CN112421571B - 一种具有抗短路校核功能的变压器保护方法 - Google Patents

Abstract

本申请一种具有抗短路校核功能的变压器保护方法，涉及电力系统继电保护技术领域，具体包括在电力系统发生短路故障时，通过计算轴向力与辐向力预设定值的比值、辐向力与轴向力预设定值的比值分别表示轴向力安全系数和辐向力安全系数，并通过两组所述安全系数的范围设定下一次变压器保护启动时的辐向力预设定值和轴向力预设定值，根据安全系数的范围以及短路故障的程度不断对变压器出厂时设定的初始许可值进行调整，能够通过实际故障对变压器绕组所受的冲击和累积效应进行量化判断，以实现对电力系统中的短路故障对变压器的冲击提供实时校核，为变压器因多次冲击发生绕组变形但尚未发展为绝缘故障时提供保护。

Description

一种具有抗短路校核功能的变压器保护方法

技术领域

本申请涉及电力系统继电保护技术领域，尤其涉及一种具有抗短路校核功能的变压器保护方法。

背景技术

变压器是电网中的重要电气设备，起着电能传输、分配及转换的作用。变压器的安全可靠运行关系到电力系统的供电可靠性。在电力系统发生短路故障时，与短路点有电气联系的变压器内流过短路电流，一般情况下，短路电流是负荷电流的几倍到十几倍，短路电流使变压器绕组产生巨大应力，可能造成变压器绕组变形甚至损坏。

近几年随着电网的发展，各电压等级短路容量越来越大，在变压器损坏事故中，由制造方面引起的的抗短路能力不足的问题逐渐凸显，约占变压器损坏原因的25％。抗短路能力不足会造成变压器在遭受外部短路冲击后出现绕组变形、以及垫块、夹件等发生位移，如继续运行会导致变压器发生短路、接地等绝缘故障。

传统变压器的抗短路能力由变压器制造厂根据变压器结构设计、材质等进行核算，仅给出了几组典型短路电流冲击下的安全系数，并不能对变压器在运行中遭受不同大小、不同持续时间的短路冲击进行实时核算，对变压器遭受冲击的累积效应只能定性分析，无法动态计算其影响；而变压器保护也仅能反映变压器绕组较严重的绝缘破坏，如绕组短路、接地故障，并不能在变压器遭受外部短路冲击绕组变形时提供告警和保护、也无法反映变压器短路冲击累积效应。

发明内容

本申请提供了一种具有抗短路校核功能的变压器保护方法，以解决传统变压器保护方法无法对变压器遭受短路冲击进行实施核算以及无法反应变压器短路冲击累积效应的问题。

本申请采用的技术方案如下：

一种抗短路校核能力的变压器保护方法，包括以下步骤：

当电力系统发生短路故障时，变压器保护启动，通过交流输入插件或SV插件获取变压器三侧三相电流；

计算整个故障持续时间中的所述变压器三侧三相电流的最大值i_max、方均根值I以及故障持续时间t；

计算整个所述故障持续时间中的变压器每个绕组受到短路冲击力作用引起的辐向力、变压器每个绕组受到短路冲击力作用引起的轴向力以及变压器绕组平均温度；

通过所述轴向力与辐向力预设定值的比值、所述辐向力与轴向力预设定值的比值分别表示轴向力安全系数和辐向力安全系数，并通过两组所述安全系数的范围设定下一次变压器保护启动时的辐向力预设定值和轴向力预设定值；

通过所述辐向力安全系数是否小于辐向力安全系数阈值、所述轴向力安全系数是否小于轴向力安全系数阈值或所述变压器绕组平均温度θ_n是否大于绕组温度上限值，判断变压器保护是否立即发出告警并经延时跳开变压器三侧断路器。

进一步地，若所述短路故障发生后继续发生了永久故障，则所述短路故障重合到所述永久故障上作为下一次故障，并计算最大值i_max和所述方均根值I以及故障持续时间t，其中关于所述故障持续时间t的计算包括：所述短路故障开始到所述短路故障切除的时间计为t_trip，故障重合到所述永久故障切除的时间计为t_recolse，则所述故障持续时间t＝t_trip+t_recolse。

