CN1282996A - 干式空心电抗器保护方法及其装置 - Google Patents

Abstract

一种干式空心电抗器保护方法及其装置,通过取电抗器端电压和流过电抗器的电流信号,由单片机计算并放大得到与电抗器有功功率成线性关系的电压信号U₂,当电抗器发生匝间短路故障时,与电抗器有功功率成线性关系的电压信号U₂’与电压越限判定值U_F比较,当电压信号U₂’超过电压越限判定值U_F时,开关控制继电器动作,电抗器退出运行,根据需要可选择显示或打印故障记录结果,本方法通过监测电抗器有功功率的变化,可及时、准确地对电抗器匝间短路、沿面闪络故障给予警示或断开电抗器开关,使故障电抗器退出运行。

Description

干式空心电抗器保护方法及其装置

本发明属于电力系统二次保护领域，具体涉及一种干式空心电抗器保护方法及其装置。

干式空心电抗器因具有起始电压分布均匀、线性度良好、噪声低等优点而在国内外许多领域得到了广泛的应用，仅在国内目前就有数以万计的各种类型规格的电抗器在运行，且仍在以每年数千台的数量递增。

数目如此巨大的一类电气产品，理应得到有效的保护，使电抗器在出现故障时能够及时退出运行，以防止事故的扩大，危及主变和系统内的其它设施。而实际情况却是目前普遍缺乏一种有效的电抗器的保护方法，尤其是缺乏出现后果严重的匝间短路故障时的保护方法。除并联电抗器采取了一定的保护措施外，对于绝大多数电抗器来说，目前并未采取专门的保护措施(注：在数量上，并联电抗器要较串联、限流等其它类型的电抗器少得多)；而并联电抗器的保护方法也并不可靠，甚至从原理上就存在不合理性。

当前针对干式空心电抗器的保护情况可总结如下：

(1)干式空心并联电抗器

方法一：过流保护。目前普遍应用的过流保护在理论上本身就存在着不可靠性，这是因为：干式空心电抗器是由多层细导线并联绕制包封而成的，理论计算可知，当电抗器发生一匝匝间短路故障时，并联电抗器的电感量改变是非常小的，一般仅千分之几；多匝匝间短路故障也不会使电感量的改变发生数量级上的变化。流过电抗器的电流也不会因电抗器电感量的改变而发生大的变化。也就是说，当电抗器发生匝间短路故障时，保护装置是不可能动作的。这就是过流保护不适于干式空心电抗器匝间短路故障保护的主要原因。

方法二：双星出线平衡电流保护。在某些电站得到应用，但作为并联电抗器的主保护方式也仅是权宣之计，绝大多数电抗器没有采取此种保护方式也从侧面说明了这一问题。这也是由电抗器的特殊结构形式所决定的，对于不同的匝间短路位置和短路匝数，中性点不平衡电流反应的灵敏度是不同的，换句话说，对于某些匝间短路故障双星出线平衡电流保护并不能及时动作。几次电抗器事故也证明上述两种保护方式并不是安全可靠的。

(2)干式空心串联电抗器、干式空心限流电抗器、干式空心滤波电抗器和其它类型的电抗器均无专门的保护方式。

随着电网容量的日益增大，对供电质量要求的日益提高，电抗器产品采取有效的保护方式已迫在眉睫；而纵观国内市场，即使是在世界范围内，还没有一种有效的保护方式可以借鉴或采用。

本发明的目的是提供一种干式空心电抗器故障保护的方法以及实现该方法的装置。

一种干式空心电抗器故障保护的方法，其步骤如下：

(1)从装有电抗器的系统原有的母线侧电压互感器PT和电抗器入口处电流互感器CT上取电抗器端电压和流过电抗器的电流信号；

(2)取得的电压、电流信号经采样计算得到正弦波信号过零点的时间差和电压、电流的有效值U、I，由单片机内程序计算得到电抗器阻抗角α，即可得到电抗器的有功功率P=UIcosα，单片机将有功功率P转换为直流电压U₁进行输出，该电压信号U₁经线性放大后，得到与电抗器有功功率P成线性关系的电压信号U₂并显示；

(3)当电抗器发生匝间短路故障时，有功功率数倍增加记为P′，输出的电压信号也呈线性增加记为U₁′，该电压信号U₁′经线性放大后，得到与电抗器有功功率P′成线性关系的电压信号U₂′，该电压信号U₂′与电压越限判定值U_F比较；

(4)当电压信号U₂′超过电压越限判定值U_F时，开关控制继电器动作，电抗器退出运行；

(5)根据需要可选择显示或打印故障记录结果。

电压越限判定值U_F根据电抗器现场有功功率实测数据P作为基准值进行设定时，以1．5倍于该基准值P的有功功率对应的电压值作为电压越限判定值U_F。当电压信号U₂′超过电压越限判定值U_F时进行故障报警。

