用于电力变压器中的断相检测的方法和系统与流程

本申请案要求2015年6月16日提交的关于“电力变压器的断相检测(Open Phase Detection of Power Transformers)”的第62/180,152号美国临时专利申请案，和2016年4月12日提交的关于“使用VT触发式光学CTS和IEC 61850-9.2LE兼容继电器进行电力变压器的断相检测(Open Phase Detection for Power Transformers using VT triggered Optical CTS and IEC 61850-9.2LE Compliant Relays)”的第62/321,407号美国临时专利申请案的优先权和权益，所述两文献的全部内容以引用的方式并入本发明中。

技术领域

本发明中所公开的主题的实施例大体上涉及检测处于待用状态(即，通电但无负载)的电力变压器的高侧上的任一相位是变得断开、接地还是阻抗接地。更确切地说，使用从相电流导出的一个或多个量来检测断相状况。

背景技术：

在发电厂(例如，核能发电厂)中，与发电厂相关联的辅助设备通常由发电厂自身生成的电力供电。然而，当电厂中发生电力故障时，用于实现辅助设备的正常操作的电源可能受损。为了确保用于辅助设备(例如，冷却核反应堆堆芯以防止熔毁的设备)的电力，必须维持替代电源并使其可易于使用。此替代电源可包括从远离发电厂的电源延行的电力线路，所述电力线路连接到电力变压器的高侧，变压器的低侧可连接到辅助设备。在正常操作期间，变压器常常处于待用模式，但在故障情况下，辅助设备迅速地变成电力变压器的低侧负载。因此，在正常状况下，这些电力变压器是无负载的且处于待用状态，其高侧连接到电力线路。维持高侧连接允许在需要时快速地接通电力变压器。

高侧未充分连接(即，处于断相状况)时，电力发电机会引起若干突发事件，仅在需要应急电力时记录一个状况。针对此问题，美国的核管理委员会现在要求监测(即，安装有监测设备)所有待用电力发电机，以检测断相状况并确保在需要时可快速地提供辅助电力。在此技术背景中，如本文中所使用的术语“断相状况(OPC)”和“断相检测(OPD)”不仅指代断开的线路，且还指代接地的线路。

如果无负载，则流入此待用电力变压器的高侧的电流大体上是由电力变压器芯的磁化引起的电流，且通常小于一个安培，例如50到800mA。替代地，如果待用电力变压器具有轻微负载(例如，归因于存在监测负载)，则流入待用电力变压器的高侧的电流可能高一点，例如数量级为一安培或更大。无论如何，当处于不合需要的断相状况(包括断开或接地状况)时，流入待用电力变压器的高侧的电流可能下降(例如，当电流仅由断开的线路上的电容耦合生成时)，或可能上升(例如，当电流流过接地线路时)，但在任一状况下，三相电流的量值、相位或量值与相位会发生改变。

因此，通常通过监测流入变压器的高侧的电流来检测断相状况。然而，在某些情形下，在变压器处并无对应低相磁化电流的情况下也可存在断相状况。举例来说，当电力线路上离变压器较大距离(例如，大于1km)处存在断路时，三个线路之间的电容耦合可为断路线路供应充分能量，从而使得变压器处的断路相线上存在电流。在一些状况(例如，在离变压器大约5km处断路的电力线路)下，变压器处的断路线路的电流大于未发生此故障状况时将存在的电流。断路并接地的电力线路同样如此。因此，仅仅关注变压器的高侧中是否存在低相磁化电流，或低相电流是否具有适当量值有时将无法检测到断相状况。

因此，期望提供例如甚至能够在电容耦合或接地在断路电力线路中产生电流时检测断相状况的其它方法和仪器。

技术实现要素：

本发明中描述的实施例例如基于在电力变压器处于待用模式且所有相位都连接时记录的相电流与参考相电流的相似性来检测断相状况。

根据一个实施例，存在一种检测待用电力变压器中的断相状况的方法。所述方法包括：在低侧无负载情况下，测量连接到电力线路的三个相位的参考电流；将量界定为相电流的函数，基于参考电流确定函数的参数；以及监测使用当前相电流计算出的量的值，以确定是否已发生断相状况。

根据另一实施例，一种控制器被配置成检测待用电力变压器中的断相状况。所述控制器包括能够感测三个相位上的电流的至少三个电流感测元件，和信号处理设备。所述信号处理设备被配置成：从至少三个电流感测元件接收表示相电流的感测信号；处理感测信号以便提取关于相电流的信息；使用在电力变压器的低侧无负载且三个相位都连接时感测到的参考电流以计算界定取决于相电流的至少一个量的函数的参数；以及监测至少一个量以确定是否已发生断相状况。

