技术领域
[0001] 本
发明涉及一种用于保护包括抽头变换器的变压器的保护设备、方法和
计算机程序产品。
背景技术
[0002] 配备有抽头变换器的变压器经常用于不同类型的功率传输环境，诸如10kV及以上。包括抽头变换器的变压器能够改变绕组之间的
匝数比，从而改变
电压电平。这种能
力存在于许多用于控制功率输送的系统中。
[0003] 变压器通常可靠。它们出现故障的可能性很低，诸如1％左右。然而，在出现故障的1％中，通常20％至40％是由于抽头变换器的故障。
[0004] 这种情况的原因是抽头变换器是变压器中唯一具有机械移动元件的部件。因此，变压器的这个部件比变压器的其余部件更容易引起故障。
[0005] 因此，所关注的是通过监测抽头变换器来保护配备有抽头变换器的变压器。
[0006] 该保护旨在检测抽头变换器操作是否适当执行，因为不当的抽头变换器操作可能具有灾难性后果。因此，保护也必须快速。
[0007] 本发明涉及这种变压器保护。
[0008] EP 2541 571公开了一种用于抽头变换器的保护布置，其中通过抽头变换器的
电流被检测并且被用于生成电流指示
信号。然后，电流指示信号的持续时间与
阈值进行比较，并且如果超过阈值，则生成故障指示信号。
[0009] WO 02/48730公开了一种用于抽头变换器的保护布置，其中抽头变换器的状况诊断基于实际
温度、抽头变换器与环境空气和变压器之间的预期热交换、抽头变换器所生成的热量以及实际
流体温度来进行。
[0010] US 2007/0225945公开了一种用于抽头变换器的保护布置。抽头变换之后的抽头变换器的温度与第一阈值进行比较，该第一阈值与抽头变换操作之前的抽头变换器温度有关。
发明内容
[0011] 因此，本发明旨在保护由于抽头变换器故障而导致处于故障过程中的变压器。
[0012] 根据本发明的第一方面，该目的通过一种用于保护包括抽头变换器的变压器的保护设备来实现，该变压器具有带有
端子(MT1，MT2，MT3，MT4)的至少两个磁耦合绕组，功率在端子(MT1，MT2，MT3，MT4)处进出变压器，并且抽头变换器包括阻抗元件和
开关，该开关被配置为在抽头变换操作期间，当在两个抽头变换器
位置之间变换时，逐渐连接阻抗元件，该保护设备包括：
[0013] 控制单元，其可操作以：
[0014] 获得磁耦合绕组处的功率传输特性的测量结果，
[0015] 基于所测量的功率传输特性来估计在抽头变换操作期间沉积在阻抗元件中的
能量，
[0016] 将所估计的沉积能量与故障阈值进行比较，以及
[0017] 在阈值被超过时，保护变压器，
[0018] 其中控制单元(26)在估计沉积能量时可操作以确定变压器在功率进入变压器的端子(MT1，MT2)与功率离开变压器的端子(MT3，MT4)之间的功率损耗，并且对功率损耗进行积分。
[0019] 根据第二方面，该目的通过一种保护包括抽头变换器的变压器的方法来实现，其中变压器具有带有端子(MT1，MT2，MT3，MT4)的至少两个磁耦合绕组，功率在端子(MT1，MT2，MT3，MT4)处进出变压器，并且抽头变换器包括阻抗元件和开关，该开关被配置为在抽头变换操作期间，当在两个抽头变换器位置之间变换时，逐渐连接阻抗元件。该方法在保护设备中执行，并且包括：
[0020] 获得磁耦合绕组处的功率传输特性的测量结果，
[0021] 基于所测量的物理特性来估计在抽头变换操作期间沉积在阻抗元件中的能量，[0022] 将所估计的沉积能量与故障阈值进行比较，以及
[0023] 在阈值被超过时，保护变压器，
[0024] 其中沉积能量的估计包括：确定(34)变压器在功率进入变压器的端子(MT1，MT2)与功率离开变压器的端子(MT3，MT4)之间的功率损耗，并且对功率损耗进行积分。
