专利名称：用于变压器或电力线中的故障检测的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于通过使用先进的差动保护系统来有改进地保护电力变压器、自耦变压器或电力线不受内部故障影响的方法和设备。
背景技术：
电力变压器中的故障可导致广泛的后果，形式为大范围客户的电力故障以及形式为必须更换或至少维修该故障变压器。两种后果都很麻烦且对电力的供应者是很贵的。健康的诸如电力变压器的设备的不想要的断开的后果也很贵。在最坏的情况下，不想要的断开可导致较大范围的停电。
保护设备如差动继电器通常保护电力变压器。差动继电器典型地具有设置为受保护电力变压器额定电流的30％的最小工作电流水平。该设置值这么高是为了防止由典型用于现代电力变压器的带载抽头变换器(OLTC)引起的差动继电器的不想要的操作。当OLTC从一个位置移动到另一位置时，将导致电力变压器绕组电流间的振幅失配，从而导致错误的差动电流。通常，OLTC的范围可以约为额定电压的15％，使得可对差动电流产生约为15％的贡献。
而且，所述设置值应足够高是为了防止由保护CT(变流器)误差或不等引起的差动继电器的不想要的操作。
公知的变压器差动继电器通常对可发生在例如电力变压器箱内的低水平内部故障不够灵敏。电力变压器绕组匝间故障属于这种内部故障。同时，根据可获得的故障统计，匝间故障是电力变压器内最普通的内部故障之一。
传统的电力变压器差动继电器利用来自变压器的不同绕组的各个相电流来形成相间的差动电流。在现代数值差动继电器中这些差动电流通常使用数学等式形成，其依赖于电力变压器的矢量组。
传统的电力变压器差动保护的最常见弱点是在由于二阶谐波阻塞特性而导致的跟随有主CT饱和的严重内部误差的情况下的长操作延迟，以及针对外部故障的不想要的操作。而且，它们对低水平内部故障，即绕组匝到匝故障具有差的灵敏度匝间，因此使得所述故障发展成涉及电力变压器铁芯的更严重的故障。
可处于几十毫秒量级的严重内部故障的长延迟是故障电流的谐波失真的结果，这是因为它们被差动继电器看见。谐波失真是由于变流器在故障条件下的初始高饱和度而导致的。谐波抑制准则阻止了差动保护的即时操作。
进一步，电力变压器差动保护显示了趋向于针对具有电力变压器的受保护区以外故障的不想要的操作，特别是针对外部接地故障。
在该技术领域内几个发明试图解决这类问题且一些专利被授权。
例如US5514978是包括通过用电压测量来测量负序阻抗的专利。该文档描述了确定匝故障的存在的发明，包括通过将负序电压相量除以特征负序阻抗且从负序电流相量减去该结果来估计电流差动，以及将估计的电流差动与阈电流差动相比较。
在本发明中，根本不使用电压测量。取而代之的是，本发明是基于比较来自受保护的电力变压器不同边的负序电流。
专利US6507184涉及用于三相电力系统中的差动电流测量的方法和装置。该发明设置为测量第一和第二端子之间的差动电流且为每一相获得这些电流的量度。该发明根本不涉及负序差动保护。
根据专利US6518767的发明涉及输电线的保护并包括断路器的跳闸。相似电路也用于负序电流量，其中负序预选值设置为基本上较低，以便产生对线路中的可能故障的较灵敏响应。
本发明主要涉及电力变压器保护的技术领域，但也扩展为电力线保护或它们的组合，而上述专利只涉及输电线的保护。根据本发明的电力变压器引入电力变压器的边之间的相移和电压水平差。因此来自电力变压器不同边的负序电流必须首先彼此相关。之后使用负序电流差动原理或方法以及进行方向比较以便保护电力变压器不经受内部短路和接地故障。除此之外，本发明还保护电力变压器不经受匝间故障，其是串联故障而不是专利申请US6518767中的分流故障。该匝间故障保护能力是本发明的一个重要优点。匝间故障是电力变压器/自耦变压器中最常见，但同时也是最难检测的故障。
