CN106463944A - 用于检测变压器的断相条件的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于检测具有接地y形高压侧连接的变压器的断相条件的方法，包括通过电压继电保护或电流继电保护来实时地监测在变压器的高压侧上的中性连接中流动的电流以在能够表征电流量的改变的信号中标识断相条件特征。电流信号可以被注入变压器的中性连接和零序模式上，其被监测以检测由网络阻抗中的增加和注入电流的降低或消除指示的断相条件。

Description

用于检测变压器的断相条件的方法

最近电力递送系统故障已经突出了对检测可能发生在这样的系统中的断相（open-phase）条件的需要。特别地，需要一种在断相条件期间相对于系统辅助变压器的响应来检测这样的条件以便使能系统保护的方法。

在一个事件中，辅助部件由于总线欠电压而断开（trip）。事件的原因是用于系统辅助变压器收益计量变压器的C相位绝缘堆的故障。绝缘堆的部分落到地，导致同时的不均衡的条件：C相位断开——C相位接地故障。该条件导致通过系统辅助变压器向下级联到站总线的电压不均衡。得到的断相条件没有使得任何变压器保护继电器操作，这允许条件存在达延长的时段。地故障电流——中压电机贡献和三脚铁芯（core）的电磁耦合的组合形成从系统辅助变压器产生的变压器设计，但是电流的量近似60A，其远低于保护变压器的相位过电流继电器的拾取水平。

在相同装置处的另一事件中，系统辅助变压器的A框架结构上的345kV的被悬挂的瓷绝缘体由于制造缺陷而失效。345kV线落到地，引起使系统辅助变压器闭锁方案断开的相位接地故障，其使得6.9kV总线快速转移到单元辅助变压器并且紧急安全特征总线被去激励并且然后由柴油发电机重激励。

使用常规的继电保护（relaying）来检测某些变压器上的断相条件是可能的。然而，针对包括包含高压侧y形连接的那些的其他变压器，因为归因于变压器铁芯中的磁通量的变压器的初级和次级侧上的高压生成而难以检测变压器的电网侧上的一个或多个断相导体的存在。诸如常规的电压继电保护之类的电压监测将不检测这些情况下的断开导体（open conductor）条件。

附加地，相对于电力需求在轻负载和/或零负载条件之下的变压器对于检测断相条件而言有问题。轻负载和无负载变压器的示例是在待机模式中的那些，诸如辅助或启动变压器。低负载和无负载条件对于大部分站用辅助变压器而言是普遍的。

因此存在对于检测可能发生在供在电力递送系统保护方案中使用的电力递送系统的变压器中的断相条件的需要。

图1是具有变压器的系统的单线示意图，其指示用于断相监测的中性点。

图2是包括适于通过主题方法监测的各种类型的变压器的说明性系统的单线示意图。

图3A是描绘了断相事件之前和之后的中性电流响应的波形图。

图3B是描绘了断相事件之前和之后的磁化电流谐波的条形图。

图4A是描绘了断相事件之前的磁化电流谐波测量结果的抓图（screen short）。

图4B是描绘了断相事件之后的磁化电流谐波测量结果的抓图。

图5A是指示用于系统变压器的断相监测的中性点的单线示意图。

图5B是描绘了断相事件之前和之后的中性电流以及断相条件期间的电机启动（加载）的线图。

图5C是描绘了说明性中性注入断相监测系统的示意图。

图6是在正常操作条件之下的所监测变压器的示意图。

图7是在经历断相条件之后操作的所监测变压器的示意图。

图8A和8B是描绘了经受实验室测试的说明性变压器配置的单线示意图。

图9A是描绘了在没有断相条件的情况下的注入源信号和初级中性电流的抓图。

图9B是描绘了在具有断相条件的情况下的注入源信号和初级中性电流的抓图。

提供了一种用于检测具有接地y形高压侧连接的变压器的断相条件的方法，包括通过电压继电保护或电流继电保护来监测在变压器的高压侧上的中性连接中流动的电流以在能够表征电流量的改变的信号中标识断相条件特征（signature）。可以实时地实施监测。

还提供了一种用于检测具有接地y形高压侧连接的变压器的断相条件的方法，包括将信号注入到变压器的中性连接上，并且监测在变压器的高压侧上的中性连接中流动的电流以在能够表征电流量的改变的信号中标识断相条件特征。

图1示出指示用于断相监测的中性连接的示意图。系统10被物理地和电气地耦合到变压器12。变压器12包括高压侧14和低电压侧16。断相监测设备18维持与中性连接点20的中性电气接触。

