CN1297048C - 并联电抗器匝间短路保护容错复判法 - Google Patents

Abstract

本发明为超高压、特高压(750KV及以上)电力系统的电力主设备是很重要的并联电抗器匝间短路容错复判方法及其保护技术，包括容错复判方法及实时动态阻抗补偿判据两个部分。其中容错复判方法包括相应的先进、可靠采集平台硬件电路和以此平台实时快速采得各相关数据进行容错复判，实时动态阻抗补偿发生匝间短路时的零序电压值升较少及绕组内部接地过程增加复判，提高并联电抗器匝间短路故障判断的灵敏度，可靠性。本发明提出的容错复判具有允许某1～2项漏判、判误功能不影响故障实时快判，且具有快速动作性能，匝间短路判出时间小于5ms，灵敏度可达1%以上，整组动作时间小于15ms，可作为并联电抗器的主保护之一。容错复判技术可有效克服电力系统干扰、匝间短路过渡电阻较高、电流互感器受到饱各影响和抗御系统振荡影响等优势。

Description

并联电抗器匝间短路保护容错复判法

技术领域

本发明属于电力系统领域，特别涉及电力系统超高压、特高压(750KV)电力主设备的继电保护方法。

背景技术

继电保护是电力系统运行安全、检测系统故障并实时快速切除故障的重要组成部分。继电保护在运行过程中安全检测、抵御各种干扰、确保正常安全运行和发生故障的精确判定及快速切除故障初期的电力主设备以保护其设备不造成严重损坏和系统安全是重要指标。并联电抗器在远距离、超高压或特高压输送电力过程中防止分布参数造成负荷轻载时输电线末端发生过电压起关键作用。由于电力系统特征，形成并联电抗器谐波过温、微振动严重等原因造成匝间短路故障比例较高。国内、外电力系统中并联电抗器运行数量急剧增加，但其匝间短路保护因其单绕组电感性电器原因，其判断一直未见创新和提高可靠性、实时性灵敏度，对其可靠运行、故障监测和排除受到很大限制。

发明内容

本发明的目的就是为了克服现有技术的不足之处，提出一种灵敏度高、动作速度快，可靠性高的并联电抗器匝间短路保护容错复判法。

本发明的技术解决方案：

一种并联电抗器匝间短路保护容错复判法，其特征在于包括以下步骤：

第一步，利用数据采集平台，对运行过程及故障发生过程各电气量实时采集；

第二步，在运行过程及故障发生过程采集并联电抗器首端三相电压、首末端三相电流，实时以工频量的突升并计算出零序电流、电压的突升；

第三步，在采集和实时判处过程中，按匝间短路容错复判方程组同步复判各量，其复判方程组为：

i₁＞k₁i_1W                                  (1)

i₂＞k₁i_2W                                  (2)

ΔU＜k₂U_W                                   (3)

Δ3I₀/3I_0W＞1                                (4)

Δ3U₀/3U_0W＞1                                (5)

其中i₁是绕组首端相电流，i₂是绕组末端相电流，k₁是升值系统，取值范围为1.01-1.10，k₂是降值系数，取值范围为0.95-0.98，且k₁＞k₂，i_1w是绕组首端最大相电流，i_2W是绕组末端最大相电流，ΔU是首端电压值，U_W是首端电压最大值，Δ3I₀是匝间短路零序电流值，3I_0W是匝间短路零序电流最大值，Δ3U₀是匝间短路零序电压值，3U_0W是匝间短路零序电压最大值；

以i₁、i₂的同步度和夹角为基准判量，以它们同步突升加上其余ΔU、Δ3I₀/3I_0W、Δ3U₀/3U_0W三个复判量，i₁、i₂、ΔU、Δ3I₀/3I_0W、Δ3U₀/3U_0W五个量中三个量超过则判定为匝间无接地短路；

第四步，据运行并联电抗器匝间短路无接地故障过程中，各量判据是：

故障相首端电流i₁大于最大工作电流i_1W，故障相末端电流i₂也大于最大工作电流i_2W，超值为1.01以上，i₁、i₂升值同步可由其夹角判出，实时判出同向、反向突变量；

故障相端电压有所下降，按k₂≈0.98为判量依据，其相电压突降由三相同步正弦定理快判取值；

一般不会同步发生三相等值匝间短路，为此首端3U₀、3I₀和末端3I₀都有与i₁、i₂、ΔU同步突升，比值大于1，上述五个量同步快速复判可灵敏、可靠地判出匝间短路故障，启动出口回路跳闸；

第五步，在匝间故障时，如快速异步发生接地或增加点延时辅助判据，可按同步算出故障相运行阻抗，按补偿度k≈0.8进行实时快速同步补偿阻抗量，增加零序电压判量灵敏度，与零序电流的角度比较值为：