根据又一实施例，存在一种实现在待用电力变压器上进行断相检测的方法。所述方法包括：将能够感测电流的电流感测元件安置于三个相位上；以及将电流感测元件连接到信号处理设备。所述方法进一步包括：使用电流感测元件测量连接到电力线路的三个相位的参考电流；以及由信号处理设备基于参考电流计算相电流的函数的参数。所述方法进一步包括监测当前相电流的函数的值，以确定变压器是否已从三个相位中的一个断开。

附图说明

附图说明并入本说明书中，且构成本说明书的一部分，与说明书结合描述一个或多个实施例，并且阐释这些实施例。在附图中：

图1A、1B和1C为当低侧短路时，相电流的图形表示；

图2是根据实施例的方法的流程图；

图3A、3B和3C为当低侧无负载且所有相位都连接时，相电流的图形表示；

图4A、4B和4C为当低侧无负载且相位中的一个断相时，相电流的图形表示；

图5是根据实施例的控制器；以及

图6是根据实施例的用于设置能够检测待用电力变压器中的断相状况的连接件的方法的流程图。

具体实施方式

示例性实施例的以下描述参考附图。不同图式中的相同参考标号识别相同或类似的元件。以下详细描述并不限制本发明。实际上，本发明的范围由所附权利要求书界定。关于被配置成将来自电力线路的高电压转换成可由不同设备使用的较低电压的电力变压器的术语和结构来论述以下实施例。

贯穿本说明书对“一个实施例”或“实施例”的参考意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在所公开主题的至少一个实施例中。因此，在贯穿本说明书的不同地方出现的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”未必指代同一实施例。此外，在一个或多个实施例中，特定特征、结构或特性可按任何合适方式组合。

为了克服由电容耦合电流或接地电流掩盖的断相状况问题，此章节中描述的各种实施例监测相电流与正确相连接状态的“指纹”的匹配程度，而非通常简单地监测每一相位线上的低待用电流。

众所周知电源系统的三个相位能够输送彼此存在120°的相差的大体上相等量值的电流。举例来说，图1A说明对于所有三个相位都连接的电力变压器的有负载低侧，A、B和C相电流(即，分别为110、120和130，且本说明书中有时也表示为I_A、I_B和I_C)相较于时间。标记为140的这些电流的总和大体上等于0且因此在图1A中不可见，所述电流的总和有时被称为中性电流且有时也表示为I_N。

图1B以幅值相较于频率图示说明相同电流，以示出其基波和谐波分量。为直观地说明，围绕60Hz的值分布表示相电流和其总和的基波分量的条形图，其中所述频率实际上表征所有值。然而，除了60Hz频率值处的分量140′之外，受相位连接件当中的微小偏差影响的总和电流I_N，即I_A+I_B+I_C，具有对应于180Hz频率值的分量140″。

图1C将相电流说明为具有等于电流的均方根RMS值的量值的相量(在此状况下，I_A＝44.973A，I_B＝44.380A且I_C＝43.904A)。图1C中的相位0°参考为相位A的电位V_A。相电流之间的相差大体上等于120°，即I_A-I_B＝120.7°，I_B-I_C＝118.7°且I_C-I_A＝120.6°。在此状况下，总和I_N＝320.26mA的量值基本上不可在图1C的图形描绘中与零区别开来。

根据图1A到1C，所属领域的技术人员将了解，在次级变压器上具有负载的情况下，流动于电力变压器的高侧上的三个相电流：量值几乎相等、相隔几乎120度、具有极低谐波含量且几乎均衡地产生较小中性电流。

图2是根据实施例的用于检测处于待用状态的电力变压器的断相状况的方法200的流程图。方法200通过在S210处，在变压器有负载且已知不存在开路状况时，测量连接到电力线路的三个相位的参考电流开始，即，如图5中示出且下面论述的变压器的高侧的三个相位。

