CN116937501A - 电抗器匝间检测保护方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力系统继电保护技术领域，提供一种电抗器匝间检测保护方法和系统，其中方法包括：测量电抗器首端电压、首端电流、末端电流；计算出流入电抗器的有功功率与流出电抗器的有功功率；计算流入电抗器的有功功率和流出电抗器的有功功率之间的差值，当差值大于预设值时，判定电抗器匝间故障，对电抗器进行保护。根据本发明的方案，软硬件基于常规电抗器保护装置进行开发，无需额外增加互感器等外回路；对电抗器匝间故障具有很高的灵敏性及可靠性，同时具备区内外故障的选择性；在电抗器饱和时电抗器依然为电感特性基本不消耗有功，本发明不受电抗器铁心饱和的影响，能够弥补目前电抗器保护存在的不足，实现对电抗器全运行工况的可靠保护。

Description

电抗器匝间检测保护方法和系统

技术领域

本发明涉及电力系统继电保护技术领域，尤其涉及一种电抗器匝间检测保护方法和系统。

背景技术

匝间故障是固定式高抗的一种常见故障形式，短路匝内的故障电流可达额定电流的十几甚至几十倍，导致绕组与构件绝缘损坏，严重影响高抗的安全，亟需引起重视。由于匝间故障场景中，故障电流具有穿越性，已有的电流差动保护无法准确检测到该故障，因此一般配置基于零序功率方向及阻抗原理的匝间保护检测高抗的匝间故障。然而，在匝间短路匝数较少时，虽然短路匝内的故障电流可达额定电流的十几甚至几十倍，但其绕组端部电压、电流等电气量的变化较小，基于零序功率方向及阻抗原理的匝间保护无法灵敏地检测到小匝比匝间故障。并且，高抗饱和在电气特征上与匝间短路故障较为相似，表现为绕组电流迅速增大且谐波含量大、绕组等效电感降低等；又因其衰减时间往往较长，高抗饱和时现有匝间保护可靠性不足，容易误动并造成线路或整条母线被切除。

发明内容

本发明的目的在于解决背景技术中的至少一个技术问题，提供一种电抗器匝间检测保护方法和系统。

为实现上述目的，本发明提供一种电抗器匝间检测保护方法，包括：

测量电抗器首端电压、首端电流、末端电流；

计算出流入电抗器的有功功率与流出电抗器的有功功率；

计算所述流入电抗器的有功功率和所述流出电抗器的有功功率之间的差值，当所述差值大于预设值时，判定电抗器匝间故障，对电抗器进行保护。

根据本发明的一个方面，计算电抗器的首端电压正序分量及首端电流正序分量，根据所述首端电压正序分量和所述首端电流正序分量计算出电抗器首末两端的正序有功功率差，当所述正序有功功率差大于预设值时，判定电抗器存在匝间故障，对电抗器进行保护。

根据本发明的一个方面，所述对电抗器进行保护的判据为：

其中：ΔP₁为正序有功功率差，ΔP_Set为正序有功功率差预设值，U₁为首端正序电压，I₁为首端正序电流，为首端正序电压与首端正序电流的角度差。

根据本发明的一个方面，还包括：在执行所述测量电抗器首端电压、首端电流、末端电流前，执行：

对电抗器匝间故障进行预判断，通过所述预判断判断电抗器是否存在匝间故障，若存在，则继续执行所述测量电抗器首端电压、首端电流、末端电流。

根据本发明的一个方面，所述对电抗器匝间故障进行预判断为：

将当前电流瞬时值i(k)与前一周波电流瞬时值i(k-n)之差，减去前一周波电流瞬时值i(k-n)与前二周波电流瞬时值i(k-2n)之差，得到的差值的绝对值与突变量启动预设值I_ε进行比较，若满足|[i(k)-i(k-n)]-[i(k-n)-i(k-2n)]|≥I_ε，则判定电抗器存在匝间故障；