进一步地，对于每台变压器，变压器每个绕组受到短路冲击力作用引起的所述辐向力F_rad：

则：

其中，N—绕组的电气匝数(单位为匝)；Hw—绕组的几何平均高度(单位为mm)；Dm—绕组的平均直径(mm)；k_rad为变压器的辐向力系数。

进一步地，对于每台变压器，变压器每个绕组受到短路冲击力作用引起的所述轴向力F_ax：

则

其中，d—主空道宽度(mm)；a₁、a₂—绕组1、绕组2的辐向宽度(mm)；K—罗果夫斯基系数，与结构相关的常数；k_ax为变压器的轴向力系数；N—绕组的电气匝数(单位为匝)；Hw—绕组的几何平均高度(单位为mm)；D_m—绕组的平均直径(mm)。。

进一步地，变压器绕组平均温度θ：

其中，θ₀表示绕组的初始温度(℃)，根据变压器运行区域典型值作为初始整定值；θ表示短路t(s)后的变压器绕组平均温度(℃)；I—短路电流的方均根值(A)，s—绕组导线截面积(mm²)；t—故障持续时间(s)。

进一步地，所述通过所述轴向力与辐向力预设定值的比值、所述辐向力与轴向力预设定值的比值分别表示轴向力安全系数和辐向力安全系数，包括：

变压器第n次遭受冲击，启动第n次变压器保护时，计算变压器每个绕组受到短路冲击力作用引起的辐向力F_rad.n与辐向力预设定值F_radset.n-1之间的比值作为第n次短路故障冲击的安全系数C_rad.n，以及计算变压器每个绕组受到短路冲击力作用引起的轴向力F_ax.n与辐向力预设定值F_axset.n-1之间的比值作为第n次短路故障冲击的安全系数C_ax.n，n为变压器遭受冲击的次数，n∈Z且n≥1，用公式表示C_rad.n、C_ax.n为：

进一步地，所述n＝1时，即变压器第一次遭受冲击时，所述辐向力预设定值F_radset.n-1＝F_radset.0，所述F_radset.0为变压器制造厂根据变压器设计给出出厂时的辐向力初始整定值；

所述轴向力预设定值F_axset.n-1＝F_axset.0，所述F_axset.0为变压器制造厂根据变压器设计给出出厂时的轴向力初始整定值。

进一步地，所述通过两组所述安全系数的范围设定下一次变压器保护启动时的辐向力预设定值和轴向力预设定值，包括：

根据第n次的所述辐向力安全系数C_rad.n、所述轴向力安全系数C_ax.n设定第n+1次的变压器保护启动时的辐向力预设定值和轴向力预设定值：

若1<C_rad.n≤1.23，则第n+1次的变压器保护启动时的辐向力预设定值为F_radset.n，F_radset.n＝b_0.9F_radset.n-1，因此，变压器受到第n+1次冲击时，

其中b_0.9为0.90～0.93；

若1<C_ax.n≤1.23，则第n+1次的变压器保护启动时的轴向力预设定值为F_axset.n，F_axset.n＝b_0.9F_axset.n-1，因此，变压器受到第n+1次冲击时，

其中b_0.9为0.90～0.93；

若1.23<C_rad.n≤1.56，则第n+1次的变压器保护启动时的辐向力预设定值为F_radset.n，F_radset.n＝b_0.8F_radset.n-1，因此，变压器受到第n+1次冲击时，

其中b_0.8为0.94～0.96；

若1.23<C_ax.n≤1.56，则第n+1次的变压器保护启动时的轴向力预设定值为F_axset.n，F_radset.n＝b_0.8F_radset.n-1，因此，变压器受到第n+1次冲击时，