更确切地说，且仅仅作为步骤210的说明性实例，图3A、3B和3C以类似于图1A、1B和1C中的表示的三组表示来表示在电力变压器连接但无负载的待用状况下，三个参考电流310、320和330和其总和340的测量结果。在待用状态中，相电流比图1A、1B和1C中的负载电流(40A以上)低得多(数百mA)。另外，如图3B中示出且从图3A中的较复杂时间演进观察到，谐波(60Hz的频率倍数)变得较大。图3B揭示参考电流之间的相差明显偏离120°。最后，在待用状态中，相电流的总和I_N(标记为340)的量值相对于参考电流的量值较大。具体来说，图3A、3B和3C中的参考电流具有以下RMS值和相差：I_A＝747.3mA，I_B＝484.52mA，I_C＝792.0mA，I_N＝216.62mA，I_A--I_B＝93.9°，I_B--I_C＝103.2°且I_C--I_A＝162.9°。根据这些测量的参考电流值，可导出处于待用状态但无断相状况的此特定(且仅仅为说明性的)变压器的“指纹”。举例来说应注意，在次级变压器上无负载的情况下，三个相位展现：幅值存在较大差异，相对相角明显不同于120度，具有相对高的谐波含量且展现为相位磁化电流的相当大部分的中性电流。

举例来说且现在返回到方法200，在S220处，将至少一个量界定为相电流的函数。也就是说，基于参考电流确定所述函数的参数，下文提供其实例。根据实施例，至少一个量用于检测断相状况。举例来说，激励线电流(excitation aerial current)IE、非预期线电流值IU和/或教材的零序电流I0可提供携载来自相电流IA、IB和IC的信息的替代方式。激励线电流可为相电流与参考电流的相似性测量结果。零序电流是参考电流的总和。根据实施例，有利地界定非预期线电流，从而使得对于参考电流，其值为零。

根据非限制性实施例，激励线电流IE、非预期线电流IU和零电流I0被计算为：

对于相电流IA、IB和IC，其中N1和N2为归一化因数，α为任意复数，且β被计算为(符号*指示共轭复数，且并且

此处，可计算出α，从而使得对于参考电流，非预期线电流为零。因此，α被计算为：

其中IAR、IBR和ICR为参考电流。

以向量形式书写的式(1)易于转换成代数形式(例如，I0＝1/3(IA+IB+IC)等)，且可反转为将相电流表示为激励线电流IE、非预期线电流IU和零电流I0的函数：

最后，在方法200的S220处，使用检测的当前相电流值计算出的一个或多个量的值，用于确定是否已发生断相状况。举例来说，图4A、4B和4C(相同于图1A、1B和1C或图3A、3B和3C的三组表示)说明在相位C断相时所测量的相电流410、420和430以及其总和。在此状况下，RMS值和相电流之间的相差为如下：I_A＝1.4124A，I_B＝985.6mA，I_C＝81.74mA，I_N＝2.1633A，I_A--I_B＝43.4°且无法确定I_B--I_C和I_C--I_A。

可对上文所描述的一个或多个量的RMS值进行监测，例如基于如图4A到4C所反映的所获得测量结果进行计算，以确定值中的一个在预定时间长度内是否超出预定义阈值。表明断相状况所要求的待超出阈值水平和时间长度取决于每一变压器和其在较大电力系统内的特定情况。举例来说，当非预期线电流与激励线电流的比率(IU/IE)增加为超出预定阈值时，可识别出断相状况。替代地或另外，当零电流与激励线电流的比率(I0/IE)增加为超出预定阈值(取决于与之比较的比率，所述预定阈值不同)时，可识别出断相状况。IU/IE的示例性阈值为0.3到0.5，且I0/IE的示例性阈值为0.5到1.0，并且需要超出阈值以触发警报的示例性时间为3到60秒。

在一个实施例中，除了比率之外，还可以考虑相电流的值。因此，当相电流中的任一个变得低于预定低阈值或高于预定高阈值，且第一比率或第二比率分别超出互补第一比率阈值或互补第二比率阈值时，也可以识别出断相状况。此处使用的“互补”标记指示这些阈值可能不同于个别地考虑比率时所使用的阈值。

所述方法可进一步包括当识别出断相状况下发出警报信号。如前面所提及，电力变压器处于待用状态，必要时预备连接到重要设备。警报会提示操作员在需要连接重要设备之前修复断相。

各种测试已示出在断相状况中，比率IU/IE和I0/IE相对于其基线或参考值可增加30％到50％以上，这取决于所监测变压器的类型，例如Y形构造或增量高侧构造、芯式构造或壳体形式构造。然而，阈值的设置也取决于特定实施方案在安全性与可靠性之间的所要均衡。阈值设置的越高，系统对于误跳闸越安全，但系统在真正断相状况下跳闸的可靠性越低。

