CN100369342C - 高压并联电抗器匝间保护的方法 - Google Patents

Abstract

高压并联电抗器匝间保护的方法：由自适应补偿的零序功率方向元件、零序阻抗闭锁元件、故障开放元件、谐波闭锁元件以及具有相电流工频变化量制动与浮动门槛的匝间短路保护启动元件共同构成：(1)采用相电流工频变化量制动与浮动门槛技术的匝间短路保护起动元件；(2)自适应补偿型零序功率方向元件，发生匝间短路时，其零序源在电抗器内部，零序电压很小，为了提高匝间短路保护的灵敏度对零序电压进行补偿，自适应补偿型零序功率方向元件的动作方程；(3)故障开放元件；(4)谐波闭锁元件利用电流和电压中的工频分量与其它次谐波的比例关系，当比例关系超过一定时，增加匝间短路的动作延时并降低匝间短路保护的动作灵敏度。

Description

高压并联电抗器匝间保护的方法

一、技术领域

本发明涉及高压并联电抗器匝间保护的方法，尤其是以自适应补偿与相电流工频变化量制动、浮动门槛相结合的高压并联电抗器匝间保护的新方法。

二、背景技术

目前现有采用零序电流保护、零序电流方向保护、采用固定阻抗补偿作用的零序功率方向保护以及零序阻抗保护对高压并联电抗器匝间保护方法，但存在灵敏度低，动作速度慢，误动率高的问题：

1.零序电流保护作为高压并联电抗器匝间保护

-零序电流保护按躲过正常运行中出现的零序电流整定，保护带一定时限动作于跳闸，该时限一般与线路接地保护的后备段相配合。因此灵敏度低，且保护动作延时较长。

-其实质上只对电抗器的匝间短路起到后备保护作用。

2.零序电流方向保护作为高压并联电抗器匝间短路保护

-由于方向继电器很灵敏，保护经常发生误动作，若采用零序电流继电器予以闭锁，

并加长动作延时，其结果无异于零序电流保护。即同样存在上述缺点；

3.采用固定阻抗补偿作用的零序功率方向保护作为高压并联电抗器匝间保护

-存在过补偿和欠补偿的问题，补偿度难整定，需要靠延时躲过一些非正常的工况状态。因此保护发生容易误动或保护动作延时较长。

4.零序阻抗原理保护作为高压并联电抗器匝间保护

-采用的阻抗继电器本身存在最小计算电压和电流的问题且阻抗保护要有一定的动作整定值，因此阻抗性保护继电器的动作灵敏度不可能高于方向性保护继电器。

-串补线路短路时系统中会出现低频暂态分量以及高频暂态分量，低频分量的存在对工频分量的幅值和相位都会产生一定的影响，从而有可能影响到保护的正确动作，它能够使阻抗继电器发生暂态超越或使方向继电器失去方向性。当零序阻抗原理的匝间短路保护应用于串补线路时，对串补电容和电压互感器的位置布置有特殊要求，否则它能够使阻抗继电器发生暂态超越。另外当阻抗继电器和方向性继电器在线路发生LC谐振时，它也能够使阻抗继电器发生暂态超越或使方向继电器失去方向性。因此都需要靠延时躲过这些非正常的工况状态。

三、发明内容

本发明的目的是：提供一种新型的高压并联电抗器匝间保护原理，提高匝间保护的灵敏度，同时又能保证在各种外部短路情况下(诸如串补线路、LC谐振、振荡等因素)以及任何非正常运行工况(如非全相、TA二次回路短接或断线等)下不误动作。

本发明首次将自适应补偿原理、相电流工频变化量浮动门槛技术、故障开放原理和谐波闭琐原理引入到高压并联电抗器匝间保护，既提高了电抗器匝间故障的灵敏度和动作速度，又防止了在各种外部短路情况下以及任何非正常运行工况下的误动作。有效解决了匝间短路保护的灵敏性与可靠性的矛盾、速动性与可靠性的矛盾。

电抗器的匝间短路是一种比较多见的一种内部故障形式，当短路匝数很少时，一相匝间短路引起的三相电流不平衡，有可能很小，很难被继电保护装置检出；且不管短路匝间多大，纵差保护总是不反应匝间短路故障。为此对于高压并联电抗器必须考虑其它高灵敏度且可靠安全的匝间短路保护。

本发明高压并联电抗器匝间保护的方法：由自适应补偿的零序功率方向元件、零序阻抗闭锁元件、故障开放元件、谐波闭锁元件以及具有相电流工频变化量制动与浮动门槛的匝间短路保护起动元件共同构成：

(1)采用相电流工频变化量制动与浮动门槛技术的匝间短路保护起动元件

I₀＞kΔI_t+I_th(1)

其中：ΔI_t为浮动门槛，随着相电流变化量输出增大而逐步自动提高，k为比例常数，I_th为固定门槛，此起动判据用来开放电抗器的匝间短路保护，I₀为电抗器线路侧TA的自产零序电流。

