基于压力频率特征的油浸式变压器数字式非电量保护方法与流程

1.本发明属于变压器非电量保护技术领域，具体涉及基于压力频率特征的油浸式变压器数字式非电量保护方法。


背景技术：

2.作为电力变压器重要的保护组件，瓦斯保护、压力保护一直与差动保护配合做变压器主保护使用。相比较电气量保护而言，传统的瓦斯、压力保护更直接反应变压器区内故障中出现的油流涌动和压力升高等非电量特征，在原理上具有更高的灵敏度和可靠性。但是，与变压器电气量保护不同，长期以来非电量保护并未受到业界关注而始终处于初级、落后水平。与变压器电气量保护相比，非电量保护的正确动作率也处于较低水平，因变压器外部短路冲击造成主变重瓦斯保护误动跳闸，压力释放阀喷油事故屡有发生，对电网安全运行造成较大影响。
3.目前，造成非电气量保护性能低下的主要原因有以下四个方面：其一，作为机械式继电器，其测量反映油箱内部故障的非电气动作量精度不足，且其性能受变压器运行环境及人为因素影响大，同时机械部件磨损老化也影响其灵敏度；其二，机械式继电器整定计算困难，目前现场安装的瓦斯继电器动作定值根据上世纪五十年代的试验结果和运行经验选取，其正确性、合理性无从判定；其三，变压器只装设同类型一台非电量继电器且安装位置固定，而油箱内部故障位置及强度存在很大的随机性，故障点距离继电器安装位置对非电量继电器动作性能存在较大影响；最后，油箱内部故障前后非电量故障特征的变化过程极其复杂，而对其深入研究分析不足，同时非电量保护装置由变压器厂家配置导致继电保护工作者重视程度不足也是重要原因。


