CN101651328B

CN101651328B - 一种并联电抗器匝间保护方法及装置

Info

Publication number: CN101651328B
Application number: CN2009101682755A
Authority: CN
Inventors: 丁扬; 刘洪涛; 李栋; 徐成斌; 李延新; 黄雄; 郝后堂
Original assignee: SHENZHEN NARI CO Ltd; State Grid Corp of China SGCC
Current assignee: SHENZHEN NARI CO Ltd; State Grid Corp of China SGCC
Priority date: 2009-08-20
Filing date: 2009-08-20
Publication date: 2011-10-05
Anticipated expiration: 2029-08-20
Also published as: CN101651328A

Abstract

本发明实施例公开了一种并联电抗器匝间保护方法及装置。本方法根据各种故障状态下零序和负序电压幅值的分布特点，采用比较零序和负序补偿电压与电抗器首端零序和负序电压幅值的方式，来实现电抗器匝间保护。本方法中基于电压分布的绝对值比较式的零序和负序方向元件判据采用或逻辑，实现了不同系统结构情况下灵敏度的互补，提高了电抗器匝间保护的灵敏度；确定了补偿度，解决了过补偿、欠补偿和补偿度难以确定的问题；比较时采用绝对值的方式，克服了动作死区，消弱了相位误差的影响，同时能保证在外部故障以及任何非正常运行工况下不误动，提高匝间保护的可靠性。

Description

一种并联电抗器匝间保护方法及装置

技术领域

本发明涉及输电线路设备领域，特别涉及一种并联电抗器匝间保护方法及装置。

背景技术

并联电抗器是超高压及以上等级输电系统中的关键设备，其运行状况对整个系统的安全运行起着决定性作用。电抗器若出现匝间短路故障后必须尽快切断电源，否则会导致电抗器绕组和铁芯烧损，损坏电抗器主设备，影响电力系统的正常运行。随着输电线路的电压等级越来越高，电力系统对超高压特高压输电线路的并联电抗器匝间短路保护提出了更高的要求。

目前已有的采用零序电流保护、比相式的零序功率方向保护、采用固定阻抗补偿的零序功率方向等电抗器匝间保护方法，都存在不同程度的灵敏度低，可靠性差的问题，不能很好的满足电抗器匝间保护的需要。当匝间短路的匝数很少时零序电流将很小，同时零序电压大小由电抗器背后系统的零序阻抗和零序电流共同决定，比相式的零序功率方向保护存在保护死区，难以保证匝间保护的灵敏度。采用固定阻抗补偿的比相式零序功率方向为了提高匝间保护的灵敏度，克服零序电压小的情况，增加一个补偿电压，补偿电压由零序电流经补偿阻抗产生。该原理的灵敏度依赖于补偿度，存在过补偿、欠补偿和补偿度难以确定的不足，也难以保证匝间保护的灵敏度和可靠性。

为了解决上述问题，提出了并联电抗器匝间短路保护零序阻抗判别方法，采用零序阻抗实现电抗器的匝间保护，该方法的可靠性和灵敏度得到很大的提高，但依然存在最小计算电流的问题，且阻抗保护要有一定的整定值，动作灵敏度低于方向性保护。另一种高压并联电抗器匝间保护的方法给出了自适应补偿阻抗的取法没有给出具体的方案，解决了常规的补偿度难以确定的问题，但存在实际的故障过程中补偿阻抗的值是不确定，补偿度的确定计算复杂的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种并联电抗器匝间保护方法及装置。本方法基于零序、负序电压分布的绝对值比较式零序方向元件、负序方向元件的匝间保护，根据各种故障状态下零序和负序电压幅值的分布特点来实现电抗器的匝间保护，具体技术方案如下：