[0025] 根据本发明的第三方面，该目的通过一种用于保护包括抽头变换器的变压器的计算机程序产品来实现，其中变压器具有带有端子(MT1，MT2，MT3，MT4)的至少两个磁耦合绕组，功率在端子(MT1，MT2，MT3，MT4)处进出变压器，并且抽头变换器包括阻抗元件和开关，该开关被配置为在抽头变换操作期间，当在两个抽头变换器位置之间变换时，逐渐连接阻抗元件，该计算机程序产品包括具有计算机程序代码的数据载体，该计算机程序代码被配置为使得保护设备的控制单元：
[0026] 获得磁耦合绕组处的功率传输特性的测量结果，
[0027] 基于所测量的物理特性来估计在抽头变换操作期间沉积在阻抗元件中的能量，[0028] 将所估计的沉积能量与故障阈值进行比较，以及
[0029] 在阈值被超过时，保护变压器，
[0030] 其中沉积能量的估计包括：确定变压器在功率进入变压器的端子(MT1，MT2)与功率离开变压器的端子(MT3，MT4)之间的功率损耗，并且对功率损耗进行积分。
[0031] 本发明具有多个优点。它使得能够快速检测出故障的抽头变换器。更进一步地，这可以使用最少的附加
硬件并且仅测量已经在变压器中测量的功率传输特性来进行，从而避免引入附加的
传感器。
附图说明
[0032] 以下参考附图对本发明进行描述，其中
[0033] 图1示意性地示出了配备有抽头变换器的变压器，
[0034] 图2示意性地示出了图1中的变压器的抽头变换器和一个绕组，
[0035] 图3示意性地示出了在抽头变换操作期间发生的变压器中的功率损耗，[0036] 图4示意性地示出了用于控制变压器保护的控制单元，
[0037] 图5示出了由控制单元执行的一种保护变压器的方法中的方法步骤的
流程图，以及
[0038] 图6示意性地示出了形式为数据载体的计算机程序产品，该数据载体包括用于实现控制单元的计算机程序代码。
具体实施方式
[0039] 在下文中，将给出本发明优选
实施例的详细描述。
[0040] 图1示出了变压器10，其具有彼此磁耦合的第一绕组12和第二绕组14。这些绕组由此形成一对，通常表示为初级绕组和次级绕组。更进一步地，第一绕组12连接到抽头变换器16。在该图中，还示出了变压器的、可以在操作期间测量的多个功率传输特性。存在馈送到第一绕组12中的输入电流In以及施加在第一绕组12上的输入电压Uin。还有从第二绕组14输送的输出电流Iout以及由第二绕组14提供的
输出电压Uout。输入电流Iin和输入电压Uin是在第一绕组12的第一测量端子MT1和第二测量端子MT2处测量的测量值，其中第一测量端子MT1设置在第一绕组12的第一端处，并且第二测量端子MT2设置在第一绕组12的第二端处。输出电流Iout和输出电压Uout是在第二绕组14的第三测量端子MT3和第四测量端子MT4处测量的测量值，其中第三测量端子MT3设置在第二绕组14的第一端处，并且第四测量端子MT4设置在第二绕组14的第二端处。因此，可以看出，电功率在测量端子处进出变压器。上述示例假设功率通过变压器从第一绕组传送到第二绕组。由此，第一绕组12形成变压器10的
输入侧，并且第二绕组14形成变压器10的
输出侧。然而，应当认识到，可以在相反方向上传送功率，在这种情况下，可以在第三测量端子MT3和第四测量端子MT4处测量输入电流和输入电压，同时在第一测量端子MT1和第二测量端子MT2处测量输出电流和输出电压。然后，第二绕组14可以形成输入侧，并且第一绕组12可以形成输出侧。
[0041] 所示的变压器示意性地被表示。应当认识到它还可以包括
铁芯。还应当认识到，在许多情况下，变压器是三
