冲击波加速的变压器后备保护装置
阅读说明：本技术 冲击波加速的变压器后备保护装置 (Shock wave accelerated transformer backup protection device ) 是由 张会平 李高伟 郑龙 赵琳 田芬 杜灵君 杨磊 于 2020-11-30 设计创作，主要内容包括：本发明提供了冲击波加速的变压器后备保护装置,包括微处理器、冲击波信号加速模块和跳闸线圈驱动模块；所述的冲击波信号加速模块的输出端与微处理器的输入端连接,所述的微处理器的输出端与跳闸线圈驱动模块的输入端连接,用于通过跳闸线圈驱动模块控制跳闸线圈TQ通电；本发明所述的冲击波加速的变压器后备保护装置利用成对设置的冲击波传感器可采集到母线室内的冲击波信号,不必与下级供电线路保护模块延时配合以确定故障点,保证变压器后备保护模块立即跳闸,防止背景技术中所述的4步事故演化模型发生,避免烧毁变压器。(The invention provides a transformer backup protection device for shock wave acceleration, which comprises a microprocessor, a shock wave signal acceleration module and a trip coil driving module, wherein the microprocessor is connected with the shock wave signal acceleration module; the output end of the shock wave signal acceleration module is connected with the input end of the microprocessor, and the output end of the microprocessor is connected with the input end of the trip coil driving module and used for controlling the trip coil TQ to be electrified through the trip coil driving module; the shock wave accelerated transformer backup protection device can acquire shock wave signals in a bus chamber by utilizing the shock wave sensors arranged in pairs, does not need to be in delayed cooperation with a lower-level power supply line protection module to determine a fault point, ensures that the transformer backup protection module trips immediately, prevents a 4-step accident evolution model in the background technology from occurring, and avoids burning the transformer.)
技术领域
本发明涉及供电安全领域，尤其涉及冲击波加速的变压器后备保护装置。
背景技术
如图1所示：目前我国城乡110Kv及以下变电站，普遍采用封闭母线结构，如图1所示，其显著特点如下：
电源为变压器1送电，变压器1出线侧通过断路器进入高压开关柜2的母线室3，在母线室3和低压侧母线连接，低压侧母线铺设在母线室3内，且与高压开关柜2内的各下级电路断路器DL_1、DL_2、DL_3……DL_n连接，最后由下级电路将电能供给到终端区域。
为保护变压器，变压器1上设置有变压器1后备保护模块，变压器1后备保护模块用于检测变压器1低压侧是否存在短路电流，当变压器1后备保护模块检测到变压器1低压侧上出现短路电流时，变压器1后备保护模块即发出跳闸指令，使出线侧断路器DL_D跳闸，防止由于短路故障不能及时切除导致事故扩大，甚至烧毁变压器1的情况发生；变压器1变压器1后备保护模块工作原理如图2所示:
