CN1451971A

CN1451971A - 并联电抗器匝间短路保护零序阻抗判别方法

Info

Publication number: CN1451971A
Application number: CN 03131513
Authority: CN
Inventors: 刘效孟; 陈德树; 芮志浩; 王峰; 柳焕章
Original assignee: Guodian Nanjing Automation Co Ltd
Current assignee: Nanjing SAC Automation Co Ltd
Priority date: 2003-05-21
Filing date: 2003-05-21
Publication date: 2003-10-29
Anticipated expiration: 2023-05-21
Also published as: CN1258096C

Abstract

本发明提出了并联电抗器匝间短路保护零序阻抗判别方法即通过硬件平台，用电流互感器、电压互感器采集并联电抗器的高端电流、低端电流及高端电压，经模/数转换，数据处理得到实时电流、电压及其角度；用采集的各相实时电流，自身进行周/周比较，当周/周比较的电流变化量ΔI_i大于(0.1～0.3)电抗器二次额定电流I_n，判定电力系统有扰动，作为故障出现的判别依据；将电抗器高端三相实时相电流相加得到零序电流，将高端三相实时相电压相加得到零序电压，零序电压、零序电流相除得到测量零序阻抗；当零序电流大于零序监控电流，且测量零序阻抗Z₀满足下式：[Z₀+(0.005～0.25)Z_0L]＜(0.2～0.5)Z_0L，且同时高端电流互感器和电压互感器无断线，判定电抗器有匝间故障或内部接地短路故障。

Description

并联电抗器匝间短路保护零序阻抗判别方法

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)电力主设备的并联电抗器匝间短路保护零序阻抗判别方法。

背景技术

随着电力系统的发展，500KV输电线路逐渐增多，远距离超高压输电线的对地电容大，为吸收这种容性无功功率，限制系统的过电压，对于使用单相重合闸的线路，为限制潜供电容电流，提高重合闸的成功率，都应在输电线两端或一端变电所内装设三相对地的并联电抗器，根据系统对限制单相接地电流的需要，在并联电抗器中性点装设小电抗器(或限流电抗器)，可以起到补偿电容及相对地耦合电容电流和防止谐振过电压的作用。由于电力系统特征，线路接地故障多，线路发生接地使要求重合闸。在此过程中暂态电流中含有丰富的高次谐波，并存在电抗器与线路对地电容的能量交换，因此并联电抗器谐波过温、微振动严重等造成匝间短路故障比例较高。在国内、外电力系统中并联电抗器运行数量急剧增加，但其匝间电力保护因其单绕组电感性电气原因，其保护判据可靠性、实时性及灵敏度一直不高，对其可靠运行、故障监测受到很大限制。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足之处，提出了一种灵敏度高，动作速度快，可靠性高的并联电抗器匝间短路保护零序阻抗判别方法。

本发明的解决方案是利用电力系统大型并联电抗器的分相式结构，根据其主要故障为单相接地故障和匝间短路故障，同时在匝间短路判别中不排除内部接地短路故障的情况，作为匝间短路保护零序阻抗的判别依据来判别。

并联电抗器零序回路如图2所示，其中：

K1-匝间短路故障；K2-电抗器内部接地故障；K3-区外接地故障。

(1)匝间短路K1

当电抗器匝间短路时，零序源在电抗器内部，即由电抗器向系统送出零序功率。如图3所示。此时零序电压与零序电流的关系为U₀＝-I₀jZ_s0，端口测量到的是系统的零序阻抗。

Z_s0——系统零序阻抗。

(2)内部单相接地故障K2

电抗器内部接地故障时，零序源在电抗器内部，零序电压及零序电流关系如图4所示。此时系统U₀＝-I₀jZs₀，零序电流超前零序电压。端口测量到的是系统的零序阻抗。

(3)外部单相接地故障K3

电抗器外部单相接地故障时，零序源在电抗器外部，零序电压及零序电流的关系如图5所示。这时系统U₀＝I₀jZ_L0，零序电流滞后零序电压。端口测量到的是电抗器的零序阻抗。

