用于检测风力涡轮机的变压器中的故障的检测设备和方法

摘要

描述了一种用于检测风力涡轮机（1）的变压器（10）中的故障的检测设备和方法，其中，变压器（10）将从风力涡轮机（1）的发电机（5）输出到变压器（10）的低电压侧处的较低电压变换为在高电压侧处从变压器（10）输出的较高电压，检测设备包括：电压检测设备（11），其被配置成检测变压器（10）的低电压侧处的第一节点（12）处的电压；电流检测设备（11），其被配置成检测变压器（10）的高电压侧处的第二节点（13）处的电流。检测设备被配置成基于检测到的电压和检测到的电流来检测变压器（10）中的故障。

说明书

技术领域

本发明涉及风力涡轮机的领域。常规的风力涡轮机包括多个元件，所述多个元件包括塔（tower）、安装到塔的短舱（nacelle）和具有安装到短舱的可旋转的多个叶片（blade）的转子。风力涡轮机还包括发电机，发电机通过转子的旋转运动生成AC电压。变压器将电压从一个水平变换到另一水平，例如由发电机生成的低电压到较高电压。较高电压也被称为“中（medium）电压”。“中电压”是通常已知的1 kV至36 kV之间的电压。

特别地，本发明涉及检测风力涡轮机的变压器中的故障的检测设备和方法。

发明内容

可能存在对于低成本检测设备的需要，该低成本检测设备使能对变压器中发生的故障的可靠检测。该需要可以通过根据独立权利要求的主题来满足。本发明如从属权利要求中记载的那样进一步开发。

根据本发明的第一方面，提供了一种用于检测风力涡轮机的变压器中的故障的检测设备，其中，变压器将电压从一个水平变换到另一水平，从例如变压器的低电压侧处从风力涡轮机的发电机输出的较低电压变换到高电压侧处从变压器的输出的较高电压。检测设备包括电压检测设备，被配置成检测变压器的低电压侧处的第一节点处的电压；以及电流检测设备，被配置成检测变压器的高电压侧处的第二节点处的电流。检测设备被配置成基于检测到的电压和检测到的电流来检测变压器中的故障。控制设备包括逻辑电路，其中，控制设备被配置成如果逻辑电路检测到以下条件中的至少一个则断开线路开关：如果电压检测设备检测到零序电压（zero-sequence voltage）或超过特定阈值的零序电压以及电压不平衡，则在低电压侧处的断相（open phase）；以及如果电压检测设备检测到无零序电压或零序电压降到特定阈值以下以及电压不平衡，则在高电压侧处的断相。

中性点（neutral point）之间可以存在电压差，其作为已知的专业术语terminustechnicus）被称为零序电压。其量取决于电网中阻抗的不相等性（inequality）。

在平衡的多相系统中，相电压基本上是相等的。相电压的不相等性导致作为已知的专业术语的电压不平衡，即，电压失衡是相之间的电压差的测量。

有利地，本发明对任何风力涡轮机技术有效，而不管风力涡轮机大小、电网频率和其连接的电压如何，具有以下必要条件（requisite）：风力涡轮机包括在其上的电力变压器，使得在不同的电压水平中完成发电和输出到电网。此外，在变压器所连接的低电压侧和高电压侧两者处，系统不能是具有与大地隔离的中性（neutral）的系统。第三必要条件是风力涡轮机具有以利用外部信号被控制的可能性能够中断变压器的输出线路的线路开关（line switch）。

术语“高电压”不一定意味着是大于特定值的电压，并且术语“低电压”不一定意味着是小于特定值的电压。代之以，术语“高电压”和“低电压”应被理解为高电压大于低电压。低电压可以具有大约690 V的值，而高电压可以具有例如在1 kV与36 kV之间的几 kV的值。高电压有时也被指定为“中电压”。