根据US6483680的发明比较电力变压器差动电流的基频(即50Hz或60Hz)和二阶谐波分量(即100Hz或120Hz)之间的相角差。更确切地说，该发明比较这两个相量之间的复数比。这样做是为了确定在电力变压器通电(即接通)期间变压器是否有故障。该原理在正常工作条件(即通过负载(through-load))条件)下不检测任何内部或外部故障，因为它只能在电力变压器从一边通电期间工作。典型的电力变压器每年只接通几次(即通常只在年检时有一次)。这意味着在其大部分寿命期(典型的多于95％)，电力变压器通电并连接于至少两边。因此在电力变压器通电的这种短时间内，US6483680的使用很有限。而且即使在电力变压器通电期间，该方法典型地不能检测小故障，如匝间故障。
专利申请WO02/33426涉及用于输电线的线差动保护系统。从输电线的本地端和远程端获得所有三相电流值。设置比较元件来比较相对于预选值的比率和角值，所述预选值在电流比率平面中建立抑制区。导致区域外的比率的电流值导致断路器跳闸。类似电路用于负序电流量，其中负序预选值设置为基本上较低以便产生对线路中的可能故障的较灵敏响应。
该发明也涉及用于输电线的差动保护系统。该系统对电力变压器保护系统不可用。
发明内容
本发明的目的是解决上述问题并提出有效检测电力变压器中的故障的方法和设备。
本发明的另一目的是检测故障是内部的还是外部的。
本发明的进一步目的是检测故障是对称的还是不对称的。
本发明的又一目的是提供能很快且以高灵敏度检测匝间故障的方法和设备。
根据本发明通过如权利要求1所述的方法和权利要求2所述的设备以及如权利要求5所述的计算机程序产品实现了这些和其他目的。
本发明主要比较来自电力变压器不同边的负序电流分量之间的相角差。负序电流量只存在于电力系统中的异常工作条件下且其具有基频特性(即50Hz或60Hz)。这些来自不同边的负序分量必须首先如该专利申请所述通过矩阵运算置于相同的基上。这样做是为了检测内部故障，包括在电力变压器加载状况期间的低水平绕组匝间故障。我们也用相同方法检测外部故障状况(即外部/内部故障鉴别器)。但是我们的原理在电力变压器从一边通电期间不能检测内部故障。为了使我们的原理起作用，电力变压器必须至少从两边加载和连接。
该方法的真正突破是在随后发展成非常费时且维修昂贵的更严重的接地故障之前，检测低水平内部故障如绕组匝间故障的能力。
为了更好地理解本发明，将参考以下附图。
图1所示为变流器的连接，限定了电流正方向。
图2所示为可包括电力线的受保护区且示出了一些变流器的缺省连接。
图3所示为表示对于HV边的外部接地故障，对来自电力变压器的初级(HV)和次级(LV)边的总负序差动电流的贡献的相量轨迹。
图4所示为矩阵运算的实际细节。
具体实施例方式
图1中所示为用于保护电力变压器的内部/外部故障鉴别器。该故障鉴别器所针对的是总负序差动电流的分量对。该鉴别器可实现为对普通电力变压器差动保护的补充。
内部/外部故障鉴别器确定负序故障电流源相对于受保护区的位置。如果发现负序故障电流源在受保护区外，则该故障是外部的。
如果发现该源在该区内，该故障是内部的。负序故障电流源的位置如下确定。在内部故障时，某个程度的负序差动电流出现，且它的两个分量(对于两绕组电力变压器)是相同方向的，即出保护区。
在外部故障时，总负序差动电流保持为0或很小，直到CT饱和到来(set in)，同时它的两个分量的幅值相等，直到CT饱和到来，且方向相反，即一个进，且另一个出保护区。
内部/外部故障鉴别器只有当受保护的电力变压器通电且加载时才是激活的。
基于分析负序差动电流，或较好地，基于分析它的两个(或对三绕组变压器是三个)单独分量，或单独部分，可实现故障检测以及内部和外部故障间的可靠鉴别两者。利用可靠的故障鉴别算法，电力变压器差动保护●对严重内部故障操作很快，●相对于外部故障是稳定的，●为较小的内部故障如匝间故障操作。