(2)自适应补偿型零序功率方向元件

发生匝间短路时，其零序源在电抗器内部，零序电压很小，为了提高匝间短路保护的灵敏度对零序电压进行补偿，自适应补偿型零序功率方向元件的动作方程如下：

其中I₀、U₀分别为电抗器线路侧TA、TV的自产零序电流与自产零序电压，Z_b为电抗器的零序电抗，包含小接地电抗在内的电抗器零序电抗；k为浮动变化的参数，取0～0.8，它随零序电压、零序电流的大小而变化；k表示为： $0.8*\max \{0,(k_1-\frac{{3I}_0}{I_e})\},$ 其中k₁为比例常数，I_e为电抗器的二次额定电流；由于采用自适应补偿方式，能够解决常规固定补偿式零序功率方向保护所存在过补偿和欠补偿的问题，补偿度根据实际系统故障的状态自动确定。

(3)故障开放元件

匝间短路保护起动后满足以下任一条件认为是故障情况，开放匝间短路保护，相间工频变化量电压元件起动；

负序相电压大于6V；

起动后任一相电流比起动前增加；

起动后最大相电流大于1.1Ie；由于上述判据采用了电压量与电流量相结合的方法，使得TA二次回路断线与短路等异常状态、非全相运行等工况不会影响匝间短路保护的动作特性。

(4)谐波闭锁元件

利用电流和电压中的工频分量与其它次谐波的比例关系，增加匝间短路的动作延时并降低匝间短路保护的动作灵敏度；谐波闭锁原理利用电流和电压中的工频分量与其它次谐波(包括低频分量和高频分量)的比例关系，避免串补线路短路时系统中出现低频暂态分量与高频暂态分量，线路发生LC谐振和振荡等因素对匝间短路保护的影响。

(5)零序阻抗闭锁元件

在电抗器发生匝间短路和内部单相接地故障时，电抗器端口测量到的零序阻抗是系统的零序阻抗，在电抗器发生外部单相接地故障时，电抗器端口测量到的零序阻抗是电抗器的零序阻抗，利用两者测量数值上的差异用以区分电抗器的区内故障与区外故障；由于电抗器的一次零序阻抗一般在几千欧姆左右，而系统的一次零序阻抗几十欧姆左右，保护装置可以利用测量电抗器端口零序阻抗，判断是否发生匝间故障。

高压并联电抗器匝间短路保护跳闸是基于下述逻辑：零序阻抗元件动作、零序功率方向元件动作、匝间短路保护硬压板投入及匝间短路保护软压板投入的和的信号输出；此信号输出与匝间短路保护软压板投入及线路侧TA异常非与断线及TV异常的非的和构成第二信号输出；第二信号输出与匝间短路保护起动元件动作的和构成匝间短路保护跳闸信号。

具有相电流工频变化量浮动门槛的匝间短路起动元件不受系统的运行方式和工况等影响，灵敏度很高，起动定值由装置内部设定，无需用户整定。对其他一些非正常运行工况(区外故障连续扰动、非全相、系统振荡、LC谐振等)，零序电流不平衡值的增大，采用相电流浮动门槛躲过不平衡电流。因此匝间短路保护只需按躲过正常运行时不平衡电流整定，比传统保护定值大为减小，灵敏度得到了较大提高。

当电抗器内部匝间短路故障时，零序电流的相位超前零序电压接近90度；当电抗器内部单相接地短路故障时，零序电流的相位超前零序电压；当电抗器外部单相接地短路故障时，零序电流的相位落后零序电压。因此可以利用电抗器内部匝间短路故障、内部单相接地故障和电抗器外部单相接地故障时，电抗器线路侧零序电流与零序电压的相位关系来区分电抗器的匝间短路、内部接地短路和电抗器外部接地短路。由于系统的零序阻抗相对于电抗器的零序阻抗而言非常小，当发生匝间短路时，其零序源在电抗器内部，零序电流在系统零序阻抗上的压降(零序电压)很小，为了提高匝间短路保护的灵敏度需要对零序电压进行补偿。

本发明的有益效果是：由于采用了上述全新的电抗器匝间短路保护方法，匝间短路保护的灵敏度很高，其最小零序电流动作值为0.1I_e(相当于1.5％的匝间短路)，动作速度也很快(小于60ms)；而在一些暂态过程中不误动作，例如：线路(或串补线路)非全相运行、线路(或串补线路)发生接地故障后重合闸再重合、开关非同期、带线路(或串补线路)空充电抗器、线路两侧开关跳开后的LC振荡、区外故障伴随系统振荡等。这使得匝间短路保护的速动性与安全性、可靠性与灵敏度同时兼顾。

四、附图说明

图1为本发明匝间短路保护的逻辑框图

五、具体实施方式

根据图1和上述方法，

匝间短路起动元件具有相电流工频变化量浮动门槛，

I₀＞kΔI_t+I_th

其中：ΔI_t为浮动门槛，随着相电流变化量输出增大而逐步自动提高，k为某一比例常数，本例中取为0.2。ΔI为相电流的半周积分值，I_th为固定门槛。整个起动元件保证在零序电流大于0.1I_e(电抗器二次额定电流)时，起动元件能够动作。此起动元件用来开放电抗器的匝间短路保护。通过上述起动元件的动作方程可以看出，在电抗器空投时或线路故障切除重合闸再重合时，零序电流起动元件的门槛是浮动变化的。