其中b_0.8为0.94～0.96；

若1.56≤C_rad.n<2，则第n+1次的变压器保护启动时的辐向力预设定值为F_radset.n，F_radset.n＝b_0.7F_radset.n-1，因此，变压器受到第n+1次冲击时，

其中b_0.7为0.98～0.99；

若1.56≤C_ax.n<2，第n+1次的变压器保护启动时的轴向力预设定值为F_axset.n，F_radset.n＝b_0.8F_radset.n-1，因此，变压器受到第n+1次冲击时，

其中b_0.7为0.98～0.99；

若C_rad.n≥2，则第n+1次的变压器保护启动时的辐向力预设定值为F_radset.n，F_radset.n＝F_radset.n-1，因此，变压器受到第n+1次冲击时，

若C_ax.n≥2，则第n+1次的变压器保护启动时的轴向力预设定值为F_axset.n，F_radset.n＝F_radset.n-1，因此，变压器受到第n+1次冲击时，

进一步地，所述辐向力安全系数阈值为1、所述轴向力安全系数阈值为1、所述变压器绕组温度上限值为250℃；

当所述辐向力安全系数C_rad.n≤1、或所述轴向力安全系数C_ax.n≤1时、或所述变压器绕组平均温度θ_n≥250℃时，变压器保护立即发出告警并经延时跳开变压器三侧断路器。

采用本申请的技术方案的有益效果如下：

本申请一种具有抗短路校核功能的变压器保护方法，具体包括先获取变压器保护时的变压器三侧电流，再计算相关电气量，在电力系统发生短路故障时，通过计算轴向力与辐向力预设定值的比值、辐向力与轴向力预设定值的比值分别表示轴向力安全系数和辐向力安全系数，并通过两组所述安全系数的范围设定下一次变压器保护启动时的辐向力预设定值和轴向力预设定值，根据安全系数的范围以及短路故障的程度不断对变压器出厂时设定的初始许可值进行调整，能够通过实际故障对变压器绕组所受的冲击和累积效应进行量化判断，以实现对电力系统中的短路故障对变压器的冲击提供实时校核，为变压器因多次冲击发生绕组变形但尚未发展为绝缘故障时提供保护。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请提供的一种具有抗短路校核功能的变压器保护方法的流程图。

具体实施方式

下面将详细地对实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下实施例中描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。仅是与权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的系统和方法的示例。

参见图1，为本申请提供的一种具有抗短路校核功能的变压器保护方法的流程图。

本申请提供的一种具有抗短路校核功能的变压器保护方法，适应于各电压等级变压器。包括以下步骤：

步骤一：电力系统发生短路故障时，变压器保护启动，通过交流输入插件或SV插件获取变压器三侧三相电流；

步骤二：处理电气量：计算整个故障持续时间中的变压器三侧三相电流的最大值i_max、方均根值I以及故障持续时间t。

若短路故障发生后继续发生了永久故障，则短路故障重合到永久故障上，作为下一次故障，并计算最大值i_max和故障电流的方均根值I以及故障持续时间t，其中关于所述故障持续时间t的计算包括：所述短路故障开始到所述短路故障切除的时间计为t_trip，故障重合到所述永久故障切除的时间计为t_recolse，则所述故障持续时间t＝t_trip+t_recolse。步骤三：计算故障电流对变压器的冲击：计算整个故障持续时间中变压器每个绕组受到短路冲击力作用引起的辐向力、变压器每个绕组受到短路冲击力作用引起的轴向力以及变压器绕组平均温度。

