CN1979991A - 高压交流可控型并联电抗器大差动保护方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种由高压交流可控型并联电抗器原、副边电流构成的大差动保护的方法。该方法包括如下步骤：电抗器保护装置对高压交流可控型并联电抗器原、副边电流互感器的波形进行采样得到电流瞬时值；通过傅氏算法求出各电气量的复数形式；根据用户输入的TA变比自动计算平衡系数，并输出该系数供用户校验；利用平衡系数计算平衡补偿后的电抗器副边的二次电流；计算差动电流与制动电流；和根据差动速断和比率制动特性分相判断大差动保护逻辑，以进行保护动作。此外，该方法进一步包括空投检测、TA直流饱和检测、TA异常检测步骤。本发明可靠灵敏地保护高压交流可控型并联电抗器内部的故障，特别是副边绕组的匝间故障和接地故障。

Description

高压交流可控型并联电抗器大差动保护方法

技术领域

本发明涉及电力系统领域，更具体地涉及继电保护的方法。

背景技术

首先，根据以下参考文献简要描述本发明的相关技术。

1.陈维贤，陈禾.并联电抗器的可控调节[J].高电压技术，2006，26(5).

2.李达义，陈乔夫，等.基于磁通可控的可调电抗器的新原理[J].中国电机工程学报，2003，23(2).

3.田铬兴，励庆孚.变压器式可控电抗器的磁场和参数计算[J].西安交通大学学报，2005，39(6).

高压并联电抗器是超高压、特高压电网重要的组成部分。装设高压并联电抗器可补偿线路容性功率，并可限制操作过电压、正常运行时的容升效应以及甩负荷时的工频暂态过电压，配合中性点接地电抗器还可以有效限制单相重合闸时的潜供电流。但是，固定高压并联电抗器的容量无法调节，在系统潮流变化大时难以及时有效控制电压，极大地限制了超高压、特高压线路的输送能力，为使电压不超过预定值，长线路功率传输能力甚至可能会低于自然功率的50％^[1]。为减少损耗、平衡无功、控制电压，从长远看有必要采用可根据输电负荷自动调节容量的高压可控型并联电抗器。高压可控型并联电抗器控制灵活，相对有类似功能的补偿装置造价较低，还兼有固定高压并联电抗器所具备的全部功能，是高压电网首选的无功补偿设备。

在国家电网公司的组织和支持下，国内启动了500kV高压可控型并联电抗器的研制工作。在此基础上，结合1000kV固定高压并联电抗器的已有技术，将进一步开发1000kV高压可控型并联电抗器，填补国内外空白。

高压可控型并联电抗器与固定高压并联电抗器有较大的区别，新增了一个副边(二次侧)的控制绕组，通过调节副边绕组中的电流就可以控制磁路中的磁通，进而可以控制高压并联电抗器的容量。本发明针对的是高压交流可控型并联电抗器，其原理图如图1所示。在其副边接有负载小电抗器，通过阀和旁路断路器改变所接入的负载小电抗器的数量，可实现容量的分级调节。图1中，当仅K100对应的阀或旁路断路器闭合时，对应100％容量；当仅K75对应的阀或旁路断路器闭合时，对应75％容量；当仅K50对应的阀或旁路断路器闭合时，对应50％容量；当所有阀和旁路断路器都打开时，对应25％容量。高压交流可控型并联电抗器的原理类似一个变压器，但与普通变压器的区别是其漏抗高达100％，正常可运行在副边绕组短路的工况下，此时对应100％容量。除气隙磁路与普通变压器不同外，高压交流可控型并联电抗器铁芯的励磁特性也更为线性，拐点在1.4倍额定电压。

由于高压交流可控型并联电抗器与普通高压并联电抗器的结构特点、运行方式不同，两者所配置的保护有所不同。对于高压交流可控型并联电抗器副边绕组的匝间故障和接地故障，固定高抗配置的纵差保护、零差保护以及后备保护都是无法保护到的。如何可靠灵敏地保护高压交流可控型并联电抗器内部的故障，特别是副边绕组的匝间故障和接地故障是一个新的研究课题。

