CN103515924B - 串联电抗器保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种串联电抗器保护装置及方法，方法基于保护装置实现，根据需要抑制的谐波次数设定串联电抗器与电容器的容量比，进一步得出标准阻抗比以及阻抗比误差值；通过采集母线电压值、并联电容电压值以及回路电流值计算回路的实际阻抗比；判断实际阻抗比是否超出设定阻抗比误差值，当实际阻抗比与标准阻抗比差值的绝对值超出设定阻抗比误差值时，发出报警信号并将串联电抗器退出系统回路。本发明克服了现有并联电容补偿装装置中串联电抗的安全运行问题，不仅可以解决串联电抗器绕组线包间短路问题，也可以解决串联电抗器匝间、层间短路问题，从而保障串联电抗器的安全运行。

Description

串联电抗器保护方法

技术领域

本发明涉及一种电力系统并联电容器无功补偿领域，特别是一种应用在并联电容器无功补偿系统中的保护装置及保护方法。

背景技术

电力系统中所使用的电抗器多分为串联电抗器和并联电抗器，其中串联电抗器多用在滤波回路中与电容器串联或者并联连接来限制电网中的高次谐波，从而达到保护电容器的目的。串联电抗器与电容器一样是对过电压、过电流和高次谐波十分敏感的器件，如果串联电抗器使用不当，容易发生损坏甚至烧毁，因此电力系统并联电容补偿装置基本上采用串联电抗器后置的接线型式，并采用继电保护装置对并联电容器装置进行保护。

但是在系统运行过程中，当串联电抗器发生匝间短路、层间短路、绕组线包间短路以及串联电抗器与电容器连接软线对地短路时，串联电抗器被全部或部分旁路，由于系统电压保持不变，使滤波器支路总电抗值增大、短路电流减小，短路电流且小于滤波器正常的工作电流，电容器端电压降低，因此在继电保护装置中反映电流增量的速断和过电流保护不会动作、以母线电压为基准的电压保护也不会动作、电容器本体差压保护也不会动作，以致现在使用的继电保护无法识别这种故障而形成运行保护死区。更为严重的是，因电容器、串联电抗器距离较近，在串联电抗器烧损以致着火，若危及电容器组、引起电容爆炸，将酿成严重的供电责任事故。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是提供一种能够解决串联电抗器绕组包间短路、匝间短路以及层间短路的保护装置及保护方法，从而保障串联电抗器的安全运行。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

串联电抗器保护装置，包括开关电源、MCU处理电路、模拟信号转换电路、用于采集串联电抗器所接回路母线电压值的母线PT、用于采集并联电容器电压值的放电PT以及用于采集所接回路电流值的电流互感器，所述母线PT、放电PT以及电流互感器的输出端分别与模拟信号转换电路的输入端连接，模拟信号转换电路的输出端连接MCU处理电路的输入端；MCU处理电路的输出端经开关量输出电路连接串联电抗器的投切开关。

本发明的改进在于：所述MCU处理电路的输入端连接有开关量输入电路。

本发明的进一步改进在于：所述MCU处理电路的输出端连接有与电力系统后台控制中心通过电缆相互通信的通信接口电路。

串联电抗器保护方法，具体包括以下步骤：

A.根据需要抑制的谐波次数设定串联电抗器与并联电容器的容量比，进一步得出标准阻抗比以及阻抗比误差值；

B.分别采集串联电抗器所接回路的母线电压值、串联电抗器所接回路中的并联并联电容器电压值以及所接回路电流值；

C.结合步骤B采集的母线电压值、并联电容器电压值以及所接回路电流值计算所接回路的实际阻抗比；

D.根据步骤A所得的标准阻抗比以及步骤C所得的实际阻抗比进行分析，当实际阻抗比与标准阻抗比差值的绝对值超出设定阻抗比误差值时，发出报警信号，并将串联电抗器退出所接回路。

