CN107834511B - 多副边变压器二次侧短路保护装置及方法 - Google Patents

多副边变压器二次侧短路保护装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种多副边变压器二次侧短路保护装置及方法，所述保护装置包括电压采样单元、电流采样单元、短路判断单元，其中：所述电压采样单元，用于采样所述多副边变压器一次侧的三相输入电压；所述电流采样单元，用于采样所述多副边变压器一次侧的三相输入电流；所述短路判断单元，用于根据所述三相输入电压和三相输入电流计算输入电流的负序分量以及一次侧的无功功率，并在所述输入电流的负序分量以及一次侧的无功功率满足预设条件时输出高压跳闸信号。本发明通过一次侧的无功功率及输入电流的负序分量来判断二次侧是否出现短路，不仅易于安装调试，而且可快速完成短路故障检测和跳闸信号输出，及时对多副边变压器进行短路保护。

Description

多副边变压器二次侧短路保护装置及方法
技术领域
本发明涉及变压器保护领域，更具体地说，涉及一种多副边变压器二次侧短路保护装置及方法。
背景技术
级联型多电平高压变频器具有技术成熟、电网侧与电机侧谐波低、功率因数高、且价格比较便宜等特点，目前已广泛应用于钢铁、石油化工、矿业、冶金及城市建设等应用领域，在降低能耗、改善工艺等方面起着重要的作用，特别是对高压风机、水泵类负载来说，节能效果显著。
多副边移相隔离变压器(以下简称多副边变压器)是级联型高压变频器中的一种，且其结构相对复杂。根据输出电压不同，多副边变压器二次侧绕组数也不同，例如当输出电压为3kV时，通常需要9～12个二次侧绕组；当输出电压为6kV时，通常需要15～21个二次侧绕组；当输出电压为10kV时，通常需24～30个二次侧绕组。
多副边变压器的多个二次侧绕组分别为级联式高压变频装置中的多组功率单元供电，且多副边变压器二次侧的短路阻抗一般设计为2～5％左右，一旦二次侧负载(功率单元侧)短路或二次侧直接发生短路，则二次侧电流将达到20倍以上额定电流，短路电流产生的机械应力及发热将危及整个多副边变压器的可靠运行，甚至毁坏变压器。
因此，对多副边变压器二次侧的短路进行检测与保护十分必要。具体地，可通过检测每个二次侧副边绕组的电流，并根据二次侧副边绕组电流对变压器副边短路进行保护，但该方案不但增加了成本，同时增加了控制系统负担，可靠性差。
此外，也可通过检测多副边变压器的原边电流对多副边变压器进行保护的方案。然而，对于多副边变压器来说，当二次侧某绕组短路后，尽管该短路的二次侧绕组的短路电流达到其额定电流的20倍，但多副边变压器一次侧电流并不是很大，很难识别准确。并且，目前的多副边移相隔离变压器的耐受的短路时间为250ms以内，所以一次侧保护往往来不及，而且二次侧短路后可能因短路电流大、时间较长后断路，并导致一次侧保护失效。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对上述多副边变压器短路保护成本高、准确识别难的问题，提供一种多副边变压器二次侧短路保护装置及方法。
本发明解决上述技术问题的技术方案是，提供一种多副边变压器二次侧短路保护装置，包括电压采样单元、电流采样单元、短路判断单元，其中：所述电压采样单元，用于采样所述多副边变压器一次侧的三相输入电压；所述电流采样单元，用于采样所述多副边变压器一次侧的三相输入电流；所述短路判断单元，用于根据所述三相输入电压和三相输入电流计算输入电流的负序分量以及一次侧的无功功率，并在所述输入电流的负序分量以及一次侧的无功功率满足预设条件时输出高压跳闸信号。