一种并联电抗器匝间保护方法，包括：

根据电抗器系统参数，计算阻抗值；

获取电抗器系统的模拟量信息；

利用所述模拟量信息计算电抗器线路侧的电压电流的零序和负序电压电流分量；

根据所述阻抗值和分量计算补偿点的零序和负序补偿电压；

比较所述零序补偿电压和零序电压幅值，以及比较负序补偿电压与负序电压幅值；

若所述比较结果中任意一个或全部满足其对应的判别式要求，则判为匝间故障，元件可靠动作，若都不满足则元件可靠不动作，实现短路保护。

优选的，所述电抗器系统参数包括：电压互感器TV变比、首端电流互感器TA1变比、主电抗器的一次额定阻抗和小电抗一次额定阻抗。

优选的，所述计算的阻抗值包括：主电抗的二次额定阻抗ZL₁、小电抗的二次额定阻抗ZL_s0和电抗器的零序阻抗ZL₀，其中ZL₀＝ZL₁+3ZL_s0。

优选的，所述获取电抗器系统的模拟量信息包括：

数据采集单元将电流输入量转换为数字量；

数据处理单元将所述数字量进行计算，得到电抗器线路侧三相电压和电流的向量值

和I_a、

即电抗器系统统模拟量。

优选的，所述根据阻抗值和分量计算补偿点的零序和负序补偿电压的过程包括：

确定零序和负序补偿阻抗的补偿度分别为0.9；

根据公式计算得到补偿点零序电压；

根据公式

计算得到补偿点负序电压，其中，

上述公式中

为电抗器线路侧的零序电压分量、

电抗器线路侧的负序电压分量、

为电抗器线路侧的零序电流分量、

为电抗器线路侧的负序电流分量。

优选的，所述判别式为零序方向元件判据

负序方向元件判据

优选的，所述元件可靠动作为保护设备跳闸。

一种电抗器保护装置，所述装置包括：

输入单元，用于接收输入的电抗器系统参数，所述电抗器系统参数包括阻抗参数和电流参数；

阻抗计算单元，用于获取所述阻抗参数，并根据所述阻抗参数计算出主电抗的二次额定阻抗ZL₁、小电抗的二次额定阻抗ZL_s0和电抗器的零序阻抗ZL₀；

模拟量获取单元，用于获取电抗器系统的模拟量信息，所述模拟量信息包括电抗器线路侧三相电压和电流的向量值

和I_a、

分量计算单元，用于根据得到的模拟量信息计算得到电抗器线路侧电压、电流的零序和负序分量

和

补偿电压计算单元，用于将上述阻抗值和分量值进行计算，得到零序补偿电压和负序补偿电压；

比较单元，用于将零序和负序补偿电压同电抗器线路侧的零序和负序电压进行比较；

判断单元，用于比较单元的结果进行判断，当结果中至少有一个为大于时，发送执行可靠动作指令给执行单元；

执行单元，用于按照指令的指示进行可靠动作，实现保护功能。

优选的，所述模拟量获取单元包括：

数据采集单元，用于将电流参数转换为数字量，传递给数据处理单元；

数据处理单元，用于将数字量进行计算得到三相电压和电流的向量值，将结果送入分量计算单元。

从上述的技术方案可以看出，本发明公开的并联电抗器匝间保护方法中基于电压分布的绝对值比较式的零序和负序方向元件判据采用或逻辑，任一判据满足，判为电抗器匝间故障，实现了不同系统结构情况下灵敏度互补，大大提高了电抗器匝间保护的灵敏度。而且不存在最小计算电流、补偿阻抗的值不确定、补偿度的确定计算复杂、灵敏度与系统阻抗有关等问题，克服了动作死区，消弱了相位误差的影响。同时能保证在外部故障以及任何非正常运行工况下不误动，提高匝间保护的可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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为并联电抗器匝间故障的零序电压分布图；

图2为并联电抗器区内故障的零序电压分布图；

图3为并联电抗器区外故障的零序电压分布图；

图4为本发明公开的并联电抗器匝间保护装置在500kV系统电抗器保护中的应用示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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作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。

本发明实施例公开了一种并联电抗器匝间保护方法，以实现并联电抗器的匝间短路保护。本实施例以500kV系统电抗器为例，系统的对本发明公开的并联电抗器匝间保护方法及装置的应用进行描述。

图4中，1、2、3、4分别为电流互感器TA1、TA2、TA3、TA4，5为主电抗器，6为小电抗器。三相主电抗器星型连接后，通过小电抗器接地。电流互感器TA1和TA2之间为主电抗器保护范围。

本发明公开的并联电抗器匝间保护方法判断是否为匝间故障的依据为：

零序方向元件判据

| {\overset{\cdot}{U}}_{0} - {\overset{\cdot}{I}}_{0} \times 0.9 Z L_{0} | > | {\overset{\cdot}{U}}_{0} |;

负序方向元件判据

| {\overset{\cdot}{U}}_{2} - {\overset{\cdot}{I}}_{2} \times 0.9 Z L_{1} | > | {\overset{\cdot}{U}}_{2} | .

基于电压分布的绝对值比较式的零序和负序方向元件采用或逻辑，任一方向元件动作后，判为电抗器匝间故障。具体步骤如下；

1)通过输入单元输入电抗器系统参数：电压互感器TV变比、首端电流互感器TA1变比、主电抗器的一次额定阻抗、小电抗一次额定阻抗，阻抗计算单元根据这些参数计算出主电抗的二次额定阻抗ZL₁、小电抗的二次额定阻抗ZL_s0和电抗器的零序阻抗ZL₀＝ZL₁+3ZL_s0。

2)通过数据采集单元，将电流输入量转换为数字量；由数据处理单元，将数据采集单元输出的数字量进行计算，分别计算出线路侧三相电压和电流的向量值

和I_a、得到电抗器系统的模拟量信息。

3)根据上述步骤中得到的电压和电流的向量值，分别计算电抗器线路侧电压电流的零序和负序分量

和

4)确定零序和负序补偿阻抗的补偿度为0.9，利用公式

计算补偿点的零序补偿电压；利用公式计算

负序补偿电压。

5)比较补偿点的零序电压和电抗器线路侧的零序电压大小，如果

| {\overset{\cdot}{U}}_{0} - {\overset{\cdot}{I}}_{0} \times 0.9 Z L_{0} | > | {\overset{\cdot}{U}}_{0} |