所述串联电抗器保护方法基于串联电抗器保护装置实现，所述串联电抗器保护装置包括开关电源、MCU处理电路、模拟信号转换电路、用于采集串联电抗器所接回路母线电压值的母线PT、用于采集并联电容器电压值的放电PT以及用于采集所接回路电流值的电流互感器，所述母线PT、放电PT以及电流互感器的输出端分别与模拟信号转换电路的输入端连接，模拟信号转换电路的输出端连接MCU处理电路的输入端；MCU处理电路的输出端经开关量输出电路连接串联电抗器的投切开关；具体保护方法为：

A.MCU处理电路根据需要抑制的谐波次数设定串联电抗器与并联电容器的容量比，进一步得出标准阻抗比以及阻抗比误差值；

B.通过母线PT采集串联电抗器所接回路的母线电压值，通过放电PT采集串联电抗器所接回路中的并联电容器电压值，通过所接回路中的电流互感器采集所接回路电流值；

C.模拟信号转换电路将步骤B采集的母线电压值、并联电容器电压值以及所接回路电流值转换为MCU处理电路所能处理的信号传输给MCU处理电路，MCU处理电路根据采集的信号计算所接回路的实际阻抗比；

D.MCU处理电路对标准阻抗比以及实际阻抗比进行分析，当实际阻抗比与标准阻抗比差值的绝对值超出设定阻抗比误差值时，通过开关量输出电路发出报警信号，并通过开关量输出电路控制连接串联电抗器的投切开关动作将串联电抗器退出所接回路。

由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：

本发明克服了现有并联电容补偿装装置中串联电抗的安全运行问题，不仅可以解决串联电抗器绕组线包间短路问题，也可以解决串联电抗器匝间、层间短路问题，从而保障串联电抗器的安全运行。

附图说明

图1是本发明所述保护装置的结构框图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明：

在并联电容器以及串联电抗器形成的系统回路中，母线电压U_M与并联电容器电压U_C同向量，串联电抗器电压U_L向量超前180°，回路电流值I超前90°。

串联电抗器两端的电压为：U_L＝I×Z_L

其中Z_L为串联电抗器的阻抗值：Z_L＝2πf·_L

由上式可以得出，在一定频率条件下，串联电抗器阻抗的大小取决于其电感值，由电感的特性可知，当串联电抗器发生匝间短路或者层间短路故障时，其电感器会减小，故串联电抗器的阻抗值也会随之减小，系统回路的总阻抗值增大，回路的电流值则会降低，串联电抗器以及并联电容器两端的电压值都相应减小。因此串联电抗器的匝间短路和层间短路故障不会导致过流、过压、失压等保护的动作，即传统的保护对串联电抗器的匝间短路或层间短路故障没有保护作用。

在系统设计过程中，串联电抗器和并联电容器是按照一定的容量比进行选择的：

$n=\frac{Q_L}{Q_C}\×100\%$

式中：Q_L为串联电抗器的容量，

Q_C为并联电容器的容量，

n为容量比。

串联电抗器容量为：

并联电容器容量为：

式中：U_cn为并联电容器额定电压，U_ln为串联电抗器额定电压，f为频率，L为串联电抗器的电感值，C为并联电容器的电容值，将上述两式代入容量比公式得：

$n=\frac{1}{{\left(2\mathrm{\π}f\right)}^{2}LC}\×100\%$

由上式可见，容量比n在固定频率下与串联电抗器的电感值L以及并联电容器的电容值C成反比例关系。当串联电抗器的电感值发生变化时，容量比n同时发生变化。

在串联电抗器以及并联电容器系统设计时，根据主要抑制的谐波次数对容量比进行限定，以确定标准的容量比。容量比一旦确定，系统的阻抗比也即确定。例如：系统主要用于抑制三次谐波，那么容量比的设计标准则定为12％，此时标准阻抗比也为12％；如用于抑制五次谐波，那么容量比的设计标准则定为4％，此时标准阻抗比也为4％等等。

