CN108899865A - 一种铁心电抗器谐波过载保护方法 - Google Patents

一种铁心电抗器谐波过载保护方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种铁心电抗器谐波过载保护方法，包括以下步骤：a.分别对铁心电抗器的电流和端电压进行采样；b.确定采样电流和采样电压的各次谐波电流值和电压值；c.根据步骤b的各次谐波电流值和电压值，分别确定工频等效电流值Im和工频等效电压值Um；d.分别判断所述工频等效电流值Im和所述工频等效电压值Um是否大于相应的阈值，如果所述工频等效电流值Im或所述工频等效电压值Um大于相应的阈值，则电抗器工作在过载条件下；当过载时，发出告警信息或跳闸开出。本发明结合谐波频率，利用工频等效电流和工频等效电势对铁心电抗器谐波过载进行综合判断，实现铁心电抗器谐波过载的有效保护。

Description

一种铁心电抗器谐波过载保护方法
技术领域
本发明涉及电力系统保护领域，具体涉及一种铁心电抗器谐波过载保护方法。
背景技术
《GB 50227-2017并联电容器装置设计规范》对保护要求：单台电容器内部保护(熔丝、熔断器和继电器)、电容器组不平衡保护(开口三角保护、桥差保护，中性点不平衡电流保护等)、速断过流保护、过电压保护(避雷器，过电压保护器等)。不管是从保护原理看还是安装位置看，上述保护面向的是电容器装置里的电容器。
针对干式串联电抗器，规范要求：“宜根据具体条件设置保护”。而实际上，干式电抗器作为电力系统重要的一次设备，电抗器除了配置最基本的工频过电流保护(实际上只是为了保护电容器)，电抗器暂无设置任何保护。
需要指出的是，电抗器内部匝间短路故障时，串联电抗器的端口电流还是穿越性电流，过流保护不起作用；而电抗器外部故障如单相短路，由于中国在10～66kV系统为不接地系统或非有效接地系统，因此发生电单相接地故障时，故障电流一般为对地电容电流，故而过流保护也起不了作用。
铁心电抗器相对于空心电抗器由于具有体积小、漏磁污染小和损耗低等优点，得到广泛应用，特别是在沿海经济发达地区，铁心电抗器是智能化，小型化变电站建设的必然选择。一般情况下，在相同容量条件下，铁心电抗器的占地不到空心电抗器占地的五分之一，铁心电抗器损耗不到空心电抗器损耗二分之一，节约土地资源及能源损耗尤为明显。
然而，铁心串联电抗器由于存在铁心，对抗谐波能力特别差，当有谐波电流(一般为3，5，7次为主要谐波)时，电抗器对噪声和温升特别敏感。随着电力电子装置在电力系统的广泛应用，公用网母线上的谐波污染越来越严重。在谐波环境下，电容器对电压敏感，电抗器对电流敏感；但谐波源常为电流源，随着谐波频率变大，电容器端电压骤降，电抗器端电压骤升。因而，谐波保护应考虑谐波频率的影响，而不能单纯考虑谐波的有效值(如总谐波电流保护，单次谐波电流保护，谐波畸变率限值等)。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种铁心电抗器谐波过载保护方法，用于解决铁心电抗器谐波保护只考虑谐波有效值的问题。
本发明的内容如下：
一种铁心电抗器谐波过载保护方法，包括以下步骤：a.分别对铁心电抗器的电流和端电压进行采样；b.确定采样电流和采样电压的各次谐波电流值和电压值；c.根据步骤b的各次谐波电流值和电压值，分别确定工频等效电流值Im和工频等效电压值Um；d.分别判断所述工频等效电流值Im和所述工频等效电压值Um是否大于相应的阈值，如果所述工频等效电流值Im或所述工频等效电压值Um大于相应的阈值，则电抗器工作在过载条件下；当过载时，发出告警信息或跳闸开出。
优选的，步骤c中确定工频等效电流值Im的步骤包括根据步骤b中采样电流的各次谐波电流值Ih和谐波的频次h，由公式确定所述工频等效电流值Im。
优选的，步骤c中确定工频等效电压值Um的步骤包括根据步骤b中采样电流的各次谐波电流值Uh和谐波的频次h，由公式确定所述工频等效电压值Um。
优选的，步骤d还包括：d1.当所述工频等效电流值Im大于阈值(Im)max，则电抗器的温升不合格，并发出告警信息或跳闸开出；d2.当所述工频等效电压值Um大于阈值(Um)max，则电抗器的噪声不合格，并发出告警信息或跳闸开出。
一种铁心电抗器谐波过载保护系统，包括电流采样模块、电压采样模块、数据处理模块和过载保护模块，所述电流采样模块和所述电压采样模块分别连接于所述数据处理模块，所述数据处理模块与所述过载保护模块连接；所述电流采样模块和所述电压采样模块分别对流经铁心电抗器的电流和铁心电抗器的端电压采样，并将采样数据发送到数据处理模块；所述数据处理模块用于根据所述采样数据判断铁心电抗器是否工作在过载条件下，并将判断结构传送到所述过载保护处理模块；所述过载保护处理模块用于铁心电抗器的过载保护。
本发明的有益效果为：本发明结合谐波频率，利用工频等效电流和工频等效电势对铁心电抗器的谐波过载进行综合判断，实现铁心电抗器谐波过载的有效保护。
附图说明
图1所示为本发明实施方式中铁心电抗器谐波过载保护方法的流程图；
图2所示为本发明实施方式中Urms—声级的响应曲线；
图3所示为本发明实施方式中Um—声级的响应曲线；
图4所示为本发明实施方式中铁心电抗器谐波过载保护系统的原理框图。
具体实施方式
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
请参照图1，一种铁心电抗器谐波过载保护方法，其特征在于：包括以下步骤：
a.分别对铁心电抗器的电流和端电压进行采样；
b.确定采样电流和采样电压的各次谐波电流值和电压值；
c.根据步骤b的各次谐波电流值和电压值，分别确定工频等效电流值Im和工频等效电压值Um；
d.分别判断所述工频等效电流值Im和所述工频等效电压值Um是否大于相应的阈值，如果所述工频等效电流值Im或所述工频等效电压值Um大于相应的阈值，即Im≤(Im)max或Um≤(Um)max，则电抗器工作在过载条件下；当过载时，发出告警信息或跳闸开出。
