CN111934286A - 基于功率因数的干式空心电抗器匝间短路保护方法和装置 - Google Patents

基于功率因数的干式空心电抗器匝间短路保护方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开基于功率因数的干式空心电抗器匝间短路保护方法和装置，在干式空心电抗器投入运行后，在一个周期内同时采集干式空心电抗器的相电压和相电流，计算出功率因数，并存储为当前功率因数基准值；连续间隔若干周期后，在一个周期内同时采集干式空心电抗器的相电压和相电流，计算出功率因数，并作为当前功率因数；计算当前功率因数与当前功率因数基准值比值，如果该功率因数比值大于设定的功率因数的比值阈值，则判断干式空心电抗器发生了匝间短路故障；否则，将当前功率因数去替换当前功率因数基准值。本发明提高了干式空心电抗器保护的灵敏度和可靠性，当电抗器发生匝间短路故障时能及时地正确动作，避免故障的进一步扩展。

Description

基于功率因数的干式空心电抗器匝间短路保护方法和装置
技术领域
本发明涉及干式空心电抗器技术领域，具体涉及一种基于功率因数的干式空心电抗器匝间短路保护方法和装置。
背景技术
随着干式空心电抗器在电网中的投运越来越多，电抗器发生故障的情况也愈发增多，尤其是当电抗器发生匝间短路故障后，电抗器的保护并不能迅速动作切除故障相，致使故障相起火烧毁，直到匝间短路扩大发展成相对地或相间短路或电流巨变，电流增大到动作阀值后保护才能动作。本该动作的时候却不能动作而是滞后性动作，说明保护的灵敏度是不够的，究其原因，主要是，当电抗器发生匝间短路故障时，即使短路环的电流将变得非常大，但就目前的空心电抗器结构来讲，电抗器的相电流变化却微乎几微，而电抗器配置的二段过流保护，检测的是电抗器的相电流而不能检测短路环的电流，相电流变化值达不到保护的动作阀值，保护自然不能动作。除相电流变化小之外，干式空心电抗器的电压、电感、磁场等电气量，在匝间短路故障时其变化值都不明显，对它们进行监测难以达到预警的目的。正因如此，一些新的保护方法应运而生，例如：
1、烟雾监测方法：利用烟感探测器检测电抗器燃烧所产生的烟气，可以判断电抗器是否发生了故障。不足的是，如果空气流通速度快，产生的烟雾容易被快速吹散，难以形成探测器识别的浓度，将造成无法监测。
2、温度监测方法：监测电抗器的温度变化，可判断电抗器是否异常。这种方法对测温探头的要求非常苛刻，测温探头既要防止强磁场(几百mT)、强电场(35kV及以上)的影响，还要考虑测温点数多(因最热点难以定位原则上需多装探头，实际上探头的布置受到电抗器结构、经济性、安全性等的限制，不可能安装大量的探头，这就有可能存在保护死区)、安装空间狭小(空心电抗器的气道宽一般不大于25mm)、振动等的影响。
3、相角、有功功率、焦耳热等的监测方法：虽然理论上，相角、有功功率、焦耳热等在匝间短路前后的变化确实比较明显，将其作为监测量可提高灵敏度，但是目前这些方法并未充分考虑到匝间短路的变化过程，保护动作阀值的设定不够理想。
发明内容
本发明所要解决的是现有干式空心电抗器在使用过程中存在灵敏度和可靠性不高的问题，提供一种基于功率因数的干式空心电抗器匝间短路保护方法和装置。
为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
基于功率因数的干式空心电抗器匝间短路保护方法，包括步骤如下：
步骤1、在干式空心电抗器投入运行后，在一个周期内同时采集干式空心电抗器的相电压和相电流；先利用获取的相电压和相电流计算出功率因数，再存储该功率因数作为当前功率因数基准值；
步骤2、连续间隔若干周期后，在一个周期内同时采集干式空心电抗器的相电压和相电流；先利用获取的相电压和相电流计算出功率因数，再将该功率因数作为当前功率因数；
步骤3、计算当前功率因数与当前功率因数基准值比值，如果该功率因数比值大于设定的功率因数的比值阈值，则判断干式空心电抗器发生了匝间短路故障，并发出相应的告警信号和/或切除信号；否则，将当前功率因数去替换当前功率因数基准值；
步骤4、在干式空心电抗器的运行过程中，重复步骤2和步骤3。
上述步骤1和2中，功率因数
Figure BDA0002675838370000021
的计算公式为：
Figure BDA0002675838370000022
式中，
Figure BDA0002675838370000023
Figure BDA0002675838370000024
Δt表示一个采样周期内相电压或相电流的采样间隔，
Figure BDA0002675838370000025
T表示一个采样周期的时间长度，N表示一个采样周期内相电压和相电流的采样点数；u(kΔt)表示一个采样周期内的第k个采样点的相电压；i(kΔt)表示一个采样周期内的第k个采样点的相电流；ω表示工频角频率。
上述步骤2中，两次采样周期之间的所间隔的周期至少50个以上。
上述步骤4中，设定的功率因数的比值阈值不大于1.45。