式中：i为电流，k是当前的采样点，n是一周波的采样点数。

根据本发明的一个方面，所述对电抗器匝间故障进行预判断为：

检测电抗器的首端零序电流3I_0h和末端零序电流3I_0l，首端零序电流3I_0h或者末端零序电流3I_0l大于零序电流启动预设值3I_0Qd时，判定电抗器存在匝间故障；

检测电抗器首末两端任一相差动电流I_d，当差动电流I_d大于差动电流启动预设值I_dQdSet时，判定电抗器存在匝间故障。

为实现上述目的，本发明还提供一种电抗器匝间检测保护系统，包括：

电压电流测量模块，测量电抗器首端电压、首端电流、末端电流；

有功功率计算模块，计算出流入电抗器的有功功率与流出电抗器的有功功率；

匝间故障检测保护模块，计算所述流入电抗器的有功功率和所述流出电抗器的有功功率之间的差值，当所述差值大于预设值时，判定电抗器匝间故障，对电抗器进行保护。

根据本发明的一个方面，还包括：

匝间故障预处理模块，对电抗器匝间故障进行预判断，通过所述预判断判断电抗器是否存在匝间故障，若存在，则通知所述电压电流测量模块执行所述测量电抗器首端电压、首端电流、末端电流。

根据本发明的方案，通过常规交流互感器或者数字化采样测量电抗器首端电压、首端电流、末端电流，从而计算出流入电抗器的有功功率与流出电抗器的有功功率，当两者差值大于定值经延时动作于跳闸或者告警。实际算法实现是采用首端电压正序分量及首端电流正序分量计算出首末两端正序有功功率差，其动作方程应满足下式：ΔP₁＞ΔP_Set，该原理能够解决常规电抗器匝间保护对小匝比匝间故障的灵敏度不足，与高抗饱和时容易误动的问题。

基于有功功率差动的电抗器保护方案，其软硬件均可基于常规电抗器保护装置进行开发，无需额外增加互感器等外回路；并且该原理对电抗器匝间故障具有很高的灵敏性及可靠性，同时具备区内外故障的选择性；即使在电抗器饱和时电抗器依然为电感特性基本不消耗有功，因此该保护原理不受电抗器铁心饱和的影响，能够弥补目前电抗器保护存在的不足，实现对电抗器全运行工况的可靠保护。

本发明在软件进行预判断判断出匝间故障的基础上进行硬件测量和逻辑检测判断，使得根据电抗器匝间检测保护方法更加精准可靠，保证检测保护的可靠性。

附图说明

图1示意性表示根据本发明的一种实施方式的电抗器匝间检测保护方法的流程图；

图2是基于有功差动匝间保护线路并联电抗器系统接线原理图；

图3是基于有功差动匝间保护母线并联电抗器系统接线原理图；

图4是基于有功差动匝间保护逻辑图；

图5是基于有功差动匝间保护装置硬件结构原理图。

具体实施方式

现在将参照示例性实施例来论述本发明的内容。应当理解，论述的实施例仅是为了使得本领域普通技术人员能够更好地理解且因此实现本发明的内容，而不是暗示对本发明的范围的任何限制。

如本文中所使用的，术语“包括”及其变体要被解读为意味着“包括但不限于”的开放式术语。术语“基于”要被解读为“至少部分地基于”。术语“一个实施例”和“一种实施例”要被解读为“至少一个实施例”。

图1示意性表示根据本发明的一种实施方式的电抗器匝间检测保护方法的流程图。如图1所示，在本实施方式中，电抗器匝间检测保护方法，包括：

a.测量电抗器首端电压、首端电流、末端电流；

b.计算出流入电抗器的有功功率与流出电抗器的有功功率；

c.计算流入电抗器的有功功率和流出电抗器的有功功率之间的差值，当差值大于预设值时，判定电抗器匝间故障，对电抗器进行保护。

在本实施方式中，计算电抗器的首端电压正序分量及首端电流正序分量，根据首端电压正序分量和首端电流正序分量计算出电抗器首末两端的正序有功功率差，当正序有功功率差大于预设值时，判定电抗器存在匝间故障，对电抗器进行保护。