根据某些说明性实施例，变压器可以是站用辅助变压器或者启动变压器。而且，变压器可以是将电压逐步增加到传输水平的生成器变压器；然而，当采取来自传输系统的电压时，变压器使传输子站处的传输电压逐步降低以用于工业、商业或住宅使用。

主题方法适于断相条件的检测，其中变压器是y形-三角形变压器、y形-y形三脚铁芯变压器、具有被埋入（buried）的三角形的y形-y形三脚铁芯变压器或者具有被埋入的三角形的y形-y形壳铁芯变压器。

图2是包括适于通过主题方法监测的各种类型的变压器的说明性系统的单线示意图。图2示出了具有各种类型的变压器配置的变压器系统的示意图。电源21通过变压器系统22连接到中/低压网络23。变压器系统22包括具有各种布线配置的变压器铁芯24。变压器24可以包括任何铁芯类型25的y形-三角形绕组、具有三脚铁芯26的y形-y形、具有被埋入的三角形27的y形-y形三脚铁芯或者具有被埋入的y形28的y形-y形壳铁芯。

在这些后面的变压器中，以三角形连接第三或三次绕组，但是没有端子（terminal）被带出用于负载连接。相反，其被埋入在外壳内。连接三次线圈的被埋入的三角形承载第三谐波电流，其全部同相。这防止第三谐波电流进入外部线路，并且提高y形连接的四线分布系统中的电力的质量。

断相事件的检测对于这些变压器而言是个问题，因为难以例如在由于变压器铁芯中的磁通量而在变压器的次级和初级侧上再生成电压时检测站用辅助变压器的电网侧上的（一个或多个）断开导体的存在，如关于这些变压器类型所经历的那样。而且在讨论中的是在轻负载和无负载（待机）条件之下的易受影响的变压器的断相条件的检测。

在某些实施例中，本方法监测中性电流以检测变压器的电网侧上的断相条件的存在，即中性电流方法。

在某些实施例中，本方法将注入信号用到中性连接中以主动地监测变压器的电网侧上的断相条件，即中性注入方法。

在某些实施例中，方法包括变压器中性端子上的电压监测和/或电流监测。电压继电保护和/或电流继电保护可以被适配成检测由引起断相条件的事件产生的电压或电流中的不均衡。可以使用工业中已知的微处理器继电器或者其他数据采集装备来检测断相条件，所述微处理器继电器具有数字信号处理能力和接受电流测量探头输出类型的模拟输入。

在某些实施例中，本方法包括监测变压器网络零序阻抗，其中断相特征包括从数百或数千欧姆到百万欧姆的阻抗中的增加。

通过变压器的中性电流在电流回路在正常均衡条件之下时和在电流回路经受断相条件时是不同的。在在正常均衡条件之下的三相变压器中，在三相中的每个之间同等地划分电流。典型的系统操作频率通常将是50Hz或60Hz。

在正常均衡条件之下，变压器网络被称为零序网络。均衡的零序网络由低电流阻抗所表征。零序网络中的阻抗可以例如从大约300Ω到大约1,000Ω。

在断相条件之下，三相中的一个是电气断开的，而其他两相是闭合的。当一个相位断开时，变压器网络变得由高阻抗状态表征，其由变压器的磁化阻抗性质所主导（dorminate）。在断相条件的情况下的变压器网络中的阻抗可以通常在百万欧姆范围中，诸如从大约0.5MΩ到大约3MΩ。

进一步地，可以通过变压器系统谐波的快速傅里叶变换（FFT）检查来检测断相条件。当系统从零序网络转换到断相条件时，在第三谐波编号中展示了降低，并且在第一、第五和第七谐波编号中展示了同时增加。

当所注入的或中性电流频率为60Hz时，断相条件特征可以包括中性电流的180Hz分量（第三谐波）中的降低、中性电流的60Hz分量中的增加或者中性电流的300Hz（第五谐波）中的增加中的至少一个。

可以使用正弦稳定状态技术在频域中执行谐波分析。可以通过导致设备输出波的电路计算并且然后实施傅里叶级数分析或者通过使用谐波谱分析仪或电力质量分析仪的测量结果来确定谐波。

图3A描绘了具有被埋入的三角形的y形-y形变压器的中性电流频率在断相条件发生之前和之后二者的模拟行为。在断相事件32发生之前，中性电流谐波的FFT频率主要是在180Hz处的第三谐波31。中性电流频率30由断相条件期间的谐波中的改变表征。