相变压器。这意味着可以有三对绕组。变压器还可以包括磁耦合到同一初级绕组的多于一个的次级绕组。作为备选方案，抽头变换器也可以连接到第二绕组。
[0042] 图2示意性地示出了第一绕组12以及包括调节绕组19的抽头变换器。第一绕组具有第一端和第二端，其中第一端连接到第一测量端子MT1，并且第二端可连接到调节绕组19。调节绕组19还具有第一端和第二端。抽头变换器还包括分流器20和选择器18，该选择器
18选择要连接到初级绕组12的调节绕组19的匝数。
[0043] 选择器18具有转换开关24，转换开关24用于反转调节绕组19的取向，并因此具有连接到第一绕组12的第二端的第一端以及能够在两个位置(调节绕组19的第一端处的第一位置和调节绕组19的第二端处的第二位置)之间移动的第二端。每个绕组14和19包括若干匝的电导体。更进一步地，调节绕组19包括多个抽头点，其中作为示例，示出了六个抽头点1、2、3、4、5和6。抽头点用于通过连接到第一分流器端子DT1的第一选择器臂和连接到第二分流器端子DT2的第二选择器臂来确定要连接到第一绕组的调节绕组19的匝数。
[0044] 分流器20又包括分流器开关22，分流器开关22具有连接到第二测量端子MT2的第一端以及可连接在四个
接触位置之间的第二端，其中第一接触位置P1经由第一分流器臂通向第一分流器端子DT1，第二接触位置经由形式为第一
电阻器R1的阻抗元件通向第一分流器端子DT1，第三接触位置经由形式为第二
电阻器R2的阻抗元件通向第二分流器端子DT2，以及第四接触位置P4经由第二分流器臂直接通向第二分流器端子DT2。分流器20被提供用于在两个选择器臂之间对负载进行换向。
[0045] 这里，应当认识到，这仅仅是选择器和分流器抽头变换器的一种实现。存在几种其他类型的选择器和分流器抽头变换器。还存在其他类型的抽头变换器。另一类型比如是选择器-开关抽头变换器，其在一次移动中组合选择和换向，但具有与选择器和分流器抽头变换器类似的接触序列。又一示例是
真空抽头变换器，其中接触序列通常被
修改但仍包括功率在阻抗元件中损耗的时间。所示的抽头变换器还包括作为阻抗元件的电阻器。然而，还已知使用其他类型的阻抗元件，诸如电感器。更进一步地，在所示的抽头变换器中，存在两个阻抗元件。应当认识到，还可以用更少的阻抗元件(诸如一个)、或甚至更多的阻抗元件(诸如三个或四个)。
[0046] 所有这些抽头变换器的共同之处在于，在抽头变换期间，开关在两个位置之间逐渐移动，其在图2中的抽头变换器的情况下是分流器开关22在第一位置P1和第四位置P4之间移动。当需要抽头变换时，选择器臂中的一个选择器臂最初连接在抽头位置和对应的分流器端子之间。作为示例，第一选择器臂可以连接在图2中所示的第二抽头位置2和第一分流器端子DT1之间，同时分流器开关22处于第一接触位置P1。由此加载第一选择器臂，即，负载电流因此穿过第一分流器臂并进入第一选择器臂。然后，为未加载的选择器臂选择抽头位置，该抽头位置获得期望的匝数比改变，在该示例中，该空载选择器臂是第二选择器臂。因此，第二分流器端子DT2将空载的第二选择器臂连接到所选择的抽头位置，在图2的示例中，该抽头位置是第一抽头位置1。为了对负载进行换向，即，进行匝数比的改变，分流器开关22然后逐渐从第一接触位置移动到第四接触位置。在该逐渐移动中，分流器开关22首先在与第一接触位置P1接触的同时与第一电阻器R1建立接触。然后，分流器开关22断开与第一接触位置P1和第一分流器臂的接触。现在，负载电流将仅通过第一电阻器R1流到第一选择器臂。此后，分流器开关连接到第二电阻器R2。此时，负载电流将通过电阻器R1和R2两者流到第一选择器臂和第二选择器臂两者。还会存在通过分流器端子DT1和DT2之间的电压差生成的循环电流。接着，分流器开关22断开与第一电阻器R1的连接，从而负载电流仅通过第二电阻器R2流到第二选择器臂。最后，分流器开关将到达第四接触位置P2，然后负载电流将通过第二分流器臂流到第二选择器臂。由此，抽头变换操作完成。可以看出，在这种移动期间，能量被加载或沉积(deposited)到至少一个阻抗元件中，并且在图2的示例中，被加载或沉积在两个电阻器R1和R2中，该能量在电阻器的情况下被消耗，而在电感器的情况下仅被暂时存储。
