CN114446599A - 变压器油箱形变监测与保护一体化装置及方法 - Google Patents

变压器油箱形变监测与保护一体化装置及方法 Download PDF

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Abstract

变压器油箱形变监测与保护一体化装置及方法，包括设置于变压器油箱上的油压启动单元、挠度实时监测单元以及挠度保护单元；其中，油压启动单元包括相连的绝缘油压强传感器以及第一判断元件，第一判断元件与挠度实时监测单元相连，挠度实时监测单元与挠度保护单元相连，挠度保护单元连接有跳闸单元和告警单元。本发明通过绝缘油压强传感器实时测量绝缘油的压强，监测变压器内部油压变化特征。本发明通过挠度实时监测单元测量金属油箱挠度瞬态特征，满足变压器油中电弧故障的复杂物理环境。本发明的油箱形变监测与保护一体化装置独立于电力系统，既不对电力系统产生谐波干扰，同时也受测量及型号传输干扰较小。

Description

变压器油箱形变监测与保护一体化装置及方法
技术领域
本发明属于电力系统领域，涉及一种变压器油箱形变监测与保护一体化装置及方法。
背景技术
变压器作为电力系统中的关键核心设备，其稳定运行对于电力系统电能的可靠传输、灵活分配以及安全使用具有重要作用。但近年来，变压器起火爆炸事故屡有发生，造成巨大经济损失及人员伤亡。变压器内部电弧故障是导致变压器破裂、爆炸的重要原因。一旦变压器内部发生电弧故障，绝缘油压强骤升。当绝缘油压强超过油箱承受极限时，油箱将发生形变破裂，造成大量绝缘油泄漏、飞溅，进一步导致起火爆炸事故。长期以来，变压器一般配备差动保护作为电气量主保护，但在近年来发生的变压器燃爆事故中，电气量保护由于灵敏度低、速动性差等原因并不能对变压器产生有效的安全防护作用。
非电量保护凭借其灵敏度优势广泛应用于现代电力系统，弥补了电气量保护存在的诸多不足，拓展了继电保护研究的既有思路。因此，针对变压器油中电弧故障复杂的物理现象及特征，亟需提出一种基于变压器油箱形变的非电量保护装置及方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种变压器油箱形变监测与保护一体化装置及方法，用于监测、分析、诊断、记录变压器内部油压和油箱挠度特征，实现对变压器运行油箱形变监测、评估，同时实现变压器故障的甄别和切除。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
变压器油箱形变监测与保护一体化装置，包括设置于变压器油箱上的油压启动单元、挠度实时监测单元以及挠度保护单元；其中，油压启动单元包括相连的绝缘油压强传感器以及第一判断元件，第一判断元件与挠度实时监测单元相连，挠度实时监测单元与挠度保护单元相连，挠度保护单元连接有跳闸单元和告警单元。
进一步的，绝缘油压强传感器设置在变压器油箱上，距离变压器油箱壁面和顶盖400mm。
进一步的，挠度实时监测单元包括相连的激光位移传感器以及第二判断元件；第二判断元件还与油压启动单元以及挠度保护单元相连。
进一步的，激光位移传感器设置在变压器油箱上。
进一步的，挠度保护单元包括第三判断元件；第三判断元件与挠度实时监测单元以及跳闸单元相连。
进一步的，第三判断元件还与告警单元相连。
一种如上所述的装置的变压器油箱形变监测与保护一体化方法，包括以下步骤：
步骤1：利用安装在变压器上的绝缘油压强传感器测量变压器内部绝缘油压强，获得绝缘油实时压强特征；
步骤2：通过油压启动单元判断油压特征量幅值是否超过油压启动门槛值，若满足则进入步骤3，否则返回步骤1；
步骤3：利用安装在变压器壁面及顶盖上的激光位移传感器测量变压器油箱挠度变化，获取实时挠度特征量；
