CN104838552A - 变压器保护系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及变压器保护系统（10），其包括：保护外壳（12）；包括设置在所述保护外壳中的变压器，特别是干式变压器，其具有变压器芯（14）并且具有至少一个一次侧电绕组（16，18）和二次侧电绕组，该二次侧电绕组磁耦合于所述一次侧电绕组；包括用于测量变量的至少一个检测设备（22，24，26），从测量变量可以得出干扰电弧（20）在保护外壳（12）内出现；包括评估单元（28），用于在干扰电弧（20）的情况下从至少一个检测设备的测量变量生成故障信号（30）；和包括对于电绕组（16，18）中的至少一个的快速接地设备（32，34，36，38），其意在由故障信号（30）激活，其中快速接地设备（32，34，36，38）采用在激活故障信号（30）后立即确保有效电接地这样的方式设计。

Description

变压器保护系统

技术领域

本发明涉及变压器保护系统，其包括保护外壳、变压器，特别是干式变压器，其设置在所述保护外壳中并且包括变压器芯和至少一个一次侧电绕组和磁耦合于所述一次侧绕组的二次侧电绕组。

背景技术

大体上已知通过示例在从1kV至72.5kV或更高的电压范围内的高压变压器具体体现为干式变压器，其通过示例包括在0.5MVA至63MVA范围内的输出容量。然而，在保护外壳中设置该类型的变压器，这对于一些应用是必需的。这可以由于各种原因，通过示例要保护变压器以免受例如盐海空气等恶劣环境条件的影响。在这样的情况下，保护外壳优选地是密封封装外壳，其中在正常操作期间在所述外壳中产生的热能凭借换热器而耗散到外部。然而，变压器也根据需要容纳在保护外壳中以便保护人员并且防止任何人与承载电压的任何部分接触。具有较高输出容量（通过示例200MVA及更高）的变压器具体体现为油式变压器。在该情况下，变压器设置在充油容器中，其最终也代表根据本发明的保护外壳。

然而在变压器或它通过保护外壳的供应线的电压承载部分与由于安全原因而接地的外壳之间的故障的情况下可能出现电弧故障，这是不利的。该类型的电弧故障包括高能量密度并且可以在短路的情况下根据来自供应网络的相应电力馈入而完全毁坏正常保护外壳。由于该原因，保护外壳对于采用电弧可以持续特定时段地在所述变压器的内部间隔中燃烧而未对人员造成任何危险或未损坏保护外壳这样的方式设计的变压器可用。对此的典型示例通过示例在WO 2012118645 A1中公开。然而，该类型的保护外壳制造起来极其昂贵。术语‘保护外壳’在每个情况下也理解为意指封装。

发明内容

基于该现有技术，本发明的目标是对设置在保护外壳中的变压器提供改进的起弧保护。

该目标凭借在背景技术中提到的那类变压器保护而实现。所述变压器保护的特征在于还提供对于测量变量（从其推断在保护外壳内出现电弧故障是可能的）的至少一个检测设备、用于在电弧故障的情况下从至少一个检测设备的测量变量生成故障信号的评估单元和对于为了凭借故障信号而激活的目的所提供的至少一次侧电绕组的至少一个高速接地设备，其中该高速接地设备采用立即但在激活故障信号后最迟5ms确保有效电接地这样的方式具体体现。

电弧故障燃烧所在的时段对于电弧故障破坏力是相当大的影响因子。本发明的基本思想在于电弧的燃烧期凭借变压器的电连接的高速接地、采用对保护外壳或更确切地对变压器的损坏凭借电弧故障而消除或更确切地至少大大减少这样的方式缩短。在没有额外测量的情况下，网络操作中的短路或更确切地与之关联的电弧的持续期取决于变压器集成所在的网络的保护系统。该类型的保护系统借助于增加的短路电流来识别短路并且采用尽可能选择性的方式凭借定位在网络中的电力开关来断开受影响的网络部分。

