CN114545296A - 变压器匝间故障保护装置、方法及存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变压器匝间故障保护装置、方法及存储介质，其中装置包括多个等间距安装于变压器每一相的漏磁传感器，多个漏磁传感器均与一处理器电性连接。相邻漏磁传感器的间距为R_ΔB，R_ΔB为任一点发生匝间短路时，在满足漏磁传感器检测到的漏磁变化值大于设定的漏磁变化动作值ΔB_action条件下，漏磁传感器距匝间短路点的最大检测范围。根据上述技术方案的变压器匝间故障保护装置，能够灵敏、快速地检测到变压器轻微匝间故障的发生，并使可检测范围覆盖所有绕组的同时达到经济最优。

Description

变压器匝间故障保护装置、方法及存储介质

技术领域

本发明属于变压器保护技术领域，特别涉及一种基于漏磁信息的变压器匝间故障保护装置、方法及存储介质。

背景技术

随着电力系统向着大容量、超高压的方向发展，发电规模与系统复杂度与日俱增，对电力系统安全稳定运行也提出了更高的要求。变压器作为电力系统中的核心设备之一，健康水平与运行状况与电网运行安全与稳定息息相关。资料显示70％-80％的变压器故障属于绕组的匝间故障，变压器故障将严重影响供电可靠性与系统的正常运行，对故障的及时检测并采取相应措施隔离故障，就可避免更大的经济损失。

目前工程上多采用电流差动保护和瓦斯保护作为变压器的主保护，匝间短路发生后，端部感受到的差动保护特征量变化较小，轻微匝间故障时不能准确动作；重瓦斯保护动作时间受到故障点位置、气体产量产速、绝缘油粘性等因素的影响致使灵敏度和快速性不足；需要设置大量传感器，实施成本高，经济性差。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提出一种变压器匝间故障保护装置，能够灵敏、快速地检测到变压器轻微匝间故障的发生。

本发明的另一目的是提出一种由上述变压器匝间故障保护装置实施的故障判别方法，以及存储有该故障判别方法实例化的计算机程序的存储介质。

技术方案：本发明所述的变压器匝间故障保护装置，包括多个等间距安装于变压器每一相的漏磁传感器，多个所述漏磁传感器均与一处理器电性连接，其特征在于，相邻所述漏磁传感器的间距为R_ΔB，其中所述R_ΔB为任一点发生匝间短路时，在满足漏磁传感器检测到的漏磁变化值大于设定的漏磁变化动作值ΔB_action条件下，漏磁传感器距匝间短路点的最大检测范围。

进一步的，每一相所述漏磁传感器传感器的安装数量N满足

其中H为该相绕组的高度。

进一步的，所述漏磁传感器对称设置于变压器上，所述漏磁传感器的安装路径为变压器每相的低压绕组与次低电压绕组的间隙。

进一步的，每相上的第n个所述漏磁传感器在绕组轴向上的位置可表示为：

进一步的，所述最大检测范围R_ΔB，可由如下步骤获得：

S100：建立变压器仿真模型，计算发生低压绕组匝间短路时，低压绕组与次低电压绕组间的轴向漏磁场分布数值；

S110：设定漏磁变化动作值ΔB_action；

S120：根据轴向漏磁场分布数值及漏磁变化动作值，确定发生匝间短路时，漏磁传感器距匝间短路的最大检测范围，使得距离匝间短路点最近的漏磁传感器检测到的漏磁变化值的绝对值大于等于漏磁变化动作值ΔB_action。