一种根据上述的方法而设计的装置，其特征在于电压互感器PT的信号与能进行电压输入过流保护的过流保护单元1连接，过流保护单元1的输出信号和电流互感器CT的信号分别与能进行有功功率检测的有功功率检测单元2连接，有功功率检测单元2的输出与能进行电压信号放大的信号放大单元3连接，实时显示电抗器的有功功率大小的显示单元4经开关K2与信号放大单元3连接，打印故障前后某时段内的有功功率数据的外部输出端口5经开关K3与信号放大单元3连接，对输入的电压信号大小进行判断的信号越限判定单元6与信号放大单元3连接，能使电抗器退出运行的开关继电器7经开关K5与信号越限判定单元6连接，开关电源9为装置提供工作电源。能发出蜂鸣或灯光报警信号的报警单元8经开关K4与信号越限判定单元6连接。

根据上述方法而设计的装置，其特征在于三相电压互感器PTa、PTb、PTc的信号分别与能进行电压输入过流保护的过流保护单元1-1、1-2、1-3连接，电流互感器CTa、CTb、CTc的信号和过流保护单元1-1、1-2、1-3的输出信号分别与能进行有功功率检测的有功功率检测单元2-1、2-2、2-3连接，有功功率检测单元2-1、2-2、2-3的输出电压信号与能进行电压信号放大的放大单元3-1、3-2、3-3连接，实时显示电抗器的有功功率大小的显示单元4-1、4-2、4-3分别经开关K_2a、K_2b、K_2c与信号放大单元3-1、3-2、3-3连接，打印故障前后某时段内的有功功率数据的外部输出端口5分别经开关K_3a、K_3b、K_3c与信号放大单元3-1、3-2、3-3连接，对输入的电压信号大小进行判断的信号越限判定单元6-1、6-2、6-3分别与信号放大单元3-1、3-2、3-3连接，能使电抗器退出运行的开关继电器7经开关K₅与信号越限判定单元6连接，能发出蜂鸣或灯光报警信号的报警单元8经开关K₄与信号越限判定单元6-1、6-2、6-3连接，开关电源9给装置提供电源并经开关K₁与电源连接。当系统为A、C相串联CT时，在装置内部采用V形接线方式。

本发明具有以下优点：

1．使用本方法，通过监测电抗器有功功率的变化，可以及时、准确地对电抗器匝间短路、沿面闪络故障给予警示或断开电抗器开关，使故障电抗器退出运行。

2．本装置电流信号线采用穿心式，对系统原有的二次接线无影响；电压输入信号线串联过流保护，对装置自身意外故障可能造成的电压信号线短路进行速断保护；功率检测单元为一独立的单片机系统，以直流电压作为输出量，具有高的稳定性；电压信号放大单元对功率检测单元的输出电压信号进行放大，进一步提高了整个装置的抗干扰能力；电压越限报警单元完成最终的电抗器状态判定，可选择以预警信号和开关动作信号两种输出方式。

3．整个装置以数字电路为基础，功耗低，电路的工作稳定性高，计算精度高，维修简单，运行可靠、造价低。

4．对故障前后一定时段内的功率变化有记忆存储功能，可选择显示或打印两种方式进行输出。

图1为并联电抗器保护装置的接线原理图。

图2为串联电抗器保护装置的接线原理图。

图3为限流电抗器保护装置的接线原理图。

图4为单相电抗器保护装置的原理框图。

图5为三相电抗器保护装置的原理框图。

图6为V型接线示意图。

图7为主程序流程图。

图8为软件定时器中断服务程序。

实施例1：

如图1、4所示，为并联电抗器保护装置的接线原理图，当系统内三相均有电流互感器时，装置为三路电压信号和三路电流信号输入，各部分独立工作，共用开关电源9和报警单元8，当装置为三路电压信号和两路电流信号输入，A、C相独立工作，B相的电流信号经V形接线从A、C两相获取。

装置的各部分的功能如下：

电压输入过流保护单元1-1、1-2、1-3：串联在电压信号线中，在装置自身出现故障可能引发PT二次线短接时，及时熔断使装置与整个二次系统脱离。该过流保护单元为市售熔断丝。

有功功率检测单元2-1、2-2、2-3：对电抗器的有功功率进行监测，将电抗器的有功功率转化为直流电压输出。当电抗器出现匝间短路故障时，必然要出现包围电抗器强磁场的闭合环路，等效于电抗器的直流电阻的增加，电抗器的有功功率(损耗)随之增大，有功功率检测单元的输出电压也随之增大。该有功功率检测单元为市售有功功率传感器，型号为P412S1。