步骤4：根据实时挠度特征量，计算实时挠度全量，通过挠度实时监测单元判断各个挠度测点的实时挠度特征量幅值是否超过挠度启动门槛值，若任一测点的实时挠度特征量幅值超过挠度启动门槛值，则进入步骤5，否则返回步骤1：
步骤5：判断实时挠度全量是否超过挠度保护动作门槛值，若实时挠度全量超过挠度保护动作门槛值，则进入步骤6，否则进入步骤7；
步骤6：通过跳闸单元发出挠度跳闸信号，存储跳闸前后500ms的瞬态油压以及油箱挠度特征数据；
步骤7：通过告警单元发出挠度告警信号，存储告警前后500ms的瞬态油压以及油箱挠度特征数据，返回步骤1。
进一步的，实时挠度全量Yop(t)通过下式计算：
Figure BDA0003453667090000031
式中，T为数据窗长度，N为测点个数，i为挠度测点编号，Yms,i(t)为第i个测点在t时刻测得的瞬时挠度。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果：
本发明通过绝缘油压强传感器实时测量绝缘油的压强，监测变压器内部油压变化特征。本发明通过挠度实时监测单元测量金属油箱挠度瞬态特征，满足变压器油中电弧故障的复杂物理环境。本发明的油箱形变监测与保护一体化装置独立于电力系统，既不对电力系统产生谐波干扰，同时也受测量及型号传输干扰较小。
本发明的油箱形变监测与保护一体化装置利用绝缘油压强变化作为启动特征，避免外部故障或非正常状态下油压升高造成的误动作或误告警，提高了变压器油箱形变监测与一体化监测装置的可靠性。本发明的变压器油箱形变监测与一体化装置利用挠度监测单元直接安装于变压器油箱油箱壁面及顶盖，可以快速感知油箱挠度变化特征，并将其与门槛值进行比较，实现对变压器油箱挠度变化的可靠、快速甄别，进而对变压器状态进行实时的监测、分析、评估和记录。本发明的变压器油箱形变监测与一体化装置利用基于挠度全量信息的变压器保护方案，以一段时间内油箱多个测点挠度平均值为特征量，将挠度全量与动作门槛值进行比较，保证在变压器正常运行、外部短路或励磁涌流条件下保护不误动，实现对变压器内部故障条件下油箱挠度变化的快速、精确判别，进而通过保护动作跳闸及时切除故障。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，对于快速准确甄别并及时可靠切除变压器故障具有不可替代的保护作用，对于评估变压器安全运行状态具有直观、重要的工程意义。
附图说明
图1为变压器油箱形变监测与保护一体化装置示意图。
图2为本发明的逻辑流程图。
图3为本发明实测变压器瞬态油压数据结果图。
图4为本发明实测变压器油箱挠度数据结果图。
图中，1为油压启动单元，2为挠度实时监测单元，3为挠度保护单元，4为跳闸单元，5为告警单元，6为油枕，7为变压器油箱，8为壁面，9为顶盖。
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，变压器油箱形变监测与保护一体化装置，包括设置于变压器油箱上的油压启动单元1、挠度实时监测单元2、挠度保护单元3、跳闸单元4和告警单元5。
油压启动单元1包括绝缘油压强传感器、第一连接线以及第一判断元件，绝缘油压强传感器与第一判断元件通过第一连接线相连，第一判断元件与挠度监测单元3相连。通过位于变压器油箱7上的绝缘油压强传感器实时测量绝缘油压强，并将绝缘油压强特征量发送给第一判断元件，通过第一判断元件，比较绝缘油压强的幅值与油压启动单元启动门槛值，若达到启动门槛值，则向挠度监测单元2发送信号，否则继续测量绝缘油压强。
其中，油压启动单元启动门槛值Pst设定为：
Pst＝K1Pmax
式中，K1为第一整定系数，一般取1.5；Pmax为变压器正常运行及外部故障下绝缘油压强最大值。