对于每台变压器，变压器每个绕组受到短路冲击力作用引起的辐向力F_rad：

则：

其中，N—绕组的电气匝数(单位为匝)；Hw—绕组的几何平均高度(单位为mm)；Dm—绕组的平均直径(mm)；k_rad为变压器的辐向力系数。

每次变压器保护启动，均计算F_rad，并记为F_rad.1、F_rad.2、......F_rad.(n-1)、F_rad.n。

计算变压器每个绕组受到短路冲击力作用引起的轴向力F_ax：当变压器发生短路等故障时，绕组安匝不平衡，由此产生的辐向漏磁与短路电流相互作用产生短路轴向电动力。

对于每台变压器，变压器每个绕组受到短路冲击力作用引起的轴向力F_ax：

则

其中，d—主空道宽度(mm)；a₁、a₂—绕组1、绕组2的辐向宽度(mm)；K—罗果夫斯基系数，与结构相关的常数；k_ax为变压器的轴向力系数。

每次变压器保护启动，均计算F_ax，并记为F_ax.1、F_ax.2、......F_ax.(n-1)、F_ax.n。

对于每台变压器，计算短路t(s)后的变压器绕组平均温度θ：

其中，θ₀表示绕组的初始温度(℃)，根据变压器运行区域典型值作为初始整定值；θ表示短路t(s)后的变压器绕组平均温度(℃)；I—短路电流的方均根值(A)，s—绕组导线截面积(mm²)；t—故障持续时间(s)。如果连续两次故障的冲击间隔时间小于10s，则第二次故障计数t₂，与第一次短路时间t₁叠加。

每次变压器保护启动，均计算θ，并记为θ₁、θ₂、......θ_(n-1)、θ_n。

步骤四通过轴向力与辐向力预设定值的比值、辐向力与轴向力预设定值的比值分别表示轴向力安全系数和辐向力安全系数，通过两组所述安全系数的范围设定下一次变压器保护启动时的辐向力预设定值和轴向力预设定值。

(1)变压器第n次遭受冲击，启动第n次变压器保护时，计算变压器整个绕组受到短路冲击力作用引起的辐向力F_rad.n与辐向力预设定值F_radset.n-1之间的比值作为第n次短路故障冲击的安全系数C_rad.n，以及计算变压器每个绕组受到短路冲击力作用引起的轴向力F_ax.n与辐向力预设定值F_axset.n-1之间的比值作为第n次短路故障冲击的安全系数C_ax.n。用公式表示C_rad.n、C_ax.n为：

特别地，当n＝1，即变压器第一次遭受冲击时，辐向力预设定值F_radset.n-1＝F_radset.0，F_radset.0为变压器制造厂根据变压器设计给出出厂时的辐向力初始整定值，轴向力预设定值F_axset.n-1＝F_axset.0，F_axset.0为变压器制造厂根据变压器设计给出出厂时的轴向力初始整定值。

根据第n次的安全系数C_rad.n、C_ax.n判断第n+1次的变压器保护启动时的辐向力预设定值和轴向力预设定值，包括：

若1<C_rad.n≤1.23，则第n+1次的变压器保护启动时的辐向力预设定值为F_radset.n，F_radset.n＝b_0.9F_radset.n-1，因此，变压器受到第n+1次冲击时，

其中b_0.9为0.90～0.93；

若1<C_ax.n≤1.23，则第n+1次的变压器保护启动时的轴向力预设定值为F_axset.n，F_axset.n＝b_0.9F_axset.n-1，因此，变压器受到第n+1次冲击时，

其中b_0.9为0.90～0.93。

若1.23<C_rad.n≤1.56，则第n+1次的变压器保护启动时的辐向力预设定值为F_radset.n，F_radset.n＝b_0.8F_radset.n-1，因此，变压器受到第n+1次冲击时，

其中b_0.8为0.94～0.96；

若1.23<C_ax.n≤1.56，则第n+1次的变压器保护启动时的轴向力预设定值为F_axset.n，F_radset.n＝b_0.8F_radset.n-1，因此，变压器受到第n+1次冲击时，

其中b_0.8为0.94～0.96。

若1.56≤C_rad.n<2，则第n+1次的变压器保护启动时的辐向力预设定值为F_radset.n，F_radset.n＝b_0.7F_radset.n-1，因此，变压器受到第n+1次冲击时，

其中b_0.7为0.98～0.99；

若1.56≤C_ax.n<2，第n+1次的变压器保护启动时的轴向力预设定值为F_axset.n，F_radset.n＝b_0.8F_radset.n-1，因此，变压器受到第n+1次冲击时，