如果夹角小于90°为匝间短路或补偿区内接地故障；与容错复判方程组输出共同启动出口跳闸，如果夹角大于90°为外部接地，保护不动作。

本发明的并联电抗器匝间短路保护容错复判法，使用高速数据采集、实时数据信号处理、容错复判理论，利用并联电抗器发生匝间故障过程的信号突变监测技术，通过实时快速复判，本发明将取五项数据同步快判和实时数据的补偿阻抗判定其匝间短路故障，它可与差动、瓦斯保护构成多项主保护或快速主后备保护，适用于220KV及以上所有并联电抗器，具有灵敏度高、动作速度快(判定时间可达5ms)、可靠性高(允许某项误判或失判)等优点。

本发明可达到以下性能指标：

1、同步容错复判匝间短路保护，其判定时间小于5ms；

2、同步容错复判匝间短路保护，其灵敏度可达1％，据运行数据和实情调整系数还可提高些；

3、同步容错复判匝间短路保护增加实时相阻抗补偿，复判动作时间为10ms左右，匝间短路灵敏度约为3％；

4、容错复判增实时相阻抗判据构成匝间短路保护，整组动作小于15ms。

本发明可适用于220KV及以上电压等级的超高压、特高压(750KV)并联电抗器保护。

附图说明

图1为本发明应用于超高压并联电抗器保护配置系统接线原理图。

图2为本发明的单相绕组匝间短路电气量变异原理图。

图3为动态补偿阻抗原理矢量图。

图4为本发明原理构成硬件方框图。

图5为电压瞬判低值波形图。

具体实施方式

本发明的并联电抗器匝间短路保护容错复判法，其特征包括以下步骤：

(1)利用先进可靠的数据采集平台，为容错复判数据提供可靠、灵敏基础；

(2)对运行过程各相并联电抗器绕组首端电压突变值ΔU，首、末端电流i₁、i₂，同步计算出三相电压和电流的零序增值Δ3U₀、Δ3I₀；

(3)将实时采集的电流、电压值和角度变异作实时同步判断，其中首端电压突降由正弦定理同步快判取值，这是快速瞬判基础；

(4)在上述各数据采集的同步按以下方程组快速复判；

并联电抗器匝间短路、无接地故障动作复判方程组为：

j₁＞k₁i_1W                   (I)，

i₂＞k₁i_2W                   (II)，

ΔU＜k₂U_W                    (III)，(k₁＞k₂)

Δ3I₀/3I_0W＞1                (IV)，突升。

Δ3U₀/3U_0W＞1                (V)，突升。

方程组中：i₁为绕组首端相电流，i₂为绕组末端相电流，判过程i₁、i₂同步、同相位突升；k₁升值系数，为1.01-1.10或更低些；k₂降值系数，为0.95-0.98左右；方程组中“Δ”为突变后实时数；“W”为正常最高值注标；

(5)在根据各实时数据同步快速复判中，同步五个值中，有三项或三项以上满足上述方程组条件(i₁、i₂的同步突升和夹角是基准判据)，则判定为匝间短路故障，保护快速启动出口跳闸；

(6)在保护出口回路中，可根据运行要求增加第二补偿阻抗判匝间短路及绕组内短路兼接地，Arg[(3U₀+U_b)/3I₀j]＜90°，U_b＝k·z·3I₀，3U₀为匝间短路零序电压值，U_b为补偿阻抗形成的补偿电压值，3I₀为匝间短路零序电流值，3I₀j为起移相值，z为按同步采样算出相阻抗，k为补偿度取0.8左右，当其夹角按同步采样阻抗补偿度加入快判＜90°时为匝间短路及绕组0.8至末端接地故障，可与同步复判方程同步启动出口跳闸回路。

本发明提出了并联电抗器匝间短路容错复判法的实施例，结合各附图详细说明如下：

本发明所述并联电抗器匝间短路保护容错复判法实施于超高压或特高压(750KV)电力系统中，其系统主接线如图1所示，其中并联电抗器线路系统的设备包括：输电线路1，等效电力系统2、3在两侧，对应母线4、5，两侧系统母线电压互感器6、7，两侧线路电压互感器8、9，两侧线路断路器10、11，两侧并联电抗器高压侧电流互感器12、13，末端绕组电流互感器14、15，两侧消谐电抗器接于主电抗器中性点处，其16、17为零序电流互感器，两侧消谐电抗器18、19，两侧并联电抗器断路器20、21(据系统设置是否装设)。

图1中电力系统设备各个元器件的作用分别说明如下：

(1)输电线路1是并联电抗器补偿分布电容，抑制轻载末端过电压系统，是并联电抗器补偿保护对象。

(2)等效电力系统2、3为输电线路的两端电源系统，轻线路1将电量和负荷传输。

(3)两端高压母线4、5为两侧变电站母线。

(4)两端母线的电压互感器6、7为运行过程监测信号之一，监测运行状态，用于高电压变换测量，其二次为100V(线电压)。

(5)输电线路两端的电压互感器8、9也为监测运行状态，用于高电压变换测量，其二次为100V(线电压)，两侧母线和线路两端的电压互感器将作为匝间短路保护信号测量其值有异，尤其在非全相运行时。