则判为匝间故障。

6)比较补偿点的负序电压和电抗器线路侧的负序电压大小，如果

| {\overset{\cdot}{U}}_{2} - {\overset{\cdot}{I}}_{2} \times 0.9 Z L_{1} | > | {\overset{\cdot}{U}}_{2} |

则判为匝间故障。

7)根据判断结果，执行单元进行相应的动作，进行短路保护。

因为判别方法采用或逻辑，即步骤5)、6)中只要有一个满足就可以判为发生了匝间故障。当判断为匝间故障后，电抗器保护装置的执行部分应该可靠动作，跳开线路两端的断路器，切除系统的电源实现故障隔离，保证电抗器设备安全。本发明实施例公开的方法中，零序和负序方向元件采用的补偿电压的补偿度确定，与背后系统阻抗无关，既提高了灵敏度，又解决了过补偿、欠补偿和补偿度难以确定的问题。比较时采用绝对值的方式，克服了动作死区，消弱了相位误差的影响。

在实际应用中，电抗器除会发生匝间故障外，还有可能发生其他的短路故障，如电抗器区内不对称故障和区外不对称故障，短路故障点发生在电流互感器TA1和电流互感器TA2之间区域为主电抗的区内故障，短路故障点发生在电流互感器外TA1和电流互感器TA2之间区域以外的地方为区外故障。本发明考虑了在各种故障情况下该匝间保护方法的动作情况。由于零序方向元件和负序方向元件的动作基本相同，只是在灵敏度上存在差异，在此以零序方向元件为例具体进行分析。

1)电抗器内匝间故障

电抗器区内匝间故障后的零序等效电路图如图1所示，11为保护装置安装处，即电抗器线路侧，12为补偿点，13为短路点。由图可以看出，电抗器的保护区为电抗器线路侧11和补偿点12之间的范围。短路点13在保护区域内且在阻抗之间。其中电抗器线路侧零序电压为

零序电流为

计算补偿点的零序补偿电压为从图中零序电压的分布可以看出补偿后的零序电压幅值远大于电抗器线路侧的零序电压幅值

满足零序方向元件的动作条件，所以电抗器的保护设备应该可靠动作，跳开线路两端的断路器，切除系统的电源实现故障隔离。

2)电抗器区内不对称故障

电抗器区内不对称故障后的零序等效电路图如图2所示，21为保护装置安装处即电抗器线路侧，22为补偿点，23为短路点。由图可以看出，短路点在保护区域内但是不在阻抗之间。计算补偿点的零序补偿电压为从图中零序电压的分布可以看出补偿后的零序电压幅值

远大于电抗器线路侧的零序电压幅值

满足零序方向元件的动作条件。所以电抗器的保护设备应该可靠动作，跳开线路两端的断路器，切除系统的电源实现故障隔离。虽然不能用本发明中的方法判断出电抗器的故障为区内不对称故障，但是由于区内不对称故障后的零序电压与补偿后零序电压同样满足零序方向匝间保护方法判据，所以可以采用相同的动作进行保护。该匝间保护方法能反映电抗器的区内不对称故障

3)电抗器区外故障

电抗器区外不对称故障后的零序等效电路图如图3所示，31为保护装置安装处即电抗器线路侧，32为补偿点，33为短路点。由图可以看出，短路点在电抗器保护区域的外部，计算补偿点的零序补偿电压为从图中零序电压的分布可以看出补偿后的零序电压幅值

小于电抗器线路侧的零序电压幅值

不满足零序方向元件的动作条件。所以电抗器保护设备不动作，防止了因外部故障及任何非正常运行工作状况下引起的误动，保证系统稳定可靠运行。

需要说明的是，本发明实施例并不限定判据中绝对值符号内零序电压减去零序补偿电压这种做差方式，也可以用零序补偿电压减去零序电压，再绝对值符号下，两种方式的结果是一样的。同时本发明实施例也并不限定本发明方法的具体应用场景，只要是可以应用到并联电抗器的高压、超高压电路系统中，本方法及装置都适用。

本发明实施例提供的一种并联电抗器匝间保护方法及装置至少具有以下优点：

1)本方法中给出了确定的阻抗补偿的计算方法，补偿阻抗只与电抗器阻抗有关，与系统阻抗无关，不存在过补偿、欠补偿、补偿度难以确定的问题，提高了匝间保护的灵敏度。

2)判断依据采用绝对值的方式实现，这样当差值为负时，取得负相电压的正值进行比较，而不是单纯的从数值表面进行判断，避免发生误判，消弱了相位误差的影响，克服了动作死区，提高了动作的可靠性。

3)对故障进行分析时，内部、外部故障区分明显，防止了因外部故障及任何非正常运行工作状况下引起的误动，提高了匝间保护的可靠性。

4)本发明中基于电压分布的绝对值比较式的零序和负序判断依据采用或逻辑，任一判据满足，则判为电抗器匝间故障，实现了不同系统结构情况下灵敏度互补，大大提高了电抗器匝间保护的灵敏度。