CN114400615B - 基于挠度特征的变压器数字式非电量保护装置及方法 - Google Patents

Abstract

基于挠度特征的变压器数字式非电量保护装置及方法，利用位移传感器测量变压器油箱挠度特征量；通过判断挠度特征量是否大于等于挠度启动门槛值，若满足则判断挠度突变特征量是否大于等于挠度突变门槛值，若判断实时挠度特征量大于等于挠度突变门槛值，则判断挠度特征量是否大于挠度保护判别门槛值，若挠度保护判别单元判断实时挠度特征量大于等于挠度保护判别门槛值，则通过跳闸单元发出挠度跳闸信号。当变压器内部发生故障时发出跳闸信号，以避免随后发生的油箱破裂、爆炸事故发生，提高变压器运行的安全性。本发明的应用能够长期可靠运行，不受强电磁干扰，具有响应速度快，测量频率高的优点。

Description

基于挠度特征的变压器数字式非电量保护装置及方法

技术领域

本发明属于电力系统领域，涉及基于挠度特征的变压器数字式非电量保护装置及方法。

背景技术

电力系统安全运行是保证电力安全稳定运输的基础，也是电网自身安全的保障。变压器作为电力系统的重要设备，随着电力系统的迅猛发展得以广泛应用。随着特高压直流输电工程的发展，电网运行对输变电设备的可靠性提出更高的要求。作为能量转换、传输的核心设备，变压器一旦发生故障，其造成的设备损失、电量损失、经济损失巨大，成为影响电网安全运行的关键和重要影响因素。2017年以来，国内变压器内部故障造成的着火爆炸事故接连发生，导致部分变压器设备损坏及重大经济损失。变压器内部故障导致箱内油压骤升，进而导致油箱形变破裂，最终引起爆炸起火事故。因此亟需一种针对变压器油箱形变特征的可靠、快速的继电保护装置及方法。

变压器非电量保护是由非电气量反映的变压器内部故障，动作或发信的保护，保护的判据是非电量。长期以来非电量保护凭借其灵敏度优势广泛应用于电力系统。挠度是物体在受力变化时，其面在垂直于面方向的线位移。因此，基于变压器油箱形变挠度特征的非电量保护方法具有较好的灵敏性，能快速反映变压器内部故障，有利于故障甄别与切除。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于挠度特征的变压器数字式非电量保护装置及方法，用于测量、分析、记录变压器油箱挠度特征，实现故障甄别与切除。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

基于挠度特征的变压器数字式非电量保护装置，包括跳闸单元以及设置于变压器油箱壁面一侧及顶盖上的挠度保护单元，挠度保护单元包括设置于变压器油箱壁面及顶盖处的位移传感器。

进一步的，挠度保护单元还包括挠度启动单元、挠度突变监测单元和挠度保护判别单元，位移传感器与挠度启动单元相连，挠度启动单元和挠度突变监测单元相连，挠度突变监测单元与挠度保护判别单元相连，挠度保护判别单元与跳闸单元相连。

进一步的，位移传感器通过三角法测量变压器表面挠度变化特征量。

进一步的，位移传感器设置于距离变压器油箱顶盖表面150mm处。

进一步的，位移传感器设置于距离变压器油箱壁面表面150mm处。

进一步的，位移传感器将测量的挠度变化特征量发送给挠度启动单元，挠度启动单元将挠度的幅值与挠度启动门槛值进行比较，若挠度变化特征量的幅值达到挠度启动门槛值，则向挠度突变监测单元发送信号，否则继续获取位移传感器的信号。

进一步的，挠度突变监测单元在接收到挠度启动单元发送的信号后，判断挠度幅值变化差值累加量是否超过挠度突变门槛值，若挠度幅值变化差值累加量大于等于挠度突变门槛值，则向挠度保护判别单元发送信号，否则继续等待挠度启动单元发送的信号。

进一步的，挠度保护判别单元在接收到挠度突变监测单元发送的信号后，判断挠度幅值变化累加量是否超过挠度保护判别门槛值，若挠度变化累加量超过挠度保护判别门槛值，则向跳闸单元(4)发送跳闸信号，否则继续等待挠度突变监测单元发送的信号。