挠度实时监测单元2包括激光位移传感器、第二连接线以及第二判断元件。激光位移传感器与第二判断元件通过第二连接线相连，第二判断元件与第一判断元件和挠度保护单元3相连。第二判断元件接收油压启动单元1发送的信号后，通过距离变压器油箱7表面400mm的激光位移传感器测量油箱表面各测点挠度变化特征量。通过将各个挠度测点的挠度变化特征量幅值与挠度启动门槛值比较，判断变压器挠度保护是否达到启动标准。若任一测点的挠度特征量幅值超过挠度启动门槛值，则认为挠度保护可以启动，并通过第二判断元件向挠度保护单元发送信号，否则继续等待油压启动单元1发送的信号。
其中，挠度启动门槛值Yst设定为：
Yst＝K2Ynm.max
式中，K2为第二整定系数，一般取1.5；Ynm.max为变压器正常运行条件下瞬态挠度峰值。
挠度保护单元3包括第三判断元件。第三判断元件与第二判断元件、跳闸单元4和告警单元5相连。第三判断元件接收挠度实时监测单元2发送的信号后，通过将挠度全量的幅值与挠度保护动作门槛值比较，判断变压器挠度保护是否达到动作条件，若挠度全量幅值超过挠度保护动作门槛值，则认为达到挠度保护跳闸条件，并通过第三判断元件向跳闸单元4发送信号，否则通过第三判断元件向告警单元5发送信号。
基于挠度全量信息的变压器保护方案以一段时间内油箱多个测点挠度平均值为特征，在变压器正常运行、外部短路或励磁涌流条件下，多个测点挠度周期性叠加抵消后得到的挠度全量为一个不为零的不平衡量Yk。
为保证基于挠度全量信息的变压器保护在外部最严重短路故障时不误动，将挠度保护动作门槛值Yset设定为：
Yset＝KrelYk.max
其中，Krel为可靠系数，一般取1.2；Yk.max为变压器外部最严重短路故障情况下油箱挠度的不平衡量。
跳闸单元4在接收到第三判断元件发送的信号后，发出跳闸信号，并存储变压器瞬态油压以及油箱挠度数据。实测的变压器瞬态油压数据参见图3，油箱挠度数据参见图4。
告警单元5在接收到第三判断元件发送的信号后，发出告警信号，并存储变压器瞬态油压以及油箱挠度数据。
油枕6设置在变压器油箱7上部，油枕6与变压器油箱7通过连接管相连。
参见图2，变压器油箱形变监测与保护一体化方法，包括以下步骤：
步骤1：装置上电启动后，读取参数与门槛值信息，具体的门槛值信息包括预设的油压启动门槛值Pst、挠度启动门槛值Yst和挠度保护动作门槛值Yset；
步骤2：利用安装在变压器上的绝缘油压强传感器实时测量变压器内部绝缘油压强，获得实时油压特征量幅值P(t)；
步骤3：通过油压启动单元比较实时油压特征量幅值P(t)是否超过油压门槛值Pst，判断保护是否启动，若满足实时油压特征量幅值P(t)超过门槛值Pst，则保护启动并进入步骤4，否则保护不启动并返回步骤2；
步骤4：利用安装在变压器壁面8及顶盖9上的N个测点的位移传感器测量变压器油箱挠度变化，获取油箱N个测点实时挠度特征Yms,i(t)，分别为Yms,1(t),Yms,2(t),…,Yms,N(t)，其中i＝1,2,…,N；
步骤5：读取油箱N个测点实时挠度特征量幅值Yms,i(t)，并通过下式计算实时挠度全量Yop(t)，通过挠度实时监测单元比较各个挠度测点的实时挠度特征量幅值Yms,i(t)与挠度启动门槛值Yst，判断挠度保护是否可以启动。若满足任一测点i的实时挠度特征量幅值超过挠度启动门槛值，则保护启动进入步骤6，否则保护不启动并返回步骤2；
实时挠度全量Yop(t)通过下式计算：
Figure BDA0003453667090000071
式中，T为数据窗长度，N为测点个数，i＝1,2,…,N为挠度测点编号，Yms,i(t)为第i个测点在t时刻测得的瞬时挠度。
步骤6：利用基于挠度全量信息的变压器保护元件的动作判据，判断实时挠度全量Yop(t)是否超过挠度保护动作门槛值Yset。若实时挠度全量超过挠度保护动作门槛值，则进入步骤7，否则进入步骤8；
步骤7：通过跳闸单元发出挠度跳闸信号，同时存储跳闸前后500ms的瞬态油压以及油箱挠度特征数据，进入步骤9；