发明内容

为可靠保护高压交流可控型并联电抗器的内部故障，弥补原有固定高抗保护的死区，在理论分析和仿真的基础上，本发明提出了装设高压交流可控型并联电抗器大差动保护作为副边故障主保护的方案，并公开了高压交流可控型并联电抗器大差动保护的具体实现方法。实验和现场投运的结果表明该方案是可行的。该方案取高压交流可控型并联电抗器原、副边的首端电流构成可以保护整个电抗器本体的大差动保护。该保护由差动速断和比率制动特性组成，其中比率制动采用三段折线特性，并具有完善的空投检测、电流互感器(下文中简称TA)直流饱和检测、TA异常检测功能。

本发明的方法包括如下步骤：电抗器保护装置对高压交流可控型并联电抗器原、副边电流互感器的波形进行采样得到电流瞬时值；通过傅氏算法求出各电气量的复数形式；根据用户输入的TA变比自动计算平衡系数，并输出该系数供用户校验；按照下述的式(1)计算差动电流与制动电流；按下述的式(2)、式(3)所描述的动作方程，再加上空投判据、TA直流饱和判据以及TA异常判据构成完整的高压交流可控型并联电抗器大差动保护。

根据本发明的一个方面，提供了一种由高压交流可控型并联电抗器原、副边电流构成的大差动保护的方法，该方法包括如下步骤：

a.电抗器保护装置对高压交流可控型并联电抗器原、副边电流互感器的波形进行采样得到电流瞬时值；

b.通过傅氏算法求出各电气量的复数形式；

c.根据用户输入的TA变比自动计算平衡系数，并输出该系数供用户校验；

d.利用平衡系数计算平衡补偿后的电抗器副边的二次电流；

e.计算差动电流与制动电流；和

f.根据差动速断和比率制动特性分相判断大差动保护逻辑，以进行保护动作。

根据本发明，比率制动采用三段折线特性。

在本发明中，步骤c进一步包括：

电抗器副边电流的平衡系数为 $K_{\mathrm{wph}}=\frac{I_{\mathrm{rh}2n}}{I_{\mathrm{rw}2n}},$ 式中I_rh2n为原边首端二次额定电流，I_rw2n为副边二次额定电流；和其中步骤d进一步包括：

电抗器副边电流与平衡系数相乘，即得补偿后的各相电流。

根据本发明，步骤e进一步包括：

大差动保护的动作电流I_wdz和制动电流I_wzd的计算公式为：

$\left.\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{wdz}}=|\stackrel{.}{I_h}+\stackrel{.}{I_w^{\text{'}}}|\\ I_{\mathrm{wzd}}=\frac{1}{2}\×|\stackrel{.}{I_h}-\stackrel{.}{I_w^{\text{'}}}\end{array}\right\}---\left(1\right)$

式中：

为主电抗器原边首端的二次电流， 为经过平衡补偿后的电抗器副边的二次电流，均以流入电抗器为正方向。

在本发明中，步骤f进一步包括：

大差动速断的动作方程为：

               I_wdz＞I_wSD              (2)

式中：I_wdz为大差动保护的动作电流，I_wSD为大差动保护的速断电流定值。

比率制动大差动保护的动作方程为：

$\left.\begin{array}{cc}{I}_{\mathrm{wdz}}>K_{\mathrm{wID}1}\&times;I_{\mathrm{wzd}}+I_{\mathrm{wCd}}& I_{\mathrm{wzd}}<I_{\mathrm{wB}1}\\ I_{\mathrm{wdz}}>K_{\mathrm{wID}2}\&times;(I_{\mathrm{wzd}}-I_{\mathrm{wB}1})+K_{\mathrm{wID}1}\&times;I_{\mathrm{wB}1}+I_{\mathrm{wCD}}& I_{\mathrm{wB}1}\&le;I_{\mathrm{wzd}}<I_{\mathrm{wB}2}\\ I_{\mathrm{wdz}}>K_{\mathrm{wID}3}\&times;(I_{\mathrm{wzd}}-I_{\mathrm{wB}2})+K_{\mathrm{wID}2}\&times;(I_{\mathrm{wB}2}-I_{\mathrm{wB}1})+K_{\mathrm{wID}1}\&times;I_{\mathrm{wB}1}+I_{\mathrm{wCD}}& I_{\mathrm{wB}2}\&le;I_{\mathrm{wzd}}\end{array}\right\}---\left(3\right)$