相对高的负序电流的存在本身是对电力系统的扰动、可能是故障的证明。负序电流的源有故障。于是，如果发现负序故障电流的源在包括电力变压器的受保护区外，则该故障一定是外部的，且短期内不应做任何事。另一方面，如果发现负序故障电流的源在受保护区内，则该故障是内部的，即可以怀疑受保护的电力变压器上有故障，且该变压器应立即从电力系统断开。关于故障是内部故障还是外部故障的信息在发生该故障后的基本电力系统周期的大约一半内获得。
基于负序电流的方向准则的原理给予了外部和内部故障之间的快速和可靠的鉴别。对于不对称故障的情况这是很合理的，其中预期存在负序电流。但是该原理对完全对称三相故障也有效。原因是当对称故障发生时，负序系统存在片刻，即，直到故障电流中的直流分量消失。这段时间间隔对方向准则在内部和外部故障之间明确地分辨是足够长的。
在下面说明了鉴别器的原理。为了定义“相同方向”以及“相反方向”的含义，其解释如下。
对于负序源在故障点的外部故障，显然负序电流从一边进入健康电力变压器，且从另一边离开它，得到适当变换。根据图1，相应电力变压器边上的负序电流具有相反的方向，或较好地，差动保护看见这些电流具有180度的相对相移。
对于内部故障(其中负序源在故障点)，显然负序电流从两边离开有故障的电力变压器。根据图1，相应的电力变压器边上的电流具有相同方向，差动保护看见这些电流具有0度的相对相移。实际上，由于相应的电力变压器边上的电路的不同的负序阻抗角，在这些电流之间可能有某个相移，而负序电流的幅值依赖于相应边上的电路的负序阻抗幅值。
与用于计算“共同”电力变压器/自耦变压器差动电流相同系数的矩阵可用于计算负序差动电流。差别仅为不是各个绕组相电流而是各个绕组负序电流必须引入到等式中。所述系数矩阵考虑了电力变压器比率和矢量组连接。因为负序差动电流是对称的，只需计算一个差动电流，例如相L1的负序差动电流，即Idns_L1。负序差动电流必须在正则基上计算且任何时候都可用。
来自HV边(Y)的对 来自LV边(d)的对总负序电流的贡献 总负序电流的贡献总负序差动电流Idns_L1在外部故障情况下为低(理论上为0)，且在内部故障情况下为高。但是在此情况下，比总负序差动电流本身更重要的是它的两个(对三绕组电力变压器是三个)分量，一个来自初级HV边，以及一个来自次级LV边。为了判决故障是内部的还是外部的，这两个分量由故障鉴别器比较其方向。
总负序差动电流的两个分量是相量。其中每一个在复平面具有幅值和相位。为了能对这两个相量进行可信任的方向比较，它们的每一个幅值必须超过某个最小值。否则，不允许方向比较。该最小值必须在电力系统正常工作期间可测量的值之上。该值最高为电力变压器额定电流的百分之几。
如果二者对总负序差动电流的贡献都超过该最小值，这本身就可看作发生故障的标志，因为负序电流是叠加的、纯故障量，则进行方向比较。表示相应贡献的相量间相对相角被确定。基于该相对相角的值，检测并声明内部或外部故障。
图2公开了可包括电力线的受保护区。该图也示出了一些变流器的缺省连接。模数转换器随后连接到变流器，之后连接具有约500或600Hz的截止频率的预滤波器。预滤波器连接的是傅立叶滤波器，其中电流现在作为相量。负序电流发生在两边。为了能做任何有关的方向比较，来自最终电力变压器的两边的负序电流必须参照一个(或另一个)电力变压器边。电力变压器相移必须得到补偿。来自两边的负序分量必须超过某个最小值，否则不进行方向比较。这个条件的目的是排除因最终电力系统故障前不对称引起的负序电流。如果方向比较导致指示内部故障，则发出跳闸命令。指示内部故障必须在其被确认几次之前。