(6)两端线路断路器10、11为输电线路和并联电抗器(通常情况下)的运行开关，闭合和切除输电线路及线路---电抗器组，如果系统设置并联电抗器断路器20、21，则线路和电抗器各自独立运行、独立投切。

(7)并联电抗器绕组首端接入高压系统的电流互感器12、13作为运行监测信号之一，用于电流变换，其二次为5A或1A(额定)。

(8)并联电抗器绕组末端接成Y型，每三相电流互感器为14、15也为运行过程监测信号之一，用于将电流变换为5A或1A(额定)。

(9)并联电抗器绕组末端除分相监测外，零序电流互感器16、17与14、15同步监测零序电流3I₀值，变换为1A(额定)。

(10)因系统谐波量原因，并联电抗器主绕组中性点谐波量经18、19消谐电抗器进行消除接地。

图2为并联电抗器匝间短路时，首端电压ΔU、3U₀、绕组首端电流Δi₁、末端电流Δi₂、首、末端3I₀各电气量突变示意图。图3为在此情况下如加辅助补偿阻抗复判时通过动态阻抗值与3I₀的首端突变使3U₀增值为(3U₀+U_b)与3I₀j复判矢量图，提高匝间短路判别灵敏度。

图4为本发明原理实施方框图，经硬件平台将各电气量精确、快速、实时测量瞬时突变，可高灵敏、快速地将首端电压突降，3U₀突升，故障相首、末端电流同步、同方向突升，同时首、末端3I₀也同步突升，完成匝间短路故障的快速、高精度复判，如需要增加动态阻抗补偿复判也在方框图中表明实施。

图5为相电压或线电压经正弦定理同步比较判出故障相低压值，这是非常关键的测判低压技术，其判速在1-2ms即完成。图5中，t₁、t₂、t₃为瞬时三相值判值，实线、虚线和点画线分别为U_a、U_b、U_c或U_ab、U_bc、U_ca电压波形，可快速瞬判出故障电压突降。

Claims (1)

1、一种并联电抗器匝间短路保护容错复判法，其特征在于包括以下步骤：

第一步，利用数据采集平台，对运行过程及故障发生过程各电气量实时采集；

第二步，在运行过程及故障发生过程采集并联电抗器首端三相电压、首末端三相电流，实时以工频量的突升并计算出零序电流、电压的突升；

第三步，在采集和实时判处过程中，按匝间短路容错复判方程组同步复判各量，其复判方程组为：

i₁＞k₁i_1W  ………………………………………………………………(1)

i₂＞k₁i_2W    ……………………………………………………………(2)

ΔU＜k₂U_W   ………………………………………………………………(3)

Δ3I_O/3I_OW＞1  …………………………………………………………(4)

Δ3U_O/3U_OW＞1   …………………………………………………………(5)

其中i₁是绕组首端相电流，i₂是绕组末端相电流，k₁是升值系统，取值范围为1.01-1.10，k₂是降值系数，取值范围为0.95-0.98，且k₁＞k₂，i_1W是绕组首端最大相电流，i_2W是绕组末端最大相电流，ΔU是首端电压值，U_W是首端电压最大值，Δ3I_O是匝间短路零序电流值，3I_OW是匝间短路零序电流最大值，Δ3U_O是匝间短路零序电压值，3U_OW是匝间短路零序电压最大值；

以i₁、i₂的同步度和夹角为基准判量，以它们同步突升加上其余ΔU、Δ3I_O/3I_OW、Δ3U_O/3U_OW三个复判量，i₁、i₂、ΔU、Δ3I_O/3I_OW、Δ3U_O/3U_OW五个量中三个量超过则判定为匝间无接地短路；

第四步，据运行并联电抗器匝间短路无接地故障过程中，各量判据是：

故障相首端电流i₁大于最大工作电流i_1W，故障相末端电流i₂也大于最大工作电流i_2W，超值为1.01以上，i₁、i₂升值同步可由其夹角判出，实时判出同向、反向突变量；

故障相端电压有所下降，按k₂≈0.98为判量依据，其相电压突降由三相同步正弦定理快判取值；

第五步，在匝间故障时，如快速异步发生接地或增加点延时辅助判据，可按同步算出故障相运行阻抗，按补偿度k≈0.8进行实时快速同步补偿阻抗量，增加零序电压判量灵敏度，与零序电流的角度比较值为：

如果夹角小于90°为匝间短路或补偿区内接地故障；与容错复判方程组输出共同启动出口跳闸，如果夹角大于90°为外部接地，保护不动作。

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