多绕组变压器均衡拓扑保护与开路故障检测装置的制作方法

本发明属于变压器领域，尤其涉及多绕组变压器均衡拓扑保护与开路故障检测装置。

背景技术：

环境与能源问题目前已经成为全世界所关注的热点，涌现出了多种新型的能源技术，如太阳能发电、浪涌发电等，因此能量储存的技术的发展也得到了极大的关注。常见的储能单体包括超级电容器、动力锂离子电池等，其能量密度一般都比较高，同时使用安全清洁，目前已经在航天电源、电动汽车、太阳能电站等需要储存能量的领域应用广泛。对于储能单体来说，不管是超级电容器还是动力锂离子电池，单个储能体的电压等级往往在几伏左右，实际使用中一般会把多个有时候多达上百个储能单体进行串联，从而使得串联储能体有合适的电压。但是每个储能体在制作过程中通常都会出现一些偏差，不能确保制作工艺与材质的完全相同，因而存在容量、等效内阻、漏电流等参数的差异。这种差异在串联储能体的使用过程中将造成某些或某个储能单体电压出现偏大或者偏小，即出现偏离串联储能体中各储能单体标准电压的现象，从而降低了串联储能体的容量和安全性能，甚至危及系统运行安全，而且，因为是串联结构，无论充电、放电，容量最低的单体都是最先接近过充、过放电压限值的，因而形成了串联储能体的容量“瓶颈”，会降低串联储能体可充、可放的有效容量，减少储能单体循环使用的次数和时间。所以串联储能体多单体之间的能量均衡是串联储能体实用化的重要技术之一。多绕组变压器在电力系统中最常用的是三绕组变压器。用一台三绕组变压器连接3种不同电压的输电系统比用两台普通变压器经济、占地少、维护管理也较方便。铁心上绕有一个原绕组和几个副绕组的变压器。各个副绕组的匝数不同，则其端电压也不同，因此多绕组变压器可以向几个不同电压的用电设备供电。

有损式串联储能体均衡电路一般采用分流电阻均衡电路，每个储能单体串联一个分流电阻与一个开关，由开关控制电阻的分流，利用电阻的分流来实现串联储能体的均衡。分流电阻的取值主要根据储能单体所需均衡电流来计算，一般为储能单体内阻的几十倍。在小容量、低电压场合中，由于其成本低廉，结构简单，因此在均衡电路中较为常用。但是这种方案的能量损耗大、均衡效率低，不适用于容量比较大、电压等级比较高的场合。因此这种分流电阻均衡电路往往在对稳定性要求较高的场合下采用，比如航空航天电源等。

分流电阻均衡电路分流电阻均衡电路有另一种电路结构解决方案，又叫平均储能单体电压均衡电路，batteryv是整个串联储能体的总电压，储能单体电压通过差分采样电路采集后与平均储能单体电压进行比较，当储能单体电压高于平均储能单体电压时，晶体管开通，过充储能单体通过分流电阻进行均衡。电路所需器件的电源直接由所在串联储能体来提供，这样减少了辅助电源的使用，同时减小了系统体积，该均衡电路具有负反馈的特性。在工作过程中，由于变压器的工作环境恶劣，很可能会出现各种各样的故障。如变压器渗油故障、电路故障、绕组故障等。其中电路故障最为复杂，包含断路故障和短路故障。当变压器一次侧，任意开关管短路时，会导致变压器饱和，以致电流过大，使均衡系统失效，同时会产生大量的热量，严重时会导致火灾的发生。当任意一个开关管断路时，该开关管对应的储能单体将无法参与电压均衡，在长时间工作过程中，该单体则可能出现欠电压或者过电压现象，从而会损坏该单体。由于“木桶效应”原理，当该单体损坏后，整个储能系统的寿命都会降低。

技术实现要素：

本发明的目的在于公开模块化程度高、成本低、易于维护的多绕组变压器均衡拓扑保护与开路故障检测装置。

本发明的目的是这样实现的：

多绕组变压器均衡拓扑保护与开路故障检测装置，包括n个短路保护与开路检测模块，分别为短路保护与开路检测模块1、短路保护与开路检测模块2至短路保护与开路检测模块n，n为正整数；短路保护与开路检测模块n包括熔断器fn、电流互感器ctn、二极管整流桥dn、电容cn、稳压二极管dzn、电阻rn、光耦opn、光耦合继电器ssrn、电阻rsn和控制器；

熔断器fn与电流互感器ctn一次侧串联，再串接在均衡变压器一次侧绕组回路中；电流互感器ctn二次侧连接至二极管整流桥dn；电容cn和稳压二极管dzn并联在二极管整流桥dn的输出端；电阻rn、光耦opn的发光二极管和光耦合继电器ssrn串联，再将电阻rn、光耦opn的发光二极管和光耦合继电器ssrn的串联回路与电容cn并联；电阻rsn的一端接地，电阻rsn的另一端与光耦opn输出端s_in连接；光耦opn输出端s_in与光耦合继电器ssrn控制端s_out连接至控制器。

本发明的有益效果为：

本发明采用模块化的结构，实现了多绕组变压器的短路和开路故障的检测；本发明采用的材料易得，降低了成本；采用模块化的设计，使得安装维护更加方便，适于大规模推广应用；本发明实现了多绕组变压器的短路和开路故障的数字化信号提取，方便接入现代数字化变压器故障检测系统，提高效率。