本发明利用工频等效电流和工频等效电势对铁心电抗器的谐波过载进行综合判断的基本原理是：假设在铁心电抗器线圈两端施加正弦交流电压U，电流为I，在不考虑漏磁，铁心未饱和的情况下，铁心电抗器容量为：UI≈EI＝ωNΦmI＝ωNIBAS公式(1)
式中，E为自感电势，N为线圈有效匝数，ω为电流的角频率，Φm为磁通最大值，B为磁密，AS为磁路的有效截面积。
将全电流定律代入公式(1)，可得在谐波背景情况下：
式中，h为谐波频次，Bh为h次谐波下的磁密，Bm为谐波下工频等效磁密，ωh为h次谐波下的角频率，Ll为磁路长度，AS为磁路的有效截面积，Δl为有效磁路体积，μ为磁导率。
在铁心电抗器未饱和且结构一定的情况下，Δl与μ为定值，从公式(2)可以看出，铁心电抗器吸收的谐波容量与频率及磁密正比例关系，即为保证电抗器的正常工作，必需控制其吸收的总谐波容量。为此，磁密满足如下条件：Bm≤(Bm)max公式(3)
根据全电流定律等效原则将公式(3)的判据转为工频等效电流Im来判定，
Im≤(Im)max公式(4)
其中，(Im)max为生产厂家提供的保证值，在此工频等效电流下，电抗器的温升合格；
为了保证谐波背景环境下电抗器温升不超标，Im按如下方式计算得出：
由全电流定律可知代入公式(2)，得：
令
目前铁心声级计算已提出采用有限元方法进行准确计算，但计算复杂，工程难度非常大。工程上，国内有研究指出，变压器铁心的噪声可按照下列经验公式计算：
其中：G为变压器总重，H/D为柱高与铁心直径比，B为磁密，K为修正系数。
为了将公式(6)推广应用于铁心电抗器，则需要考虑谐波含量。此时，由公式(2)和U≈E＝4.44fBNAs，
令
式中，f为交流电的频率50Hz，Uh为施加在电抗器两端的h次谐波电压，N为线圈有效匝数，AS为磁路的有效截面积。
铁心电抗器的噪声为：
式中，B0为拐点磁密，与铁心电抗器的材质有关。
从公式(7)可以看出Bm可等效转化成Um来控制，即：
其中，(Um)max为生产厂家的提供的保证值，在此工频等效电势下，电抗器的噪声合格；
综上所述：利用工频等效电流Im来判定温升是否合格，利用工频等效电势Um来判定噪声是否合格，即利用工频等效电流Im和工频等效电势Um对铁心电抗器的谐波过载进行综合判断。
如果Im或Um大于相应的阈值，可令本回路段开关跳闸，退出运行；也可以发出告警信号，人为或自动选择甩负载，降低输入本回路的谐波电流，从而降低Im或Um的值，达到保护铁心电抗器及控制温升和噪声的目的。
以下通过一个具体的实施方式来说明本发明的技术效果：
电抗器参数：工频额定电流In＝189A，工频额定电抗Xn＝2.02Ω，串抗率为6％,(Um)max＝1650V，声级按照70dB控制；(Im)max＝310A，热点温升93K，实验时的Im区间为189A～304A，实测区间温升为80～90K，实测温升数据在热点温升范围内，与理论数据相符。
为了更加清楚的了解工频等效电势与噪声的关系，以下是根据公式(9)计算得到的Um和用常规有效值计算方法得到电流有效值Irms和电势有效值Urms，并根据公式(8)计算出铁心电抗器噪声的理论值和实际测得的噪声数据：
基波电流 178.6 178.5 178.5 178.7 178.6 178.5 178.4 179 190.5
3次 3.33 3.33 3.33 3.33 3.33 3.33 3.33 3.33 5.4
5次 28.33 46 57.2 68.2 82.85 98.1 104.2 109.5 77.64
7次 1.53 3 3.8 4.2 3.5 4 4 6 17.82
11次 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 7.8
13次 1.2 1.2 1.2 1.2 1.2 1.2 1.2 1.2 4
Um 753.6 952.6 1077.0 1194.2 1332.1 1493.0 1554.4 1637.4 1732.0
Irms 180.9 184.4 187.5 191.4 196.9 203.8 206.7 210.0 206.7
Urms 365.4 372.5 378.8 386.5 397.8 411.6 417.5 424.1 417.6
理论噪声 50.9 55.2 57.9 60.4 63.4 66.9 68.2 69.6 72.1
实测噪声 55.4 58.4 60.8 62.4 64.5 65.9 66.8 67.2 73
表1
请参照表1和图2，现有技术的谐波超值保护只考虑有效值，在Urms相等的情况下，频谱不一样、声级差别很大，Urms大，声级不一定大，所以无法正确反映电抗器的声级水平。
请参照图3，根据实际测试结果，利用工频等效电势Um计算得出的理论噪声准确反映了电抗器的声级水平，进而可以通过工频等效电势Um作为特征量进行谐波过载综合判断，能实现铁心电抗器谐波过载的有效保护。
请参照图4，本实施例根据上述的铁心电抗器谐波过载保护方法提供一种铁心电抗器谐波过载保护系统，包括电流采样模块1、电压采样模块2、数据处理模块3和过载保护模块4，所述电流采样模块1和所述电压采样模块2分别连接于所述数据处理模块3，所述数据处理模块3连接于所述过载保护模块4；所述电流采样模块1和所述电压采样模块2分别对流经铁心电抗器的电流和铁心电抗器的端电压采样，并将采样数据发送到数据处理模块3；所述数据处理模块3采用具有数据处理功能的集成芯片，用于根据所述采样数据判断铁心电抗器是否工作在过载条件下，并将判断结果传送给所述过载保护模块；所述过载保护处理模块包括声光报警装置或者可控开关，用于铁心电抗器的过载保护，当铁心电抗器过载时，可令本回路段开关跳闸，退出运行；也可以发出告警信号，人为或自动选择甩负载，降低输入本回路的谐波电流，从而降低Im或Um的值，达到保护铁心电抗器及控制温升和噪声的目的。所述可控开关采用采用MOS管、晶闸管、继电器或断路器。
以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，都应属于本发明的保护范围。在本发明的保护范围内其技术方案和/或实施方式可以有各种不同的修改和变化。