在本发明所述的多副边变压器二次侧短路保护装置中，所述短路判断单元包括差值计算子单元、第一比较子单元、无功功率调节器、第二比较子单元以及保护信号输出子单元，其中：所述差值计算子单元，用于将所述一次侧的无功功率与第一阈值的差值输入所述无功功率调节器；所述第一比较子单元，用于在所述输入电流的负序分量超过第二阈值时，向所述无功功率调节器输出使能信号；所述无功功率调节器，用于在接收到使能信号后，向第二比较子单元输出所述一次侧的无功功率与第一阈值的差值；所述第二比较子单元，用于在所述无功功率调节器的输出超过第三阈值时，使所述保护信号输出子单元输出高压跳闸信号。
在本发明所述的多副边变压器二次侧短路保护装置中，所述短路判断单元包括第一计算子单元、第二计算子单元以及相位角计算子单元；所述第一计算子单元用于根据所述三相输入电压和三相输入电流计算一次侧的无功功率；所述相位角计算子单元，用于根据所述三相输入电压计算输入电压矢量的相位角；所述第二计算子单元，用于根据所述三相输入电流和所述输入电压矢量的相位角计算输入电流的负序分量。
在本发明所述的多副边变压器二次侧短路保护装置中，所述第二计算子单元包括第一变换模块、第二变换模块以及低通滤波器；其中，所述第一变换模块，用于对三相输入电流进行克拉克变换，以获得两相静止坐标系下的电流分量；所述第二变换模块，用于按三相输入电压矢量的负相位角对经克拉克变换获得电流进行帕克变换，以获得输入电流的负序分量；所述低通滤波器，用于对所述输入电流的负序分量进行滤波处理。
在本发明所述的多副边变压器二次侧短路保护装置中，所述无功功率调节器在所述多副边变压器上电达到预设时间后向所述第二比较子单元输出信号。
本发明还提供一种多副边变压器二次侧短路保护方法，包括以下步骤：
采样所述多副边变压器一次侧的三相输入电压；
采样所述多副边变压器一次侧的三相输入电流；
根据所述三相输入电压和三相输入电流计算输入电流的负序分量以及一次侧的无功功率，并在所述输入电流的负序分量以及一次侧的无功功率满足预设条件时输出高压跳闸信号。
在本发明所述的多副边变压器二次侧短路保护方法中，所述预设条件包括：所述输入电流的负序分量超过第二阈值，且所述一次侧的无功功率与第一阈值的差值超过第三阈值。
在本发明所述的多副边变压器二次侧短路保护方法中，所述根据所述三相输入电压和三相输入电流计算输入电流的负序分量以及一次侧的无功功率包括：
根据所述三相输入电压和三相输入电流计算一次侧的无功功率；
根据所述三相输入电压计算输入电压矢量的相位角；
根据所述三相输入电流和相位角计算输入电流的负序分量。
在本发明所述的多副边变压器二次侧短路保护方法中，所述根据所述三相输入电流和输入电压矢量的相位角计算输入电流的负序分量包括：
对三相输入电流进行克拉克变换以获得两相静止坐标系下的电流分量；
按所述三相输入电压的负相位角对经克拉克变换获得电流进行帕克变换，以获得输入电流的负序分量；
对所述输入电流的负序分量进行滤波处理。
本发明的多副边变压器二次侧短路保护装置及方法，通过一次侧的无功功率及输入电流的负序分量来判断二次侧是否出现短路，不仅易于安装调试，而且可快速完成短路故障检测和跳闸信号输出，及时对多副边变压器进行短路保护。
附图说明
图1是本发明多副边变压器二次侧短路保护装置实施例的示意图；
图2是本发明多副边变压器二次侧短路保护装置中短路判断单元实施例的示意图；
图3是本发明多副边变压器二次侧短路保护装置中短路判断单元的第二计算子单元实施例的示意图；
图4是本发明多副边变压器二次侧短路保护方法实施例的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在多副边变压器的二次侧短路时，各个参数满足以下表达式(1)：
其中，u1是短路绕组的瞬时电压，U1是短路绕组的电压有效值，α是短路绕组的电压初始相位角，Lk是短路绕组的电感，Rk短路绕组的电阻，ik流经短路绕组的电流，ω为电压角频率。