图3B描绘了中性电流频率的谐波编号对断相条件的模拟响应。在断相条件35之前的中性电流频率的FFT谐波编号由第三和第九谐波编号（180Hz和540Hz）表征。在断相条件36期间的FFT谐波编号由第一、第五和第七谐波编号（60Hz、300Hz和420Hz）中的增加连同第三谐波编号中的减小表征。

图4A和4B是描绘了在断相条件之前和之后在y形-y形3脚铁芯（没有被埋入的三角形）测试变压器上的谐波测量结果的计算机抓图。如在图4A中示出的那样，在断相条件发生之前，中性电流的频谱被示出占主要优势地是180Hz，第三谐波41。如在图4B中示出的那样，在断相条件期间，中性电流的频谱被示出占主要优势地是60Hz。

在某些实施例中，方法包括用于监测断相条件的中性注入信号。注入电流变压器模块可以被磁耦合到变压器的中性连接，其中连接的中性条件没有被更改。出于说明而非限制的目的，可以通过中性连接注入大约1伏到大约10V以及从大约10mA到100mA的信号。在零序网络中，合成电压和电流保持接近原始输入值。在断相条件中，所注入的信号可以降低多于20dB。

为了提供信号注入，将具有诱导用于经由磁耦合将电流注入到中性中的期望电压所需要的匝数的铁芯放置在中性连接周围，而不破坏中性连接。方法注入小信号，但是监测指示断相条件的阻抗中的大改变。

图5A描绘了单线示意图，其示出用于y形-y形3脚铁芯变压器的中性套管上的测量和电流注入的连接。电力供应51利用y形中性套管56上的测量/注入点58以及次级中性连接57而被物理地和电气地耦合到变压器52。变压器52被物理地和电气地连接到感应电机53和电阻性负载54。

图5B图示了在由断相条件产生的高压侧上的中性60Hz电流中的改变。在250hp电机62的启动之前没有电气负载分区（zone）60被示出。断相条件61发生在由电流（A）中的小增加所指示的10秒处的250hp电机62的启动之前。在250hp电机操作区63中，可以检测在负载之下的60Hz中性电流中的较显著的增加。在断相条件61发生之后，存在中性电流的60Hz分量中的增加。如果不存在断相条件61，则250hp电机操作区63中的电流的60Hz分量将接近零。

图5C图示了在实践主题方法中有用的中性注入断相检测系统70，其包括被连接到电流变压器的交变电流（AC）源（其频率不同于电力系统频率）连同电流测量探头67和电子控制器66。可以以使得注入电流源64磁耦合到导体69的这样的方式来定位注入电流变压器65，所述导体69被连接到可以针对其检测断相条件的被y形连接的绕组的变压器中性连接68。电流测量探头67可以测量变压器中性连接68中的或者注入电流变压器65绕组中的电流。该中性电流测量探头67可以被连接到电子控制器66。

系统通过监测变压器中性电流来检测三相变压器中的断相条件，如本文中描述的那样。在正常条件之下，建立注入电流及其谐波的基本水平。当断相条件发生在y形连接变压器绕组上时，电流路径的电阻抗增加，如由注入信号源64看见的那样。电阻抗中的该增加导致注入源电流水平中的降低，其由电子控制器66检测到。与注入源电流中的降低同时地，作为由断相条件引起的相位电流不均衡的结果，电力频率电流中的增加发生在变压器中性连接68中。

在某些实施例中，连同变压器中性中的电力频率电流中的增加，电力频率电流的谐波中的改变也可以发生在断相条件发生时。电力频率电流连同电力频率电流的谐波分量还可以被监测并且可以被用来检测断相条件。因此，中性注入断相检测系统可以利用三个测量结果来检测三相变压器的y形连接绕组上的断相条件：1）变压器中性连接中的注入源电流水平中的改变，2）变压器中性连接中的电力频率电流水平中的改变，以及3）变压器中性连接中的电力频率电流的谐波水平中的改变，特别地电力频率电流的第三和第五谐波水平中的改变。

图6描绘了根据主题方法的具有信号注入的在低阻抗零序模式中操作的受监测的变压器，诸如在图2中描绘的任何类型的变压器。变压器包括高压侧初级绕组71和源变压器次级绕组72。注入源73被磁耦合到初级绕组71的中性套管79，并且诱导将被注入初级中的电流74。所注入的电流74在三个完整相位（phase）75、76和77的零序路径中流动，流动通过源变压器次级绕组72并且离开绕组。在该零序模式之下，阻抗相对低并且电流路径简单，由于所有三个相位保持闭合或完整。