本发明的自适应补偿型零序功率方向元件的动作方程如下：

其中I₀、U₀分别为电抗器线路侧TA、TV的自产零序电流与自产零序电压，Z_b为电抗器的零序电抗(包含小接地电抗在内的电抗器零序电抗)。k为浮动变化的参数(0～0.8)，它随零序电压、零序电流的大小而变化。k可表示为： $0.8*\max \{0,(k_1-\frac{{3I}_0}{I_e})\},$ 其中k₁为某一比例常数，本例中取为1.2。通过自适应补偿型零序功率方向元件的动作方程可以看出在零序电流较大时，补偿系数k是逐渐减少的，最小为0。另外在零序电压较大时，也不进行补偿。这样可以解决固定补偿方式中的过补偿与欠补偿问题。

故障开放判据

匝间短路保护起动后满足以下任一条件认为是故障情况，开放匝间短路保护，否则认为是TA(电流互感器)断线、短接、误碰，TV(电流电压感应)异常等异常状态和非全相运行等工况造成的匝间短路保护起动。

相间工频变化量电压元件起动；

负序相电压大于6V；

起动后任一相电流比起动前增加；

起动后最大相电流大于1.1Ie。

谐波闭锁判据

利用电流和电压中的工频分量与其它次谐波(包括低频分量和高频分量)的比例关系，当比例关系超过一定时，增加匝间短路的动作延时并降低匝间短路保护的动作灵敏度。从而避免串补线路短路时系统中出现低频暂态分量与高频暂态分量，线路发生LC谐振和振荡等因素对匝间短路保护的影响。

零序阻抗闭锁判据

在电抗器发生匝间短路和内部单相接地故障时，电抗器端口测量到的零序阻抗是系统的零序阻抗，在电抗器发生外部单相接地故障时，电抗器端口测量到的零序阻抗是电抗器的零序阻抗，利用两者测量数值上的差异用以区分电抗器的区内故障与区外故障；

高压并联电抗器匝间短路保护跳闸是基于下述逻辑：由零序阻抗判据动作、零序功率方向判据动作、匝间短路保护硬压板投入及匝间短路保护软压板投入的和构成第一信号输出；线路侧TA异常与断线的非、TV异常的非与第一信号输出的和构成第二信号；第二信号输出与匝间短路保护起动判据动作的和构成匝间短路保护跳闸信号。

Claims (1)

1.高压并联电抗器匝间保护的方法：其特征是由自适应补偿的零序功率方向、零序阻抗闭锁判据、故障开放判据、谐波闭锁判据以及具有相电流工频变化量制动与浮动门槛的匝间短路保护起动判据共同构成：

(1)采用相电流工频变化量制动与浮动门槛技术的匝间短路保护起动判据：

                      I₀＞kΔI_t＋I_th

其中：ΔI_t为浮动门槛，随着相电流变化量输出增大而逐步自动提高，k为比例常数，I_th为固定门槛，此起动判据用来开放电抗器的匝间短路保护，I₀为电抗器线路侧TA的自产零序电流；

(2)自适应补偿型零序功率方向判据

发生匝间短路时，其零序源在电抗器内部，零序电压很小，为了提高匝间短路保护的灵敏度对零序电压进行补偿，自适应补偿型零序功率方向判据的动作方程如下：

其中I₀、U₀分别为电抗器线路侧TA、TV的自产零序电流与自产零序电压，Z_b为电抗器的零序电抗，包含小接地电抗在内的电抗器零序电抗；k为浮动变化的参数，取0～0.8，它随零序电压、零序电流的大小而变化；k表示为： $0.8*\max \{0,(k_1-\frac{{3I}_0}{I_e})\},$ 其中k₁为比例常数，I_e为电抗器的二次额定电流；

(3)故障开放判据

匝间短路保护起动后满足以下任一条件认为是故障情况，开放匝间短路保护，

相间工频变化量电压判据起动；

负序相电压大于6V；

起动后任一相电流比起动前增加；

起动后最大相电流大于1.1Ie；

(4)谐波闭锁判据

利用电流和电压中的工频分量与其它次谐波的比例关系，增加匝间短路的动作延时并降低匝间短路保护的动作灵敏度；

(5)零序阻抗闭锁判据

在电抗器发生匝间短路和内部单相接地故障时，电抗器端口测量到的零序阻抗是系统的零序阻抗，在电抗器发生外部单相接地故障时，电抗器端口测量到的零序阻抗是电抗器的零序阻抗，利用两者测量数值上的差异用以区分电抗器的区内故障与区外故障；

高压并联电抗器匝间短路保护跳闸是基于下述逻辑：由零序阻抗判据动作、零序功率方向判据动作、匝间短路保护硬压板投入及匝间短路保护软压板投入的和构成第一信号输出；线路侧TA异常与断线的非、TV异常的非与第一信号输出的和构成第二信号；第二信号输出与匝间短路保护起动判据动作的和构成匝间短路保护跳闸信号。

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