Claims (5)

1.一种铁心电抗器谐波过载保护方法，其特征在于：包括以下步骤：
a.分别对铁心电抗器的电流和端电压进行采样；
b.确定采样电流和采样电压的各次谐波电流值和电压值；
c.根据步骤b的各次谐波电流值和电压值，分别确定工频等效电流值Im和工频等效电压值Um；
d.分别判断所述工频等效电流值Im和所述工频等效电压值Um是否大于相应的阈值，如果所述工频等效电流值Im或所述工频等效电压值Um大于相应的阈值，则电抗器工作在过载条件下；当过载时，发出告警信息或跳闸开出。
2.如权利要求1所述的铁心电抗器谐波过载保护方法，其特征在于：步骤c中确定工频等效电流值Im的步骤包括根据步骤b中采样电流的各次谐波电流值Ih和谐波的频次h，由公式确定所述工频等效电流值Im。
3.如权利要求1所述的铁心电抗器谐波过载保护方法，其特征在于：步骤c中确定工频等效电压值Um的步骤包括根据步骤b中采样电流的各次谐波电流值Uh和谐波的频次h，由公式确定所述工频等效电压值Um。
4.如权利要求1所述的铁心电抗器谐波过载保护方法，其特征在于，步骤d还包括：
d1.当所述工频等效电流值Im大于阈值(Im)max，则电抗器的温升不合格，并发出告警信息或跳闸开出；
d2.当所述工频等效电压值Um大于阈值(Um)max，则电抗器的噪声不合格，并发出告警信息或跳闸开出。
5.一种铁心电抗器谐波过载保护系统，其特征在于：包括电流采样模块、电压采样模块、数据处理模块和过载保护模块，所述电流采样模块和所述电压采样模块分别连接于所述数据处理模块，所述数据处理模块与所述过载保护模块连接；
所述电流采样模块和所述电压采样模块分别对流经铁心电抗器的电流和铁心电抗器的端电压采样，并将采样数据发送到数据处理模块；
所述数据处理模块用于根据所述采样数据判断铁心电抗器是否工作在过载条件下，并将判断结构传送到所述过载保护处理模块；
所述过载保护处理模块用于铁心电抗器的过载保护。
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