如上所述装置的基于变压器油箱挠度特征的数字式非电量保护方法，包括以下步骤：

步骤1：利用安装在变压器油箱顶盖和壁面上的位移传感器测量变压器油箱挠度特征量；

步骤2：通过挠度启动单元判断挠度特征量是否超过挠度启动门槛值，若满足则进入步骤3，否则返回步骤1；

步骤3：通过挠度突变监测单元判断挠度突变特征量是否大于等于挠度突变门槛值，若挠度突变监测单元判断实时挠度特征量超过挠度突变门槛值，则进入步骤4，否则返回步骤1；

步骤4：通过挠度保护判别单元判断挠度特征量是否大于挠度保护判别门槛值，若挠度保护判别单元判断实时挠度特征量超过挠度保护判别门槛值，则进入步骤5，否则返回步骤1；

步骤5：通过跳闸单元发出挠度跳闸信号，同时存储跳闸前后500ms的瞬态油箱挠度特征数据。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果：

本发明中挠度保护单元利用安装在变压器油箱壁面及顶盖处的位移传感器测量金属油箱挠度瞬态特征，无论从精度还是使用范围都能满足变压器内部高温、油污、强电磁环境要求。本发明的保护装置独立于电力系统，不受电力系统信号传输干扰，同时也不产生谐波干扰，不影响电力系统运行。本发明具有结构简单、易于实现、灵敏度高等优点。

本发明中位移传感器直接安装于变压器油箱壁面及顶盖，可以快速感知油箱挠度变化特征，通过与预设门槛值比较，以及测取、分析变压器油箱挠度瞬态特征，实现变压器油箱挠度的可靠、快速甄别。当变压器内部发生故障时发出跳闸信号，以避免随后发生的油箱破裂、爆炸事故，提高变压器运行的安全性。本发明的应用能够长期可靠运行，不受强电磁干扰，具有响应速度快，测量频率高的优点，运行过程不向电力系统注入谐波，也不影响电力系统的正常运行。

附图说明

图1为基于油箱挠度特征的变压器数字式非电量保护装置示意图。

图2为本发明的逻辑流程图。

图3为本发明实测结果图。

图中，1为挠度启动单元，2为挠度突变监测单元，3为挠度保护判别单元，4为跳闸单元，5为变压器油箱顶盖，6为变压器油箱壁面，7为变压器油箱。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以多种不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。

另外，本发明中的元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

参见图1，变压器油箱挠度瞬态特征保护装置，包括设置于变压器油箱壁面6及顶盖5上的位移传感器、挠度启动单元1、挠度突变监测单元2、挠度保护判别单元3和跳闸单元4。挠度启动单元1、挠度突变监测单元2和挠度保护判别单元3均与位移传感器相连，挠度启动单元1与挠度突变监测单元2相连，挠度突变监测单元2与挠度保护判别单元3相连，挠度保护判别单元3与跳闸单元4连接。

位移传感器通过三角法进行测量测量变压器表面挠度变化特征量，具体的，位移传感器位于距离变压器油箱顶盖表面150mm处或者是位于距离变压器油箱壁面6表面150mm处，向测量表面发射激光，通过测量光路变化移动的角度和距离，测量变压器表面挠度变化特征量。挠度启动单元1用于判断是否满足启动判据，保护是否启动。挠度突变监测单元2用于检测变压器是否发生故障，挠度保护判别单元3用于区分变压器内、外部故障，判断对应保护是否动作。跳闸单元4用于发送跳闸信号，存储数据。

位移传感器获取变压器油箱表面挠度变化特征量Y(t)；挠度启动单元1比较油箱表面挠度变化特征量Y(t)与挠度启动门槛值Y_s-set，判断是否满足启动判据Y(t)≥Y_s-set，若变压器油箱表面挠度变化特征量Y(t)达到挠度启动门槛值Y_s-set，则判断为满足启动判据，保护启动，并向挠度突变监测单元2发送信号，否则继续获取位移传感器测量结果即变压器油箱表面挠度Y(t)。其中挠度启动门槛值Y_s-set为：

