压侧的相电流时以iBA-iAC=iA/N(N:变压器电压变换)得到:
u 2 - u 1 = L 12 ( i 2 ′ - i 1 ′ ) + R 12 ( i 2 - i 1 ) + 1 N L 3 i A ′ + 1 N R 3 i A + L 2 i Z ′ + R 2 i Z + ( u B - u A ) - - - ( 3.4 b )
该方程还可以用于相1和3以及相2和3。由此可以识别出其它相中的内部短路。还给出另外的方程:
L 2 i Z ′ + R 2 i Z = ( u 2 - u 1 ) - ( u B - u A ) - L 12 ( i 2 ′ - i 1 ′ ) - R 12 ( i 2 - i 1 ) - 1 N L 3 i A ′ - 1 N R 3 i A - - - ( 3.5 a )
考虑以下关系:
uB-uA=N(uBA-uAC)=N(uBf-2uAf+uCf)=-3NuAf
得到:
L 2 i Z ′ + R 2 i Z = ( u 2 - u 1 ) + Nu Af - L 12 ( i 2 ′ - i 1 ′ ) - R 12 ( i 2 - i 1 ) - 1 N L 3 i A ′ - 1 N R 3 i A
Umess=(u2-u1)+N*uAf-L12*(i2′-i1′)-R12*(i2-i1)-1/N*L3*iA′-1/N*R3iA
                                                                    (3.5b)
在公式3.5b中触发测量值Umess表示与未知短路电流成比例的电压。其是基于变压器端子上的信号计算出的。因此可以利用来自公式3.5b的信号(触发测量值Umess)作为用于内部匝间短路的度量(准则)。
以下将结合图6对考虑零序电流和零序电压的实施例进行描述。在此,图6示出用于说明计算流程的电路方框图。在框100中形成零序电压和零序电流。在框120中根据公式3.8(见以下)利用该零序电压、零序电流以及测得的星形点电流来计算触发条件。在框130中对结果进行滤波,而在框140中做出触发决定。
可以在设置在三角形绕组内、即变压器内以及绕组阻抗极小的边界条件下导出基于零序系统参数的方程组。如果是这种情况,则实际上可以假设参数L3和R3几乎为零并可忽略。
现在,可以将公式3.3写成以下形式:
u1=LTi1′+RTi1-(L2+L3)iZ′-(R2+R3)iz-L3im1′-R3im1+uA    (3.6a)
u2=LTi2′+RTi2-L3im2′-R3im2+uB                          (3.6b)
u3=LTi3′+RTi3-L3im3′-R3im3+uC                          (3.6c)
其中,LT=L12+L3,RT=R12+R3,uA+uB+uC=0。
如果将公式3.6a、3.6b、3.6c两侧相加,则得到:
3u0=3LTi0′+3RTi0-L3(im1′+im2′+im3′)-R3(im1+im2+im3)-(L2+L3)iZ′-(R2+R3)iZ
                                                          (3.7a)
如果L3=0且R3=0则得到:
3u0=3L12i0′+3R12i0-L2iZ′-R2iZ                          (3.7b)
通过变换公式3.7b得到:
L2iZ′+R2iZ=3L12i0′+3R12i0-3u0
Umess=3*L12*i0′+3*R12*i0+(-3)*u0                        (3.8)
公式3.8的右侧表示触发测量值Umess,其中,零序系统参数是从星形侧看的。零序系统电流可以利用电流变换器在地线路(变压器星形点)中直接测量,或者利用导线电流计算出。零序系统电压3u0是星形侧的电压之和。
如果安装用于测量3i0的电流转换器(星形点电流转换器),则是有具有优势的。由此使按照公式3.8的计算不会受到导线电流转换器的饱和的影响。
如果L3=0且R3=0的假设不成立,则给出:
L2iZ′+R2iZ=3LTi0′+3RTi0-3u0-L3(im1′+im2′+im3′)-R3(im1+im2+im3)  (3.9)
即便是在变压器接通期间在电网频率的每个周期中也会存在如下的时间段,即在其中下式成立:
(im1′+im2′+im3′)≈0以及(im1+im2+im3)≈0。
