CN108141031A - 电力变压器保护的改进或相关改进 - Google Patents

Abstract

在电力变压器保护领域中，本发明提供了一种用于保护电力变压器的方法，所述方法包括以下步骤：(a)监测外部故障指示信号(12A、12B、12C)；(b)在本地执行故障确定；(c)在本地执行涌入电流确定；以及(d)在以下情况下发出最终跳闸信号(48)以保护所述电力变压器：(i)所述外部故障指示信号(12A、12B、12C)标识已经发生故障，并且所述本地执行的故障确定确认已经发生故障；或者(ii)所述外部故障指示信号(12A、12B、12C)标识已经发生故障，并且所述本地执行的故障确定标识没有发生故障，但是在预定延迟之后，所述本地执行的涌入电流确定确认没有涌入电流。

Description

电力变压器保护的改进或相关改进

技术领域

本发明涉及一种用于保护电力变压器(power transformer)的方法。

背景技术

当电力变压器首次通电时，通常比额定变压器电流大10到15倍的强涌入电流(inrush current)趋于流动近1秒。所述强电流流量对于外部保护方案例如差动保护方案而言，可能类似于故障电流，从而导致外部保护方案错误地操作相关联的保护装置，例如保护断路器。所述保护装置的所述错误操作是非期望的，因为它会阻止电力变压器的通电以及电力变压器的后续使用，例如用于电力网络中。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种用于保护电力变压器的方法，所述方法包括以下步骤：

(a)监测外部故障指示信号；

(b)在本地执行故障确定；

(c)在本地执行涌入电流确定；以及

(d)在以下情况下发出最终跳闸信号以保护所述电力变压器：

(i)所述外部故障指示信号标识已经发生故障，并且所述本地执行的故障确定确认已经发生故障；或者

(ii)所述外部故障指示信号标识已经发生故障，并且所述本地执行的故障确定标识没有发生故障，但是在预定延迟之后，所述本地执行的涌入电流确定确认没有涌入电流。

一旦所述本地执行的故障确定确认已经发生常规故障就使本发明方法发出最终跳闸信号以保护所述电力变压器，例如促使保护断路器或其他保护装置操作，可避免在发出所述最终跳闸信号时存在任何延迟，例如可能在试图区分故障电流和涌入电流时发生的延迟，从而有助于确保立即保护所述电力变压器免于遭受可能对其造成损坏的强故障电流。

同时，本发明的方法还能够仅在所述本地执行的涌入电流确定确认没有涌入电流时才发出最终跳闸信号，这使得所述方法能够在所述本地执行的故障确定无法标识故障的特定情况下，例如当所述故障是过零点(zero-point-on-wave)故障时以类似的方式保护所述电力变压器。

此外，所述后一功能能够快速建立涌入电流的存在，因此有助于避免在通常存在强涌入电流流动的电力变压器初始通电期间不正确地发出最终跳闸信号(以及随之发生的相关联保护装置错误操作)。

由此可见，本发明的方法适用于大多数时间，即，当发生常规故障时能够立即保护电力变压器，同时还能够在发生极不频繁的特定故障时，例如过零点故障时，区分出所述故障和涌入电流，并且因此在必要情况下正确地启动对所述电力变压器的保护，同时避免相关联保护装置的错误操作，例如，当电力变压器初始通电时。

优选地，在本地执行故障确定的步骤(b)包括将所述电力变压器的测得电流的不同频率分量进行比较。

可选择地，将所述电力变压器的测得电流的不同频率分量进行比较包括：

提取所述测得电流的第一频带和第二频带的分量；

确定所述第一频带分量和第二频带分量的幅度；

将所述幅度之间的比率与故障确定值进行比较；以及

当所述比率与所述故障确定值不同时，确认已经发生故障。

执行前述步骤提供了在本地检查是否已经发生故障的快速且可靠方式。

在本地执行涌入电流确定的步骤(c)可以包括将所述电力变压器的谐波电流与所述电力变压器的基波电流进行比较。

在本发明的优选实施例中，将所述电力变压器的谐波电流与所述电力变压器的基波电流进行比较包括：

获得所述电力变压器的测得电流的二次谐波频率分量和基频分量；

确定所述二次谐波频率分量的量值和所述基频分量的量值；

将所述量值之间的比率与涌入电流确定值进行比较；以及

当所述比率与所述涌入电流确定值不同时，标识涌入电流的存在。

可选择地，获得所述电力变压器的测得电流的二次谐波频率分量并且确定所述二次谐波频率分量的所述量值包括所述测得电流与复系数的卷积，其中所述复系数通过预定参数矩阵基于用于测量所述电力变压器的电流的采样机制(sampling regime)来建立。