假设突然短路时多副边变压器空载，即初始条件为：t＝0时，ik＝0，则
其中，短路阻抗为Zk＝sqrt[(Rk 2+(ωLk)2]，为短路阻抗角。为稳态电流有效值。
若在初相相角α＝0时短路，在ωt＝π时，ik会达到如计算式(3)所示的最大值：
其中kk是突然短路时短路绕组电流最大值与稳态短路电流幅值之比值，大小与有关。一般中小型变压器kk＝1.2～1.35，大型变压器kk＝1.75～1.81，即时，
上述计算表明，在变压器二次侧发生短路时，该短路的二次侧绕组瞬时电流达到额定电流的25～30倍，有效值约为17～21倍，甚至更大，其具体数值依赖于多副边变压器的参数。
由于多副边变压器原边(一次侧绕组)与副边(二次侧绕组)对应的匝比为N：1，原边电流为Iy/N，其中Iy为二次侧短路电流。例如对于10kV电压等级的多副边变压器，一般地，二次侧电压为690V，原副边匝比为14.5:1，多副边变压器原边电流是各个副边电流叠加产生的综合输入电流。在二次侧发生短路时，感应到原边的电流变化并没有二次侧电流变化那么地明显，通常副边短路后原边的输入电流约为额定输入电流的1～2倍有效值。
多副边变压器二次侧出现短路后，短路相的无功功率发生较大的变化，而二次侧的无功功率变化将通过磁耦合到一次侧，使得一次侧的输入电流产生变化。一次侧的无功功率发生较大的变化时，一次侧的三相输入电流的负序分量也将发生较大的变化。
本发明即根据上述特性构建。如图1所示，是本发明多副边变压器二次侧短路保护装置实施例的示意图，该装置可安装到多副边变压器的一次侧，并通过检测一次侧的三相输入电流和三相输入电压来确认二次侧是否出现短路。
本实施例的多副边变压器二次侧短路保护装置包括电压采样单元1、电流采样单元2、短路判断单元3。上述电压采样单元1、电流采样单元2、短路判断单元3可集成到同一印刷电路板，且短路判断单元3具体可由微处理器及运行微处理器的软件程序构成。
电压采样单元1用于采样多副边变压器一次侧的三相输入电压。具体地，电压采样单元1可采用高阻分压采样电路，或者采用高压PT(PotentialTransformer，电压互感器)采样电路。
电流采样单元2用于采样多副边变压器一次侧的三相输入电流。具体地，电流采样单元可采用高压CT(Current Transformer电流互感器)采样电路，或者采用霍尔传感器采样电路。
短路判断单元3用于根据三相输入电压和三相输入电流计算输入电流的负序分量以及一次侧的无功功率，并在输入电流的负序分量以及一次侧的无功功率满足预设条件时向上级开关柜输出高压跳闸信号，断开多副边变压器的输入。
在多副边变压器正常运行时，短路判断单元3根据实时采样的三相输入电压和三相输入电流，实时计算一次侧有功功率和无功功率，其中有功功率P、无功功率Q与功率因数cosφ的计算式如下：
P＝Ua×Ia+Ub×Ib+Uc×Ic (4)
上述短路判断单元3在输入无功功率发生突变，功率因数急剧降低，以及输入电流的负序分量增大时，即认为该多副边变压器二次侧发生短路。
上述多副边变压器二次侧短路保护装置，通过同时监测输入电流负序变化和输入无功功率的变化，不仅可精确识别短路状态，而且检测时间快，能够在200ms以内完成故障检测及跳闸信号输出，从而及时对多副边变压器及进行保护。
具体地，如图2所示，上述短路判断单元3包括第一计算子单元31、第二计算子单元32以及相位角计算子单元33。其中，第一计算子单元31用于根据采样获得的三相输入电压和三相输入电流计算一次侧的无功功率；相位角计算子单元33用于根据采样获得的三相输入电压获得输入电压矢量的相位角θ；第二计算子单元32用于根据三相输入电流和相位角θ计算输入电流的负序分量。