因此,当在整个电网周期上满足以下条件时,能够特别可靠地识别内部短路:
|Umess|=|L2iZ′+R2iZ|t-0.02→t>H    (3.10)
其中:
H-所定义的阈值。
图7示出了在接通变压器期间变压器阻抗的值对零序系统电流的影响。
可以看到,仅对于L3和R3近乎为零来说零序系统电流小到当内部短路存在时足以判断内部短路的程度。另一方面,利用公式3.8计算出的电压受到接通过程的影响并且仅能使用根据公式3.10的条件来识别内部短路。
图8示出了基于零序系统参数以及三角形绕组内的循环电流来计算触发准则的实施例。
图8示出了说明计算流程的电路方框图。在框200中形成零序电压和零序电流。在框220中根据公式3.14(见以下)利用零序电压、零序电流以及测得的三角形绕组中的电流来计算触发条件。代替由三个导线电流来计算零序电流还可以在变压器星形点测量该零序电流。在框230中对结果进行滤波,而在框240中做出触发决定。
在按照图8的设置中,可以从公式3.3中导出用于触发的触发准则。这给出根据公式3.8的准则的变形,其使得可以得到对未知磁化电流的还要好的补偿。将公式3.3a、3.3b、3.3c的左侧和右侧相加得到:
3u0=3L12i0′+3R12i0+L3(iAC′+iBA′+iCB′)+R3(iAC+iBA+iCB)+uA+uB+uC-L2iZ′-R2iZ
                                                                    (3.11)
此外还成立:
uA+uB+uC=0以及
按照图4得到:
i AC + i BA + i CB = i AC + i AC + 1 N i A + i AC - 1 N i C = 3 i AC + 1 N i A - 1 N i C - - - ( 3.12 )
如果现在直接测量三角形绕组中的电流iAC 则在引入另一变量
id=3i1d+iA-iC    (3.13)
后以及通过变换公式3.11得到:
L 2 i Z ′ + R 2 i Z = 3 L 12 i 0 ′ + 3 R 12 i 0 - 3 u 0 + 1 N L 3 i d ′ + 1 N R 3 i d
Umess=3*L12*i0′+3*R12*i0+(-3)*u0+(L3/N)*id′+(R3/N)*id    (3.14)
利用公式3.14可以更加准确地计算与内部短路电流成比例的触发测量值Umess。并且即使在接通变压器期间出现内部短路时也是如此。
该算法的这一优点可以通过附加地测量三角形绕组中的循环电流来实现。中压或低压侧的等价阻抗(L3,R3)必须是已知的,因为否则就会出现估计误差。
对以上所述的方法已在考虑公式3.5b、3.8和3.14的情况下进行了模拟。在此,首先利用初级侧电网电流和电网电压对保护系统进行了检测。这使得首先在没有电流转换器特性(例如饱和)的影响的情况下显现出效力。假设L3和R3的值已知并近似为零。
图9示出了在有内部匝间短路的情况下在时刻t=0.2s时的情况。在所提及的理想条件下,所有三个触发准则都能给出正确的结果。在故障发生后计算出的电压是正弦形的,具有电网频率和8.8kV的振幅。这相当于约5%的变压器额定电压。信号足够大并且能够可靠地识别短路。
在变压器接通的情况下(参见图10),根据公式3.14的触发准则由于附加的关于三角形绕组中的电流的信息而保持得最稳定。
在根据公式3.8的触发准则中,测得的电压不为零。其形状由零序系统电流的形状确定。但在这种情况下当检验根据公式3.10的附加条件时也能实现正确的保护反应,该附加条件对图解地描述的电压信号的平坦区域进行检测。
如果在使用相电压和相电流的情况下根据公式3.5b确定电压,则并不总是能够容易地做出保护决定。尽管仍然存在平坦的区域,但曲线形状却以直至50%变压器额定电压的高尖峰而是不确定的。该尖峰是由于数值效应(减去相电压的较大的值)造成的。同样的尖峰也出现在在变压器接通时带有内部故障时。对于更加可靠的保护决定,额外的措施是值得推荐的。
可以通过使用数字滤波器实现更好的保护特性,特别是对于根据公式3.5b的准则来说。非常好的结果例如可以利用中值滤波器(Median-Filter)实现。通过该滤波器可以完全消除信号尖峰,而信号的频谱则得到最大程度的保持。通过该附加的信号滤波对于根据公式3.5b的准则也可以得到更可靠的保护决定。