优选地，所述基频分量的所述量值使用半周期傅里叶(half-cycle Fourier)方法来确定。

上述步骤使得能够尽可能快地在本地检查涌入电流的存在。

附图说明

现在将参照附图以非限制性示例方式对本发明的优选实施例进行简要描述，在附图中：

图1示出了根据本发明第一实施例的用于保护电力变压器的方法中的主要步骤的示意图；

图2示意性地示出了作为图1所示方法的一部分中在本地执行故障确定时所涉及的步骤的示意图；

图3示意性地示出了作为图1所示方法的一部分中在本地执行涌入电流确定时所涉及的步骤的示意图；以及

图4示意性地示出了用于确定是否发出最终跳闸信号以保护所述电力变压器的示例性逻辑的示意图。

具体实施方式

如图1所示，根据本发明第一实施例的用于保护电力变压器的方法中的主要步骤的的示意图一般性地用参考数字10表示。

所描述的第一实施例方法以示例方式应用于具有第一相A、第二相B和第三相C的三相电力变压器。但是，本发明的方法可适用于具有三个以下或三个以上相的电力变压器。

返回到图1中示意性示出的第一实施例方法，所述方法包括步骤(a)，所述步骤监测外部故障指示信号12A、12B、12C。所述信号可以从单独的外部保护方案例如差动保护方案接收到，所述外部保护方案可以监测被保护电力变压器所在的电力网络。每个信号12A、12B、12C分别指示所述外部保护方案已经相对于对应的相A、B、C确定发生了故障，例如短路。

所述第一实施例方法还包括在本地执行故障确定的步骤(b)，所述步骤在图1中示意性地表示成第一过程块14。在本发明背景下，在本地执行故障确定旨在表示所述故障确定是出于实施本发明的目的而专门执行的，例如，通过控制单元执行的，所述控制单元布置在被保护电力变压器处或附近并且编程成实施本发明的方法。这与上述外部故障指示信号12A、12B、12C相反，所述外部故障指示信号是单独建立的，并且可能是通过不同保护方案远程建立的。

在本地执行故障确定包括将所述电力变压器的测得电流的不同频率分量进行比较，并且更确切地说，将与所述电力变压器的每一相A、B、C对应的相应相电流i_a、i_b、i_c的不同频率分量进行比较。

如图2示意性图示，所述将相应相电流i_a、i_b、i_c的不同频率分量进行比较包括：

第一步骤16，所述第一步骤提取所述测得电流i_a、i_b、i_c的第一频带分量i_H和第二频带分量i_L；

第二步骤18，所述第二步骤确定第一频带分量i_H和第二频带分量i_L的幅度E_H、E_L；

第三步骤20，所述第三步骤将所述幅度E_H、E_L之间的比率R_H/L与故障确定值R_{set_FT}进行比较；并且之后

当所述比率R_H/L与所述故障确定值R_{set_FT}不同时确认已经发生故障，即通过输出本地故障指示信号22来确认已经发生故障。

更确切地说，提取所述测得电流i_a、i_b、i_c的第一频带分量i_H和第二频带分量i_L的第一步骤16包括使所述测得的三相电流i_a、i_b、i_c通过较高频带滤波器24和较低频带滤波器26中的每一者。

在图2中示意性示出的第一实施例方法中，每个滤波器24、26是小波滤波器组(wavelet filter bank)，但是也可以使用有限脉冲响应(Finite Impulse Response)或无限脉冲响应(Infinite Impulse Response)滤波器。