附图说明

图1是多绕组变压器均衡拓扑保护与开路故障检测装置的应用示意图；

图2是多绕组变压器均衡拓扑结构示意图；

图3是储能单体端不同电压情况对应的电流；

图4是开路故障检测时各信号示意图。

具体实施方式

下面结合附图来进一步描述本发明：

如图1，多绕组变压器均衡拓扑保护与开路故障检测装置，包括n个短路保护与开路检测模块，分别为短路保护与开路检测模块1、短路保护与开路检测模块2至短路保护与开路检测模块n，n为正整数；短路保护与开路检测模块n包括熔断器fn、电流互感器ctn、二极管整流桥dn、电容cn、稳压二极管dzn、电阻rn、光耦opn、光耦合继电器ssrn、电阻rsn和控制器；熔断器fn与电流互感器ctn一次侧串联，再串接在均衡变压器一次侧绕组回路中；电流互感器ctn二次侧连接至二极管整流桥dn；电容cn和稳压二极管dzn并联在二极管整流桥dn的输出端；电阻rn、光耦opn的发光二极管和光耦合继电器ssrn串联，再将电阻rn、光耦opn的发光二极管和光耦合继电器ssrn的串联回路与电容cn并联；电阻rsn的一端接地，电阻rsn的另一端与光耦opn输出端s_in连接；光耦opn输出端s_in与光耦合继电器ssrn控制端s_out连接至控制器。

如图2，工作过程中，多绕组变压器均衡拓扑结构里存在多组绕组，当出现过电流时，熔断器fn断开；ctn为电流互感器，用于检测回路中的电流，当出现开路故障时，电流互感器回路中的电流为零；dn为二极管整流桥，将电流互感器中的双向电流整流成直流；电容cn，用于储存电流互感器传输来的电荷；稳压管dzn，防止cn两端电压过高；rn起到限流作用；当s_out为高电平时，光耦合继电器开通，此时电容cn通过电阻rn光耦opn的二极管放电；当光耦opn的二极管导通时，s_in会输出高电平，否则输出低电平。通过检测信号s_in是否有高电平信号就可以判断电容cn两端是否是电压，进而判断出是否有开路故障的发生。

对于短路故障的保护，在短路故障发生时将短路故障转化为开路故障：将熔断器fn串接在回路中，当开关管sn短路时，该回路电流会升高超出额定电流值，此时熔断器fn断开，将开关管sn短路转换为熔断器fn的开路故障，从而有效的保障了均衡电路的继续运行。

对于开路故障，有两种形式：第一种是由开关管sn短路转换为熔断器fn的开路故障；第二种是开关管sn断路产生的开路故障。无论哪一种开路故障，都将导致该均衡回路开路，从而使该回路对应的储能单体退出均衡。如果该单体长时间得不到均衡，可能出现过电压或者电压较低的现象，从而影响该单体的寿命，进而影响整个均衡系统的寿命。必须将该开路故障识别，通过更换开关管或者熔断器将该开路故障排除，使该储能单体重新参与均衡。

当开路故障发生时，电路中电流为零，根据这一特性进行故障检测。电路中的电流采用贴片式电流互感器ctn检测。在多绕组变压器均衡拓扑中，一次侧绕组电流变化范围为几十毫安培至数十安培不等，而且电流方向随着储能单体端电压变化而变化，以图1中标出的电流方向为正方向，则不同情况下的电流情况如图3所示。

图3中，当开关管sn闭合后，回路中电流幅值开始上升。在开关管开通期间，回路中的电流in：

上式中，vbn代表第n个储能单体电压，vbaverage是储能模组的平均电压，lm为变压器激磁电感，ren为回路等效电阻，lsn为回路等效电感，ts为驱动开关管pwm周期，d为pwm的占空比。

第一种情况：当vbn＝vbaverage时，电流in为激磁电流，电流由零开始增加到最大，且最大电流为：

由于激磁电感较大，该电流幅值较小，一般为几十毫安培至几百毫安培。

第二种情况：当vbn＞vbaverage时，电流in为正，且在忽略激磁电流情况下，最大电流为：

看出vbn越大，最大电流值越大。在vbn较大时，最大电流可以达到数安培至数十安培。

第三种情况：当vbn＜vbaverage时，电流in为负，且在忽略激磁电流情况下，最大电流为：

综上三种情况，多绕组变压器均衡拓扑一次侧绕组回路中的电流变化范围较大，且可以双向流动；采用电容器cn对smt电流互感器检测到的电流进行积分。当回路中存在电流时，电容器电压就会上升，电容器电压为：

当电流互感器输出电流ict越大，以及积分时间越长时，电容电压uc越大。考虑到回路中电流具有双向流动性，采用整流桥dn将该双向电流变为单向流动。考虑到当电流互感器输出电流ict较大时，输出电压uc会较大，采用稳压二极管dzn来限制最高电压。

在没有出现开路故障时，经过一段时间的运行，电容uc中会存在电压，且电压最大幅值，受稳压二极管dzn限制。当出现开路故障时，电流ict为零，电容器端电压uc为零。

合理地选择电流互感器和均衡拓扑工作时间，将电容电压uc控制在最大值。将光耦合继电器ssrn闭合，光耦opn的二极管导通，信号s_in就会输出高电平信号。如图4，在s_out由低电平转换为高电平时，控制器如果检测到s_in由低电平变为高电平则说明无开路故障，否则说明存在开路故障。当系统多次检测到开路故障时，应报警提示维修人员及时维修。

与现有技术相比，本发明采用模块化的结构，实现了多绕组变压器的短路和开路故障的检测；本发明采用的材料易得，降低了成本；采用模块化的设计，使得安装维护更加方便，适于大规模推广应用；本发明实现了多绕组变压器的短路和开路故障的数字化信号提取，方便接入现代数字化变压器故障检测系统，提高效率。

以上所述并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。