中值滤波器是一种非线性数字滤波器技术,其例如用于从信号中去除噪声。其概念在于,检验输入侧的采样值并判断其对于信号是否典型。这借助由奇数试样构成的窗口来实现。将窗口中的值按数值顺序进行排序。将中间值、即窗口中心的采样值选作输出值。丢弃最老的采样值,接受新的采样值,并重复该计算。这类滤波较之于平均值滤波更加鲁棒,并且在较小值附近的很高的值(尖峰)对中值的影响很小。
综上所述,通过以上举例描述的过程可以得到以下优点:
-以物理上不同的作用原理在差分保护的同时对变压器进行单独的保护。
-保护不会(如在差分保护中常见的那样)在接通过程中被禁止。由此也不会在变压器饱和时通过第二谐波禁止。
-对于识别变压器中小的短路电流的灵敏的保护准则(能够识别绕组的较少匝之间的短路)。
-如果直接测量零序系统电流3I0(变压器星形点的电流),则导线电流转换器可能的饱和对更可靠的保护决定的影响较小。

Claims (10)

1.一种用于产生故障信号的方法,该故障信号指示了变压器中的线圈故障,该方法包括:
-利用至少一个电流测量值和至少一个电压测量值形成触发测量值;
-将该触发测量值与预先给定的触发边界值进行比较;以及
-如果该触发测量值达到或超过该预先给定的触发边界值,则产生故障信号,
其中,在引入零序电流和零序电压以及零序电流的时间导数的情况下形成所述触发测量值,并且通过将至少三个电压辅助值相加来确定所述触发测量值,其中,
-第一电压辅助值通过将零序电流的时间导数与第一辅助系数相乘形成;
-第二电压辅助值通过将零序电流与第二辅助系数相乘形成;以及
-第三电压辅助值通过将零序电压与第三辅助系数相乘形成。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,利用电流转换器在地线路中在变压器星形点测量或者利用变压器的导线电流计算得出所述零序电流。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,在变压器星形点测量或者利用变压器的导线电压计算得出所述零序电压。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,对变压器的导线电流、变压器的导线电压、所述零序电流和所述零序电压在变压器的星形连接的一侧进行测量。
5.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述触发测量值根据以下公式形成:
Umess=3*Ll2*i0'+3*Rl2*i0+(-3)*u0
其中,
Umess是触发测量值;Ll2是预先给定的电感值;i0'是零序电流的时间导数;Rl2是预先给定的电阻值;i0是零序电流,而u0是零序电压。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法,其特征在于,所述触发测量值为星形-三角形变压器而形成,即是在引入零序电流、零序电压、零序电流的时间导数、从变压器的三角形绕组中的电流导出的三角形电流参数以及该三角形电流参数的时间导数的情况下形成的。
7.根据权利要求6所述的方法,其特征在于,利用三角形绕组中的附加电流转换器测量所述三角形绕组中的电流。
8.根据权利要求6所述的方法,其特征在于,通过将至少五个电压辅助值相加来确定所述触发测量值,其中,
-第一电压辅助值通过将零序电流的时间导数与第一辅助系数相乘形成;
-第二电压辅助值通过将零序电流与第二辅助系数相乘形成;
-第三电压辅助值通过将零序电压与第三辅助系数相乘形成;
-第四电压辅助值通过将所述三角形电流参数的时间导数与第四辅助系数相乘形成;以及
-第五电压辅助值通过所述三角形电流参数与第五辅助系数相乘形成。
9.根据权利要求8所述的方法,其特征在于,所述触发测量值根据以下公式形成:
Umess=3*Ll2*i0'+3*Rl2*i0+(-3)*u0+(L3/N)*id'+(R3/N)*id
其中,
Umess是触发测量值;Ll2是预先给定的电感值;i0'是零序电流的时间导数;Rl2是预先给定的电阻值;i0是零序电流;u0是零序电压;id'是三角形电流参数的时间导数;id是三角形电流参数;R3是与内部三角形绕组相关的电阻值;L3是与内部三角形绕组相关的电感值;N是变压器电压变换比例。
10.根据权利要求1至5中任一项所述的方法,其特征在于,仅当所述触发测量值在至少一个完整电网频率周期上达到或超过预先给定的触发边界值时才产生所述故障信号。
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