例如，对于所示的小波滤波器组24、26(假设采样频率为fs)：

所述较高频带滤波器24(例如，在近似fs/4到fs/2的范围上操作的滤波器)的带通滤波系数是

[0.0021-0.0604 0.3062-0.6312 0.6313-0.3063 0.0604-0.0021]；而

所述较低频带滤波器26(例如，在近似fs/8到fs/4的范围上操作的滤波器)的带通滤波系数是

[0.0005-0.0151 0.0781-0.2031 0.3891-0.5953 0.7188-0.7188 0.5953-0.3891 0.2031-0.0781 0.0151-0.0005]

确定所述第一频带分量i_H和第二频带分量i_L的幅度E_H、E_L的第二步骤18涉及在对应的第一过程子块28和第二过程子块30内计算第一频带分量i_H和第二频带分量i_L中的每一者的范数值(norm value)。计算相应范数值的一种方式可以是依据下式进行均方根(RMS)计算：

其中，

N是RMS计算窗口长度中的样本数量，其中N选择成每周期样本数量除以4，例如，如果每周期样本数量是48，则N＝12。

将所述幅度E_H、E_L之间的比率R_H/L与故障确定值R_{set_FT}进行比较并且之后当所述比率R_H/L与所述故障确定值R_{set_FT}不同时确认已经发生故障的第三步骤20依据下式执行，

其中，

R_{set_FT}是预定值，例如可以是0.2，但是在本发明的其他实施例中可以不同。

因此，由此可见，如果所述幅度E_H、E_L的所述比率R_H/L大于所述故障确定值R_{set_FT}，则输出本地故障指示信号22，即，以确认已经发生故障。

返回到图1中示意性示出的本发明的第一实施例方法，所述方法进一步包括在本地执行涌入电流确定的步骤(c)，如第二过程块32示意性地表示。

同样地，在本发明背景下，在本地执行涌入电流确定旨在表示所述涌入电流确定是出于实施本发明的目的而专门执行的，例如，通过控制单元执行，所述控制单元布置在被保护电力变压器处或附近并且编程成实施本发明的方法。

图3中示意性地示出了在本地执行涌入电流确定时所涉及的步骤。

所述涌入电流确定包括将所述电力变压器的谐波分量与所述电力变压器的基波电流进行比较，并且更确切地说，包括将二次谐波频率分量的量值E_2nd和基频分量的量值E_1st之间的比率R_2nd/1st与涌入电流确定值R_{set_IC}进行比较。

如图3所示，二次谐波频率分量的量值E_2nd通过第一步骤34确定，所述第一步骤根据下式将三个测得的相电流i_a、i_b、i_c相加以获得剩余电流i_R：

i_R＝i_a+i_b+ic

然后获得所述二次谐波频率分量的量值E_2nd，方法是首先(在第三过程子块36内)通过所述剩余电流i_R与一系列复系数的卷积产生复数，表示成I_2ndReal和I_2ndImag，然后(在第四过程子块38内)根据下式使用RMS计算：

用于上述卷积的复系数通过以下方式获得。

参数矩阵A是参照欧拉方程式(Euler’s equation)并且基于用于测量所述电力变压器的相电流i_a、i_b、i_c的选定采样机制预先确定的，即根据下式预先确定的：

其中，

ω₀是弧度中的基频，由2πf₀给出；

T_s是所述采样周期；以及

N_s是所述选定窗口长度中的采样数量。

然后通过下式计算最小二乘方矩阵P：

P＝(A^TA)^-1A^T

此后，所述最小二乘方矩阵P的第三行提供用于通过上述卷积提取二次谐波频率分量I_2ndReal、I_2ndImag的复系数。

例如，如果所述系统的基频f₀是50Hz、采样频率是2400Hz，并且所述窗口长度选定为24个样本，则所述复系数是：

[-0.2708-0.0740i，-0.0702-0.0596i，0.0687-0.0389i，0.1493-0.0149i，0.1780+0.0097i，0.1644+0.0320i，0.1198+0.0498i，0.0565+0.0612i，-0.0130+0.0651i，-0.0774+0.0611i，-0.1271+0.04954i，-0.1554+0.0317i；-0.1583+0.0093i；-0.1357-0.01523i；-0.0907-0.0391i；-0.0295-0.0596i；0.0387-0.0736i；0.1028-0.0788i；0.1506-0.0731i；0.1696-0.0551i；0.1482-0.0240i；0.0766+0.0199i；-0.0524+0.0754i；-0.2428+0.1407i]