本发明所述的变压器匝间故障保护装置的故障判别方法，包括如下步骤：

S200：获取正常工作时各漏磁传感器检测到的漏磁通幅值正常值；

S300：测量计算得到各漏磁传感器检测的实际漏磁通幅值较漏磁通幅值正常值的变化量ΔB；

S400：将各时刻的变化量ΔB的绝对值与设定的漏磁变化动作值ΔB_action比较，根据比较结果判断是否发生故障。

进一步的，所述步骤S200中的变压器正常运行时漏磁分布可由如下公式计算获得：

式中：B_x、B_y和B_z为绕组在空间中一点P处产生的磁通在三个坐标轴方向上的分量，e_x、e_y和e_z为三个坐标轴的单位向量，r为P点到z轴的距离，x₀、y₀和z₀分别为P点的坐标，θ为M点处的电流向量与y轴间的夹角，

μ为空间介质磁导率，N'为绕组匝数，I为绕组导线内电流，H为绕组高度，L＝b-a，b为绕组的外径，a为绕组的内径。

进一步的，所述步骤S400包括：

S410：若某一相的任一漏磁传感器的变化量ΔB的绝对值大于设定的漏磁变化动作值ΔB_action，且漏磁通分布不对称，则判断该相发生匝间故障，且故障发生于该相测得变化量ΔB最大的漏磁传感器附近。

进一步的，所述步骤S400还包括：

S420：若某一相的任一漏磁传感器的变化量ΔB的绝对值大于设定的漏磁变化动作值ΔB_action，漏磁通分布对称，且其余各相的任一漏磁传感器的变化量ΔB的绝对值小于设定的漏磁变化动作值ΔB_action，则判断该相发生匝间故障，且故障发生于该相绕组中部。

本发明所述的存储介质，存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被设置为执行时实现上述变压器匝间故障保护装置的故障判别方法。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、根据需要检测的轻微匝间短路故障发生时的漏磁通变化量大小确定漏磁传感器之间的安装间距，可灵敏快速地监测到至少1％比例绕组短路故障的发生，并确定故障相与故障匝在绕组中的位置，并使可检测范围覆盖所有绕组的同时达到经济最优。

2、通过本发明的变压器数学模型，可以计算正常运行时任一位置的漏磁分布，作为除试验测量与仿真计算外，较简单快速地计算漏磁变化的基准值的一种方法。

附图说明

图1为本发明实施例的故障保护装置的漏磁传感器的设置示意图；

图2为本发明实施例的故障保护装置的漏磁传感器的设置方法流程图；

图3为本发明实施例的故障判别方法的流程图；

图4为变压器绕组的导电层的示意图；

图5为变压器绕组的导电环的示意图；

图6为变压器发生轻微匝间短路时的漏磁通分布图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

参照图1，根据本发明实施例的变压器匝间故障保护装置，包括处理器和多个漏磁传感器5，漏磁传感器5均与处理器电性连接。以图1所示的三相变压器为例，变压器包括铁芯1，每一相的铁芯1上由外至内依次缠绕有高压绕组2、中压绕组3和低压绕组4，漏磁传感器5沿绕组轴向等间距设置在需要监控的匝间间隙，且相邻的漏磁传感器5传感器的间距为R_ΔB，R_ΔB满足当任一点发生匝间短路时，距该点距离为R_ΔB的漏磁传感器5检测到的漏磁变化值需要大于设定的漏磁变化动作值ΔB_action。

根据上述技术方案的故障保护装置，根据设定的漏磁变化动作值ΔB_action确定漏磁传感器5之间的距离，确保发生在任意相邻的漏磁传感器5之间的匝间故障所引起的漏磁通变化的测量值必定可以被识别到，在保证可以快速监测到匝间短路故障的发生的同时，设置的漏磁传感器5的数量最少，使检测范围覆盖所有绕组的同时达到经济最优。根据轻微匝间短路故障发生时的漏磁通变化量设定漏磁变化值ΔB_action，并依次确定漏磁传感器5之间的间距，即可灵敏快速地检测到至少1％比例绕组短路故障的发生。

实际中，漏磁传感器5的安装路径需要根据具体的变压器类型以及监测的故障类型确定，以检测匝间短路故障为例，漏磁传感器5传感器的安装路径可以为变压器每相的低压绕组与次低压绕组，即图1中的低压绕组4和中压绕组3之间，且轴对称设置于变压器上。为尽可能地覆盖所有绕组，漏磁传感器5的安装数量N宜满足