信号放大单元3-1、3-2、3-3：将有功功率检测单元的输出电压信号进行一定比例的放大，便于后续信号越限判定单元的判断，提高了系统的抗干扰能力。该单元为市售的直流和脉动直流电压隔离传感器，型号为V342S1。

显示单元4：通过开关K_2a、K_2b、K_2c的切换实时显示电抗器的有功功率对应的电压的大小，便于直观观察电抗器的运行状态。

外部输出端口5：通过开关K_3a、K_3b、K_3c的切换打印故障前后某时段内的有功功率对应的电压数据。

信号越限判定单元6：对输入的电压信号大小进行判断，当电压信号超越设定值后发出报警动作或开关动作信号。该单元为市售的电压越限报警隔离传感器，型号为KV112S1。

开关继电器7：接到信号越限判定单元的动作信号后，发出开关动作信号，使开关继电器动作，电抗器退出运行。

报警单元8：接到信号越限判定单元的动作信号后，发出蜂鸣器或灯光报警信号。

开关电源9：为装置提供工作电源。

装置备有若干开关以配合装置的工作，各开关的功能如下：

(1)开关K1：电源总开关。

(2)开关K2、K2a、K2b、K2c：选择显示开关。

(3)开关K3、K3a、K3b、K3c：选择打印输出开关。

(4)开关K4：报警单元开关，需工作在报警状态时开关闭合。

(5)开关K5：开关信号输出开关，需工作在开关信号输出状态时开关闭合。

实现干式空心电抗器故障保护的具体方法是：

1．从装有电抗器的系统原有的母线侧电压互感器PT和电抗器入口处电流互感器CT上取电抗器端电压和流过电抗器的电流信号；

2．取得的电压、电流信号经采样计算得到正弦波信号过零点的时间差Δt和电压、电流的有效值U、I，由单片机内程序将正弦波信号过零点的时间差Δt转化为电抗器阻抗角α=Δt×2π／0．02，即可得到电抗器的有功功率P=UIcosα，单片机将有功功率P转换为直流电压U₁进行输出，该电压信号U₁经线性放大后，得到与电抗器有功功率P成线性关系的电压信号U₂并显示；

3．当电抗器发生匝间短路故障时，必然要形成包围电抗器强磁场的闭合环路，电抗器的有功功率必然要随之增大，对于一般的电抗器结构，当发生一匝短路故障时，电抗器的有功功率至少在1．5倍正常值以上记为P′，输出的电压信号也呈线性增加记为U₁′，该电压信号U₁′经线性放大后，得到与电抗器有功功率P′成线性关系的电压信号U₂′，该电压信号U2′与电压越限判定值U_F比较；

4．当电压信号U₂′超过电压越限判定值U_F时，开关控制继电器动作，电抗器退出运行；

5．根据需要可选择显示或打印故障记录结果。

如图5、6为实现本方法的主程序流程图和软件定时器中断服务程序流程图，各部分说明如下：1．在主程序中对各变量、计数器、中断类型等先进行初始化，控制整个程序的进行。中断类别可采用定时器中断，每隔一定时间进行中断服务程序一次。2．1)软件定时器中断服务程序负责数据计算、处理等功能；2)为提高精确度，可增大一个周期的采样次数，以防误动作；3)进行故障判别时作为保护动作的判别标准U_F可以根据实际情况由操作人员选择，这样本程序即可使用于多种类型的电抗器，扩大了保护的适用范围。

本装置的使用方法和操作步骤如下：

本装置用于电力、冶金、铁路等系统中干式空心电抗器故障预警和保护。通过电压互感器PT、电流互感器CT获取电抗器的端电压和流过电抗器的电流信号，电压互感器PT、电流互感器CT信号线与装置输入端口相连。接线完好后打开电源，按下工作开关K₁，此时装置处于工作状态，装置面板显示器将显示电抗器的有功功率对应的电压值，用面板上的A、B、C相选择开关K_2a、K_2b、K_2c、K_3a、K_3b、K_3c选择欲观察的电抗器相序。根据电抗器所在系统的PT、CT配置，可以调整输入端口的档位，以提高测试的精度。根据装置进入正常工作装置时显示器显示的有功功率对应的电压值U₂的大小，以至少1．5倍于该电压值作为功率越限的基准值U_F进行设定并存储。在装置的工作过程中，持续检测并记录电抗器的有功功率对应的电压数据，可选择显示和打印两种方式进行输出。

实施例2：

如图2、4所示，为串联电抗器保护装置的接线原理图，当系统内三相均有电流互感器时，装置I为三路电压信号和三路电流信号输入，各部分独立工作，共用开关电源9和报警单元8，当装置为三路电压信号和两路电流信号输入，A、C相独立工作，B相的电流信号经V形接线从A、C两相获取如图6所示。