图7描绘了根据主题方法的具有电流注入的相同受监测的变压器，但其在高阻抗断相条件之下。变压器包括高压侧初级绕组81和源变压器次级绕组82。注入源83被磁耦合到初级绕组81，并且诱导将被注入初级中的电流84。所注入的电流84由于断相条件85而经历高阻抗，但是仍旧可以流动通过闭合相位86和87。虽然在相位86和87中被阻碍，但是电流84仍可以流出次级绕组。

与图6相比，所注入的信号电流84被由于图7中的断相条件85所生成的磁化阻抗大大减小。阻抗改变很大程度上是由于网络由于断相条件的引入而从由变压器的相对低的零阻抗网络主导的零序网络向由变压器的磁化阻抗主导的高阻抗状态改变。

图8A描绘了电流注入监测方法的实施例。具有被埋入的三角形的y形-y形铁芯变压器92与208V三相电气电力供应90电连接。注入源91被磁耦合到中性套管93以便针对断相条件监测变压器92。常规的电压检测方法不能检测具有该配置的变压器中的断相条件。

图8B描绘了电流注入监测方法的实施例。三角形-y形变压器96与y形-y形三脚铁芯变压器97物理地和电气地串联地连接到208V三相电气电力供应95。注入源98与中性套管99电气连接以便针对断相条件监测系统。常规的电压检测方法不能检测具有该配置的变压器系统中的断相条件。

图9A是描绘了在没有断相条件的情况下的注入源信号和初级中性电流的抓图。图9B是描绘了在断相条件的情况下的注入源信号和初级中性电流的抓图。在低阻抗零序网络存在的情况下，注入电压100和注入电流101二者展示了正弦波行为。在断相条件存在的情况下，注入电压信号110维持正弦波行为，但是注入电流信号111已经减小到可检测的量。零序网络中的注入电流101被测得在大约530mA处，并且在断相条件中的注入电流111被测得在仅80mA处。可观察的电流中的降低是由于到高阻抗状态中的低阻抗零序网络变换，其由变压器的磁性阻抗主导。

中性电流或信号注入因此使能其中常规电压或相位电流继电保护低效的那些变压器类型中的断相条件的检测。

如在确认建模结果的测试结果中示出的那样，注入源电流由于电路阻抗中的改变而显著地降低。可以通过中性连接来监测注入源电流中的该改变以检测断相条件。当断相条件发生时，存在中性电流中的可检测的改变。此外，当断相发生时，中性电流的180-Hz分量降低并且60-Hz和300-Hz分量增加。

中性注入方法对于低负载和无负载变压器情况特别有用。在某些实施例中，组合中性检测方法和中性注入方法可以被组合以提供鲁棒的检测系统。

在某些实施例中，方法进一步包括（在相关联的警报装置或断路器中）引入可调节的时间延迟以避免归因于与断相事件无关的电压暂降的损害警报或断开。方法可以包括时间-电流协调以发出警报/断开信号来指示断相条件的存在。

图10A描绘了具有被埋入的三角形的y形-y形3脚铁芯变压器中的中性电流频率在断相条件发生之前和之后二者的模拟行为。中性电流波的振幅在断相条件120发生之后改变大约为6的量。

图10B描绘了中性电流频率的FFT谐波编号（分量）对断相条件的模拟响应。断相条件130之前的中性FFT电流频率的分量由60Hz、180Hz和540Hz频率表征；或者分别由第一、第三和第九谐波编号表征。断相条件131期间的分量由60Hz、300Hz和420Hz频率（第一、第五和第九谐波编号）中的增加以及180Hz和540Hz频率（第三和第九谐波编号）中的降低来表征。

当变压器经受100kW负载时，中性电流比网络噪声可标识。当没有负载被施加时，网络噪声可能掩蔽中性电流的60Hz分量，其可能难以检测。当100kW负载被施加到变压器时，中性电流的谐波变得较容易确定，甚至在没有信号注入的情况下较容易确定。在图10B中，在100kW负载之下，中性电流的60Hz分量在断相条件130之前被标识并且在断相条件131期间大大增加。

如果中性电流的60Hz分量太低并且被噪声掩蔽，则需要中性信号的注入。如果诸如当存在足够大的负载时中性电流在噪声水平上，则可以检测断相条件期间的60Hz分量中的增加。

还提供了一种用于检测具有接地y形高压侧连接的变压器的断相条件的系统，包括与被磁耦合到具有接地y形高压侧连接的变压器的中性连接的注入电流变压器电通信的注入信号源、被配置用于测量中性连接中或者注入电流变压器的绕组中的电流的电流测量探头，以及与电流测量探头通信的电子控制器。

