CN112688273B - 一种电抗器匝间短路故障保护方法及装置 - Google Patents

一种电抗器匝间短路故障保护方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种运用于制动能量电容储能装置的电抗器匝间短路故障保护方法及装置，属于电抗器保护技术领域。利用电抗器匝间短路故障瞬间消耗大量能量导致制动能量电容储能装置运行效率下降，以及电抗器等效直流电阻值发生变化的特点作为双重判断条件，输出断路器跳闸信号并上传至人机显示界面进行报警，以此实现对电抗器短路故障的有效保护。本发明无需新增额外设备，仅利用制动能量电容储能装置本身的元器件采集信号、逻辑运算、触发保护，不仅节约设备成本，还提高了电抗器匝间故障保护的快速性与可靠性。

Description

一种电抗器匝间短路故障保护方法及装置
技术领域
本发明属于电力设备故障保护技术领域，具体涉及一种电抗器匝间短路故障保护方法，还涉及一种电抗器匝间短路故障保护装置。
背景技术
干式电抗器在大型电力设备中得到了广泛的运用，但是在长期运行过程中，会出现绝缘介质老化的问题，若存在外部因素刺激，可能会在电抗器表面绝缘层相对薄弱的地方出现局部放电，损坏匝间绝缘，并逐渐发展为短路故障。短路电流致使故障部位的温度急剧升高，进一步导致相邻匝间绝缘被破坏，最终引发电抗器局部过热甚至着火，危害设备运行安全。
若能在电抗器匝间短路初期发现故障，及时切断高压电源并采取必要的冷却措施，有助于降低后期电抗器的维修成本，甚至避免一场大型安全事故的发生。
电抗器从故障初期到烧毁整个过程发展迅速，持续时间从几秒到十几秒不等，目前大部分电力设备对于内置电抗器的保护是在线包内放置一个常闭的温控开关，当温度升高超过设定值时，温控开关变为常开信号上传至控制单元。该方法探测精度较差且容易发生误报故障，致使设备无故跳闸影响运行可靠性。
也有一些设计人员通过电流传感器测量流经电抗器的电流瞬时值，并与设置的故障保护值作比较，从而达到切除电抗器，保护设备的目的。但实际运行过程中，匝间短路故障后流经电抗器的电流变化幅度很小，即使达到过流保护动作值，电抗器绕组也已经造成重大损坏，失去了维修价值。
因此为了确保制动能量电容储能装置的稳定运行，亟需一种新型的电抗器匝间故障保护方法。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供了一种电抗器匝间短路故障保护方法及装置，采用双重判断条件来判断是否发生匝间短路故障，提高故障检测可靠性。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种电抗器匝间短路故障保护方法，其特征是，包括：
第一重判断条件：
电抗器等效直流电阻与额定等效直流电阻之间误差超过第一预设阈值；
第二重判断条件：
制动能量电容储能装置运行效率与额定工况下的效率差值超过第二预设阈值；
当第一重判断条件和第二重判断条件同时满足时，则判定发生电抗器匝间短路故障，控制直流侧断路器跳闸。
进一步的，所述电抗器等效直流电阻的计算过程包括：
采集网侧电压量和电容侧电压量，并分别进行分解得到对应的网侧电压直流分量和电容侧电压直流分量；
采集电容侧电流量，并分解得到对应的电容侧电流直流分量；
基于网侧电压直流分量、电容侧电压直流分量和电容侧电流直流分量，计算得到电抗器等效直流电阻。
进一步的，所述基于网侧电压直流分量、电容侧电压直流分量和电容侧电流直流分量，计算得到电抗器等效直流电阻，包括：
电抗器等效直流电阻为网侧电压直流分量与电容侧电压直流分量之差比上电容侧电流直流分量。
进一步的，所述制动能量电容储能装置运行效率的计算过程包括：
采集网侧电压量和电容侧电压量；
采集网侧电流量和电容侧电流量；
根据网侧电压量、电容侧电压量、网侧电流量和电容侧电流量，计算得到制动能量电容储能装置运行效率。
进一步的，所述第一预设阈值为10％，所述第二预设阈值为10％。