其中H为绕组的高度，同一相上的第n个漏磁传感器5在绕组轴向上的安装位置可以表示为：

本发明实施例的故障保护装置的漏磁传感器5的布置方法如图2所示，其中R_ΔB可以由变压器仿真模型计算仿真获得的变压器轻微匝间短路发生时的漏磁通轴向分布图和设定的漏磁变化动作值ΔB_action确定，如图4所示。

参照图3，根据本发明实施例的变压器匝间故障保护装置，可以通过如下判别方法判别故障：

首先建立变压器仿真模型，计算变压器正常工作时每个漏磁传感器5测得的漏磁通幅值，并与传感器实际测得的漏磁通幅值进行比较获得各个漏磁传感器5的变化量ΔB；

当某传感器变化量绝对值|ΔB|大于设定动作值ΔB_action时，再进一步判断安装于相对于该传感器轴向对称位置的漏磁传感器5检测到的漏磁值在同一时刻是否对应相等；

若漏磁通分布不对称，则判定变压器在该传感器所在相发生匝间故障，且故障发生于测得漏磁变化值最大的传感器附近；

若漏磁通分布对称，继续判断其余两相测得的漏磁变化绝对值|ΔB|是否大于ΔB_action，若均大于则判定该相匝间故障未发生，若任一相的所有漏磁传感器5的漏磁变化绝对值|ΔB|均小于，则判定匝间故障发生，且故障位置位于该相绕组中部。

获取变压器正常运行时漏磁传感器处的漏磁幅值时，可通过建立绕组数学模型推导漏磁空间分布公式后，代入数值快速计算得到。其中变压器数学模型的建立过程如下：

假设绕组匝数为N’，导线内电流为I，则变压器截面流过的总电流为N’I。绕组高度为H，绕组内外径分别为a，b，内外径之差为L。

考虑绕组在空间中某点P(x₀,y₀,x₀)产生的磁场，将绕组在轴向高度上分为一系列轴向高度为ΔH的导体层，某一导体层的位置如图4所示，则导体层截面流过的电流为：

再将单导体层在径向上划分为若干个宽度为ΔL的导体环，导体环的截面流过的电流为：

取导体环上任意一点M，如图5所示，则该点电流微元在平面内以极坐标形式可表示为：

Δl＝r[e_y cosθ-e_x sinθ]Δθ

其中，Δl为M点电流元在平面内的方向向量，r为导体环内半径，

和

分别为x轴和y轴方向的单位向量，θ为M点处电流向量与y轴的夹角。

设M点电流微元距空间内P点距离为d，d为由M点指向P点的向量，空间介质磁导率为μ，则M点电流微元在P处产生的磁通密度为：

e_z为z轴方向的单位向量，由此可以得到磁通密度B的沿x，y，z轴的各个分量为：

积分可以得到单个绕组在空间某点产生磁密的各向分量表达式为：

上述方法建立的变压器数学模型，通过先将绕组电流等效为均匀电流环，分析每个电流环上的点电流微元在空间某一点产生的磁通密度，再对多个电流环的磁通量进行积分获得绕组在空间中任一位置产生的磁密，可快速计算正常运行时任一位置的漏磁分布作为漏磁变化的基准值。

根据本发明实施例的存储介质，存储有上述故障判别方法实例化的计算机程序。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、装置、或计算机程序产品。因此，本发明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，本发明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。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、装置(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。

最后应当说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其保护范围的限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：本领域技术人员阅读本发明后依然可对发明的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在发明待批的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种变压器匝间故障保护装置，包括多个等间距安装于变压器每一相的漏磁传感器，多个所述漏磁传感器均与一处理器电性连接，其特征在于，相邻所述漏磁传感器的间距为R_ΔB，其中所述R_ΔB为任一点发生匝间短路时，在满足漏磁传感器检测到的漏磁变化值大于设定的漏磁变化动作值ΔB_action条件下，漏磁传感器距匝间短路点的最大检测范围。