Y_s-set＝KY_max

式中，Y_max是变压器油箱正常运行最大油箱表面挠度，K为启动可靠系数，一般取1.1。

挠度突变监测单元2在接收到挠度启动单元1发送的信号后，判断挠度变化差值累加量是否大于等于挠度突变门槛值，若挠度变化差值累加量大于等于挠度突变门槛值，则向挠度保护判别单元3发送信号，否则继续等待挠度启动单元1发送的信号。

采用滑动窗口获得一个窗长内的变压器油箱表面挠度变化特征量Y(t)的离散数据序列。假定当前时间为t,窗长为N，系统采样频率为f，将

记为Y₁，将

记为Y₂，以此类推将Y(t)记为Y_N，获得离散序列Y₁、Y₂…Y_N。

采用以下变点分析的步骤：

1.首先计算离散序列的平均值

2.设置初始累计和为0，即挠度变化差值累加量S₀＝0。

3.通过将当前值与平均值之间的差值与前一个总和相加来计算得到累加总和。即

4.取S_i中最大的三项记作S_m1、S_m2、S_m3，并求出方均根值S_m；

挠度突变量监测单元2在接收到挠度启动单元1发送的信号后，通过计算当前时刻方均根值S_m，判断变压器油箱表面挠度变化特征量Y(t)是否发生明显突变，从而判断变压器是否发生故障。

若满足挠度突变保护判据：挠度变化差值累加量超过挠度突变门槛值，即S_m≥S₂,即变压器油箱表面挠度变化特征量Y(t)的突变量S_m超过变压器挠度突变门槛值S₂，则向挠度保护判别单元3发送信号，否则继续等待挠度启动单元1发送的信号。

其中，变压器挠度突变门槛值S₂由变压器最大负荷运行时变压器油箱表面形变挠度突变量最大值S_max1确定：

S₂＝K_re1S_max1

式中，K_re1为可靠系数，取1.3。

若满足挠度突变保护判据，挠度保护判别单元3进一步区分是变压器外部短路故障还是内部故障。同样地，对于离散序列Y₁、Y₂…Y_N，根据下式计算在时间窗内所有离散值之和S；

一般情况下，变压器外部故障时会引起油箱壁在某一位置附近做周期性的振动，因而挠度将表现为在0附近高频振荡，而当变压器内部故障时通常挠度会呈振荡上升，且频率低于外部故障时的挠度振荡频率，因此当时间窗N减小时，外部故障下的S值会远小于内部故障时的S值。当监测到S≥S_set时，挠度保护判别单元3动作，向跳闸单元4发送跳闸信号，否则继续等待挠度启动单元1发送的信号。

其中，变压器挠度保护判别单元3动作整定值S_set根据变压器外部发生最严重故障时油箱表面挠度累加最大值S_max2整定：

S_set＝K_re2S_max2

式中，K_re2为可靠系数，取1.3。

跳闸单元4在接收到挠度保护判别单元3发送的信号后，发送跳闸信号，并存储变压器油箱瞬态挠度数据。

参见图2，基于变压器油箱挠度特征的数字式非电量保护方法，包括以下步骤：

步骤1：装置上电启动后，读取预设的挠度启动门槛值Y_s-set、变压器挠度突变保护动作门槛值S₂和变压器挠度保护判别动作整定值S_set。

步骤2：利用安装在变压器油箱顶盖和壁面上的位移传感器测量变压器油箱挠度特征量Y(t)；

步骤3：通过挠度启动单元判断是否满足启动判据Y(t)≥Y_s-set，即挠度特征量是否超过挠度启动门槛值，若满足则进入步骤4，否则返回步骤2；

步骤4：通过挠度突变监测单元判断是否满足挠度突变保护判据S_m≥S₂，即挠度突变特征量是否超过挠度突变保护门槛值，若满足则进入步骤5；否则返回步骤2；

步骤5：通过挠度保护判别单元判断是否满足挠度保护判据S≥S_set，即挠度特征量是否超过挠度保护判别门槛值，若满足则进入步骤6，否则返回步骤2；

步骤6：通过跳闸单元发出挠度跳闸信号，同时存储跳闸前后500ms的瞬态油箱挠度特征数据，整套装置复归。

从图3可以看出，挠度作为非电量特征能快速反应变压器自身形变状态，不存在机械动作时间延时。同时挠度特征量采集响应速度快，测量频率高，运行过程不向电力系统注入谐波，也不影响电力系统的正常运行。