由于并联电容器自身的损耗极低，使得与之配套的串联电抗器有功功率接近装置的实测值P，在装置工作时不考虑其损耗。其它与实施例1相同。

实施例3：

如图3、4所示，为限流电抗器保护装置的接线原理图，限流电抗器在系统中串联安装，当系统内三相均有电流互感器时，装置I为三路电流信号输入，当装置为两路电流信号输入时，A、C相独立工作，B相的电流信号经V形接线从A、C两相获取，如图6所示。其电压信号U通过并联在A、B、C三相电抗器两端的电压互感器PT上获取。其它与实施例1相同。

Claims (7)

1．一种干式空心电抗器保护方法，其步骤如下：

(1)从装有电抗器的系统原有的母线侧电压互感器PT和电抗器入口处电流互感器CT上取电抗器端电压和流过电抗器的电流信号；

(2)取得的电压、电流信号经采样计算得到正弦波信号过零点的时间差和电压、电流的有效值U、I，由单片机内程序计算得到电抗器阻抗角α，即可得到电抗器的有功功率P=UIcosα，单片机将有功功率P转换为直流电压U₁进行输出，该电压信号U₁经线性放大后，得到与电抗器有功功率P成线性关系的电压信号U₂并显示；

(3)当电抗器发生匝间短路故障时，有功功率数倍增加记为P′，输出的电压信号也呈线性增加记为U₁′，该电压信号U₁′经线性放大后，得到与电抗器有功功率P′成线性关系的电压信号U₂′，该电压信号U₂′与电压越限判定值U_F比较；

(4)当电压信号U₂′超过电压越限判定值U_F时，开关控制继电器动作，电抗器退出运行；

(5)根据需要可选择显示或打印故障记录结果。

2．根据权利要求1所述的方法，其特征在于电压越限判定值U_F根据电抗器现场有功功率实测数据P作为基准值进行设定，以1．5倍于该基准值P的有功功率对应的电压值作为电压越限判定值U_F。

3．根据权利要求1所述的方法，其特征在于当电压信号U₂′超过电压越限判定值U_F时进行故障报警。

4．一种根据权利要求1所述的方法而设计的装置，其特征在于电压互感器PT的信号与能进行电压输入过流保护的过流保护单元(1)连接，过流保护单元(1)的输出信号和电流互感器CT的信号分别与能进行有功功率检测的有功功率检测单元(2)连接，有功功率检测单元(2)的输出与能进行电压信号放大的信号放大单元(3)连接，实时显示电抗器的有功功率大小的显示单元(4)经开关(K2)与信号放大单元(3)连接，打印故障前后某时段内的有功功率数据的外部输出端口(5)经开关(K3)与信号放大单元(3)连接，对输入的电压信号大小进行判断的信号越限判定单元(6)与信号放大单元(3)连接，能使电抗器退出运行的开关继电器(7)经开关(K5)与信号越限判定单元(6)连接，开关电源(9)为装置提供工作电源。

5．根据权利要求4所述的装置，其特征在于能发出蜂鸣或灯光报警信号的报警单元(8)经开关(K4)与信号越限判定单元(6)连接。

6．根据权利要求4或5所述的装置，其特征在于三相电压互感器PTa、PTb、PTc的信号分别与能进行电压输入过流保护的过流保护单元(1-1、1-2、1-3)连接，电流互感器CTa、CTb、CTc的信号和过流保护单元(1-1、1-2、1-3)的输出信号分别与能进行有功功率检测的有功功率检测单元(2-1、2-2、2-3)连接，有功功率检测单元(2-1、2-2、2-3)的输出电压信号与能进行电压信号放大的放大单元(3-1、3-2、3-3)连接，实时显示电抗器的有功功率大小的显示单元(4-1、4-2、4-3)分别经开关(K_2a、K_2b、K_2c)与信号放大单元(3-1、3-2、3-3)连接，打印故障前后某时段内的有功功率数据的外部输出端口(5)分别经开关(K_3a、K_3b、K_3c)与信号放大单元(3-1、3-2、3-3)连接，对输入的电压信号大小进行判断的信号越限判定单元(6-1、6-2、6-3)分别与信号放大单元(3-1、3-2、3-3)连接，能使电抗器退出运行的开关继电器(7)经开关(K₅)与信号越限判定单元(6)连接，能发出蜂鸣或灯光报警信号的报警单元(8)经开关(K₄)与信号越限判定单元(6-1、6-2、6-3)连接，开关电源(9)给装置提供电源并经开关(K₁)与电源连接。

7．根据权利要求6所述的装置，其特征在于当系统为A、C相串联CT时，在装置内部采用V形接线方式。

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