步骤8：通过告警单元发出挠度告警信号，同时存储告警前后500ms的瞬态油压以及油箱挠度特征数据，返回步骤2；
步骤9：整套装置复归。
本发明通过对油压启动单元、挠度实时监测单元、挠度保护单元、跳闸单元、告警单元五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、可靠性高。
本发明通过绝缘油压强传感器实时测量绝缘油的压强，监测变压器内部油压变化特征。本发明通过挠度实时监测单元测量金属油箱挠度瞬态特征，满足变压器油中电弧故障的复杂物理环境。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能仍定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (8)

1.变压器油箱形变监测与保护一体化装置，其特征在于，包括设置于变压器油箱上的油压启动单元(1)、挠度实时监测单元(2)以及挠度保护单元(3)；其中，油压启动单元(1)包括相连的绝缘油压强传感器以及第一判断元件，第一判断元件与挠度实时监测单元(2)相连，挠度实时监测单元(2)与挠度保护单元(3)相连，挠度保护单元(3)连接有跳闸单元(4)和告警单元(5)。
2.根据权利要求1所述的变压器油箱形变监测与保护一体化装置，其特征在于，绝缘油压强传感器设置在变压器油箱(7)上。
3.根据权利要求1所述的变压器油箱形变监测与保护一体化装置，其特征在于，挠度实时监测单元(2)包括相连的激光位移传感器以及第二判断元件；第二判断元件还与油压启动单元(1)以及挠度保护单元(3)相连。
4.根据权利要求3所述的变压器油箱形变监测与保护一体化装置，其特征在于，激光位移传感器设置在变压器油箱(7)上，距离变压器油箱壁面(8)和顶盖(9)400mm。
5.根据权利要求1所述的变压器油箱形变监测与保护一体化装置，其特征在于，挠度保护单元(3)包括第三判断元件；第三判断元件与挠度实时监测单元(2)以及跳闸单元(4)相连。
6.根据权利要求5所述的变压器油箱形变监测与保护一体化装置，其特征在于，第三判断元件还与告警单元(5)相连。
7.一种如权利要求1所述装置的变压器油箱形变监测与保护一体化方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：利用安装在变压器上的绝缘油压强传感器测量变压器内部绝缘油压强，获得绝缘油实时压强特征；
步骤2：通过油压启动单元判断油压特征量幅值是否超过油压启动门槛值，若满足则进入步骤3，否则返回步骤1；
步骤3：利用安装在变压器壁面及顶盖上的激光位移传感器测量变压器油箱挠度变化，获取实时挠度特征量；
步骤4：根据实时挠度特征量，计算实时挠度全量，通过挠度实时监测单元判断各个挠度测点的实时挠度特征量幅值是否超过挠度启动门槛值，若任一测点的实时挠度特征量幅值超过挠度启动门槛值，则进入步骤5，否则返回步骤1：
步骤5：判断实时挠度全量是否超过挠度保护动作门槛值，若实时挠度全量超过挠度保护动作门槛值，则进入步骤6，否则进入步骤7；
步骤6：通过跳闸单元发出挠度跳闸信号，存储跳闸前后500ms的瞬态油压以及油箱挠度特征数据；
步骤7：通过告警单元发出挠度告警信号，存储告警前后500ms的瞬态油压以及油箱挠度特征数据，返回步骤1。
8.根据权利要求7所述的变压器油箱形变监测与保护一体化方法，其特征在于，实时挠度全量Yop(t)通过下式计算：
Figure FDA0003453667080000021
式中，T为数据窗长度，N为测点个数，i为挠度测点编号，Yms,i(t)为第i个测点在t时刻测得的瞬时挠度。
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