为了检测短路，相关网络保护设备从出现短路的时间点直到将断开信号传送到相关电力开关通过示例需要50ms。电力开关本身同样需要这样的时期，其位于接收断开信号所在的时间点直到最后断开短路的该范围内。因此，短路持续至少100ms地继续存在，也就是说在断开所述短路之前在50Hz频率的情况下是5个网络期。

在该时段期间出现的电弧故障导致相当大的损坏或更确切地甚至毁坏未设计成耐受电弧故障的保护外壳。凭借根据本发明的至少一个一次绕组的高速接地，所述绕组的至少出故障导体在出现短路后立即接地，使得在高速接地并且电弧熄灭后短路电流不再流过高速接地设备。继续流动的短路电流由网络保护系统识别并且随后断开。检测电弧故障并且高速接地根据本发明尽可能快地进行，即在几毫秒内。从而确保如果电弧已经熄灭则短路电流未取得其最大值并且这有利地使保护外壳损坏的风险大大降低或更确切地使由电弧故障引起的损坏量大大减少。5ms的时间规范代表近似最大值，其对应于在50Hz的四分之一时期。这是短路电流取得其峰值的近似50%同时考虑最大直流部分所处的值。理想地，当然要以例如2-3ms及更少等较短时期为目标。

初始理想地假设变压器内的能量流方向恒定地从一次侧绕组流到二次侧绕组，也就是说，关联的一次侧网络部分具有有源馈入而二次侧网络部分基本上仅具有无源消费者。采用该方式确保在一次侧电弧故障的情况下，通过变压器的短路电流被避免，并且在二次侧电弧故障的情况下，关联的短路电流仅持续最短可能时期地加载变压器。

根据本发明的变压器保护系统的另外的实施例，也对二次侧绕组提供相应的高速接地设备。所述高速接地设备优选地要与对于一次侧绕组的高速接地设备同步连接。从而确保在成功的高速接地后，短路电流未流过变压器，甚至在有源二次侧网络部分的情况下也如此。因为根据本发明的高速接地已经在取得短路电流的最大流之前进行，绕组上的关联机械加载也采用有利方式消除。同样，在实际无源二次侧网络部分的情况下由于到可能旋转的消费者的回路馈送而在二次侧上出现电弧故障是不可能的。

根据本发明的变压器保护系统的另外的实施例变化形式，至少一个检测设备包括光传感器，用于检测在保护外壳内出现的光的闪烁。电弧自动与光的发射关联。因此，如果确保没有散射光从外部到光传感器的检测区域之上地穿过保护外壳，则用于检测电弧的光传感器可以在保护外壳内使用。电弧故障可以凭借电弧在最短时段（通过示例，小于一毫秒）内被光学识别这一事实而可靠地检测。根据本发明需要这样的该类型的短反应时期以便在取得关联短路电流的最大流之前在很大程度上断开电弧故障。

根据变压器保护系统的另外的实施例变化形式，保护外壳包括细分的内部区域，其中对这些区域中的每个分配一个光传感器。该类型的细分可以通过示例凭借所述保护外壳内的冷却系统的空气偏转板提供。采用该方式形成的区域未完全分离，然而该设置确实提供相应光传感器的检测区域的光学屏蔽使得相应地提供分配给相应区域的光传感器。因此确保可以出现光闪烁所在的保护外壳的整个内部空间也凭借对应的光传感器来监测。从而仍然未检测到电弧故障，这是不可能的。

根据优选的实施例变化形式，对至少两个区域提供共同光传感器，所述光传感器具有光波导，其突入所述区域并且被引导通过所述区域。因此，同一个光传感器可以检测彼此被光学屏蔽的多个区域中的光的闪烁，这采用有利的方式而是可能的。通过示例，该类型的光波导也可以被直接引导到保护外壳内的斑点，其面临关于电弧故障的特定风险。