Z_L0——电抗器的零序阻抗。

由以上分析可知：匝间短路和内部单相接地故障时与外部单相接地故障零序阻抗时，所测零序阻抗在阻抗平面上匝间短路和内部单相接地故障落于上半区，外部单相接地故障落于下半区。且在电力系统中系统零序阻抗一般只有几十欧，而电抗器的零序阻抗一般达到几百欧，X_L0>>Xs₀。

因此故障时，可以由系统零序回路零序源的所在位置来决定故障位置所在(在电抗器内部还是在系统中)。所以在具体实施时采用带偏移特性的零序阻抗圆作为电抗器匝间保护的判据。

同时，匝间保护要躲过正常工况下由于三相电压不平衡引起的零序电压及三相TA不一致引起的零序电流。为确保证匝间保护的灵敏度，保护的零序监控电流整定值应较小。另外，在电抗器空投时，为防止励磁涌流使匝间保护误动，在电抗器空投时匝间保护零序监控电流采用反时限特性的定值。

电抗器匝间保护采用带偏移特性的零序阻抗圆判据(见图6)，其判据方程组为：

1)3I₀＞I_mon。

2)[Z₀+(0.005～0.25)Z_0L]＜(0.2～0.5)Z_0L

其中3I₀——零序电流，3U₀——零序电压，I_mon——零序监控电流，Z_L0——电抗器零序阻抗，Z₀＝——测量零序阻抗。

本发明，使用高速数据采集、实时数据信号处理，利用并联电抗器保护零序阻抗判据和差动、零差和瓦斯保护构成电抗器的主保护。适用于220kV及以上并联电抗器，具有灵敏度高、动作速度快、可靠性高等优点。具体判别方法为：

通过硬件平台，用电流互感器、电压互感器采集并联电抗器的高端电流、低端电流及高端电压，经模/数转换，数据处理得到实时电流、电压及其角度；

用采集的各相实时电流，自身进行周/周比较，当周/周比较的电流变化量ΔI_i大于(0.1～0.3)电抗器二次额定电流I_n，判定电力系统有扰动，作为故障出现的判别依据；

将电抗器高端三相实时相电流相加得到零序电流3I₀＝(I_1a+I_1b+I_1c)，其中I_1a、I_1b、I_1c分别为高端A、B、C三相电流；将高端三相实时相电压相加得到电压3U₀＝(U_1a+U_b+U_1c)，其中U_1a、U_1b、U_1c分别为高端A、B、C三相零序电压；再将零序电压、零序电流相除得到测量零序阻抗Z₀；当零序电流3I₀大于零序监控电流I_mon，且测量零序阻抗Z₀满足下式：[Z₀+(0.005～0.25)Z_0L]＜(0.2～0.5)Z_0L，式中Z_0L为电抗器二次零序阻抗，且同时高端电流互感器和电压互感器无断线，判定电抗器有匝间故障或内部接地短路故障，电抗器匝间保护动作，出口跳相应断路器。

当电抗器零序差动电流3I_d.0＝(I_1a+I_1b+I_1c)+(I_2a+I_2b+I_2c)的值大于电抗器零序差动电流I_op.0，且高端和低端电流互感器无断线时，即判定电抗器存在故障，电抗器零差保护动作，出口跳相应断路器。

电抗器后备保护判别方法包括过流保护、零序过流保护、过负荷保护判别方法：过流保护判别方法：当高端任一相相电流持续大于过流保护定值，则判定电抗器过流，出口跳相应断路器；零序过流保护判别方法：当高端零序电流3I₀持续大于零序过流保护定值，则判定电抗器零序过流，出口跳相应断路器；过负荷保护判别方法：当高端任一相相电流持续大于过负荷保护定值，则判定电抗器过负荷，发告警信号；

电抗器TA断线判别方法：当高端、低端各相相电流中任一相电流小于0.05～0.15倍电抗器二次额定电流I_n，再判断零序电流情况，如电流小于0.05～0.15倍电抗器二次额定电流I_n的一侧(高端或低端)零序电流3I₀大于(0.2～0.4)I_n且对侧的零序电流3I₀小于(0.1～0.2)I_n，同时电抗器差流I_d小于1.2I_n时，则判断为断线，发告警信号，同时闭锁匝间、差动、零差保护；