本发明通过对挠度启动单元、挠度突变量监测单元、挠度保护判别单元、跳闸单元等四部分的有机结合及合理搭配，使得整个保护装置及方法结构简单、易于实现、灵敏度高。本发明以变压器油箱表面挠度信息作为特征量，结合变点分析基本原理，分析得到变压器运行时挠度变化情况，进而区分变压器内部故障、正常运行与外部故障等不同情况。既能快速反映变压器内部故障状态，利于快速甄别变压器故障，切除故障，减少变压器损害，避免严重后果，同时也能根据滑窗结果避免因变压器正常运行或外部故障引起的变压器油箱表面挠度变化而误动作。

以上仅就本发明的最佳实施例作了说明，但不能理解为是对权利要求的限制。本发明不仅限于以上实施例，其具体结构允许有变化。但凡在本发明独立权利要求的保护范围内所作的各种变化均在本发明的保护范围内。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

Claims (5)

1.基于挠度特征的变压器数字式非电量保护装置，其特征在于，包括跳闸单元（4）以及设置于变压器油箱壁面（6）一侧及顶盖（5）上的挠度保护单元，挠度保护单元包括设置于变压器油箱壁面（6）及顶盖处的位移传感器；

挠度保护单元还包括挠度启动单元（1）、挠度突变监测单元（2）和挠度保护判别单元（3），位移传感器与挠度启动单元（1）相连，挠度启动单元（1）和挠度突变监测单元（2）相连，挠度突变监测单元（2）与挠度保护判别单元（3）相连，挠度保护判别单元（3）与跳闸单元（4）相连；

位移传感器将测量的挠度变化特征量发送给挠度启动单元（1），挠度启动单元（1）将挠度的幅值与挠度启动门槛值进行比较，若挠度变化特征量的幅值达到挠度启动门槛值，则向挠度突变监测单元（2）发送信号，否则继续获取位移传感器的信号；

挠度保护判别单元（3）在接收到挠度突变监测单元（2）发送的信号后，判断挠度变化累加量是否超过挠度保护判别门槛值，若挠度变化累加量大于等于挠度保护判别门槛值，则向跳闸单元（4）发送信号，否则继续等待挠度突变监测单元（2）发送的信号；

挠度突变监测单元（2）在接收到挠度启动单元（1）发送的信号后，判断挠度幅值变化差值累加量是否超过挠度突变门槛值，若挠度幅值变化差值累加量超过挠度突变门槛值，则向挠度保护判别单元（3）发送信号，否则继续等待挠度启动单元（1）发送的信号。

2.根据权利要求1所述的基于挠度特征的变压器数字式非电量保护装置，其特征在于，位移传感器通过三角法测量变压器表面挠度变化特征量。

3.根据权利要求1所述的基于挠度特征的变压器数字式非电量保护装置，其特征在于，位移传感器设置于距离变压器油箱顶盖（5）表面150 mm处。

4.根据权利要求1所述的基于挠度特征的变压器数字式非电量保护装置，其特征在于，位移传感器设置于距离变压器油箱壁面（6）表面150 mm处。

5.如权利要求1所述装置的基于变压器油箱挠度特征的数字式非电量保护方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：利用安装在变压器油箱顶盖和壁面上的位移传感器测量变压器油箱挠度特征量；

步骤2：通过挠度启动单元（1）判断挠度特征量是否超过挠度启动门槛值，若满足则进入步骤3，否则返回步骤1；

步骤3：通过挠度突变监测单元（2）判断挠度突变特征量是否超过挠度突变门槛值，若挠度突变监测单元判断实时挠度特征量超过挠度突变门槛值，则进入步骤4，否则返回步骤1；

步骤4：通过挠度保护判别单元（3）判断挠度特征量是否超过挠度保护判别门槛值，若挠度保护判别单元判断实时挠度特征量超过挠度保护判别门槛值，则进入步骤5，否则返回步骤1；

步骤5：通过跳闸单元（4）发出挠度跳闸信号，同时存储跳闸前后500 ms的瞬态油箱挠度特征数据。

Images