进一步的，当第一重判断条件满足时，输出电抗器等效直流电阻异常的报警。
进一步的，当第二重判断条件满足时，输出运行效率降低的报警。
进一步的，当判定发生电抗器匝间短路故障时，输出电抗器匝间短路故障报警。
相应的，本发明还提供了一种电抗器匝间短路故障保护装置，其特征是，包括：采样板、IO信号板和控制单元；
采样板，用于采集网侧电压量、电容侧电压量、网侧电流量和电容侧电流量；
控制单元，用于根据网侧电压量、电容侧电压量、网侧电流量和电容侧电流量，判断第一重判断条件和第二重判断条件是否同时满足，
其中第一重判断条件：
计算得到电抗器等效直流电阻；
电抗器等效直流电阻与额定等效直流电阻之间误差超过第一预设阈值；
第二重判断条件：
计算制动能量电容储能装置运行效率；
制动能量电容储能装置运行效率与额定工况下的效率差值超过第二预设阈值；
当第一重判断条件和第二重判断条件同时满足时，则判定发生电抗器匝间短路故障，输出直流侧断路器跳闸信号。
IO信号板，用于根据断路器跳闸信号控制直流侧断路器跳闸。
进一步的，还包括人机界面，用于显示电抗器匝间短路故障报警。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：
1)本发明无需新增额外设备，仅利用制动能量电容储能装置本身的元器件采集信号、逻辑运算、触发保护，节约设备成本；
2)本发明对匝间短路故障设置了双重判断条件，避免单个判断条件失效造成保护误动作，提高故障检测可靠性。
附图说明
图1为本发明电抗器匝间短路故障保护结构示意图；
图2为电抗器匝间短路故障保护逻辑；
图3为串联电抗器等效直流电阻二端口示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例1
本发明的一种电抗器匝间短路故障保护方法，适用于DC 750V/1500V的城市轨道交通制动能量电容储能装置对于内部平波电抗器的匝间短路故障保护。其结构示意图如图1所示，在制动能量电容储能装置主电路中，DC750V网侧安装有电压传感器LV1、电流传感器CT1，电容侧安装有电压传感器LV2、电流传感器CT2，分别采集电压、电流量。直流电抗器L前端接IGBT模组，后端接电容组C2。直流网侧断路器QF用于保护主电路。控制电路中的采样板用于转换模拟量与数字量，IO信号板用于输出与输入开关量，控制单元用于算法计算，人机界面用于显示故障信息。控制单元通过RS232通讯在人机界面展示故障信息，通过IO信号板给断路器输出跳闸信号。
在控制单元中添加运算逻辑，利用电抗器匝间短路故障瞬间电抗器等效直流电阻发生变化的特点，作为电抗器匝间短路故障的第一重判断条件，利用电抗器匝间短路故障瞬间消耗大量能量导致制动能量电容储能装置运行效率下降的特点，作为电抗器匝间短路故障的第二重判断条件，计算电抗器的等效直流电阻和装置的整体运行效率作为双重判断条件。保护逻辑如图2所示，若仅满足单个判断条件时，控制单元输出对应的故障信息且断路器不动作，当且仅当双重判断条件均满足时，控制单元输出电抗器匝间短路故障信息，同时自动控制直流侧断路器跳闸，保护设备安全。
故障的第一重判断条件即计算电抗器的等效直流电阻，电抗器匝间短路后，电抗器的等效直流电阻发生变化，图3是串联电抗器等效直流电阻二端口示意图。判断过程包括以下步骤，且以下步骤顺次进行。
步骤一：利用直流侧的电压传感器采集DC750V网侧电压量U1，利用电容侧的电压传感器采集电容侧电压量U2。
采用傅里叶级数对电压信号进行分解，表达式为：
Figure BDA0002830500310000061
其中，au0为电压直流分量，Auk为对应的k次谐波电压幅值，f0为基波频率，θuk为对应的k次谐波电压初相位。
利用以上公式对网侧电压量和电容侧电压量进行分解，得到网侧电压的直流分量Udc1和电容侧电压的直流分量Udc2。
步骤二：利用电容侧的电流传感器采集电容侧电流量I2。采用傅里叶级数对电流信号进行分解，表达式为：
Figure BDA0002830500310000062