电抗器TV断线判别方法：当高端零序电压3U₀于8～30V，且无电流突变，即判TV断线，发告警信号，同时闭锁匝间保护；当高端三相相电压最大值小于30V，且高端三相相电流最大值大于(0.1～0.5)A，即判TV断线，发告警信号，同时闭锁匝间保护。

本发明的优点是，采用本发明的判别方法可达到以下性能指标：

1、高灵敏度：匝间保护在1.7％匝间短路故障时可靠动作。

2、高可靠性：整套保护装置抗干扰能力强，运行稳定可靠，并能躲过系统各种暂态过程。

3、快速性：差动及匝间保护动作不大于25ms。匝间保护不需靠延时躲过系统暂态过程。

4、整定简单，保护整定值只需输入电抗器一次参数，由软件自动生成各保护具体定值。

附图说明

图1为本发明应用于并联电抗器保护配置的系统接线原理图

图2为本发明的电力系统零序等效电路及矢量图

图3为电抗器匝间短路时零序等效电路及矢量图

图4为电抗器内部接地短路时零序等效及矢量图

图5为电抗器外部接地短路时零序等效及矢量图

图6本发明实施例的电抗器保护原理框图

具体实施方法

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例，图6所示。

本发明的并联电抗器匝间短路保护零序阻抗判别方法具体实施如下：用先进先进、可靠的硬件平台，(其原理框图见图6)用电流互感器、电压互感器采集并联电抗器、高端电流、低端电流及高端电压，经模/数转换，数据处理得到实时电流、电压及其角度。

用采集的各相实时电流，自身进行周/周比较，当周/周比较的电流变化量ΔI_i大于(0.1～0.3)电抗器二次额定电流I_n，即认为电力系统有扰动，作为故障出现的判别依据。

将电抗器高端三相实时相电流相加得到零序电流3I₀＝(I_1a+I_1b+I_1c)(I_1a、I_1b、I_1c为高端A、B、C三相零序电流)，高端三相实时相电压相加得到零序电压3U₀＝(U_1a+U_b+U_1c)(U_1a、U_1b、U_1c为高端A、B、C三相零序电压)，通过零序电压，零序电流相除得到测量零序阻抗Z₀，Z₀＝。当零序电流3I₀大于零序监控电流I_mon，且测量零序阻抗Z₀满足下式：[Z₀+(0.005～0.25)Z_0L]＜(0.2～0.5)Z_0L时(式中Z_0L为电抗器二次零序阻抗(定值)。)且同时高端电流互感器和电压互感器无断线，即判定电抗器有匝间故障或内部接地短路故障，电抗器匝间保护动作，出口跳相应断路器。

本发明在实施时还可再增加电抗器差动保护、零差保护及后备保护构成一整体完整的电抗器保护

A、差动保护

B、零差保护

当电抗器零序差动电流3I_d.0大于电抗器零序差动电流，I_op.0且高端和低端电流互感器无断线时，即判定电抗器存在故障，电抗器零差保护动作，出口跳相应断路器。其中3I_d.0＝(I_1a+I_1b+I_1c)+(I_2a+I_2b+I_2c)。

I_1a、I_1b、I_1c是电抗器高端A、B、C三相实时相电流；

I_2a、I_2b、I_2c是电抗器低端A、B、C三相实时相电流。

C、电抗器后备保护

在电抗器后备保护中包括过流保护，零序过流保护，过负荷保护。

①过流保护：当高端任一相相电流大于过流保护定值且持续一定的时间，则判定电抗器过流，出口跳相应断路器。

②零序过流保护：当高端零序电流3I₀大于零序过流保护定值且持续一定的时间，则判定电抗器零序过流，出口跳相应断路器。

③过负荷保护：：当高端任一相相电流大于过负荷保护定值且持续一定的时间，则判定电抗器过负荷，发告警信号。

D、电抗器TA断线判别

用于电抗器正常运行时电流互感器回路状况的判别，当发现异常情况时发告警信号，同时闭锁匝间、差动、零差保护，使其不因电流互感器的异常状况而误判定电抗器故障引起误动作。