在某些实施例中，中性注入断相检测系统可以包括部件的以下非限制性且非穷举性列表：具有600:5比率和C400分级的注入电流变压器；具有1000mV/A灵敏度的电流测量探头；电子控制器；以及注入信号源。电子控制器可以包括任何基于微处理器的控制器，其具有数字信号处理能力以及接受电流测量探头输出的至少一个模拟输入；并且包括用于警报和断开功能的至少一个继电器或晶体管输出。注入信号源可以是单相或三相可变频率电机驱动。可变频率电机驱动的输出电压不应当超出注入电流变压器的电压分级。

当检测到断相事件或条件时，电子控制器可以经由继电器或晶体管输出向常规警报器发送信号以提醒系统操作员，或者可以断开系统断路器以补偿断相条件。

在某些实施例中，中性注入断相检测系统电子控制器能够进行数字信号处理。

在某些实施例中，中性注入断相检测系统电子控制器包括接受来自电流测量探头的输出的至少一个模拟输入以及能够发起警报或断开功能的至少一个继电器或晶体管输出。

在某些实施例中，中性注入断相检测系统注入信号源包括单相或三相可变频率电机驱动，其中可变频率电机驱动的输出电压不超出注入电流变压器的电压分级。

尽管已经通过上面的描述和在前的示例详细地描述了实施例，但是这些示例仅出于说明的目的并且应理解，可以由本领域技术人员做出变化和修改而不脱离本公开的精神和范围。应理解，上面描述的实施例不仅有替代，而且可以被组合。

Claims (20)

1.一种用于检测具有接地y形高压侧连接的变压器的断相条件的方法，包括通过电压继电保护或电流继电保护来监测在变压器的高压侧上的中性连接中流动的电流以在能够表征电流量的改变的信号中标识断相条件特征。

2.一种用于检测具有接地y形高压侧连接的变压器的断相条件的方法，包括将信号注入到变压器的中性连接上，以及监测在变压器的高压侧上的中性连接中流动的电流以在能够表征电流量的改变的信号中标识断相条件特征。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中监测是实时的。

4.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，包括在变压器中性端子上的电压监测和/或电流监测。

5.根据权利要求4所述的方法，其中电压继电保护和/或电流继电保护被适配成检测由引起断相条件的事件产生的电压或电流中的不均衡。

6.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，包括监测变压器网络零序阻抗，并且其中断相特征包括从数百或数千欧姆到百万欧姆的阻抗中的增加。

7.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中当所注入的信号或中性电流频率是60Hz时，断相条件特征包括以下中的至少一个：中性电流的180Hz分量中的降低、中性电流的60Hz分量中的增加或者中性电流的300Hz分量中的增加。

8.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，进一步包括实现可调节的时间延迟以过滤掉归因于与断相事件无关的传输水平事件的信号。

9.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中变压器是y形-三角形变压器、y形-y形三脚铁芯变压器、具有被埋入的三角形的y形-y形三脚铁芯变压器或者具有被埋入的三角形的y形-y形壳铁芯变压器。

10.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中变压器是站用辅助变压器。

11.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中变压器是启动变压器。

12.根据权利要求2所述的方法，其中断相条件特征包括大于大约20dB的所注入信号中的降低。

13.根据权利要求2所述的方法，其中通过中性连接中的注入源电流水平中的改变来检测断相条件。

14.根据权利要求2所述的方法，其中通过中性连接中的电力频率电流水平中的改变来检测断相条件。

15.根据权利要求2所述的方法，其中通过中性连接中的电力频率电流的至少一个谐波的水平中的改变来检测断相条件。

16.根据权利要求15所述的方法，其中在电力频率电流的第三和/或第五谐波中检测到至少一个谐波的水平中的改变。

17.一种用于检测具有接地y形高压侧连接的变压器的断相条件的系统，包括与被磁耦合到具有接地y形高压侧连接的变压器的中性连接的注入电流变压器电通信的注入信号源，被配置用于测量中性连接中的或者注入电流变压器的绕组中的电流的电流测量探头，以及与电流测量探头通信的电子控制器。

18.根据权利要求17所述的系统，其中电子控制器能够进行数字信号处理。

19.根据权利要求18所述的系统，其中电子控制器包括接受来自电流测量探头的输出的至少一个模拟输入，以及能够发起警报或断开功能的至少一个继电器或晶体管输出。

20.根据权利要求17所述的系统，其中注入信号源包括单相或三相可变频率电机驱动，并且其中可变频率电机驱动的输出电压不超出注入电流变压器的电压分级。