实现上述方法的基于功率因数的干式空心电抗器匝间短路保护装置，包括模拟信号调理单元、A/D信号转换单元、中央处理单元、驱动单元、通讯接口电路和人机交互界面；模拟信号调理单元的输入端作为保护装置的输入端，输入干式空心电抗器的相电压和相电流；模拟信号调理单元的输出端经由A/D信号转换单元连接中央处理单元的输入端，中央处理单元的输出端连接驱动单元的输入端，驱动单元的输出端作为保护装置的输出端，输出开关量；人机交互界面和通讯接口电路连接在中央处理单元上。
上述方案中，通讯接口电路包括RS485接口电路、RS232接口电路和/或CAN接口电路。
上述方案中，人机交互界面为触摸屏。
上述方案中，通讯接口电路一端与中央处理单元相连，另一端与上位机相连。
与现有技术相比，本发明提高了干式空心电抗器保护的灵敏度和可靠性，当电抗器发生匝间短路故障时能及时地正确动作，避免故障的进一步扩展。
附图说明
图1为一种干式空心电抗器匝间短路保护装置的原理框图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，实例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“中”、“左”“右”、“前”、“后”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向仅是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。
基于功率因数的干式空心电抗器匝间短路保护方法，其具体包括步骤如下：
步骤1、在干式空心电抗器投入运行后，在一个周期内同时采集干式空心电抗器的相电压和相电流；先利用获取的相电压和相电流计算出功率因数，再存储该功率因数作为当前功率因数基准值；
步骤2、连续间隔若干周期后，在一个周期内同时采集干式空心电抗器的相电压和相电流；先利用获取的相电压和相电流计算出功率因数，再将该功率因数作为当前功率因数；
步骤3、计算当前功率因数与当前功率因数基准值比值，如果该功率因数比值大于设定的功率因数的比值阈值，则判断干式空心电抗器发生了匝间短路故障，并发出相应的告警信号和/或切除信号；否则，将当前功率因数去替换当前功率因数基准值；
步骤4、在干式空心电抗器的运行过程中，重复步骤2和步骤3。
上述功率因数
Figure BDA0002675838370000031
的计算公式为：
Figure BDA0002675838370000032
其中：
Figure BDA0002675838370000033
Figure BDA0002675838370000034
Figure BDA0002675838370000035
Figure BDA0002675838370000041
式中，
Figure BDA0002675838370000042
Figure BDA0002675838370000043
一个采样周期内相电压的采样间隔与一个采样周期内相电流的采样间隔相同，两者均为Δt，
Figure BDA0002675838370000044
T表示一个采样周期的时间长度，N表示一个采样周期内相电压和相电流的采样点数；u(kΔt)表示一个采样周期内的第k个采样点的相电压；i(kΔt)表示一个采样周期内的第k个采样点的相电流；ω表示工频角频率。
在保护装置投入使用前，根据不同的干式空心电抗器模拟计算出该干式空心电抗器不同匝间短路后的功率因数，并选取其中功率因数变化量最小的情况，参照此情况下的功率因数对短路前的功率因数的比值，并充分考虑到匝间短路的发展过程，综合设定合适的两次采样周期之间的所间隔的周期个数和功率因数的比值阈值。在本实施例中，两次采样周期之间的所间隔的周期个数至少50个以上，即两个采样周期至少间隔1秒以上。功率因数的比值阈值不大于1.45。
实现上述方法的基于功率因数的干式空心电抗器匝间短路保护装置，如图1所示，包括模拟信号调理单元、A/D信号转换单元、中央处理单元、驱动单元、通讯接口电路和人机交互界面。在本实施例中，通讯接口电路包括RS485接口电路、RS232接口电路和/或CAN接口电路；人机交互界面为触摸屏。
模拟信号调理单元的输入端作为保护装置的输入端，输入干式空心电抗器的相电压和相电流。模拟信号调理单元的输出端经由A/D信号转换单元连接中央处理单元的输入端，中央处理单元的输出端连接驱动单元的输入端，驱动单元的输出端作为保护装置的输出端，输出开关量。人机交互界面连接在中央处理单元上。通讯接口电路一端与中央处理单元相连，另一端与上位机相连。
模拟信号调理单元采集干式空心电抗器的相电压和相电流。A/D信号转换单元将模拟信号调理单元所采集到的干式空心电抗器的相电压和相电流进行模数转换后送至中央处理单元。中央处理单元利用模拟相电压和相电流进行匝间短路故障判别，并在出现匝间短路故障时输出开关量以驱动报警装置和/或开关执行机构。人机交互界面用于设定系统参数和显示运行参数。通讯接口电路用于实现保护装置与上位机的通信，让两者进行数据发送和接收。
需要说明的是，尽管以上本发明所述的实施例是说明性的，但这并非是对本发明的限制，因此本发明并不局限于上述具体实施方式中。在不脱离本发明原理的情况下，凡是本领域技术人员在本发明的启示下获得的其它实施方式，均视为在本发明的保护之内。