优选地，检测设备还包括控制设备，该控制设备被配置成基于检测到的电压和检测到的电流来断开线路开关，从而中断变压器的输出线路。

优选地，控制设备被配置成如果以下条件中的至少一个发生则断开线路开关：通过电压检测设备检测到过电压，通过电流检测设备检测到过电流并且低电压侧处或高电压侧处的频率与相应目标频率之间的差超过阈值。在这方面，电压检测设备还检测变压器的低电压侧处的第一节点处的电压的频率，和/或电流检测设备还检测变压器的高电压侧处的第二节点处的电流的频率。

优选地，控制设备被配置成如果电流检测设备检测到相过电流、零序过电流和负序过电流中的至少一个，则断开线路开关。

优选地，控制设备被配置成如果电压检测设备检测到限定水平之上的总谐波失真（THDv）、零序或中性电压以及欠压（undervoltage）中的至少一个，则断开线路开关。

优选地，控制设备被配置成如果外部跳闸信号（trip signal）被输入到控制设备中则断开线路开关。外部跳闸信号可以来自相同风力涡轮机的控制设备、来自安装在风力涡轮机中的另一保护设备或者来自手动跳闸（manual tripping）。

优选地，检测设备还包括线路开关，其布置在高电压侧处的第二节点后面的变压器的输出线路中。

根据本发明的第二方面，风力涡轮机包括根据本发明的检测设备。

根据本发明的第三方面，提供了一种检测风力涡轮机的变压器中的故障的方法，其中，变压器将变压器的低电压侧处从风力涡轮机的发电机输出的较低电压变换为高电压侧处从变压器输出的较高电压。该方法包括以下步骤：电压检测步骤以检测变压器的低电压侧处的第一节点处的电压；以及电流检测步骤以检测变压器的高电压侧处的第二节点处的电流。该方法基于检测到的电压和检测到的电流来检测变压器中的故障。控制步骤在以下条件中的至少一个条件下断开线路开关：如果电压检测步骤检测到零序电压或超过特定阈值的零序电压以及电压不平衡，则在低电压侧处的断相；以及，如果电压检测步骤检测到无零序电压或零序电压降到特定阈值以下以及电压不平衡，则在高电压侧处的断相。

优选地，该方法还包括控制步骤以基于检测到的电压和检测到的电流来断开线路开关，从而中断第二节点后面的变压器的输出线路。

优选地，如果以下条件中的至少一个发生，则控制步骤断开线路开关：在电压检测步骤中检测到过电压，在电流检测步骤中检测到过电流并且在低电压侧处或高电压侧处的频率与相应目标频率之间的差超过阈值。

优选地，如果在电流检测步骤中检测到相过电流、零序或中性过电流和负序过电流中的至少一个，则控制步骤断开线路开关。

优选地，如果在电压检测步骤中检测到限定水平之上的总谐波失真（THDv）、零序或中性电压以及欠压中的至少一个，则控制步骤断开线路开关。

优选地，如果输入外部跳闸信号，则控制步骤断开线路开关。

用于实现本发明的主要部件是商业上可获得的，使得可以在低成本下实现根据本发明的方案。

必须指出，已经参考不同的主题描述了本发明的实施例。特别地，已经参考装置类型权利要求描述了一些实施例，而已经参考方法类型权利要求描述了其他实施例。

然而，本领域技术人员将从以上和以下描述收集，除非另有说明，除了属于一种类型的主题的特征的任何组合之外，与不同主题相关的特征之间的任何组合，特别是装置类型权利要求的特征与方法类型权利要求的特征之间的任何组合，也被认为是通过本申请公开的。

附图说明

本发明的上面限定的方面和另外的方面从下文描述的实施例的示例是清楚的并且参考实施例的示例进行了解释。下文将参考实施例的示例更详细地描述本发明，但是本发明并不局限于此。