图3所示为在Yd1变压器的接地的Y边的外部单相接地故障的情形。有很少或没有变流器饱和。在任意时间点，两个相量间的相角是180度。这两个相量之和，即总负序差动电流，始终接近于0，这对应于故障是外部故障的事实。变流器连接如图1所示。
基于两个相量间的相角来声明内部或外部故障。如果该角在一时间间隔处于±60度以内，则声明内部故障。
图4说明了矩阵运算的实际细节。负序电流存在于两边。电力变压器两边上的负序电流在大多数情况下具有不同幅值，以及不同相位位置。为了对这些电流进行任何比较，它们必须首先参照共同的基。这由矩阵运算在下一阶段进行。
为了能做任何有关的方向比较，来自最终电力变压器的两边的负序电流必须参照一个(或另一个)电力变压器边。电力变压器相移必须得到补偿。
来自两个或所有电力变压器边的负序电流现在参照同一电力变压器边。它们的量值和相位位置现在可正确比较。
在形成边界时要考虑的最重要的因素之一是变流器饱和现象。
结合一些附加的安全措施，如时间约束，内部/外部故障鉴别器已被证明是可靠的。一般在故障之后用约10ms检测到故障并将其分类为内部的或外部的。
只有当受保护的电力变压器连接到某个负载，使得电流可流在电力变压器的两边，或是三绕组电力变压器的至少两边时，内部/外部故障鉴别器才起作用。于是，当初始电流涌入时，算法既不声明内部的也不声明外部的故障。这种情况下人们必须依赖于差动保护的通常特征，如，例如，对于涌入的谐波抑制，或波形抑制。同样，在已通电但未加载的电力变压器上的内部故障不被故障鉴别器检测。
因为新引入的故障鉴别器被证明非常可靠，它已经被给予大的权力。例如，如果已经检测到故障，即设置了开始信号，且发现它是内部故障，则忽略由谐波或波形抑制产生的任何最终阻塞信号。这保证保护的响应时间低于20ms，甚至是对于严重饱和的变流器的严重内部故障。
外部故障的发生比内部故障频繁十到百倍。很多差动保护继电器相对于外部故障具有很差的稳定性。如果已经检测到故障，且发现它是外部故障，则取消任何跳闸请求。这保证了相对于外部故障的高稳定性。但是，有个有趣的例外，其应对由于外部故障而引起且在其之后立即发生的较小内部故障，如匝间故障。该特征之后的思想如下。
如果外部故障正在被不中断地信号化，同时0序电流从基频差动电流中去除(选项)，且最终带载抽头变换器(OLTC)动作得到补偿，以及随后设置了一个或多个开始信号，但同时没有谐波抑制信号(既非外部故障也非内部故障，导致变流器饱和)，则可怀疑有较小的内部故障。通过立即断开有故障的电力变压器，而不等外部故障首先被清除，可防止该较小的内部故障发展成较大的故障。
典型地，差动保护的操作抑制特性必须被设置为相对高(例如因为未补偿的OLTC)，则在其发展为较大的故障以前不能通过电保护检测较小的内部故障，后果是对电力变压器具有更严重的损坏。
已经引入了专门基于内部/外部故障鉴别器的专门保护，其是差动保护的完全独立的部分。该保护称为灵敏负序差动保护(SNSDP)且与“一般”差动保护算法无逻辑联系。后者不必发出开始信号来激励SNSDP。
SNSDP比“一般”差动保护算法更灵敏。可检测到包括绕组的多于2％的匝的匝间故障。已经增加了额外的20ms延迟作为预防。可预期约30ms到40ms的操作时间，其比机电Buchholtz继电器的50ms到150ms好。
内部/外部故障鉴别器的原理可扩展到具有三个绕组的电力变压器。如果所有三个绕组连接到它们各自的网络，则可完成三个方向比较，但是只有为了明确地确定故障相对于受保护区的位置，仅两个比较是必要的。可能的方向比较是初级-次级，初级-三级，以及次级-三级。三绕组电力变压器情况下的内部/外部故障鉴别器应用的规则是●如果所有比较都指示内部故障，则它是内部故障。
●如果任何比较都指示外部故障，则它是外部故障。