其中，ai0为电流直流分量，Aik为对应的k次谐波电流幅值，f0为基波频率，θik为对应的k次谐波电流初相位。得到电容侧电流的直流分量Idc2。
步骤三：忽略IGBT模组和线路损耗，则网侧电压减去电容侧电压即为电抗器电压值即UL＝Udc1-Udc2。计算得到电抗器等效直流电阻
Figure BDA0002830500310000063
DC750V系统中具有大量电力电子设备引起的谐波量，并不是纯粹的直流系统，因此电压可以表示为U＝UDC+UAC，电流可以表示为I＝IDC+IAC，其中UDC为电压直流分量，IDC为电流直流分量。由于系统中直流量占据很大比重，因此取电压、电流的直流分量计算等效直流电阻R。
步骤四：将电抗器等效直流电阻与额定直流电阻做比较，如果误差超过10％，控制单元输出电抗器等效直流电阻异常的报警信号。
以电抗器BSR-0400-0M60为例，其额定等效直流电阻为3.5mΩ，将每个采样周期计算得到的等效直流电阻R1与3.5mΩ做比较，如果误差超过10％，控制单元输出电抗器等效直流电阻异常的报警信号；
对故障的第二重判断条件即超级电容储能装置的工作效率变化。由于电抗器发生匝间短路可以等效为一个变压器，原边绕组匝数即为电抗器匝数，副边为短路的一匝并且短路运行，因此产生巨大的发热功率。制动能量电容储能装置的功率平衡关系为：
P1＝P2+PL+PIGBT+P附加
其中：P1为DC750V网侧功率，P2为电容侧功率，PL为电抗器消耗功率，PIGBT为功率开关消耗功率，P附加为线路等附加损耗。
运行过程中视PIGBT与P附加值保持不变，随着绝缘进一步损坏，短路匝增加，电抗器发热功率PL陡增，根据能量守恒可知若P1维持不变，PL上升，则P2下降，最终导致设备运行效率η下降。
第二重判断条件包括以下步骤，且以下步骤顺次进行。
步骤一：利用直流侧电压传感器采集DC750V网侧电压量U1，利用电容侧电压传感器采集电容侧电压量U2，利用直流侧电流传感器采集DC750V网侧电流量I1，利用电容侧电流传感器采集电容侧电流量I2。
步骤二：控制单元计算设备整体运行效率：
Figure BDA0002830500310000071
步骤三：控制单元将当前周期计算得到的运行效率值与额定工况下的效率值做对比，若监测到效率差值超过10％，控制单元输出运行效率降低的报警信号。
以制动能量电容储能装置ASF-750-2000C为例，额定工况下其整体运行效率为93％左右，实时监测效率若下降超过10％，则控制单元输出运行效率降低的报警信号。
当第一重判断条件和第二重判断条件同时满足时，在人机界面上显示电抗器匝间短路故障，同时报警指示灯闪烁，IO信号板给出断路器跳闸信号，控制直流侧断路器跳闸，避免设备故障程度加重。
上述判断条件中，若仅满足单个判断条件时，控制单元输出对应的故障信息且断路器不动作。当且仅当双重判断条件均满足时，控制单元输出电抗器匝间短路故障信息，同时自动控制直流侧断路器跳闸，保护设备安全。
本发明利用电抗器的等效直流电阻和设备的整体运行效率变化作为双重判断条件，能够在电抗器发生匝间短路的初期及时做出反应，同时避免单个判断条件失效造成保护误动作，提高故障检测可靠性。
该方法涉及的所有检测、计算、保护设备均来源于制动能量电容储能装置自身，包括电压传感器、电流传感器、采样板、IO信号板、控制单元、人机界面、断路器，因此无需采购额外设备，只需在控制单元中新增对应电抗器匝间短路故障保护的逻辑算法即可实现保护功能。
本发明的有益效果为：
1)本发明提出的新型电抗器匝间短路故障保护方法，无需新增设备，只需在制动能量电容储能装置的控制单元中添加运算逻辑，就可以实现电抗器匝间短路故障保护，节约了设备成本。
2)能够在电抗器发生匝间短路故障的初期做出反应，故障响应时间控制在ms级。
3)对匝间短路故障设置了双重判断条件，避免单个判断条件失效造成保护误动作，提高故障检测可靠性。
实施例2
本发明的一种电抗器匝间短路故障保护装置，其特征是，包括：采样板、IO信号板和控制单元；