图1示出了风力涡轮机和其不同元件；

图2示出了包括根据本发明的实施例的检测设备的示意性电路图；

图3示出了根据本发明的实施例的用于控制线路开关的示意性逻辑电路；以及

图4示出了根据本发明的另一实施例的用于控制线路开关的示意性逻辑电路。

具体实施方式

附图中的图示是示意性的。注意，在不同的图中，相似或相同的元素被提供有相同的参考标记。

图1示出了风力涡轮机1。风力涡轮机1包括短舱3和塔2。短舱3安装在塔2的顶部。短舱3借助于偏航轴承（yaw bearing）相对于塔2可旋转地安装。相对于塔2的短舱3的旋转轴被称为偏航轴（yaw axis）。

风力涡轮机1还包括具有三个转子叶片6（图1中描绘了其中的两个转子叶片6）的轮毂（hub）4。轮毂4借助于主轴承7相对于短舱3可旋转地安装。轮毂4围绕转子旋转轴8可旋转地安装。

风力涡轮机1还包括发电机5。发电机5继而包括将发电机5与轮毂4连接的转子。轮毂4直接连接到发电机5，因此风力涡轮机1被称为无齿轮直接驱动风力涡轮机。这种发电机5被称为直接驱动发电机5。作为替代，轮毂4也可以经由齿轮箱连接到发电机5。该类型的风力涡轮机1被称为齿轮传动（geared）风力涡轮机。本发明适合于两种类型的风力涡轮机1。

发电机5容纳在短舱3内。发电机5被布置并准备用于将来自轮毂4的旋转能量转换成AC电力形式（shape）的电能。

图2示出了包括根据本发明的实施例的检测设备的示意性电路图。该检测设备通常布置在塔2内并被配置成检测风力涡轮机1的变压器10中的故障。变压器10布置在短舱3内。本发明也适用于变压器10不布置在短舱3内，而是布置在塔2内或者甚至布置在风力涡轮机1外部的基部上或基部中的风力涡轮机。变压器10将变压器10的低电压侧处从风力涡轮机1的发电机5输出的较低电压变换为高电压侧处从变压器10输出的较高电压。

检测设备被布置成检测风力涡轮机1的变压器10中的故障。这种故障可以是低电压侧处和/或高电压侧处的断相。术语“断相”意味着开路。这种故障也可以包括短路，诸如在低电压侧处和/或在高电压侧处的所谓的匝间（turn-to-turn）故障。故障还可以包括在相和地之间的短路或者在低电压侧处和/或高电压侧处的相到相（phase-to-phase）短路。

如果检测到故障，则经由跳闸信号线路19输出跳闸信号，从而触发线路开关14。线路开关14中断变压器10的输出线路15。线路开关14可以是独立开关或除现有开关之外的备用开关。

检测设备包括被配置成检测变压器10的低电压侧处的第一节点12处的电压的电压检测设备11、被配置成检测变压器10的高电压侧处的第二节点13处的电流的电流检测设备11以及布置在高电压侧处的第二节点13后面的变压器10的输出线路15中的线路开关14。

检测设备还包括控制设备11，其被配置成基于检测到的电压和检测到的电流来断开线路开关14，从而中断变压器10的输出线路15。如果如下满足某些条件，则执行输出线路15的中断，这在下面讨论。

控制设备11被配置成如果以下条件中的至少一个发生则断开线路开关14：电压检测设备11检测到过电压，电流检测设备11检测到过电流，并且低电压侧处或高电压侧处的频率与相应目标频率之间的差超过阈值。如果低电压侧处的电压超过第一阈值，则可以检测到过电压。如果高电压侧处的电流超过第二阈值，则可以检测到过电流。

如果需要检测频率，则电压检测设备11不仅检测电压的幅度，还检测变压器10的低电压侧处的第一节点12处的电压的频率，和/或电流检测设备11不仅检测电流的幅度，还检测变压器10的高电压侧处的第二节点13处的电流的频率。

另外，控制设备11被配置成，如果电流检测设备11检测到相过电流、零序或中性过电流以及负序过电流中的至少一个，则将线路开关14断开。如果高电压侧处的相电流、零序或中性电流以及负序电流中的至少一个超过特定的阈值，则可以检测到这些过电流。