其中b_0.7为0.98～0.99。

若C_rad.n≥2，则第n+1次的变压器保护启动时的辐向力预设定值为F_radset.n，F_radset.n＝F_radset.n-1，因此，变压器受到第n+1次冲击时，

若C_ax.n≥2，则第n+1次的变压器保护启动时的轴向力预设定值为F_axset.n，F_radset.n＝F_radset.n-1，因此，变压器受到第n+1次冲击时，

步骤五通过所述辐向力安全系数是否小于辐向力安全系数阈值、所述轴向力安全系数是否小于轴向力安全系数阈值或所述变压器绕组平均温度θn是否大于绕组温度上限值，判断变压器保护是否立即发出告警并经延时跳开变压器三侧断路器。

所述辐向力安全系数阈值为1、所述轴向力安全系数阈值为1。

若C_rad.n≤1、或C_ax.n≤1时，变压器保护立即发出告警信号给作业人员提醒并经延时跳开变压器三侧断路器。

变压器第n次遭受冲击，比较变压器绕组平均温度θ_n是否大于绕组温度上限值：

若变压器绕组平均温度θ_n≥绕组温度上限值，则变压器保护立即发出告警信号给作业人员提醒并经延时跳开变压器三侧断路器。绕组温度上限值是变压器制造厂根据变压器设计给出，通常为250℃。

本申请提供的实施例之间的相似部分相互参见即可，以上提供的具体实施方式只是本申请总的构思下的几个示例，并不构成本申请保护范围的限定。对于本领域的技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下依据本申请方案所扩展出的任何其他实施方式都属于本申请的保护范围。

Claims (4)

1.一种具有抗短路校核功能的变压器保护方法，其特征在于，包括以下步骤：

当电力系统发生短路故障时，变压器保护启动，通过交流输入插件或SV插件获取变压器三侧三相电流；

计算整个故障持续时间中的所述变压器三侧三相电流的最大值i_max、方均根值I以及故障持续时间t；

计算整个所述故障持续时间中的变压器每个绕组受到短路冲击力作用引起的辐向力、变压器每个绕组受到短路冲击力作用引起的轴向力以及变压器绕组平均温度，其中：

对于每台变压器，变压器每个绕组受到短路冲击力作用引起的所述辐向力F_rad：

则：

其中，N—绕组的电气匝数；Hw—绕组的几何平均高度；Dm—绕组的平均直径；k_rad为变压器的辐向力系数；

对于每台变压器，变压器每个绕组受到短路冲击力作用引起的所述轴向力F_ax：

则

其中，d—主空道宽度；a₁、a₂—绕组1、绕组2的辐向宽度；K—罗果夫斯基系数；k_ax为变压器的轴向力系数；N—绕组的电气匝数；Hw—绕组的几何平均高度；Dm—绕组的平均直径；

通过所述轴向力与辐向力预设定值的比值、所述辐向力与轴向力预设定值的比值分别表示轴向力安全系数和辐向力安全系数，包括：变压器第n次遭受冲击，启动第n次变压器保护时，计算变压器每个绕组受到短路冲击力作用引起的辐向力F_rad.n与辐向力预设定值F_radset.n-1之间的比值作为第n次短路故障冲击的安全系数C_rad.n，以及计算变压器每个绕组受到短路冲击力作用引起的轴向力F_ax.n与辐向力预设定值F_axset.n-1之间的比值作为第n次短路故障冲击的安全系数C_ax.n，n为变压器遭受冲击的次数，n∈Z且n≥1，用公式表示Crad.n、Cax.n为：

其中，所述n＝1时，即变压器第一次遭受冲击时，所述辐向力预设定值F_{radset.n-1＝}F_radset.0，所述F_radset.0为变压器制造厂根据变压器设计给出出厂时的辐向力初始整定值；