在本实施方式中，对电抗器进行保护的判据为：

其中：ΔP₁为正序有功功率差，ΔP_Set为正序有功功率差预设值，U₁为首端正序电压，I₁为首端正序电流，为首端正序电压与首端正序电流的角度差。

根据本发明的一种实施方式，还包括：在执行上述a步骤之前，先执行：

对电抗器匝间故障进行预判断，通过预判断判断电抗器是否存在匝间故障，若存在，则继续执行测量电抗器首端电压、首端电流、末端电流。

根据本发明的一种实施方式，对电抗器匝间故障进行预判断为：

将当前电流瞬时值i(k)与前一周波电流瞬时值i(k-n)之差，减去前一周波电流瞬时值i(k-n)与前二周波电流瞬时值i(k-2n)之差，得到的差值的绝对值与突变量启动预设值I_ε进行比较，若满足|[i(k)-i(k-n)]-[i(k-n)-i(k-2n)]|≥I_ε，则判定电抗器存在匝间故障；式中：i为电流，k是当前的采样点，n是一周波的采样点数。

根据本发明的另一种实施方式，对电抗器匝间故障进行预判断为：

检测电抗器的首端零序电流3I_0h和末端零序电流3I_0l，首端零序电流3I_0h或者末端零序电流3I_0l大于零序电流启动预设值3I_0Qd时，判定电抗器存在匝间故障；

检测电抗器首末两端任一相差动电流I_d，当差动电流I_d大于差动电流启动预设值I_dQdSet时，判定电抗器存在匝间故障。

根据本发明的上述方案，实际上，本发明基于硬件和软件对电抗器匝间进行检测和保护，具体地：

硬件基于常规电抗器保护装置，采集的模拟量如下：

电抗器首端电压U_a、U_b、U_c；

电抗器首端电流I_Ha、I_Hb、I_Hc；

电抗器末端电流I_La、I_Lb、I_Lc。

软件则在常规电抗器保护的基础上进行特殊开发：

启动元件

①电流突变量启动元件

利用扰动时，相电流会发生突变的特征，判断系统是否发生扰动。

相电流突变采用周/周比较。其表达式：

|[i(k)-i(k-n)]-[i(k-n)-i(k-2n)]|≥I_ε

其中：i(k)为当前电流瞬时值，i(k-n)为当前采样点前推一周波对应的电流瞬时值，i(k-2n)为当前采样点前推二周波对应的电流瞬时值。I_ε为电流突变量启动门槛。

②辅助启动元件

为防止在转换性故障、多条线路相继故障及小匝间故障等情况下，相电流突变量启动方式可能失去重新启动能力，特增加零序、差动相电流启动方式，作为相电流突变量启动方式的补充。

零序电流启动元件：3I_0h＞3I_0Qd或3I_0l＞3I_0Qd；

其中：3I_0h为首端零序电流，3I_0l为末端零序电流(归算到首端)，3I_0Qd为零序电流启动门槛。

差动相电流启动元件：I_d＞I_dQdSet

其中：I_d为任一相差动电流，I_dQdSet为差流启动门槛。

根据本发明的上述方案，有功差动匝间保护逻辑为：

电抗器正常运行时，基本无磁滞损耗，消耗有功率非常小；当发生区外故障时流入电抗器的有功功率与流出电抗器的有功功率也是相等的；当电抗器发生铁心饱和时电抗器依然是电感特性，不会消耗有功功率；但当电抗器发生匝间及其他区内故障时，将会消耗大量的有功功率，流入电抗器的有功功率与流出电抗器的有功功率不再相等。基于以上特征，本发明提出基于有功功率差动保护的匝间保护原理。以下分别针对线路高抗及母线高抗对该保护原理进行简要说明。

线路高抗(中性点有小电抗)

线路高抗系统主接线图如图2所示，由于中性点小电抗流过的电流为零序电流，中性点小电抗消耗的功率为零序功率，所以末端测量的有功功率为该零序功率的有功分量；又由于负序功率方向的不确定性，仅凭负序功率幅值无法准确反应电抗器内部匝间故障；因此可利用首端电压正序分量及首端电流正序分量可以计算出首末两端正序有功功率差，当差值大于定值时保护动作。