[0047] 通过图2中的抽头变换器的上述操作，即，在位置P1和P4之间的逐渐变换期间，阻抗R1和R2将连接在测量端子MT3和MT4之间，并且因此能量将沉积在它们中。在本示例中，由于阻抗是电阻器，所以有功功率损耗。如果阻抗是电感性的，则会替代存储
无功功率。
[0048] 瞬时功率损耗例如可以根据以下等式(1)确定：
[0049] Ploss(t)＝Pin(t)-Pout(t)＝∑phases(Vin(t)Iin(t)-Vout(t)Iout(t)) (1)[0050] 针对三相系统提供的等式由此定义了三相变压器的功率损耗。瞬时功率损耗Ploss由此基于在第一、第二、第三和第四测量端子MT1、MT2、MT3和MT4处获得的功率传输特性测量结果而被计算为输入电压Uin乘以输入电流In减去输出电压Uout乘以输出电流Iout，其中获得三个这样的差值，每个相一个差值。
[0051] 可以从等式(1)获得有功功率损耗作为周期内的瞬时功率损耗的平均值以及无功功率损耗作为平均值为零的振荡。
[0052] 在图3中可以看到，在配备有抽头变换器的这种三相变压器的低负载下出现功率损耗的方式。在图中，示出了通过所有三个相中的同时抽头变换操作的每个相的功率损耗。在第一相中存在功率Ploss_A，在第二相中存在功率损耗Ploss_B，以及在第三相中存在功率损耗Ploss_C。更进一步地，这三个功率损耗总计为总功率损耗Ploss，并且总功率损耗Ploss具有“脉冲”的形状。在该图中可以看出，抽头变换操作在时间0.00秒和0.02秒之间进行。可以看出，作为示例，“脉冲”或该间隔的宽度为20ms，并且该宽度是能量沉积(energy deposition)的标称峰值持续时间NPDT或标称峰值持续能量沉积时间，并且在该间隔中，每个相经历了功率损耗。“脉冲”更具体地表示了没有故障时的抽头变换操作。
[0053] 在抽头变换器根据计划操作的情况下，如图3所示，那么“脉冲”宽度或间隔相当短。然而，如果出现故障，导致期望的连接未及时完成，则“脉冲”将变宽或间隔变长。这是由于电阻器会长时间连接到变压器输出/输入。
[0054] 这可能导致变压器因
过热而出现故障，其可能非常严重并且例如导致用于变压器的冷却介质和/或绝缘介质的火灾。
[0055] 然而，如果可以实时检测和评估由于抽头变换操作而导致的这种功率损耗，则可以执行快速保护动作并快速断开变压器，从而避免针对变压器及其环境的灾难性后果。因此，随后的变压器维修也可能更快且成本更低。
[0056] 为了提供这种保护，提供了一种保护设备。
[0057] 实现保护设备25的一种方式如图4中所示。保护设备25包括控制单元26，控制单元26接收以所测量的功率传输特性In、Uin、Iout和Uout为形式的测量值，并且可选地还接收抽头变换器
控制信号TC_CTRL，抽头变换器控制信号TC_CTRL是被发送到抽头变换器以实行或开始抽头变换操作的控制信号。这种控制信号通常从抽头变换器控制单元发送，该抽头变换器控制单元作为示例可以与功率传输系统的功率控制相关联。控制单元26还将保护信号TR_PROT输送到用于保护变压器的保护
电路。