采样板，用于采集网侧电压量、电容侧电压量、网侧电流量和电容侧电流量；
控制单元，用于根据网侧电压量、电容侧电压量、网侧电流量和电容侧电流量，判断第一重判断条件和第二重判断条件是否同时满足，
其中第一重判断条件：
计算得到电抗器等效直流电阻；
电抗器等效直流电阻与额定等效直流电阻之间误差超过第一预设阈值；
第二重判断条件：
计算制动能量电容储能装置运行效率；
制动能量电容储能装置运行效率与额定工况下的效率差值超过第二预设阈值；
当第一重判断条件和第二重判断条件同时满足时，则判定发生电抗器匝间短路故障，输出直流侧断路器跳闸信号。
IO信号板，用于根据断路器跳闸信号控制直流侧断路器跳闸。
进一步的，还包括人机界面，用于显示电抗器匝间短路故障报警。
本发明装置的各模块具体实现过程参见实施例1中方法的具体实现步骤。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种电抗器匝间短路故障保护方法，其特征是，包括：
第一重判断条件：
电抗器等效直流电阻与额定等效直流电阻之间误差超过第一预设阈值；
第二重判断条件：
制动能量电容储能装置运行效率与额定工况下的效率差值超过第二预设阈值；
当第一重判断条件和第二重判断条件同时满足时，则判定发生电抗器匝间短路故障，控制直流侧断路器跳闸。
2.根据权利要求1所述的一种电抗器匝间短路故障保护方法，其特征是，所述电抗器等效直流电阻的计算过程包括：
采集网侧电压量和电容侧电压量，并分别进行分解得到对应的网侧电压直流分量和电容侧电压直流分量；
采集电容侧电流量，并分解得到对应的电容侧电流直流分量；
基于网侧电压直流分量、电容侧电压直流分量和电容侧电流直流分量，计算得到电抗器等效直流电阻。
3.根据权利要求2所述的一种电抗器匝间短路故障保护方法，其特征是，所述基于网侧电压直流分量、电容侧电压直流分量和电容侧电流直流分量，计算得到电抗器等效直流电阻，包括：
电抗器等效直流电阻为网侧电压直流分量与电容侧电压直流分量之差比上电容侧电流直流分量。
4.根据权利要求1所述的一种电抗器匝间短路故障保护方法，其特征是，所述制动能量电容储能装置运行效率的计算过程包括：
采集网侧电压量和电容侧电压量；
采集网侧电流量和电容侧电流量；
根据网侧电压量、电容侧电压量、网侧电流量和电容侧电流量，计算得到制动能量电容储能装置运行效率。
5.根据权利要求1所述的一种电抗器匝间短路故障保护方法，其特征是，所述第一预设阈值为10%，所述第二预设阈值为10%。
6.根据权利要求1所述的一种电抗器匝间短路故障保护方法，其特征是，当第一重判断条件满足时，输出电抗器等效直流电阻异常的报警。
7.根据权利要求1所述的一种电抗器匝间短路故障保护方法，其特征是，当第二重判断条件满足时，输出运行效率降低的报警。
8.根据权利要求1所述的一种电抗器匝间短路故障保护方法，其特征是，当判定发生电抗器匝间短路故障时，输出电抗器匝间短路故障报警。
9.一种电抗器匝间短路故障保护装置，其特征是，包括：采样板、IO信号板和控制单元；
采样板，用于采集网侧电压量、电容侧电压量、网侧电流量和电容侧电流量；
控制单元，用于根据网侧电压量、电容侧电压量、网侧电流量和电容侧电流量，判断第一重判断条件和第二重判断条件是否同时满足，
其中第一重判断条件：
计算得到电抗器等效直流电阻；
电抗器等效直流电阻与额定等效直流电阻之间误差超过第一预设阈值；
第二重判断条件：
计算制动能量电容储能装置运行效率；
制动能量电容储能装置运行效率与额定工况下的效率差值超过第二预设阈值；
当第一重判断条件和第二重判断条件同时满足时，则判定发生电抗器匝间短路故障，输出直流侧断路器跳闸信号；
IO信号板，用于根据断路器跳闸信号控制直流侧断路器跳闸。
10.根据权利要求9所述的一种电抗器匝间短路故障保护装置，其特征是，还包括人机界面，用于显示电抗器匝间短路故障报警。
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