其具体判定如下：当高端、低端各相相电流中任一相电流小于0.05～0.15倍电抗器二次额定电流I_n，再判断零序电流情况，如电流小于0.05～0.15倍电抗器二次额定电流I_n的一侧(高端或低端)零序电流3I₀大于(0.2～0.4)I_n且对侧的零序电流3I₀小于(0.1～0.2)I_n。同时电抗器差流I_d小于1.2I_n。

E、电抗器TV断线判据

用于电抗器正常运行时电压互感器回路状况的判别，当发现异常情况时发告警信号，同时闭锁匝间使其不因电压互感器的异常状况而误判定电抗器故障引起误动作。

其具体判定如下：

第一种情况：当高端零序电压3U0于8～30V，且无电流突变，即判TV断线；

第二种情况：当高端三相相电压最大值小于＜30V且高端三相相电流最大值大于(0.1～0.5)A，即判TV断线；

在上述判据中所采用的动作参数可以通过电力系统人员通过计算电力系统运行方式得到，也可通过输入电抗器及相应设备的铭牌参数，通过电抗器保护装置将依据这些参数自动转换成电抗器二次各保护定值。即将TV变比(n_v)、主电抗器一次阻抗值(Z_s)、小电抗器一次阻抗值(Z_n)、主电抗一次额定电流(I_n.s)、小电抗器一次额定电流(I_n.n)输入电抗器保护装置，由装置自动生产相应电抗保护参数。

在如图1所示的典型电力系统并联电抗器组SR，三相高端串接电流互感器1TA经隔离刀闸与2K与线路三相相连，低端串接电流互感器2TA三相并联后串接中性点消弧电抗器NR后接地。K1是线路隔离刀闸，1DL是线路断路器。1TV是电压互感器并联于线路上。

1、采集并联电抗器高端电流互感器TA1、低端电流互感器TA2及高端电压互感器电压，经模/数转换，傅氏变换得到实时电流、电压及其角度。

2、将采集的各相实时电流，自身进行周/周比较，当周/周比较的电流变化量ΔI_i大于(0.1～0.3)电抗器二次额定电流I_n，即认为电力系统有扰动，作为故障出现的判别依据。另外增加零序量启动作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，作为相电流突变量启动方式的补充。保证在任何故障情况下保护均能进入故障处理。

3、将电抗器高端三相实时相电流相加得到零序电流3I₀＝(I_1a+I_1b+I_1c)(I_1a、I_1b、I_1c为高端ABC三相零序电流)，高端三相实时相电压相加得到零序电压3U₀＝(U_1a+U_b+U_1c)(U_1a、U_1b、U_1c为高端ABC三相零序电压)，通过零序电压，零序电流相除得到测量零序阻抗Z₀，Z₀＝。当零序电流3I₀大于零序监控电流I_mon，且测量零序阻抗Z₀满足下式：[Z₀+(0.005～0.25)Z_0L]＜(0.2～0.5)Z_0L时(式中Z_0L为电抗器二次零序阻抗(定值)。)且同时高端电流互感器和电压互感器无断线，即判定电抗器有匝间故障或内部接地短路故障，电抗器匝间保护动作，出口跳相应断路器。

5、当电抗器零序差动电流3I_d.0大于电抗器零序差动电流，I_op.0且高端和低端电流互感器无断线时，即判定电抗器存在故障，电抗器零差保护动作，出口跳相应断路器。其中3I_d.0＝(I_1a+I_1b+I_1c)+(I_2a+I_2b+I_2c)。

I_1a、I_1b、I_1c是电抗器高端A、B、C三相实时相电流；

I_2a、I_2b、I_2c是电抗器低端A、B、C三相实时相电流。

6、电抗器后备保护

7、电抗器TA断线判别

当高端、低端各相相电流中任一相电流小于0.05～0.15倍电抗器二次额定电流I_n，再判断零序电流情况，如电流小于0.05～0.15倍电抗器二次额定电流I_n的一侧(高端或低端)零序电流3I₀大于(0.2～0.4)I_n且对侧的零序电流3I₀小于(0.1～0.2)I_n。同时电抗器差流I_d小于1.2I_n。发告警信号，同时闭锁匝间、差动、零差保护，使其不因电流互感器的异常状况而误判定电抗器故障引起误动作。