[0058] 控制单元26还包括测量获得
块MO 28、沉积能量估计块DEE 30和沉积能量评估块DEA 32。
[0059] 控制单元26可以通过计算机或具有相关程序
存储器的处理器来实现，该相关程序存储器包括实现上述块的计算机指令。它还可以通过诸如实现上述块的
专用集成电路(ASICS)或现场可编程
门阵列(FPGA)的一个或多个专用部件来实现。
[0060] 现在，还参考图5对控制单元26保护变压器的操作进行描述，该图5示出了保护变压器10的方法中的多个方法步骤的流程图。
[0061] 控制单元26实时(即，当变压器10处于操作中时)操作。因此，变压器10在传送电功率时是有效的，或者从第一绕组12到第二绕组14，或者从第二绕组14到第一绕组12。在变压器10的稳态操作中，其在这种情况下是在抽头变换器16具有一定设置时，由于没有使用电阻元件，所以损耗通常较低。
[0062] 在该操作期间，测量获得块28可以连续获得测量值In、Uin、Iot和Uout(步骤33)。它可以通过从连接到第一、第二、第三和第四测量端子MT1、MT2、MT3和MT4的相关传感器接收测量结果来做到这一点。然后，它可以将这些值提供给沉积能量估计块30，该沉积能量估计块30又可以连续确定到变压器10的功率输入和来自变压器10的功率输出，其在这里给出的示例中是到第一绕组12的功率输入和来自第二绕组14的功率输出。沉积能量估计块30可以更具体地例如根据上文所给出的等式(1)将功率损耗Ploss确定为到每个相的两个磁耦合绕组的功率输入和来自该每个相的两个磁耦合绕组的功率输出之间的差值(步骤34)。由此确定功率进入变压器的测量端子与功率离开变压器的测量端子之间的功率损耗。
[0063] 然后，控制单元26和在本示例中沉积能量估计块30可以接收抽头变换即将发生的指示(步骤36)，其在该示例中通过接收从抽头变换器控制单元发送到抽头变换器以实行抽头变换的抽头变换控制信号TC_CTRL来完成。
[0064] 该指示可以是用于估计在抽头变换操作期间(即，当分流器20的分流器开关22从第一位置P1逐渐变为第四位置P4时)沉积到抽头变换器16的阻抗元件R1和R2中的能量的触发。
[0065] 因此，当接收到信号TC_CTRL时，沉积能量估计块30开始估计沉积能量。
[0066] 在该实施例中，通过对连续确定的功率损耗进行积分(integrating)来执行估计。
[0067] 还可以将积分(integration)设置为由信号TC_CTRL的接收来触发开始。
[0068] 因此，沉积能量估计块30对功率损耗进行积分(步骤38)。沉积能量估计块30还可以被设置为在时间范围Tint内执行积分。该时间范围Tint相对于上述标称峰值持续能量沉积时间NPDT来设置。该时间范围被设置为使得标称抽头变换操作将能够完成，同时允许清楚地检测到故障。该时间范围应当超过标称峰值持续能量沉积时间NPDT并具有足够余量。例如，它可以被设置为标称峰值持续时间NPDT的10倍至100倍。作为一个示例，它可以被设置为NPDT的25倍。因此，时间范围定义了只要没有检测到故障，积分将持续多长时间。
[0069] 作为示例，可以根据以下等式来执行积分：
[0070]
[0071] 其中s是积分结果，ts是
采样时间间隔，Tint是积分时间标度，Ploss是瞬时功率损耗。
[0072] 积分结果还提供给沉积能量评估块32。沉积能量评估块32的操作也可以由信号TC_CTRL触发。更进一步地，它是针对沉积能量评估块32开始执行比较的触发，该比较将被简短描述。
[0073] 通过观察等式(2)，可以看出，一个时间点上的一个积分s的结果是先前时间点的积分结果s加上当前瞬时功率损耗Ploss乘以采样时间ts减去加权后的先前的积分结果s，其中权重被设置为倒转的最小积分时间Tint(以采样时间间隔ts为单位)。