第二步骤40中，在第五过程子块42内使用半周期傅里叶方法根据下式从剩余电流i_R获得基频分量的量值E_1st：

其中，

N是所述基频的半个周期的时间窗口，使得如果采样频率是2400Hz，则N＝24。

之后，在第三步骤44中将所述二次谐波频率分量的量值E_2nd和所述基频分量的量值E_1st之间的比率R_2nd/1st与涌入电流确定值R_{set_IC}进行比较，即依据下式：

并且用于标识涌入电流的存在的区分标准，即用于标识所述比率R_2nd/1st与所述涌入电流确定值R_{set_IC}不同的区分标准，由下式给出：

R_2nd/1st(n)＞R_{set_IC}

其中，

R_{set_IC}是预定值，例如可以是0.5，但是在本发明的其他实施例中可以不同。

当所述二次谐波频率分量的量值E_2nd和基频分量的量值E_1st之间的比率R_2nd/1st大于涌入电流确定值R_{set_IC}时，输出本地涌入指示信号46以标识涌入电流的存在。

最后，本发明的第一方法包括步骤(d)，所述步骤在以下情况下发出最终跳闸信号48以保护电力变压器，即启动保护装置例如断路器的操作：

(i)外部故障指示信号12A、12B、12C标识已经发生故障，并且所述本地执行的故障确定确认已经发生故障，即第一过程块14输出本地故障指示信号22；或者

(ii)外部故障指示信号12A、12B、12C标识已经发生故障，并且所述本地执行的故障确定标识没有发生故障，即，第一过程块14未输出本地故障指示信号22，但是在预定延迟之后，所述本地执行的涌入电流确定确认没有涌入电流。

在本说明书中所述的示例方法实施例中，根据上述标准发出最终跳闸信号48的步骤(d)在第三过程块50内实施，如图1所示，所述过程块实施图4中所示的逻辑。但是，也可以使用其他过程块逻辑和/或配置。

第三过程块50和相关逻辑能够处理以下三种可能情况：

(i)发生常规故障；

(ii)发生通过在本地执行故障确定而通常无法检测到的特定故障，例如，过零点故障；以及

(iii)电力变压器初始通电时存在涌入电流。

在第一种情况下，即发生常规故障时，将接收到一个或多个外部故障指示信号12A、12B、12C，所述一个或多个外部故障指示信号指示关于所述电力变压器的三个相A、B、C中的一个或多个相的故障。

同样地，所述本地执行的故障确定将通过输出本地故障指示信号22来标识已经发生故障。

所述或每个外部故障指示信号12A、12B、12C将直接传输到第一“与”(AND)门52，而所述本地故障指示信号22将通过“或”(OR)门62到达第一“与”门52。到达所述第一“与”门52的所述两种信号12A、12B、12C和22的净结果是无延迟地发出最终跳闸信号48，所述最终跳闸信号之后将立即允许启动保护装置以保护所述电力变压器。

当发生所述本地执行的故障确定无法标识的特定故障时，即在情况(ii)中，将接收到一个或多个外部故障指示信号12A、12B、12C，但是不会输出本地故障指示信号22。

本地故障指示信号22先通过第一“非”(NOT)门54，然后再传输到第二“与”门56，而外部故障指示信号12A、12B、12C中的一者或多者在预定延迟(由延迟单元58施加)后传输到相同的第二“与”门56。

同时，如果所述本地执行的涌入电流确定确认没有涌入电流，即不输出本地涌入指示信号46，则所述逻辑“0”在通过第二“非”门60之后，也出现在第二“与”门56处。

结果，第二“与”门56的所有输入均为高电平，因此它将输出逻辑高(logic high)，所述逻辑高将通过“或”门62，并借此在第一“与”门52处与原始外部故障指示信号12A、12B、12C中的一者或多者组合，以在所述预定延迟之后导致发出最终跳闸信号48，从而再次启动电力变压器的保护。