保护动作判据：

其中：ΔP₁为正序有功功率差，ΔP_Set为正序有功功率差预设值，U₁为首端正序电压，I₁为首端正序电流，为首端正序电压与首端正序电流的角度差。

母线高抗(中性点无小电抗)

母线高抗系统主接线图如图3所示，母线高抗与线路高抗方案相似，只是没有中性点小电抗，同样正序有功功率分量不流经中性点，所以上述线路高抗保护判据依旧适用于母线高抗。

基于有功功率差动的电抗器保护逻辑图如图4所示。

不仅如此，为了实现上述发明目的，本发明还提供一种电抗器匝间检测保护系统，包括：

电压电流测量模块，测量电抗器首端电压、首端电流、末端电流；

有功功率计算模块，计算出流入电抗器的有功功率与流出电抗器的有功功率；

匝间故障检测保护模块，计算流入电抗器的有功功率和流出电抗器的有功功率之间的差值，当差值大于预设值时，判定电抗器匝间故障，对电抗器进行保护。

在本实施方式中，电抗器匝间检测保护系统还包括：

匝间故障预处理模块，对电抗器匝间故障进行预判断，通过预判断判断电抗器是否存在匝间故障，若存在，则通知电压电流测量模块执行测量电抗器首端电压、首端电流、末端电流。

根据本发明的电抗器匝问检测保护系统，能够实现上述电抗器匝间检测保护方法，系统中具体元器件布置在此不做详细限定，只要根据本发明的逻辑能够实现上述方法即可。

基于本发明的上述方案，以下结合附图以一种具体实施例的方式详细说明本发明的方案。

实施例1

保护装置硬件结构原理图如图5所示，当使用电子式互感器接入时，SV模件对数字量采样数据进行预处理，后由内部协议传输到两块独立的主控模件，经CPU逻辑运算判断后，输出相应的GOOSE开出和信号；当使用常规采样接入时，AT模件将二次电压、电流模拟量转换为小电压信号送至两块独立的主控模件，主控模件对小电压信号进行AD转换后，再对数字量进行逻辑运算及出口跳闸，出口跳闸方式可为GOOSE开出或者常规IO模件输出。

保护采集电抗器首端电压U_a、U_b、U_c；电抗器首端电流I_Ha、I_Hb、I_Hc；电抗器末端电流I_La、I_Lb、I_Lc。

保护设置电流突变量启动元件，相电流突变采用周/周比较，将当前电流瞬时值i(k)与前一周波电流瞬时值i(k-n)之差，减去前一周波电流瞬时值i(k-n)与前二周波电流瞬时值i(k-2n)之差，得到的差值的绝对值与突变量启动定值I_ε进行比较，若满足|[i(k)-i(k-n)]-[i(k-n)-i(k-2n)]|≥I_ε，保护启动。

保护设置零序电流启动元件，检测首端零序电流3I_0h和末端零序电流3I_0l(归算到首端)，二者任一大于零序电流启动门槛3I_0Qd保护启动。

保护设置差动相电流启动元件，检测首末任一相差动电流I_d，当差流大于启动门槛I_dQdSet，保护启动。

保护设置有功差动动作判据，利用首端电压正序分量及首端电流正序分量可以计算出首末两端正序有功功率差，当差值大于定值时保护动作。保护动作判据如下：

其中：ΔP₁为正序有功功率差，ΔP_Set为正序有功功率差预设值，U₁为首端正序电压，I₁为首端正序电流，为首端正序电压与首端正序电流的角度差。

根据本发明的上述方案，通过常规交流互感器或者数字化采样测量电抗器首端电压、首端电流、末端电流，从而计算出流入电抗器的有功功率与流出电抗器的有功功率，当两者差值大于定值经延时动作于跳闸或者告警。实际算法实现是采用首端电压正序分量及首端电流正序分量计算出首末两端正序有功功率差，其动作方程应满足下式：ΔP₁＞ΔP_Set，该原理能够解决常规电抗器匝间保护对小匝比匝间故障的灵敏度不足，与高抗饱和时容易误动的问题。