光波导按常规包括由具有第一光学折射率的材料制成的内部材料芯和由具有第二折射率的材料制成的外围涂层。通过相应地选择材料，采用该方式有利地使在光波导中从它的外表面处退出地引导的光最小化是可能的。光波导中的光因此典型地在它的两个末端中的一个处退出所述光波导。然而，光至少在有限程度上进入光波导、通过所述光波导的径向外表面，这根据本发明也是可能的。在适当的情况下，提供光学窗口来检测入射光，这也是可能的。这可以通过示例凭借相应地选择具有合适折射率的材料或也凭借局部去除外围涂层而实现。这可选地根据本发明提供使得光波导可以采用简单的方式（通过示例采用蜿蜒的方式）被引导到保护外壳内的相关位点。因此，不必在光波导中提供结并且因此它可以采用特别简单的方式路由，这是有利的。

根据本发明的变压器保护系统的另外的实施例变化形式，至少一个检测设备包括电流传感器，用于确定流过绕组中的至少一个的电流。过高电流也是在变压器内已经出现电弧的合适指示。

然而，为了避免错误的激活，它在根据本发明的特定优选实施例中提供以采用仅在相应电弧故障借助于多个物理独立测量变量而同时检测的情况下提供故障信号这样的方式设计评估单元。这通过示例意指使用至少一个光传感器和电流传感器或也意指使用光传感器和压力传感器的组合。光传感器如上文提到的适合用于极快地检测电弧故障。然而，过高电流通过示例可以具有多个起因，其可能也不是由电弧故障引起。两个条件的逻辑AND耦合因此采用有利的方式使可能的错误激活的风险降低。因为电弧主要与气体发展关联，封闭保护外壳中的压力增加同样是检测电弧故障的合适标准。

采用优选方式，高速接地设备包括驱动器，其基于可以采用爆炸方式发起的气体膨胀。通过示例凭借点燃推进物并且由于开关触点在接地轨的方向上移动而在高速解读设备的中空圆柱中产生过多压力。该类型的过程需要从接收故障信号的点直至进行有效接地的时期（通过示例是1.5ms），使得在考虑用于检测电弧的近似1ms时期时，出现近似2.5ms的反应时间。然而，通过示例，储能弹簧操作机制也是可行的。

根据变压器保护系统的特别优选实施例，保护外壳采用密封方式封装并且包括换热器，用于耗散在正常操作期间在所述保护外壳中产生的废热。要保护变压器以免受盐海空气的影响，特别地通过示例在航海领域中的应用的情况下。保护外壳用于采用密封方式封装变压器，其中在正常操作期间产生的废热然后凭借换热器而耗散到环境。采用该方式，可以保护正常冷却外壳以免受电弧故障影响而没有额外开支。

根据本发明的另外的变化形式，保护外壳已经是电弧故障外壳，其由于根据本发明的保护而具有较高安全分类。采用优选方式，高速接地设备设置在保护外壳外部。因此，简单的改造安装或更确切地简单的维护过程也是可能的。不必直接在保护外壳上附上高速接地设备；相反，同样可用的母线上的设置在母线与变压器之间未提供网络保护设备或更确切地电力开关（变压器凭借其而与母线分离）的范围内也是足够的。

根据本发明的变压器的另外的实施例，多个变压器提供有相应的保护外壳，其采用电方式凭借共同连接部件而互相连接并且其包括高速接地设备，该高速接地设备影响共同连接部件。保护与同一个母线并联连接的多个变压器采用该方式凭借共同高速接地设备而是可能的，其中每个个体变压器必须分配至少一个专用检测设备。在需要时，还提供共同评估单元，其联合评估检测设备的检测测量信号。该类型的实施例特别在二次侧无源分配网络的情况下是合适的，通过示例在船或类似物上也是合适的。

根据另外的优选实施例，电绕组采用三相方式体现，也就是说，通过示例是三个绕组体，每个具有一次侧绕组和二次侧绕组。变压器的三相实施例在固定能量分配网络中是特别常规的。根据本发明基本上提供甚至在单相电弧故障情况下也提供三相接地设置并且因此实现最大安全度的选项。

在几个情况下，也可以证明在单相短路的情况下仅选择性地使出故障相接地是方便的。供应网络上的余波然后减少。由于该目的，出故障相要选择性地识别，即，通过示例除光传感器外，通过示例将相应的过多电流用作额外标准。在该情况下，也要对单相激活提供高速接地设备。

