一种变压器故障前馈式压力缓冲保护方法、系统及设备与流程

本发明属于电力变压器相变冷却及压力安全保护，具体涉及一种变压器故障前馈式压力缓冲保护方法、系统及设备。

背景技术：

1、本发明涉及电力变压器相变冷却及油箱压力安全保护技术领域。油浸式电力变压器内填充的绝缘冷却介质兼具电气绝缘与设备散热双重功能；相变冷却变压器区别于传统矿物油浸变压器，采用低沸点特种相变绝缘冷却介质，依靠介质受热汽化吸收绕组、铁心、金属结构件损耗热量，气相介质上升至冷凝单元液化回流，循环换热散热，具备散热效率高、温升控制优、体积紧凑等突出优势，是大容量、高损耗、紧凑型输变电变压器的主流发展方向之一。

2、但相变冷却变压器存在显著的压力安全短板，具体表现在：变压器遭遇突发过载、内部绕组短路、外部母线短路冲击等电气故障时，绕组短时骤增的焦耳损耗、涡流损耗会形成剧烈故障热冲击，故障区域附近相变绝缘介质在极短时间内大量汽化；介质由液态转为气相后体积会发生数十倍膨胀，若气相介质无法快速冷凝、扩容缓冲或有序导出，油箱内部压力将急剧飙升。过高的箱内压力会带来多重安全隐患，一是挤压、撕裂油箱焊接接缝、法兰密封、引线套管密封结构，引发介质泄漏；二是冲击冷凝回流管路、气液分离装置，破坏相变循环系统；三是极端压力工况下存在油箱变形、爆裂风险，严重威胁变电站设备与人身安全。

3、现有相变冷却变压器压力安全保护方案主要包括两类，均属于压力反馈式被动保护，存在固有缺陷：

4、1、单纯依靠压力释放阀、防爆膜等泄压装置的保护方案

5、该类方案仅实时采集油箱实际内部压力，待箱内压力上升至设定动作阈值后才开启泄压通道释放气相介质。短路故障属于毫秒级快速热冲击，介质汽化、压力上涨速度极快，压力传感器采集、控制器运算、泄压阀机械开启存在固有延时；压力升至动作阈值时，油箱内部已积累大量汽化介质，压力峰值极易突破油箱承压上限。同时，泄压装置直接向大气排放气相绝缘介质，不仅造成昂贵相变介质大量损耗，挥发介质还存在易燃、环境污染等问题，故障后介质补充、设备复运成本高。

6、2、增设冷凝调节回路的压力控制方案

7、该方案通过实时监测油箱压力，在压力升高后增大冷凝单元冷却流量、降低冷凝壁温，强化气相介质液化速度以抑制压力上涨。该方案仅适用于缓慢、小幅的压力波动（如正常负载昼夜变化、环境温度升降）；面对短路、严重过载带来的瞬时剧烈热冲击，介质汽化速率远高于冷凝液化速率，冷凝系统调节速度无法匹配短时海量汽化产生的体积增量，压力抑制效果有限，无法规避故障初期的压力突升风险。

8、专利公开号cn102385971a公开了一种液面压力可调的不燃型液浸变压器，该专利采用低沸点氟碳类不燃绝缘液作为变压器绝缘冷却介质，配套金属波纹管气室容积调压结构与外置蒸发液相变换热冷却回路，同时设置突发压力继电器与真空回收容器实现超压喷液泄压，可通过调节气室压力提升绝缘液饱和沸点，抑制正常工况下介质沸腾，降低油箱稳态运行压力波动。但是其仅依托油箱实测压力构建纯反馈式压力调控逻辑，无法提前预判故障冲击下的压力飙升风险，难以解决毫秒级电气故障热冲击带来的油箱压力瞬时突升、保护动作滞后的核心痛点。

9、综上，现有保护手段均以已经产生的油箱压力作为控制判据，属于事后反馈控制，保护动作滞后于故障热冲击与介质汽化过程。因此，亟需一种能够提前预判故障汽化压力风险、实现前置缓冲、热源侧协同治理、多级分层防护的相变冷却变压器压力保护方案。