该部分中描述的断相检测方法已在下文所描述且图5中示意性地说明的控制器(即，断相检测系统)中实施。电力变压器510具有连接到电力线路相位的高侧端子512、513和514，而低侧端子516、517和518无负载。安置光纤构造的光学电流互感器(OCT)522、523和524(例如标题为“用于电力行业的光纤电流和电压传感器(Optical Fiber Current and Voltage Sensors for Electric Power Industry)”的第27章中所描述，光纤感测技术手册，第569到618页，威利父子公司在2002年出版)以测量相电流。相比常规铁芯电流互感器，OCT具有如下测量优势：其包括更宽的动态数量级范围、无饱和，和大得多的频率响应，包括直接(连续)电流。由于OCT的广泛动态范围，同一传感器可用于检测流入无负载电力变压器的磁化电流以及当其有负载时流入的电流，包括故障电流。尽管图5中的实施例使用OCT，但并不必须使用OCT，其为设计选择且非限制性的，并且可使用例如非光学电流感测技术来实施本文中所描述的实施例。

来自OCT的电流检测信号由电子模块530和逻辑处理块540处理。在多流数字信号处理中，电子模块530滤波并组合信号，以产生由逻辑处理块540使用以确定是否已发生断相状况的信息。如先前所提及，电流的“指纹”(即，参考值)用于促进断相检测决策。

电子模块530可被配置成对在电力变压器处于待用状态(即，低侧无负载)时接收的电流检测信号进行滤波。如WO 2015/073510(其内容以引用的方式并入本文中)中所描述，可使用梳齿形滤波器对待用电流检测信号进行滤波。此外，电子模块530可被编程成基于参考电流计算参数。这些参数接着用于计算为相电流的函数的一个或多个量，所述函数使用基于参考电流计算出的这些参数。举例来说，这些量可包括激励线电流IE、非预期线电流IU、零电流I0、比率IU/IE和/或比率I0/IE。

电子模块530接着将这些量传输到逻辑处理块540，所述逻辑处理块被配置成个别地或以组合比较这些量与阈值，以基于比较结果识别出已发生断相状况。在一个实施例中，电子模块530也将经滤波相电流值提供到逻辑处理块540，从而实现比较这些电流与相应阈值。

如先前所提及，OCT还可用以检测当低侧有负载时的更高电流。在这种情况下，电力变压器处于待用状态时，电子模块530可使用与用于低电流的滤波器不同的滤波器对信号进行轻微滤波。最近已测试将IEC 61850-9.2LE过程总线继电器用作逻辑处理块540的原型。三相OCT电子模块被配置成经由61850-9.2LE光学以太网连接将12个量馈送到继电器。所述12个量包括相电流，和基于相电流导出的量(即，相电流的函数)。

可将能够检测待用电力变压器的断相状况的连接件添加到现有发电厂。图6是根据实施例的用于设置连接件的方法600的流程图，所述连接件能够检测高电压侧连接到电力线路的三个相位，且低侧无负载的电力变压器的断相状况。方法600包括在S610处将能够感测例如低至1mA的电流的电流感测元件安置于三个相位上，以及在S620处将电流感测元件连接到信号处理设备。步骤S610和S620阐述设备安装阶段。

方法600进一步包括在S630处使用电流感测元件测量连接到电力线路的三个相位的参考电流，以及在S640处由信号处理设备基于参考电流计算相电流的函数的参数。步骤S630和S640构成校准阶段。

最后，在方法600的步骤S650中，监测当前相电流的函数的值以确定变压器是否已从三个相位中的一个断开。

本发明所公开的示例性实施例提供用于检测待用电力变压器中的断相状况的方法和控制器。应理解，本说明书并不意图限制本发明。相反地，示例性实施例意图涵盖替代方案、修改和等效物，所述内容包括在如由所附权利要求书界定的本发明的精神和范围内。此外，在示例性实施例的详细描述中，阐述众多具体细节以便提供对所要求保护的本发明的全面理解。然而，所属领域的技术人员将理解，可在不具有此类具体细节的情况下实践各种实施例。

虽然本发明的示例性实施例的特征和元件是在特定组合的实施例中描述，但是可以在不具有所述实施例的其它特征和元件的情况下单独使用每个特征或元件，或者可以在具有或不具有本文中所公开的其它特征和元件的情况下以各种组合使用每个特征或元件。

本发明书面描述使用所公开主题的实例以使所属领域的技术人员能够实践本发明，包括制作和使用任何装置或系统并且执行任何并入的方法。所述主题的可获专利范围由权利要求书界定，并且可以包括所属领域的技术人员能够得到的其它实例。此类其它实例意图涵盖在权利要求书的范围内的。