根据变压器保护系统的另外的优选变化形式，对相应相之间的三相激活提供高速接地设备。这可以既在触点接地的情况下并且也可以在没有接地触点的情况下实现。

另外有利的可能实施例在另外的从属权利要求中公开。

附图说明

本发明、另外的实施例和另外的优势参考在图中图示的示范性实施例更详细描述。

在图中：

图1图示示范性变压器保护系统。

具体实施方式

图1在示意图10中图示示范性保护系统。具有变压器芯14和多个绕组16、18的变压器设置在保护外壳12中。该保护外壳被封闭使得对于任何散射光从外部穿入所述保护外壳内是不可能的。保护外壳的主要性质在于保护变压器以免受例如盐海空气等恶劣操作条件影响，所述变压器设置在所述保护外壳中。由于该原因，还提供换热器（未图示）并且所述换热器耗散在变压器的正常操作期间在保护外壳12中产生的热。

变压器的绕组16、18在每个情况下包括三个一次侧和三个二次侧绕组，其外壳侧连接由标号42和44标识。在每个情况下，一次侧绕组和二次侧绕组设置在共同中空圆柱绕组体上，该共同中空圆柱绕组体就其本身而言被变压器芯14的相应柱穿过。示范性电弧故障20在外壳12内图示并且所述电弧故障在一次侧供应线中的一个与外壳12之间燃烧。在外壳的外部面上提供四极高速接地设备，其在每个情况下对于每个相导体和共同回路导体具有单相高速接地设备32、34、36、38。然而，典型地规定全部四个高速接地设备32、34、36、38在单相故障的情况下也同步开关。

电弧故障20由光传感器24特别由于光的关联闪烁而检测并且所述光传感器将对应的测量信号传送到评估设备28。另外，该评估单元28还评估另外的光传感器26的测量信号和来自电流变压器22的测量信号。由于使光传感器26光学屏蔽掉电弧20，光传感器26的测量信号独自将不可能足以检测电弧故障20。电流变压器22对一次侧供应线的每个相导体生成测量信号。因为相导体中的过多电流（至少不在近似1ms的期望时段内）独自可以是电弧故障存在的精确标准，评估单元28在凭借光传感器24或26的电弧故障的光学检测与三个相导体中的至少一个中过多电流的出现之间形成逻辑AND耦合。估计算法是可行的，其未使用过多电流作为故障标准而相反通过示例使用与预测电流值偏离差分量的偏离。

在电弧20已经凭借评估单元28而检测的情况下，故障信号30在最短时段（例如在出现电弧后1ms）内传送到高速接地设备32、34、36、38，其同样在最短时段内（通过示例在另外两毫秒内）使一次侧供应线接地。在该情况下，在全部三个相导体中产生短路，其中短路电流在有效的高速接地过程后在变压器外部流动。因此，电弧在近似3ms后熄灭并且保护外壳12的另外的风险被消除。

本三相短路连接到对应高的三相短路电流使得已经在能量供应网络中可用并且未在该图中图示的网络保护系统作出响应并且发起出故障网络部分的选择性断开。这在该示例中凭借对所有一次侧供应线断开电力开关40而出现。假设150ms的开关延迟时间，在凭借网络保护系统的最后断开之前，短路因此持续总共150ms地继续存在。

一旦短路已经凭借电力开关40而断开，在实现所有必需的安全过程后，要对于任何可能损坏来检查保护外壳并且要确认电弧故障的起因。在消除可能故障源后，高速接地设备32、34、36、38在适当的情况下要返回它的操作状态并且变压器可以连接回到网络操作。