技术实现思路

1、本发明所要解决的问题在于，现有的相变冷却变压器缺乏提前预判故障的压力保护方法。

2、本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：

3、一种变压器故障前馈式压力缓冲保护方法，包括以下步骤：

4、首先，获取相变冷却变压器的电气状态参数和油箱压力状态参数；

5、其次，根据所述电气状态参数确定故障热冲击状态，并估算故障热冲击过程中相变绝缘冷却介质的汽化等效体积增量；

6、再次，根据所述汽化等效体积增量、故障发生前的油箱内部压力和油箱允许压力上限，确定压力缓冲单元的目标缓冲容积及预计油箱压力；

7、继而，根据所述预计油箱压力控制压力缓冲单元与变压器油箱上部气相空间连通，并联动电气保护装置对故障热冲击状态进行处置；

8、随后，故障热冲击状态处置后，控制冷凝模块对气相绝缘冷却介质进行冷凝，使冷凝形成的液态绝缘冷却介质返回变压器液相区域；

9、最后，根据所述油箱压力状态参数控制安全泄压单元运行。

10、本发明通过完整构建“电气前馈预判—前置缓冲扩容—故障热源处置—冷凝循环恢复—分级安全泄压”全流程防护体系，区别于传统仅依靠实测压力的反馈保护，可在油箱压力大幅上升前主动干预，从故障源头抑制相变介质汽化带来的超压风险，大幅降低短路、突发过载工况下油箱爆裂、密封泄漏隐患。

11、优选的，所述电气状态参数包括负载电流、差动电流、负序电流、电流变化率、负载率和电气保护状态信号；所述油箱压力状态参数包括油箱内部压力和油箱内部压力变化率；所述故障热冲击状态包括内部短路、外部短路冲击、突发过载。

12、明确界定完整电气、压力监测参数范围与全部故障热冲击类型，覆盖内部短路、外部短路、过载全部风险场景，保障控制器能够全面捕捉故障前兆特征，避免参数缺失导致预判失效，提升故障识别覆盖度与可靠性。

13、优选的，根据故障电流、绕组等效电阻和附加损耗确定故障热功率，并根据继电保护动作时间、控制信号传输时间和断路器分闸时间确定预计故障清除时间；根据所述故障热功率、预计故障清除时间和相变绝缘冷却介质的汽化潜热，确定故障热冲击过程中相变绝缘冷却介质的预计汽化质量流量。

14、限定故障热功率、故障清除时长、汽化流量的基础计算逻辑，作为公式计算的前置基础步骤，无需依赖复杂硬件标定即可快速量化故障产热能力，降低控制程序运算复杂度，适配工业控制器实时运算需求。

15、优选的，所述预计汽化质量流量计算公式如下：

16、；式中：为预计汽化质量流量，为故障热功率；为变压器内部固体部件、相变绝缘冷却介质的显热吸收功率与散热功率之和；为相变绝缘冷却介质的汽化潜热；为汽化参与系数；表示括号内数值大于零时取原值，不大于零时取零。

17、依托故障热功率、介质汽化潜热建立定量关联，可精准计算单位时间内介质汽化量，为后续压力预判、缓冲容积匹配提供精准数值依据，消除定性判断带来的缓冲容量匹配不足或冗余浪费问题。

18、优选的，所述汽化等效体积增量计算公式为：；式中：为汽化等效体积增量；为预计故障清除时间；为预计汽化质量流量；为气相绝缘冷却介质密度；为液相绝缘冷却介质密度。

19、精准表征介质汽化后的气相膨胀体积，直观反映故障带来的气相扩容需求，为压力缓冲单元容积选型、动作阈值设定提供定量计算标准，适配不同物性相变介质通用计算。

20、优选的，根据汽化等效体积增量、故障发生前油箱内部压力、油箱气相空间等效容积柔度、安全修正系数计算预计油箱压力，计算公式为：；然后根据所述汽化等效体积增量和压力缓冲单元的压力—容积特性确定目标缓冲容积，使压力缓冲单元接入后，变压器油箱内部压力不超过油箱允许压力上限；；式中：为预计油箱压力；为故障发生前油箱内部压力；为安全修正系数；为压力缓冲单元接入前，变压器油箱上部气相空间和油箱结构在预设压力区间内的等效容积柔度；为汽化等效体积增量；为压力缓冲单元在预设压力区间内的等效容积柔度，为压力缓冲后的设计控制压力，不高于油箱允许压力上限。

21、通过安全修正系数抵消参数估算误差，保证缓冲模块选型后箱内压力严格低于承压上限，实现缓冲容量与故障汽化量自适应匹配，兼顾保护安全性与设备轻量化。

22、优选的，所述预计油箱压力根据汽化等效体积增量、故障发生前的油箱内部压力以及压力缓冲单元的等效容积柔度确定；当所述预计油箱压力达到预设缓冲动作阈值时，在实际油箱压力达到压力反馈保护动作值之前，控制压力缓冲单元与变压器油箱上部气相空间连通。

23、优选的，当所述故障热冲击状态为内部短路、差动故障或严重过流时，控制电气保护装置切除故障电流；当所述故障热冲击状态为未达到跳闸条件的突发过载时，控制变压器降低负载输入；压力缓冲单元的接入动作早于压力反馈保护动作。