●如果绕组之一没连接，则算法自动缩减到两绕组版本。然而，整个电力变压器受到保护，包括未连接的绕组基于负序电流的方向原理得到外部和内部故障间的快速和可靠的鉴别。这对于预期存在负序系统的不对称故障的情况是容易理解的。但该原理在完全对称故障的情况下同样有效。原因是当(对称的)三相故障发生时，负序电流源在故障处出现片刻，更确切地，直到故障电流中的直流分量消失。就所关注的电力变压器而言，该时间间隔对于方向准则声明内部或外部故障足够长。
负序量广泛地用于继电保护领域，特别是电力线保护。相对高的负序电流的存在本身是扰动的指示，因为负序电流是叠加的、纯故障量。负序量似乎特别适合不同种类的方向测试。与0序量相比，负序量的一个优点是它们不停止在Yd或Dy连接的电力变压器。负序量适当地变换到任何电力变压器的另一边。
本发明的保护原理易于扩展并适用于多绕组电力变压器的保护以及自耦变压器的保护。
根据本发明的方法也可以至少部分地在包含在计算机程序存储设备中的一系列计算机可读指令或代码装置的控制下执行以使计算机或处理器执行上述方法的任何步骤。
本发明也可使用用于执行根据本发明的方法的计算机可读产品。
尽管本发明已根据优选实施例说明，但本发明不限于此，而是可以在所附权利要求限定的本发明的原理内以各种方式实现。
权利要求
1.一种用于由差动保护所保护的区域内的电力变压器/自耦变压器和/或互连电力线中的故障检测、且特别适合于检测电力变压器/自耦变压器绕组中的匝间故障的方法，特征在于测量受保护对象的所有单独瞬间相电流，将各个相电流计算为基频相量，通过补偿受保护区内的电力变压器的相移来计算各个受保护对象边负序电流对总负序差动电流的贡献，比较复平面内补偿的各个边负序电流的相对位置，以确定负序电流的源，即故障位置，是在受保护区内还是在受保护区外，以变流器位置来界定，如果确定负序电流的源在受保护区内就断开受保护对象。
2.一种设备，用于检测由差动保护所保护的区域内的电力变压器、自耦变压器或互连电力线中的故障，且特别适合于检测电力变压器/自耦变压器绕组中的匝间故障，特征在于具有用于测量受保护对象的所有单独瞬间相电流的装置，用于将各个相电流计算为基频相量的装置，用于通过补偿受保护区内的最终电力变压器的相移来计算各个受保护对象边负序电流对总负序差动电流的贡献的装置，装置，用于比较复平面内补偿的各个边负序电流的相对位置，以确定负序电流的源，即故障位置，是在受保护区内还是在受保护区外，以变流器位置来界定，用于在确定负序电流的源在受保护区内时断开受保护对象的装置。
3.根据权利要求2的设备，特征在于，包括故障鉴别器，其设置成确定故障何时发生。
4.根据权利要求2或3的设备，特征在于，包括故障鉴别器，其设置成确定故障是内部的还是外部的。
5.一种计算机程序，包括计算机程序代码装置，用于执行根据权利要求1的方法的步骤。
6.一种计算机可读介质，包括根据权利要求4的计算机程序的至少部分。
7.根据权利要求4的计算机程序，其至少部分地通过网络提供，如，例如因特网。
全文摘要
本发明涉及用于由差动保护所保护的区域内的电力变压器/自耦变压器和/或互连电力线中的故障检测、且特别适合于检测电力变压器/自耦变压器绕组中的匝间故障的方法。根据本发明的方法通过如下实现测量受保护对象的所有单独的瞬间相电流、将各个相电流计算为基频相量、通过补偿受保护区内的最终电力变压器的相移来计算各个受保护对象边负序电流对总负序差动电流的贡献、比较在复平面中补偿的各个边负序电流的相对位置，以确定负序电流的源即故障位置是在受保护区内还是在受保护区外，以变流器位置来界定，如果确定负序电流的源在受保护区内就断开受保护对象。
文档编号H02H3/28GK1902798SQ200480039365
公开日2007年1月24日 申请日期2004年12月22日 优先权日2003年12月31日
发明者佐伦·加吉克, 伊沃·布尔恩西克 申请人:Abb公司