根据另外的实施例（未图示），同样提供二次侧高速接地设备以便在故障情况下使变压器的两侧都接地。因此，在故障情况下实现最大安全度。

参考标记列表

10      示范性变压器保护系统

12      保护外壳

14      变压器芯

16      第一电绕组

18      第二电绕组

20      示范性电弧故障

22      第一检测设备（电流变压器）

24      第二检测设备（光传感器）

26      第三检测设备（光传感器）

28      评估单元

30      故障信号

32      第一高速接地设备

34      第二高速接地设备

36      第三高速接地设备

38      第四高速接地设备

40      电力开关

42      一次侧连接

44      二次侧连接。

Claims (16)

1. 一种干式变压器保护系统（10），其包括：保护外壳（12）；设置在所述保护外壳中、具有变压器芯（14）并且具有至少一个一次侧绕组（16，18）和二次侧电绕组的干式变压器，所述二次侧电绕组磁耦合于所述一次侧绕组；用于测量变量的至少一个检测设备（22，24，26），从所述测量变量可推断电弧故障（20）在所述保护外壳（12）内出现；评估单元（28），用于在电弧故障（20）的情况下从所述至少一个检测设备的测量变量生成故障信号（30）；和对于至少所述一次侧绕组（16，18）的至少一个高速接地设备（32，34，36，38），凭借所述故障信号（30）为了激活目的而提供所述至少一个高速接地设备（32，34，36，38），其中所述高速接地设备（32，34，36，38）采用在激活故障信号（30）后立即确保有效电接地这样的方式来具体体现。

2. 如上述权利要求中任一项所述的干式变压器保护系统，其特征在于也对所述二次侧绕组（16，18）提供相应的高速接地设备（32，34，36，38）。

3. 如权利要求1或2所述的干式变压器保护系统，其特征在于至少一个检测设备（22，24，26）包括光传感器，用于检测在所述保护外壳（12）内出现的光的闪烁。

4. 如上述权利要求中任一项所述的干式变压器保护系统，其特征在于所述保护外壳（12）包括多个细分内部区域，其中对这些区域中的每个分配至少一个光传感器。

5. 如权利要求4所述的干式变压器保护系统，其特征在于对于至少两个区域的共同光传感器，所述共同光传感器具有突入所述区域内或被引导通过所述区域的光波导。

6. 如权利要求5所述的干式变压器保护系统，其特征在于提供所述光波导用于至少在其径向外表面的部分上接收光。

7. 如上述权利要求中任一项所述的干式变压器保护系统，其特征在于至少一个检测设备（22，24，26）包括电流传感器，所述电流传感器用于确定流过所述绕组（16，18）中的至少一个的电流。

8. 如上述权利要求中任一项所述的干式变压器保护系统，其特征在于所述评估单元（28）采用故障信号仅在相应地参考多个物理独立测量变量来检测电弧故障的情况下输出这样的方式具体体现。

9. 如上述权利要求中任一项所述的干式变压器保护系统，其特征在于所述高速接地设备包括驱动器，其基于可以采用爆炸方式发起的气体膨胀。

10. 如上述权利要求中任一项所述的干式变压器保护系统，其特征在于所述保护外壳包括换热器，所述换热器用于耗散在正常操作期间在所述保护外壳中产生的热。

11. 如上述权利要求中任一项所述的干式变压器保护系统，其特征在于所述保护外壳（12）是电弧故障外壳。

12. 如上述权利要求中任一项所述的干式变压器保护系统，其特征在于所述高速接地设备（32，34，36，38）设置在所述保护外壳（12）外部。

13. 如上述权利要求中任一项所述的干式变压器保护系统，其特征在于所述干式变压器保护系统包括具有相应保护外壳（12）的多个变压器，所述多个变压器凭借共同开关部件而采用导电方式互相连接并且包括对所述共同连接部件起作用的高速接地设备（32，34，36，38）。

14. 如上述权利要求中任一项所述的干式变压器保护系统，其特征在于所述电绕组（16，18）采用三相方式具体体现。

15. 如权利要求14所述的干式变压器保护系统，其特征在于所述高速接地设备（32，34，36，38）为了单相激活而提供。

16. 如权利要求14或15中任一项所述的干式变压器保护系统，其特征在于所述高速接地设备（32，34，36，38）为了在相应相之间的三相激活而提供。