电流继电器的线圈LJ串联在变压器1出线上的电流互感器CT回路中(图1)，电流互感器CT用于检测变压器1出线侧上是否存在短路电流，当变压器1出线侧上存在短路电流时，电流继电器的线圈LJ带电，进而电流继电器的常开触点LJ_1闭合，进而中间继电器的线圈ZJ通电，中间继电器的第一常开触点ZJ_1和中间继电器的第二常开触点ZJ_2闭合，进而时间继电器的线圈SJ通电进入延时状态，当延时状态持续到预设的时间t时(通常为1.5s)，时间继电器的常开触点SJ_1闭合，跳闸线圈TQ通电，进而使变压器1出线侧的断路器DL_D跳闸断电。
上述变压器1后备保护模块的动作过程中，变压器1后备保护模块从电流互感器CT检测到变压器1出线侧上存在短路电流，不立即跳闸而延时t时间后跳闸的原因为：如图1所示，无论是母线室3内F点发生短路，或者是下级电路上的FL点发生短路，变压器1出线上均会出现短路电流；假设某一时刻母线室3内F点发生短路，若变压器1后备保护模块检测到母线室3内母线上存在短路电流后立即使变压器1后备保护模块跳闸，则不会产生不良影响；但是，假设某一时刻下级电路上的FL点发生短路，若变压器1后备保护模块立即跳闸，则将导致母线断电，令其它的下级电路全部失电，将造成不必要的损失和负面影响；因此，变压器1后备保护模块检测到变压器1出线侧上存在短路电流后，不立即跳闸而延时t时间，在延时的t时间内，由设置在断路器（DL_1、DL_2、DL_3……DL_n）上的保护模块判断是否是下级电路发生短路情况，若是下级电路发生短路情况，则对应的下级电路上的断路器DL_n（如图1所示为DL_3）跳闸，此时，变压器出线上的电流互感器CT的短路电流消失，电流继电器的常开触点LJ_1打开，进而中间继电器的线圈SJ断电，中间继电器的常开触点ZJ_1和中间继电器的常开触点ZJ_2断开，时间继电器的线圈SJ断电，时间继电器的常开触点SJ_1断开，t时间后不会闭合，变压器1后备保护模块不会跳闸；若不是下级线路FL点发生短路，而是母线上F点发生短路的情况，则电流互感器CT检测到的短路电流不会消失，则t时间后，时间继电器的常开触点SJ_1闭合，变压器1后备保护模块通过SJ_1、ZJ_2使跳闸线圈TQ通电，跳开变压器1出线侧的断路器DL_D，防止烧毁变压器1。
但是，在这一保护模式下，经常大量的发生110Kv及以下变压器1烧损事故。经过大量事故分析发现，存在以下4步事故演化模型：
1：起初故障在母线室3内，由于各种故障（弧闪放电、相间短路、避雷器爆炸、电流或电压互感器爆炸等）产生高压气体；
2：高压气体由故障点沿母线室3向周围扩散形成冲击波；
3：冲击波引起相间绝缘损坏，并恶化为多处短路事故；
4、若变压器1后备保护模块的控制电源在前3步已经被损坏，则变压器1后备保护模块失灵，变压器1难免被烧毁；若前3步变压器1保护电源未被损坏，但因故障点在母线室内，短路电流比远处线路故障大的多，变压器1后备保护模块延时t时间内，变压器1已承受较长时间、高级别短路电流的冲击，不被彻底烧毁也会严重受损。
通过分析上述4步事故演化模型，不难发现，导致4步事故的主要原因是在延时的t时间内，由于变压器1后备保护模块不能及时跳闸导致的，但是，若变压器1后备保护模块不经过延时直接跳闸，又将导致所有下级电路均发生不必要断电的情况，进而导致经济损失和社会不满情绪；上述问题已困扰电力行业多年，成为了一个亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种冲击波加速的变压器后备保护装置，能够利用冲波传感器检测到母线室内发生放电或爆炸故障产生的冲击波，进而控制变压器后备保护模块加速跳闸，防止变压器后备保护模块延时过长，导致的变压器烧毁的情况发生。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
冲击波加速的变压器后备保护装置，包括微处理器、冲击波信号加速模块和跳闸线圈驱动模块；所述的冲击波信号加速模块的输出端与微处理器的输入端连接，所述的微处理器的输出端与跳闸线圈驱动模块的输入端连接，用于通过跳闸线圈驱动模块控制跳闸线圈TQ通电；