所述轴向力预设定值F_axset.n-1＝F_axset.0，所述F_axset.0为变压器制造厂根据变压器设计给出出厂时的轴向力初始整定值；

通过两组所述安全系数的范围设定下一次变压器保护启动时的辐向力预设定值和轴向力预设定值，包括：根据第n次的所述辐向力安全系数C_rad.n、所述轴向力安全系数C_ax.n设定第n+1次的变压器保护启动时的辐向力预设定值和轴向力预设定值：

若1<C_rad.n≤1.23，则第n+1次的变压器保护启动时的辐向力预设定值为F_radset.n，F_radset.n＝b_0.9F_radset.n-1，因此，变压器受到第n+1次冲击时，

其中b_0.9为0.90～0.93；

若1<C_ax.n≤1.23，则第n+1次的变压器保护启动时的轴向力预设定值为F_axset.n，F_axset.n＝b_0.9F_axset.n-1，因此，变压器受到第n+1次冲击时，

其中b_0.9为0.90～0.93；

若1.23<C_rad.n≤1.56，则第n+1次的变压器保护启动时的辐向力预设定值为F_radset.n，F_radset.n＝b_0.8F_radset.n-1，因此，变压器受到第n+1次冲击时，

其中b_0.8为0.94～0.96；

若1.23<C_ax.n≤1.56，则第n+1次的变压器保护启动时的轴向力预设定值为F_axset.n，F_radset.n＝b_0.8F_radset.n-1，因此，变压器受到第n+1次冲击时，

其中b_0.8为0.94～0.96；

若1.56≤C_rad.n<2，则第n+1次的变压器保护启动时的辐向力预设定值为F_radset.n，F_radset.n＝b_0.7F_radset.n-1，因此，变压器受到第n+1次冲击时，

其中b_0.7为0.98～0.99；

若1.56≤C_ax.n<2，第n+1次的变压器保护启动时的轴向力预设定值为F_axset.n，F_radset.n＝b_0.8F_radset.n-1，因此，变压器受到第n+1次冲击时，

其中b_0.7为0.98～0.99；

若C_rad.n≥2，则第n+1次的变压器保护启动时的辐向力预设定值为F_radset.n，F_radset.n＝F_radset.n-1，因此，变压器受到第n+1次冲击时，

若C_ax.n≥2，则第n+1次的变压器保护启动时的轴向力预设定值为F_axset.n，F_radset.n＝F_radset.n-1，因此，变压器受到第n+1次冲击时，

通过所述辐向力安全系数是否小于辐向力安全系数阈值、所述轴向力安全系数是否小于轴向力安全系数阈值或所述变压器绕组平均温度θ_n是否大于绕组温度上限值，判断变压器保护是否立即发出告警并经延时跳开变压器三侧断路器。

2.根据权利要求1所述的具有抗短路校核功能的变压器保护方法，其特征在于，若所述短路故障发生后继续发生了永久故障，则所述短路故障重合到所述永久故障上作为下一次故障，并计算最大值i_max、方均根值I以及故障持续时间t，其中关于所述故障持续时间t的计算包括：所述短路故障开始到所述短路故障切除的时间计为t_trip，故障重合到所述永久故障切除的时间计为t_recolse，则所述故障持续时间t＝t_trip+t_recolse。

3.根据权利要求1所述的具有抗短路校核功能的变压器保护方法，其特征在于，

变压器绕组平均温度θ：

其中，θ₀表示绕组的初始温度，根据变压器运行区域典型值作为初始整定值；θ表示短路t后的变压器绕组平均温度；I—短路电流的方均根值，s—绕组导线截面积；t—故障持续时间。

4.根据权利要求1所述的具有抗短路校核功能的变压器保护方法，其特征在于，

所述辐向力安全系数阈值为1、所述轴向力安全系数阈值为1、所述变压器绕组温度上限值为250℃；

当所述辐向力安全系数C_rad.n≤1、或所述轴向力安全系数C_ax.n≤1时、或所述变压器绕组平均温度θ_n≥250℃时，变压器保护立即发出告警并经延时跳开变压器三侧断路器。

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