[0074] 在沉积能量评估块32中，积分值然后与故障阈值FT进行比较，该故障阈值FT是能量阈值，其高于通过标称峰值检测时间NPDT的抽头变换操作和间隔Tint的其余时间内的稳态变压器操作获得的能量，但足够低以安全地检测由延长的抽头变换操作而导致的故障。因此，阈值被设置为避免危及变压器10的
水平。标称“脉冲”的能量可以使用与电阻器大小、标称峰值持续时间NPDT、电流负载、两个相邻抽头点之间的匝数比以及先前所提及的循环电流相关的知识来确定。
[0075] 因此，沉积能量评估块32将形式为积分功率损耗的所估计的沉积能量与故障阈值FT进行比较，并且如果所估计的沉积能量高于阈值FT(步骤40)，则变压器10被保护(步骤42)。这可以通过向保护电路发送保护信号TR_PROT的沉积能量评估块32来完成，该保护电路然后可以将变压器10与使用它的功率传输系统断开连接。
[0076] 然而，如果未超过阈值(步骤40)，则沉积能量评估块32将已经花费在积分上的时间t与积分时间间隔Tint进行比较。如果这已经逾期(步骤44)，则抽头变换器令人满意地执行，并且沉积能量评估块32通知沉积能量估计块30，其进而停止估计沉积能量(步骤46)。同时，也可以停止积分。
[0077] 然而，如果积分时间t尚未达到极限Tint(步骤44)，则沉积能量评估块32返回并再次利用阈值调查沉积能量。
[0078] 然后，利用沉积能量评估块32重复操作，将所估计的沉积能量与故障阈值进行比较，以及将积分时间与积分时间段进行比较，直到故障阈值被超过或积分时间达到时间范围Tint为止。
[0079] 这样，可以看出，可以检测出故障的抽头变换器。更进一步地，这可以使用最少的附加硬件以及测量已经在变压器中测量的功率传输特性以快速方式进行。通过使用积分，负载变化被移除，并且从而更容易检测到沉积能量。
[0080] 本发明可以以多种方式变化。可以改变的一种方式在于测量值的获得和功率损耗的确定。这在上文描述为连续进行。作为备选方案，可以仅当执行抽头变换操作的调查时进行这些步骤。因此，这些活动也可以由信号TC_CTRL触发，并且在故障的检测的时间间隔Tint逾期的情况下结束。
[0081] 另一可能变化在于所估计的沉积能量与常规操作阈值进行比较，并且在于在所估计的能量未达到常规操作阈值的情况下，生成警报。该阈值可以被设置为与普通抽头变换器操作相对应(即，与低于标称峰值持续能量沉积时间的“脉冲”宽度相对应)的能量水平。因此，未能达到常规操作阈值将指示有序的抽头变换操作没有发生。
[0082] 另一种可能变化在于还继续执行积分。在这种情况下，接收信号TC_CTRL时的积分值可以被记录，并且用于调整故障阈值。
[0083] 可以在变电站中提供的保护设备被示出仅包括控制单元。应当认识到，保护设备作为备选方案也可以包括用于这种变电站中的其他功能的多个其他控制单元。
[0084] 控制单元可以以分立部件的形式实现。然而，如上文所提及的，它还可以以具有附带程序存储器的处理器的形式实现，该程序存储器包括计算机程序代码，其当在处理器上运行时，执行期望的控制功能。携带该代码的计算机程序产品可以被提供作为数据载体，诸如一个或多个CD ROM盘或携带计算机程序代码的一个或多个记忆棒，该数据载体当被加载到电压源转换器的控制单元中时，执行上述控制功能。以携带计算机程序代码50的CD ROM盘48为形式的一个这样的数据载体在图6中示出。
[0085] 从前面的讨论可以明显看出，本发明可以以多种方式变化。因此，应当认识到，本发明仅受以下
权利要求的限制。