技术实现要素：

4.为解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的是提供基于压力频率特征的油浸式变压器数字式非电量保护方法，利用内部故障与外部扰动下油箱内部压力波动频率有显著差异的特征，能够正确判别油浸式变压器内部故障和外部扰动，避免保护动作元件在外部扰动下发生误动；利用对于小振幅压力波动依然能够有效识别其波动频率的特性，能够有效识别低能量电弧故障，避免保护动作元件在低能量电弧故障时由于压力值上升不明显，压力整定值不合适而拒动。
5.为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
6.基于压力频率特征的油浸式变压器数字式非电量保护方法，包括如下步骤：
7.步骤1：保护上电前，设定被保护油浸式变压器的继电器启动压力门槛值p
st
和保护动作门槛值f
th
；
8.步骤2：被保护油浸式变压器运行时，信号采集装置通过n个压力传感器实时对被保护油浸式变压器油箱壁上的压力波形进行采样，得到各测点处压力瞬时值pi(t)；
9.步骤3：依据各测点处压力瞬时值pi(t)是否达到继电器启动压力门槛值p
st
来判断
压力继电器是否启动；若启动，进入步骤4，否则返回步骤2，继续采集各测点处压力瞬时值pi(t)；
10.步骤4：从压力继电器启动时刻开始截取各测点处t＝40ms内的压力波形，通过傅里叶变换得到数据窗时长内压力波形频谱，并计算50-1000hz范围内各测点压力频谱主频f
imax
，若各测点处压力频谱主频f
imax
大于保护动作门槛值f
th
，判定油浸式变压器发生内部故障，压力保护动作并跳开断路器；否则，判定为外部扰动，压力保护不动作，返回步骤2继续采集各测点处压力瞬时值pi(t)。
11.所述保护启动门槛值p
st
计算公式如式(1)所示：
12.p
st
＝k
rel1
p
nor.max
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
13.式中，k
rel1
为启动压力可靠系数，取值为1.2；p
nor.max
为正常运行时油浸式变压器油箱压力最大值。
14.所述被保护油浸式变压器的继电器保护动作门槛值f
th
计算公式如式(2)所示：
15.f
th
＝k
rel2fum
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
16.式中，k
rel2
为保护动作可靠系数，取值为1.25；f
um
为外部扰动下油浸式电力变压器油箱内压力波形频谱主频，通过实验得到该值可以取f
um
＝100hz。
17.所述压力波形频谱f(ω)及其各测点压力频谱主频f
imax
计算公式如式(3) 所示：
18.f(w)＝f[pi(t0)...pi(t0 40ms)]
[0019]fimax
＝max(f(w),ω∈(50hz,1000hz))
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0020]
式中，t0为压力继电器启动时刻，pi(t0)、pi(t0 40ms)分别是数据窗长初始时刻和末尾时刻的各测点压力瞬时值。
[0021]
本发明所达到的有益效果：一方面，本发明利用变压器油箱内部压力在内部贯穿性电弧故障及剧烈放电作用下与外部短路冲击下呈现明显不同的波动频率特征的特点，可以有效鉴别变压器内部故障与外部短路冲击。另一方面，针对电弧能量较低的内部短路故障以及贯穿性故障发生前严重缺陷阶段的剧烈放电，其造成的油箱内部压力升高均不显著。此时，传统的动作于压力幅值越线的压力保护装置难以准确识别并进行有效保护。而以上两种情况下，压力信号的频率特征依旧存在，因此基于压力频率特征的保护方法可以有效识别低能量电弧故障与贯穿性故障发生前的剧烈放电，一定程度上将保护动作时间提前，在更早期切除故障，提高了压力保护装置的可靠性与速动性。
附图说明
[0022]
图1是实现本发明方法的流程图。
[0023]
图2a和图2b分别是油浸式电力变压器变压器内部低能电弧故障下油箱测点处压力波形图及其频谱。
[0024]
图3a和图3b分别是油浸式变压器外部三相短路下油箱测点处压力波形图及其频谱。
具体实施方式
[0025]
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
[0026]
如图1所示，本发明基于压力频率特征的油浸式变压器数字式非电量保护方法，包
括如下步骤：
[0027]
步骤1：保护上电前，设定被保护油浸式变压器的继电器启动压力门槛值p
st
和保护动作门槛值f
th
；
[0028]
步骤2：被保护油浸式变压器运行时，信号采集装置通过n个压力传感器实时对被保护油浸式变压器油箱壁上的压力波形进行采样，得到各测点处压力瞬时值pi(t)；
[0029]
步骤3：依据各测点处压力瞬时值pi(t)是否达到继电器启动压力门槛值p
st
来判断压力继电器是否启动；若启动，进入步骤4，否则返回步骤2，继续采集各测点处压力瞬时值pi(t)；
[0030]
步骤4：从压力继电器启动时刻开始截取各测点处t＝40ms内的压力波形，通过傅里叶变换得到数据窗时长内压力波形频谱，并计算50-1000hz范围内各测点压力频谱主频f
imax
，若各测点处压力频谱主频f
imax
大于保护动作门槛值f
th
，判定油浸式变压器发生内部故障，压力保护动作并跳开断路器；否则，判定为外部扰动，压力保护不动作，返回步骤2继续采集各测点处压力瞬时值pi(t)。
[0031]
实施例
[0032]
以某油浸式电力变压器内部低能电弧故障与外部三相短路故为例说明本发明方案的可行性。如图2a和图2b所示，内部电弧故障发生后压力波形表现为波动频率为3hz与波动频率为380hz的压力波叠加而成，在50-1000hz范围内频谱主频为380hz，此时f
imax
大于保护动作门槛值f
th
，判定为内部故障，压力保护动作。如图3a和图3b所示，油浸式变压器外部三相短路时，油箱内部压力呈现出主频为100hz的正负交替振荡，在50-1000hz范围内频谱主频为100hz，此时 f
imax
小于保护动作门槛值f
th
，判定为外部扰动，压力保护不动作。利用本发明的辨识方法，能够有效区分变压器内部故障和外部扰动状态，提高压力保护动作可靠性。