如图3所示，上述第二计算子单元32具体可包括第一变换模块321、第二变换模块322以及低通滤波器323。上述第一变换模块321用于对三相输入电流进行克拉克(CLARK)变换以获得两相静止坐标系下的电流分量；第二变换模块322用于按输入电压矢量的负相位角对经克拉克变换获得电流进行帕克(PARK)变换，以获得输入电流的负序分量；低通滤波器，用于对输入电流的负序分量进行滤波处理。
具体地，第一变换模块321将输入电流矢量进行坐标变换，以获得两相静止坐标系下的d轴分量和q轴分量；第二变换模块322将上述d轴分量和q轴分量按输入电压矢量的负相位角-θ(即相位角计算子单元33计算获得的输入电压矢量的相位角θ取反)，定向运算得到相对应的输入电流d轴负序分量和输入电流q轴负序分量，输入电流d轴负序分量和输入电流q轴负序分量经过低通滤波器323，得到滤波后的输入电流d轴负序分量和输入电流q轴负序分量，且其中，in是输入电流负序分量，idn和iqn分别是输入电流d轴负序分量和输入电流q轴负序分量。
并且，上述短路判断单元3还包括差值计算子单元34、第一比较子单元36、无功功率调节器35、第二比较子单元37以及保护信号输出子单元38，其中：差值计算子单元34用于将一次侧的无功功率(例如由第一计算子单元31计算获得)与第一阈值(可根据多副边变压器的参数设定)的差值输入无功功率调节器35；第一比较子单元36用于在输入电流的负序分量(由第二计算子单元32计算获得)超过第二阈值(可根据多副边变压器的参数设定)时，向无功功率调节器35输出使能信号；无功功率调节器35在接收到来自第一比较子单元36的使能信号时，向第二比较子单元37输出一次侧的无功功率与第一阈值的差值；第二比较子单元37在无功功率调节器35的输出超过第三阈值(可根据多副边变压器的参数设定)时，使保护信号输出子单元38输出高压跳闸信号。
上述短路判断单元3在输入电流的负序分量增大到一定值，且无功功率调节器35的输出达到多副边变压器的二次侧短路判断阈值时，输出高压跳闸信号，断开一次侧输入高压，从而实现短路保护。
特别地，为了避开上电冲击过程，无功功率调节器35可在多副边变压器上电完成一段时间后才工作，即在多副边变压器上电达到预设时间后才向第二比较子单元37输出信号。
如图4所示，本发明还提供一种多副边变压器二次侧短路保护方法，包括以下步骤：
步骤S41：采样多副边变压器一次侧的三相输入电压。
在该步骤中，具体可通过高阻分压采样或者高压PT采样进行三相输入电压采样。
步骤S42：采样多副边变压器一次侧的三相输入电流。
在该步骤中，具体可通过高压CT采样或者采用高压霍尔传感器采样进行三相输入电流采样。
需要说明的是，尽管本发明实施例按顺序阐述步骤S41与步骤S42，但本发明实施例对步骤S41和步骤S42的执行先后顺序不做限制，且步骤S41和步骤S42可以同步执行，也可以顺序执行。
步骤S43：根据采样获得的三相输入电压和三相输入电流计算输入电流的负序分量以及一次侧的无功功率。
在计算输入电流的负序分量时，可首先根据采样获得的三相输入电压计算输入电压矢量的相位角，然后根据三相输入电流和相位角计算输入电流的负序分量。
并且可通过以下方式计算输入电流的负序分量：先对三相输入电流进行克拉克变换以获得两相静止坐标系下的电流分量；然后按输入电压矢量的负相位角对经克拉克变换获得电流进行帕克变换，以获得输入电流的负序分量；最后对输入电流的负序分量进行滤波处理。
步骤S44：判断输入电流的负序分量以及一次侧的无功功率是否满足预设条件，并在满足预设条件时执行步骤S45，否则返回步骤S43，实时计算输入电流的负序分量以及一次侧的无功功率。
上述预设条件包括：输入电流的负序分量超过第二阈值，且一次侧的无功功率与第一阈值的差值超过第三阈值。