2.根据权利要求1所述的变压器匝间故障保护装置，其特征在于，每一相所述漏磁传感器传感器的安装数量N满足

其中H为该相绕组的高度。

3.根据权利要求1所述的变压器匝间故障保护装置，其特征在于，所述漏磁传感器对称设置于变压器上，所述漏磁传感器的安装路径为变压器每相的低压绕组与次低电压绕组的间隙。

4.根据权利要求1所述的变压器匝间故障保护装置，其特征在于，每相上的第n个所述漏磁传感器在绕组轴向上的位置可表示为：

5.根据权利要求1所述的变压器匝间故障保护装置，其特征在于，所述最大检测范围R_ΔB，可由如下步骤获得：

S100：建立变压器仿真模型，计算发生低压绕组匝间短路时，低压绕组与次低电压绕组间的轴向漏磁场分布数值；

S110：设定漏磁变化动作值ΔB_action；

S120：根据轴向漏磁场分布数值及漏磁变化动作值，确定发生匝间短路时，漏磁传感器距匝间短路的最大检测范围，使得距离匝间短路点最近的漏磁传感器检测到的漏磁变化值的绝对值大于等于漏磁变化动作值ΔB_action。

6.一种根据权利要求1至5任一项所述的变压器匝间故障保护装置的故障判别方法，其特征在于，包括如下步骤：

获取正常工作时各漏磁传感器检测到的漏磁通幅值正常值；

测量计算得到各漏磁传感器检测的实际漏磁通幅值较漏磁通幅值正常值的变化量ΔB；

将各时刻的变化量ΔB的绝对值与设定的漏磁变化动作值ΔB_action比较，根据比较结果判断是否发生故障。

7.根据权利要求7所述的变压器匝间故障保护装置的故障判别方法，其特征在于，所述步骤获取正常工作时各漏磁传感器检测到的漏磁通幅值正常值中的变压器正常运行时漏磁分布可由如下公式计算获得：

式中：B_x、B_y和B_z为绕组在空间中一点P处产生的磁通在三个坐标轴方向上的分量，e_x、e_y和e_z为三个坐标轴的单位向量，r为P点到z轴的距离，x₀、y₀和z₀分别为P点的坐标，θ为M点处的电流向量与y轴间的夹角，

μ为空间介质磁导率，N'为绕组匝数，I为绕组导线内电流，H为绕组高度，L＝b-a，b为绕组的外径，a为绕组的内径。

8.根据权利要求6所述的变压器匝间故障保护装置的故障判别方法，其特征在于，所述步骤将各时刻的变化量ΔB的绝对值与设定的漏磁变化动作值ΔB_action比较，根据比较结果判断是否发生故障包括：

若某一相的任一漏磁传感器的变化量ΔB的绝对值大于设定的漏磁变化动作值ΔB_action，且漏磁通分布不对称，则判断该相发生匝间故障，且故障发生于该相测得变化量ΔB最大的漏磁传感器附近。

9.根据权利要求6所述的变压器匝间故障保护装置的故障判别方法，其特征在于，所述步骤将各时刻的变化量ΔB的绝对值与设定的漏磁变化动作值ΔB_action比较，根据比较结果判断是否发生故障还包括：

若某一相的任一漏磁传感器的变化量ΔB的绝对值大于设定的漏磁变化动作值ΔB_action，漏磁通分布对称，且其余各相的任一漏磁传感器的变化量ΔB的绝对值小于设定的漏磁变化动作值ΔB_action，则判断该相发生匝间故障，且故障发生于该相绕组中部。

10.一种存储介质，存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被设置为执行时实现根据权利要求7至9任一项所述的变压器匝间故障保护装置的故障判别方法。

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