本发明即是基于阻抗比等同于容量比这一特性，解决串联电抗器出现匝间短路或层间短路时损坏串联电抗器的问题。

又知：Q_L＝U_L·I

Q_C＝U_C·I

式中：U_L为串联电抗器两端电压的有效值，

U_C为并联电容器两端电压的有效值，

I为回路电流的有效值，

故，

因此通过采集母线电压值U_M以及并联电容器两端的电压值U_C即可计算得出实际容量比。

本发明所述的串联电抗器保护装置是对上述原理的具体实现，其结构框图如图1所示，包括母线PT、放电PT、电流互感器、开关电源、MCU处理电路、模拟信号转换电路、开关量输入电路、开关量输出电路以及通信接口电路。母线PT并联连接在串联电抗器所接的系统回路中，用于采集串联电抗器所接回路的母线电压值U_M；放电PT并联连接在并联电容器两端，用于采集并联电容器的电压值U_C；电流互感器用于采集所接回路的电流值I；母线PT、放电PT以及电流互感器的输出端分别与模拟信号转换电路的输入端连接，模拟信号转换电路的输出端连接MCU处理电路的输入端，MCU处理电路的输入端还连接与开关量输入电路；MCU处理电路的输出端经开关量输出电路连接串联电抗器的投切开关，用于控制串联电抗器的投切；MCU处理电路的输出端还与通信接口电路连接，通过通信接口电路与电力系统后台控制中心通过电缆相互通信。

其中开关电源为独立设置的开关电源，用于向MCU处理电路、模拟信号转换电路、开关量输入电路、开关量输出电路以及通信接口电路供电。开关电源的输入电压为AC220V、DC220V或DC110V，输出电压为+24V、±12V、+5V。另外，本发明所述保护装置的外壳上还可配有+5V电压监视指示灯，用于监视开关电源的工作状况。

MCU处理电路采用表面贴装技术，以功能强大的单片机为核心辅以大规模可编程逻辑器件构成一个功能强大的处理电路，MCU处理电路中还包括用于存放程序的快闪存储器、用于存放定值的电可擦除存储器、用于存放数据的静态随机存储器以及输入输出、通信控制器、模数转换器和一些中小规模逻辑器件，其中关键电路如频率检测电路等采用了全数字化设计，避免了模拟电路漂移大，温度特性差等一些固有缺陷。整个MCU处理电路不设任何调节回路，所有调节均由软件自动完成，方便生产调试，大大地提高了可靠性。另外，MCU处理电路采用多层PCB板设计方式，可以大大地降低整个模件的噪声水平，从而提高了测量精度和运行可靠性。

模拟信号转换电路的作用有二：其一是将一次设备电流互感器副边引来的电流转变成MCU处理电路所允许的电压信号；其二是将一次设备电压互感器副边引来的电压转变成MCU处理电路所允许的电压信号。

开关量输入电路主要用于采集远方断路器的分合闸工作状态。

开关量输出电路主要在MCU处理电路的指令下完成保护出口、就地或远方控制断路器的分闸、合闸工作状态，还可提供空接点给中央信号屏，用于监视重合闸动作和保护出口动作。

通信接口电路主要设置有RS485网络接口，用于与电力系统后台控制中心进行相互通信。

本发明所述的保护装置，其内部通讯规约为V2.0，可通过通信管理单元(可选)转换成DNP3.0，MODBUS，PROFIBOS，LONWORKS等通信协议。通信介质为屏蔽双绞线，组网方式为总线方式，首、末台装置通信口必须加装120Ω/0.25W的网络匹配电阻，屏蔽层在通信管理单元上接地。

本发明所述的串联电抗器保护装置其主要功能是实现串联电抗器的保护，应用此保护装置对串联电抗器进行保护的具体方法主要包括以下步骤：

A.MCU处理电路根据需要抑制的谐波次数设定串联电抗器与并联电容器的容量比，进一步得出标准阻抗比以及阻抗比误差值。例如：标准阻抗比选定为12％，阻抗比误差值设定为3％。

B.通过母线PT采集串联电抗器所接回路的母线电压值U_M，通过放电PT采集串联电抗器所接回路中的并联电容器电压值U_C，通过连接在所接回路中的电流互感器采集所接回路的电流值I。

C.将步骤B采集的母线电压值、并联电容器电压值以及所接回路电流值通过模拟信号转换电路转换为MCU处理电路所能处理的信号传输给MCU处理电路，MCU处理电路根据采集的信号计算所接回路的实际容量比，即可得出实际阻抗比。