本说明书上文中所述的用于在本地执行涌入电流确定的步骤能够非常快速地完成，使得所述预定延迟仅需约5ms。结果，在发生特定故障例如过零点故障的情况下，启动电力变压器保护的最终延迟也非常小，即仅为约5ms。

在情况(iii)中，即存在涌入电流的情况下，将不输出本地故障指示信号22，因为所述涌入电流不是故障，但是在通过第一“非”门54之后，它在第二“与”门56的输入端将呈现为逻辑高。此外，由于关联的单独外部保护方案错误地将涌入电流标识为故障，因此将接收到一个或多个外部故障指示信号12A、12B、12C，这也将导致第二“与”门56的输入端处出现又一个逻辑高。

但是，所述本地执行的涌入电流确定将同时通过输出本地涌入指示信号46来指示涌入电流的存在，所述本地涌入指示信号在通过第二“非”门60之后，在第二“与”门56的输入端处将呈现为逻辑“0”。

由于第二“与”门56的一个输入是逻辑“0”，因此第二“与”门56同样输出逻辑“0”，所述逻辑“0”在“或”门62处与相同的逻辑“0”组合(在不存在本地故障指示信号22的情况下)，借此，逻辑“0”也传输到第一“与”门52，以便不论第一“与”门52处是否也存在一个或多个错误外部故障指示信号12A、12B、12C的输入，都将阻止发出最终跳闸信号48。通过这种方式，避免保护装置错误地对电力变压器进行保护的不正确操作。

Claims (7)

1.一种用于保护电力变压器的方法，包括以下步骤：

(a)监测外部故障指示信号(12A、12B、12C)；

(b)在本地执行故障确定(46)；

(c)在本地执行涌入电流确定；以及

(d)在以下情况下发出最终跳闸信号(48)以保护所述电力变压器：

(i)所述外部故障指示信号(12A、12B、12C)标识已经发生故障，并且所述本地执行的故障确定(22)确认已经发生故障；或者

(ii)所述外部故障指示信号(12A、12B、12C)标识已经发生故障，并且所述本地执行的故障确定(22)标识没有发生故障，但是在预定延迟之后，所述本地执行的涌入电流确定(46)确认没有涌入电流。

2.根据权利要求1所述的用于保护电力变压器的方法，其中在本地执行故障确定(22)的步骤(b)包括将所述电力变压器的测得电流的不同频率分量进行比较。

3.根据权利要求2所述的用于保护电力变压器的方法，其中将所述电力变压器的测得电流的不同频率分量进行比较包括：

提取(16)所述测得电流的第一频带分量和第二频带分量；

确定(18)所述第一频带分量和第二频带分量的幅度；

将所述幅度之间的比率与故障确定值进行比较(20)；以及

当所述比率与所述故障确定值(22)不同时，确认已经发生故障。

4.根据前述权利要求中的任一权利要求所述的用于保护电力变压器的方法，其中在本地执行涌入电流确定(46)的步骤(c)包括将所述电力变压器的谐波电流与所述电力变压器的基波电流进行比较。

5.根据权利要求4所述的用于保护电力变压器的方法，其中将所述电力变压器的谐波电流与所述电力变压器的基波电流进行比较包括：

获得所述电力变压器的测得电流的二次谐波频率分量和基频分量；

确定所述二次谐波频率分量的量值和所述基频分量的量值；

将所述量值之间的比率与涌入电流确定值进行比较；以及

当所述比率与所述涌入电流确定值(46)不同时，标识涌入电流的存在。

6.根据权利要求5所述的用于保护电力变压器的方法，其中获得所述电力变压器的测得电流的二次谐波频率分量并且确定所述二次谐波频率分量的所述量值包括所述测得电流与复系数的卷积，其中所述复系数通过预定参数矩阵基于用于测量所述电力变压器的电流的采样机制来建立。

7.根据权利要求5或权利要求6所述的用于保护电力变压器的方法，其中所述基频分量的所述量值使用半周期傅里叶方法确定。