所述的冲击波信号加速模块包括加速电源、信号采集机构、光耦和信号处理机构；所述的信号采集机构包括设置在高压开关柜内的多对冲击波传感器，每对冲击波传感器包含分别设置在高压开关柜母线室内两个相对方向的内壁上对应位置的两个冲击波传感器，且两个冲击波传感器的感应端相对设置；每对冲击波传感器串联后的两端与其他对冲击波传感器串联后的两端并联，并联后的第一端与加速电源的正极电连接，并联后的第二端与光耦的发光器的第一端电连接，光耦的发光器的第二端与加速电源的负极电连接，光耦的受光器的第一端与加速电源的正极电连接，光耦的受光器的第二端通过与信号处理机构的输入端电连接，信号处理机构的输出端与微处理器的输入端电连接。
所述的跳闸线圈驱动模块包括继电器控制电路和加速继电器，所述的微处理器的输出端通过继电器控制电路与加速继电器的线圈连接；加速继电器的常开触点并联在时间继电器的常开触点SJ_1的两端。
所述的光耦的发光器的第二端通过第一限流电阻与加速电源的负极电连接，所述的光耦的受光器的第二端通过第二限流电阻与信号处理机构的输入端电连接。
所述的信号处理机构包括依次连接的滤波电路、放大电路、整形电路和A/D转换电路。
所述的微处理器采用单片机、PLC或知识产权核IP core。
本发明的有益效果：
首先：本发明所述的冲击波加速的变压器后备保护装置利用成对设置的冲击波传感器可采集到母线室内的冲击波信号，不必与下级供电线路保护模块延时配合以确定故障点，保证变压器后备保护模块立即跳闸，防止背景技术中所述的4步事故演化模型发生，避免烧毁变压器；
其次：便于对现有设备进行改造,只需在母线室内设置多对冲击波传感器和一个冲击波信号加速模块，然后将加速继电器的常开触点并联在时间继电器的常开触点SJ_1的两端即可，便于推广；
再次：本发明保护的直接目标是变压器，但是，变压器后备保护模块跳闸后，还能够保护母线室内和母线上的其他设备。
附图说明
为了更清楚地说明本发明
具体实施方式
或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有的变压器后备保护模块的结构示意图；
图2为现有的变压器后备保护模块的原理示意图；
图3为本发明所述的信号采集机构的结构示意图；
图4为本发明改变后的变压器后备保护模块的原理示意图；
图5为本发明的原理示意图；
图6为本发明的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图3、图4、图5和图6所示：本发明所述的冲击波加速的变压器1后备保护装置，包括微处理器、冲击波信号加速模块和跳闸线圈驱动模块；所述的冲击波信号加速模块的输出端与微处理器的输入端连接，用于为微处理器提供冲击波加速信号，所述的微处理器的输出端与跳闸线圈驱动模块的输入端连接，用于通过跳闸线圈驱动模块控制跳闸线圈TQ通电，进而跳开变压器1出线侧的断路器DL_D，防止烧毁变压器1；所述的冲击波信号加速模块包括加速电源、信号采集机构、光耦Oc和信号处理机构；所述的信号采集机构包括设置在高压开关柜2内的多对冲击波传感器(Da1，Db1、Da2, Db2、…Dan, Dbn)，每对冲击波传感器（Dan, Dbn)包含分别设置在高压开关柜2母线室内两个相对方向的内壁上对应位置的两个冲击波传感器，且两个冲击波传感器的感应端相对设置；每对冲击波传感器（Dan, Dbn)串联后的两端与其他对冲击波传感器串联后的两端并联，并联后的第一端与加速电源的正极电连接，并联后的第二端与光耦Oc的发光器的第一端电连接，光耦Oc的发光器的第二端与加速电源的负极电连接，光耦Oc的受光器的第一端与加速电源的正极电连接，光耦Oc的受光器的第二端通过与信号处理机构的输入端电连接，信号处理机构的输出端与微处理器的输入端电连接。
本发明所述的冲击波加速的变压器1后备保护装置的工作原理为：
首先需要注意的是：当高压开关柜2的母线室内产生冲击波时，表示高压开关柜2的母线室内已出现问题，此时不必通过设置在下级线路上的断路器（DL_1、 DL_2、 DL_3……DL_n）上的保护模块判断是否是下级电路发生问题，应该跳过变压器1后备保护模块中时间继电器的延时时间，立即使跳闸线圈TQ通电，进而使变压器1低压侧的断路器DL_D断开，线路断电，防止变压器1损坏。