D.MCU处理电路对标准阻抗比以及实际阻抗比进行分析，当实际阻抗比与标准阻抗比差值的绝对值超出设定阻抗比误差值时，通过开关量输出电路发出报警信号，并通过开关量输出电路控制连接串联电抗器的投切开关动作将串联电抗器退出所接回路，从而起到对串联电抗器进行保护的作用。

本发明所述的串联电抗器保护装置不仅能够根据系统的实际运行情况对串联电抗器进行投退保护，还具有以下功能。

1)失压保护

当电压低于整定值时，相应的定时器启动，当定时器时间大于整定时间时，保护动作。

2)过压保护

当电压高于整定值时，相应的定时器启动，当定时器时间大于整定时间时，保护动作。

3)定时限过流保护

定时限过流保护作为串联电抗器后备保护。接于串联电抗器二次回路中，保护可有两段定值，每段电流和时限均可单独整定。

4)零序电压保护

当零序电压大于整定值时，相应的定时器启动，返回系数大于0.94，当定时器时间大于整定时间时，保护动作。

5)电流变化率保护

电流变化率保护作为串联电抗器后备保护，以电流互感器二次值为基准，根据串联电抗器故障时引起的负荷电流变化趋势，设定当电流负向变化时保护动作。为避免因系统电压波动引起保护误动，以母线电压变化率为闭锁条件，当母线电压变化的方向与负荷电流的变化方向一致，且变化幅度接近时，闭锁保护。电流变化率判断间隔：10ms。定值设定范围：0.5—10A，定时设定范围：0—99.99s。

6)电压变化率保护

以电容电压为基准，根据串联电抗器故障时引起的电容电压变化趋势，设定当电压负向变化时保护动作。为避免因系统电压波动引起保护误动，以母线电压变化率为闭锁条件，当母线电压变化的方向与电容电压的变化方向一致，且变化幅度接近时，闭锁保护。电压变化率判断间隔：10ms。定值设定范围：0-100V，定时设定范围：0—99.99s。

Claims (1)

1.串联电抗器保护方法，其特征在于：该方法用于并联电容器无功补偿系统中，基于串联电抗器保护装置实现，所述串联电抗器保护装置包括开关电源、MCU处理电路、模拟信号转换电路、用于采集串联电抗器所接回路母线电压值U_M的母线PT、用于采集并联电容器电压值U_C的放电PT以及用于采集所接回路电流值的电流互感器，所述母线PT、放电PT以及电流互感器的输出端分别与模拟信号转换电路的输入端连接，模拟信号转换电路的输出端连接MCU处理电路的输入端；MCU处理电路的输出端经开关量输出电路连接串联电抗器的投切开关；具体保护方法为：

A.MCU处理电路根据需要抑制的谐波次数设定串联电抗器与并联电容器的容量比，基于阻抗比等同于容量比的特性，设定容量比为标准阻抗比，同时设定阻抗比误差值；

串联电抗器容量为：

并联电容器容量为：

利用上述两式计算容量比得：

式中：Q_L为串联电抗器的容量，Q_C为并联电容器的容量，U_cn为并联电容器额定电压，U_ln为串联电抗器额定电压，f为频率，L为串联电抗器的电感值，C为并联电容器的电容值，n为容量比；B.通过母线PT采集串联电抗器所接回路的母线电压值U_M，通过放电PT采集串联电抗器所接回路中的并联电容器电压值U_C，通过所接回路中的电流互感器采集所接回路电流值；

C.模拟信号转换电路将步骤B采集的母线电压值U_M、并联电容器电压值U_C以及所接回路电流值转换为MCU处理电路所能处理的信号传输给MCU处理电路，MCU处理电路根据采集的信号计算所接回路的实际阻抗比；基于阻抗比等同于容量比，通过采集母线电压值U_M以及并联电容器电压值U_C计算实际容量比即可得出实际阻抗比，

实际容量比：

D.MCU处理电路对标准阻抗比以及实际阻抗比进行分析，当实际阻抗比与标准阻抗比差值的绝对值超出设定阻抗比误差值时，通过开关量输出电路发出报警信号，并通过开关量输出电路控制连接串联电抗器的投切开关动作将串联电抗器退出所接回路。