8、电抗器TV断线判据

电抗器保护TV断线分两种情况：

①第一种情况：当高端零序电压3U₀于8～30V，且无电流突变，即判TV断线；发告警信号，同时闭锁匝间使其不因电压互感器的异常状况而误判定电抗器故障引起误动作。

②第二种情况：当高端三相相电压最大值小于＜30V且高端三相相电流最大值大于(0.1～0.5)A，即判TV断线；发告警信号，同时闭锁匝间使其不因电压互感器的异常状况而误判定电抗器故障引起误动作。

利用此项发明技术的电抗器保护装置集差动、零差、匝间保护和后备保护与一体，实现一台装置完成并联电抗器的所有保护功能。并且电抗器保护装置采用由用户输入电抗器一次参数，由软件自动生成各保护具体定值的技术，大大提高了装置整定的正确性。

Claims

1、一种并联电抗器匝间短路保护零序阻抗判别方法，其特征是通过硬件平台，用电流互感器、电压互感器采集并联电抗器的高端电流、低端电流及高端电压，经模/数转换，数据处理得到实时电流、电压及其角度；

将电抗器高端三相实时相电流相加得到零序电流3I₀＝(I_1a+I_1b+I_1c)，其中I_1a、I_1b、I_1c分别为高端A、B、C三相电流；将高端三相实时相电压相加得到零序电压3U₀＝(U_1a+U_b+U_1c)，其中U_1a、U_1b、U_1c分别为高端A、B、C三相电压；再将零序电压、零序电流相除得到测量零序阻抗Z₀；当零序电流3I₀大于零序监控电流I_mon，且测量零序阻抗Z₀满足下式：[Z₀+(0.005～0.25)Z_0L]＜(0.2～0.5)Z_0L，式中Z_0L为电抗器二次零序阻抗，且同时高端电流互感器和电压互感器无断线，判定电抗器有匝间故障或内部接地短路故障，电抗器匝间保护动作，出口跳相应断路器。

3、根据权利要求1所述并联电抗器匝间短路保护零序阻抗判别方法，其特征是采用电抗器零差保护判别方法：当电抗器零序差动电流3I_d.0＝(I_1a+I_1b+I_1c)+(I_2a+I_2b+I_2c)的值大于电抗器零序差动电流I_op.0，且高端和低端电流互感器无断线时，即判定电抗器存在故障，电抗器零差保护动作，出口跳相应断路器。

4、根据权利要求1所述并联电抗器匝间短路保护零序阻抗判别方法，其特征是采用电抗器后备保护判别方法，电抗器后备保护判别方法包括过流保护、零序过流保护、过负荷保护判别方法：

过流保护判别方法：当高端任一相相电流持续大于过流保护定值，则判定电抗器过流，出口跳相应断路器；

零序过流保护判别方法：当高端零序电流3I₀持续大于零序过流保护定值，则判定电抗器零序过流，出口跳相应断路器；

过负荷保护判别方法：当高端任一相相电流持续大于过负荷保护定值，则判定电抗器过负荷，发告警信号；

5、根据权利要求1所述并联电抗器匝间短路保护零序阻抗判别方法，其特征是采用电抗器TA断线判别方法：当高端、低端各相相电流中任一相电流小于0.05～0.15倍电抗器二次额定电流I_n，再判断零序电流情况，如电流小于0.05～0.15倍电抗器二次额定电流I_n的一侧(高端或低端)零序电流3I₀大于(0.2～0.4)I_n且对侧的零序电流3I₀小于(0.1～0.2)I_n，同时电抗器差流I_d小于1.2I_n时，则判断为断线，发告警信号，同时闭锁匝间、差动、零差保护；

6、根据权利要求1所述并联电抗器匝间短路保护零序阻抗判别方法，其特征是采用电抗器TV断线判别方法：

当高端零序电压3U₀于8～30V，且无电流突变，即判TV断线，发告警信号，同时闭锁匝间保护；

当高端三相相电压最大值小于30V，且高端三相相电流最大值大于(0.1～0.5)A，即判TV断线，发告警信号，同时闭锁匝间保护。