本发明中，一旦高压开关柜2的母线室内发生故障（弧闪放电、相间短路、避雷器爆炸、电流或电压互感器爆炸等）产生冲击波，设置在高压开关柜2母线室内的冲击波传感器就能够采集到冲击波信号；由于是高压开关柜2内部产生的冲击波，因此，冲击波向四周发散传播的过程中，将成对触发感应端相对设置的冲击波传感器；进一步的，任一一对或者多对冲击波传感器采集到冲击波信号后导通，使与之串联的光耦Oc的发光器发光，进而是光耦Oc的受光器导通，光耦Oc的受光器导通信号（即冲击波加速信号）通过信号处理机构发送给微处理器，进一步的，微处理器接收到冲击波加速信号之后，通过跳闸线圈驱动模块控制跳闸线圈TQ通电，进而跳开变压器1出线侧的断路器DL_D，保证变压器1后备保护模块立即跳闸，跳过变压器1后备保护模块中时间继电器的延时时间，防止背景技术中所述的4步事故演化模型发生，避免变压器1烧毁。
需要注意的是：在上述过程中，若高压开关柜2的柜体受到外部力量如石块撞击时，高压开关柜2柜体内部也将产生微弱冲击波响应，由于外力一般是一个方向施加的，因此高压开关柜2柜体内的微弱冲击波相应也是单向的，将不会成对触发感应端相对设置的两组冲击波传感器；因此，本发明中采用的成对的冲击波传感器感应端相对设置的设置方式，能够有效的避免冲击波传感器误触发的情况发生，进而有效的防止断路器DL_D误断，减少经济损失。
还需要注意的是：在上述过程中，微处理器接收到冲击波加速信号之后，输出给跳闸线圈驱动模块的加速信号应保持延时10s有效，其原因为：母线室内的故障分为两种：
一，由于短路引起爆炸，此时短路电流先于冲击波加速信号到达处理器，变压器1后备保护模块已启动并在准备跳闸的延时过程中，接到冲击波加速信号后，就结束延时立即跳闸；
二，由爆炸引起的短路，高压开关柜2母线室3内的故障是先发生爆炸，比如常见的避雷器爆炸，由于爆炸的能量可能损坏母线室3内的相间绝缘引起短路，当发生短路时可能冲击波加速信号已经平息了，变压器1后备保护模块应按延时跳闸的逻辑进行动作，在这种情况下将失去冲击波加速功能，使微处理器的输出的冲击波加速信号保持延时10s有效，以保证变压器1后备保护模块即使在先发生爆炸，然后由爆炸引起短路，但短路发生时爆炸产生的冲击波信号已平息或减弱的情况也能加速跳闸。
优选的：所述的跳闸线圈驱动模块包括继电器控制电路和加速继电器，所述的微处理器的输出端通过继电器控制电路与加速继电器的线圈JS连接；加速继电器的常开触点JS_1并联在时间继电器的常开触点SJ_1的两端；微处理器接收到冲击波加速信号之后，即可通过继电器控制电路控制加速继电器的线圈JS通电，进而使加速继电器的常开触点JS_1闭合，此时，如图2所示，跳闸线圈TQ通电，即可跳过变压器1后备保护模块中时间继电器的延时时间，进而跳开变压器1出线侧的断路器DL_D，保证变压器1后备保护模块立即跳闸，防止背景技术中所述的4步事故演化模型发生，避免变压器1烧毁。
优选的：所述的光耦Oc的发光器的第二端通过第一限流电阻R1与加速电源的负极电连接，所述的光耦Oc的受光器的第二端通过第二限流电阻R2与信号处理机构的输入端电连接，防止回路中电流过大烧坏光耦Oc。
优选的：所述的信号处理机构包括依次连接的滤波电路、放大电路、整形电路和A/D转换电路，保证微处理器能够接收到有效的冲击波加速信号，进而保证跳闸线圈TQ通电，断路器DL_D断开，线路断电，防止变压器1烧毁。
优选的：所述的微处理器采用单片机、PLC或知识产权核IP core。
与现有技术相比，本发明所述的冲击波加速的变压器1后备保护装置的有益效果为：
首先：本发明所述的冲击波加速的变压器1后备保护装置利用成对设置的冲击波传感器可采集到母线室内的冲击波信号，不必与下级供电线路保护模块延时配合以确定故障点，保证变压器1后备保护模块立即跳闸，防止背景技术中所述的4步事故演化模型发生，避免烧毁变压器1或减少变压器1使用寿命；
其次：便于对现有设备进行改造,只需在母线室内设置多对冲击波传感器和一个冲击波信号加速模块，然后将加速继电器的常开触点JS_1并联在时间继电器的常开触点SJ_1的两端即可，便于推广；
再次：本发明保护的直接目标是变压器1，但是，变压器1后备保护模块跳闸后，还能够保护母线室内和母线上的其他设备。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
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