步骤S45：向上级开关柜输出高压跳闸信号，断开多副边变压器的输入。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种多副边变压器二次侧短路保护装置，其特征在于，包括电压采样单元、电流采样单元、短路判断单元，其中：所述电压采样单元，用于采样所述多副边变压器一次侧的三相输入电压；所述电流采样单元，用于采样所述多副边变压器一次侧的三相输入电流；所述短路判断单元，用于根据所述三相输入电压和三相输入电流计算输入电流的负序分量以及一次侧的无功功率，并在所述输入电流的负序分量以及一次侧的无功功率满足预设条件时输出高压跳闸信号，所述预设条件包括：所述输入电流的负序分量超过第二阈值，且所述一次侧的无功功率与第一阈值的差值超过第三阈值。
2.根据权利要求1所述的多副边变压器二次侧短路保护装置，其特征在于，所述短路判断单元包括差值计算子单元、第一比较子单元、无功功率调节器、第二比较子单元以及保护信号输出子单元，其中：所述差值计算子单元，用于将所述一次侧的无功功率与第一阈值的差值输入所述无功功率调节器；所述第一比较子单元，用于在所述输入电流的负序分量超过第二阈值时，向所述无功功率调节器输出使能信号；所述无功功率调节器，用于在接收到使能信号时，向第二比较子单元输出所述一次侧的无功功率与第一阈值的差值；所述第二比较子单元，用于在所述无功功率调节器的输出超过第三阈值时，使所述保护信号输出子单元输出高压跳闸信号。
3.根据权利要求1或2所述的多副边变压器二次侧短路保护装置，其特征在于，所述短路判断单元包括第一计算子单元、第二计算子单元以及相位角计算子单元；所述第一计算子单元用于根据所述三相输入电压和三相输入电流计算一次侧的无功功率；所述相位角计算子单元，用于根据所述三相输入电压计算输入电压矢量的相位角；所述第二计算子单元，用于根据所述三相输入电流和所述输入电压矢量的相位角计算输入电流的负序分量。
4.根据权利要求3所述的多副边变压器二次侧短路保护装置，其特征在于， 所述第二计算子单元包括第一变换模块、第二变换模块以及低通滤波器；其中，所述第一变换模块，用于对三相输入电流进行克拉克变换，以获得两相静止坐标系下的电流分量；所述第二变换模块，用于按输入电压矢量的负相位角对经克拉克变换获得电流进行帕克变换，以获得输入电流的负序分量；所述低通滤波器，用于对所述输入电流的负序分量进行滤波处理。
5.根据权利要求2所述的多副边变压器二次侧短路保护装置，其特征在于：所述无功功率调节器在所述多副边变压器上电达到预设时间后向所述第二比较子单元输出信号。
6.一种多副边变压器二次侧短路保护方法，其特征在于，包括以下步骤：
采样所述多副边变压器一次侧的三相输入电压；
采样所述多副边变压器一次侧的三相输入电流；
根据所述三相输入电压和三相输入电流计算输入电流的负序分量以及一次侧的无功功率，并在所述输入电流的负序分量以及一次侧的无功功率满足预设条件时输出高压跳闸信号；
所述预设条件包括：所述输入电流的负序分量超过第二阈值，且所述一次侧的无功功率与第一阈值的差值超过第三阈值。
7.根据权利要求6所述的多副边变压器二次侧短路保护方法，其特征在于，所述根据所述三相输入电压和三相输入电流计算输入电流的负序分量以及一次侧的无功功率包括：
根据所述三相输入电压和三相输入电流计算一次侧的无功功率；
根据所述三相输入电压计算输入电压矢量的相位角；
根据所述三相输入电流和输入电压矢量相位角计算输入电流的负序分量。
8.根据权利要求7所述的多副边变压器二次侧短路保护方法，其特征在于，所述根据所述三相输入电流和输入电压矢量的相位角计算输入电流的负序分量包括：
对三相输入电流进行克拉克变换以获得两相静止坐标系下的电流分量；
按输入电压矢量的负相位角对经克拉克变换获得电流进行帕克变换，以获得输入电流的负序分量；
对所述输入电流的负序分量进行滤波处理。
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