作为差电流（differential current）的零序或中性电流可以从引入到电系统中的保护相（protective phase）之外的所有相的电流的和来计算，或者可以在电系统的一点处测量它，作为在该点处的所有活跃相（active phase）的电流的矢量和（vectorial sum）。例如，这种电流可以由于绝缘故障而发生。

负序过电流是例如在三相电系统中的不对称故障的指标 非对称故障可能导致在三相系统中的具有不相等相移的不相等电流。由于变压器内的开路或短路的存在，可能发生非对称故障。开路和短路可能导致变压器中的非对称故障。

此外，控制设备11被配置成如果电压检测设备11检测到限定水平之上的总谐波失真（THDv）、零序或中性电压以及欠压中的至少一个，则断开线路开关14。如果低电压侧处的电压下降到低于第三阈值，则可以检测到欠压。如果零序或中性电压的值超过第四阈值，则可以检测到零序或中性电压。

可以检测限定水平之上的总谐波失真（THDv），并且如果其值超过第五阈值，则触发保护。总谐波失真（THDv）是信号中的谐波失真的指标。总谐波失真（THDv）被定义为所有谐波分量的功率的和与基频的功率的比。

此外，控制设备11被配置成如果外部跳闸信号经由外部跳闸信号线路17输入到控制设备11中，则断开线路开关14。该外部跳闸信号由外部控制装置（未示出）来生成。

控制设备11由电源线路16供电。电源线路16可以由不中断电源（UPS）来馈送。控制设备11连接到数据输出线路18。数据输出线路18可以包括通信总线和数字输出接口。可以实现远程访问以从检测设备获得信息，并且可以改进诊断和鉴定（forensic）能力。此外，控制设备11连接到人机接口，使得控制设备11和中断条件可以被配置成满足用户或客户要求。

图3示出了根据本发明的实施例的包括在用于控制线路开关14的控制设备11中的示意性逻辑电路。在该实施例中，检测低电压侧处的断相。逻辑电路包括电压不平衡检测块21零序或中性电压检测块20和与（AND）门22。控制设备11被配置成如果逻辑电路检测到低电压侧处的断相，则断开线路开关14。如果电压检测设备11通过零序或中性电压检测块20检测到零序电压超过特定阈值以及通过电压不平衡检测块21检测到电压不平衡超过特定阈值，则进行该检测。

图4示出了根据本发明的另一实施例的用于控制线路开关的示意性逻辑电路。在该实施例中，检测高电压侧处的断相。逻辑电路包括电压不平衡检测块24、零序电压检测块23和与门25。控制设备11被配置成如果逻辑电路检测到高电压侧处的断相，则断开线路开关14。如果电压检测设备11通过零序电压检测块23检测到零序电压下降低于特定阈值并且通过电压不平衡检测块24检测到电压不平衡超过特定阈值，则进行该检测。

用于使线路开关跳闸的定义和设置可以通过对风力涡轮机进行建模来学习。风力涡轮机的行为可以使用特定的模拟模型来模拟。为了一些保护，可以定义设置，考虑针对风力涡轮机的最具限制性（在时间和水平上）的转变和操作条件的包线（envelope）上的一些安全因素。为了高THDv保护，可以进行类似的方法。

其他逻辑保护算法可以取决于变压器特性：连接组、接地（earthing）系统等。

设置的验证过程可以包括以下步骤：

-基于特殊条件下的泄漏电抗（leakage reactance）使用最近开发的用于变压器的模型通过先进的电气模拟软件来模拟系统；

-基于有限元（FE）模拟与变压器制造商的详细设计模型的比较；

-通过在制造商测试台架（tests bench）处执行的小规模测试的评估；

-实际规模测试和现场操作中的最终验证。

应当注意，术语“包括”不排除其他元素或步骤，并且“一”或“一个”不排除多个。此外，可以组合与不同实施例相关联地描述的元素。还应当注意，权利要求中的参考标记不应当被解释为限制权利要求的范围。