Claims (8)

1.基于功率因数的干式空心电抗器匝间短路保护方法，其特征是，包括步骤如下：
步骤1、在干式空心电抗器投入运行后，在一个周期内同时采集干式空心电抗器的相电压和相电流；先利用获取的相电压和相电流计算出功率因数，再存储该功率因数作为当前功率因数基准值；
步骤2、连续间隔若干周期后，在一个周期内同时采集干式空心电抗器的相电压和相电流；先利用获取的相电压和相电流计算出功率因数，再将该功率因数作为当前功率因数；
步骤3、计算当前功率因数与当前功率因数基准值比值，如果该功率因数比值大于设定的功率因数的比值阈值，则判断干式空心电抗器发生了匝间短路故障，并发出相应的告警信号和/或切除信号；否则，将当前功率因数去替换当前功率因数基准值；
步骤4、在干式空心电抗器的运行过程中，重复步骤2和步骤3。
2.根据权利要求1所述的基于功率因数的干式空心电抗器匝间短路保护方法，其特征是，步骤1和2中，功率因数
Figure FDA0002675838360000015
的计算公式为：
Figure FDA0002675838360000011
式中，
Figure FDA0002675838360000012
Figure FDA0002675838360000013
Δt表示一个采样周期内相电压或相电流的采样间隔，
Figure FDA0002675838360000014
T表示一个采样周期的时间长度，N表示一个采样周期内相电压和相电流的采样点数；u(kΔt)表示一个采样周期内的第k个采样点的相电压；i(kΔt)表示一个采样周期内的第k个采样点的相电流；ω表示工频角频率。
3.根据权利要求1所述的基于功率因数的干式空心电抗器匝间短路保护方法，其特征是，步骤2中，两次采样周期之间的所间隔的周期至少50个以上。
4.根据权利要求1所述的基于功率因数的干式空心电抗器匝间短路保护方法，其特征是，步骤4中，设定的功率因数的比值阈值不大于1.45。
5.实现权利要求1所述方法的基于功率因数的干式空心电抗器匝间短路保护装置，其特征是，包括模拟信号调理单元、A/D信号转换单元、中央处理单元、驱动单元、通讯接口电路和人机交互界面；
模拟信号调理单元的输入端作为保护装置的输入端，输入干式空心电抗器的相电压和相电流；模拟信号调理单元的输出端经由A/D信号转换单元连接中央处理单元的输入端，中央处理单元的输出端连接驱动单元的输入端，驱动单元的输出端作为保护装置的输出端，输出开关量；人机交互界面和通讯接口电路连接在中央处理单元上。
6.根据权利要求5所述的基于功率因数的干式空心电抗器匝间短路保护装置，其特征是，通讯接口电路包括RS485接口电路、RS232接口电路和/或CAN接口电路。
7.根据权利要求5所述的基于功率因数的干式空心电抗器匝间短路保护装置，其特征是，人机交互界面为触摸屏。
8.根据权利要求5所述的基于功率因数的干式空心电抗器匝间短路保护装置，其特征是，通讯接口电路一端与中央处理单元相连，另一端与上位机相连。
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