本发明基于有功功率差动的电抗器保护方案，其软硬件均可基于常规电抗器保护装置进行开发，无需额外增加互感器等外回路；并且该原理对电抗器匝间故障具有很高的灵敏性及可靠性，同时具备区内外故障的选择性；即使在电抗器饱和时电抗器依然为电感特性基本不消耗有功，因此该保护原理不受电抗器铁心饱和的影响，能够弥补目前电抗器保护存在的不足，实现对电抗器全运行工况的可靠保护。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (8)

1.电抗器匝间检测保护方法，其特征在于，包括：

测量电抗器首端电压、首端电流、末端电流；

计算出流入电抗器的有功功率与流出电抗器的有功功率；

计算所述流入电抗器的有功功率和所述流出电抗器的有功功率之间的差值，当所述差值大于预设值时，判定电抗器匝间故障，对电抗器进行保护。

2.根据权利要求1所述的电抗器匝间检测保护方法，其特征在于，计算电抗器的首端电压正序分量及首端电流正序分量，根据所述首端电压正序分量和所述首端电流正序分量计算出电抗器首末两端的正序有功功率差，当所述正序有功功率差大于预设值时，判定电抗器存在匝间故障，对电抗器进行保护。

3.根据权利要求2所述的电抗器匝间检测保护方法，其特征在于，所述对电抗器进行保护的判据为：

其中：ΔP₁为正序有功功率差，ΔP_Set为正序有功功率差预设值，U₁为首端正序电压，I₁为首端正序电流，为首端正序电压与首端正序电流的角度差。

4.根据权利要求1所述的电抗器匝间检测保护方法，其特征在于，还包括：在执行所述测量电抗器首端电压、首端电流、末端电流前，执行：

对电抗器匝间故障进行预判断，通过所述预判断判断电抗器是否存在匝间故障，若存在，则继续执行所述测量电抗器首端电压、首端电流、末端电流。

5.根据权利要求4所述的电抗器匝间检测保护方法，其特征在于，所述对电抗器匝间故障进行预判断为：

将当前电流瞬时值i(k)与前一周波电流瞬时值i(k-n)之差，减去前一周波电流瞬时值i(k-n)与前二周波电流瞬时值i(k-2n)之差，得到的差值的绝对值与突变量启动预设值I_ε进行比较，若满足|[i(k)-i(k-n)]-[i(k-n)-i(k-2n)]|≥I_ε，则判定电抗器存在匝间故障；

式中：i为电流，k是当前的采样点，n是一周波的采样点数。

6.根据权利要求4或5所述的电抗器匝间检测保护方法，其特征在于，所述对电抗器匝间故障进行预判断为：

检测电抗器的首端零序电流3I_0h和末端零序电流3I_0l，首端零序电流3I_0h或者末端零序电流3I_0l大于零序电流启动预设值3I_0Qd时，判定电抗器存在匝间故障；或者，

检测电抗器首末两端任一相差动电流I_d，当差动电流I_d大于差动电流启动预设值I_dQdSet时，判定电抗器存在匝间故障。

7.电抗器匝间检测保护系统，其特征在于，包括：

电压电流测量模块，测量电抗器首端电压、首端电流、末端电流；

有功功率计算模块，计算出流入电抗器的有功功率与流出电抗器的有功功率；

匝间故障检测保护模块，计算所述流入电抗器的有功功率和所述流出电抗器的有功功率之间的差值，当所述差值大于预设值时，判定电抗器匝间故障，对电抗器进行保护。

8.根据权利要求7所述的电抗器匝间检测保护系统，其特征在于，还包括：

匝间故障预处理模块，对电抗器匝间故障进行预判断，通过所述预判断判断电抗器是否存在匝间故障，若存在，则通知所述电压电流测量模块执行所述测量电抗器首端电压、首端电流、末端电流。