24、优选的，故障热冲击状态处置后，根据油箱内部压力、油箱内部压力变化率和气相绝缘冷却介质温度，调节冷凝模块的冷凝能力；所述冷凝能力通过调节冷凝壁面温度、冷却介质流量、气相通道流通面积；冷凝形成的液态绝缘冷却介质经回流通道返回变压器液相区域。

25、优选的，当油箱内部压力达到安全泄压动作阈值，或者油箱内部压力变化率达到压力变化率安全动作阈值时，控制安全泄压单元开启；所述安全泄压动作阈值高于预设缓冲动作阈值且低于油箱允许压力上限；所述安全泄压单元将排出的气相绝缘冷却介质导入密闭回收腔，并对进入密闭回收腔的气相绝缘冷却介质进行冷凝回收。

26、设置分层压力阈值逻辑，缓冲优先、泄压兜底，泄压介质密闭冷凝回收，既形成多级冗余安全防护，又大幅减少昂贵相变绝缘介质直接排放损耗，降低运维补料成本与环境污染风险。

27、本发明还公开了一种采用上述变压器故障前馈式压力缓冲保护方法的系统，包括参数采集模块、故障研判与体积估算模块、缓冲容积决策模块、联动调控模块、介质冷凝复位模块、安全泄压控制模块；

28、参数采集模块，用于获取相变冷却变压器的电气状态参数和油箱压力状态参数；

29、故障研判与体积估算模块，用于根据所述电气状态参数确定故障热冲击状态，并估算故障热冲击过程中相变绝缘冷却介质的汽化等效体积增量；

30、缓冲容积决策模块，用于根据所述汽化等效体积增量、故障发生前的油箱内部压力和油箱允许压力上限，确定压力缓冲单元的目标缓冲容积及预计油箱压力；

31、联动调控模块，用于根据所述预计油箱压力控制压力缓冲单元与变压器油箱上部气相空间连通，并联动电气保护装置对故障热冲击状态进行处置；

32、介质冷凝复位模块，用于在故障热冲击状态处置完成后，控制冷凝模块对气相绝缘冷却介质进行冷凝，使冷凝形成的液态绝缘冷却介质回流至变压器液相区域；

33、安全泄压控制模块，与所述参数采集模块连接，用于根据实时油箱压力状态参数控制安全泄压单元运行，实现变压器油箱压力安全调控。

34、本发明还公开了一种采用上述变压器故障前馈式压力缓冲保护方法的设备，包括压力缓冲单元、密闭回收腔、安全泄压单元、控制单元；所述压力缓冲单元一端通过管道连接至待测变压器，另一端通过管道与安全泄压单元连接；所述密闭回收腔与安全泄压单元的另一端连接；所述控制单元与压力缓冲单元、密闭回收腔、安全泄压单元电连接。

35、优选的，所述压力缓冲单元包括常通缓冲支路、快速旁通缓冲支路；所述常通缓冲支路用于吸收相变冷却变压器正常运行过程中的压力波动；所述快速旁通缓冲支路用于在所述预计油箱压力达到预设缓冲动作阈值时开启，以扩展变压器油箱上部气相空间的等效容积。

36、本发明的优点在于：

37、（1）采用电气前馈预判，解决传统压力反馈保护动作滞后痛点：本技术提前采集差动电流、故障电流等电气量，定量计算介质汽化体积并预估油箱压力，在实际压力达到保护阈值前提前启动缓冲扩容，从时序上提前干预，大幅削减压力峰值，规避油箱密封破损、变形爆裂风险；

38、（2）实现缓冲容量自适应精准匹配：本技术完整构建故障热功率、汽化质量流量、汽化等效体积增量、预估箱压、缓冲容积整套计算公式，可根据故障严重程度定量算出介质气相膨胀量，精准匹配压力缓冲单元所需容积；同时引入安全修正系数抵消参数估算偏差，既不会因缓冲容积不足造成超压，也避免缓冲腔体积冗余带来设备成本、体积浪费，适配不同容量、不同介质物性的相变冷却变压器；

39、（3）多级协同分层防护，防护效果叠加：短路直接切除故障电流、轻度过载仅降载保供电，从源头减少持续产热与介质汽化；日常小幅压力波动由常通支路消化，故障触发快速旁通支路瞬时扩容气相空间；主动液化气相介质回流油箱，快速降低箱内压力、恢复冷却循环；分级压力阈值形成冗余防护，泄压介质密闭冷凝回收；多重手段联动形成闭环防护体系，单一防护失效时其余层级可兜底，安全性大幅提升；

40、（4）兼顾设备实用性、经济性与环保性：配套保护设备采用采集、运算、缓冲、电气联动、泄压标准化模块化架构，易集成、适配各类相变冷却变压器；安全泄压配套密闭回收腔，避免高价值相变绝缘介质直接排放损耗，降低运维补料成本，同时消除可燃气相介质外泄带来的消防安全、环境污染问题。