式中：I_wzd为大差动保护的制动电流；K_wID1、K_wID2、K_wID3分别为各段的比率制动斜率，装置内部分别固定为0.2、0.4和0.6；I_wB1、I_wB2均为拐点电流，其中I_wB1在装置内部固定为0.5I_rh2n，I_wB2在装置内部固定为1.0I_rh2n；I_wCD为大差动保护的起动电流定值。

根据本发明的另一方面，包括TA直流饱和检测测方法，TA直流饱和的判别条件如下：

1)差流基波大于0.15I_r2ln；

2)差流2次谐波比大于10％，三次谐波比小于10％；

3)差流波形偏向时间轴一侧，即|S₊-S_-|≥20％|S₊+S_-|，其中S₊和S_-分别为差动电流一周波内的正采样值积分和负采样值积分；和

4)相电流大于1.5I_r2ln时解除TA直流饱和判别；

满足以上条件后认为发生了TA直流饱和，此时闭锁三段式比率大差动保护。

附图说明

图1显示了高压交流可控型并联电抗器的结构以及电流互感器的安装位置和极性的定义；

图2显示了高压交流可控型并联电抗器大差动保护逻辑框图。

具体实施方案

为保护高压交流可控型并联电抗器内部的故障，特别是副边的匝间故障和接地故障，笔者在分析高压交流可控型并联电抗器设计参数的基础上，提出为高压交流可控型并联电抗器配置大差动保护的方案。理论分析和仿真计算发现虽然可控高抗的漏抗高达100％，气隙磁路和铁芯特性都与普通变压器不同，但其原边电流与副边控制绕组的电流仍满足变比关系，可以取原、副边的首端电流构成大差动保护，而且对于高压交流可控型并联电抗器来说涌流非常小，大差动保护较容易实现。实验和实际系统500kV高压交流可控型并联电抗器最终投运情况表明，高压交流可控型并联电抗器空充时涌流很小，大差动保护对高压交流可控型并联电抗器内部故障有很好的灵敏度，在区外故障、非全相运行和正常操作的暂态稳态过程中不会误动作。高压交流可控型并联电抗器大差动保护所用到的TA的安装位置见图1，具体保护装置的实施方案为：

选取电抗器原边首端电流为基准侧，电抗器副边电流的平衡系数计算由软件完成，

用户免整定。电抗器副边电流的平衡系数为 $K_{\mathrm{wph}}=\frac{I_{\mathrm{rh}2n}}{I_{\mathrm{rw}2n}},$ 式中I_rh2n为原边首端二次额定电流，I_rw2n为副边二次额定电流。将电抗器副边电流与平衡系数相乘，即得补偿后的各相电流。

对于原边和幅边都是Y0接线且无D接绕组的高压交流可控型并联电抗器，不需做相角平衡，也不需做减零流的处理。因此，大差动保护的动作电流I_wdz和制动电流I_wzd的计算公式为：

$\left.\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{wdz}}=|\stackrel{.}{I_h}+\stackrel{.}{I_w^{\text{'}}}|\\ I_{\mathrm{wzd}}=\frac{1}{2}\&times;|\stackrel{.}{I_h}-\stackrel{.}{I_w^{\text{'}}}\end{array}\right\}---\left(1\right)$

式中：

为主电抗器原边首端的二次电流， 为经过平衡补偿后的电抗器副边的二次电流，均以流入电抗器为正方向。

大差动速断的动作方程为：

                I_wdz＞I_wSD                    (2)

式中：I_wdz为大差动保护的动作电流，I_wSD为大差动保护的速断电流定值。

如图2所示逻辑，A、B、C相中仍一相满足式(2)后大差速断保护出口。

比率制动大差动保护的动作方程见式(3)：

$\left.\begin{array}{cc}{I}_{\mathrm{wdz}}>K_{\mathrm{wID}1}\&times;I_{\mathrm{wzd}}+I_{\mathrm{wCD}}& I_{\mathrm{wzd}}<I_{\mathrm{wB}1}\\ I_{\mathrm{wdz}}>K_{\mathrm{wID}2}\&times;(I_{\mathrm{wzd}}-I_{\mathrm{wB}1})+K_{\mathrm{wID}1}\&times;I_{\mathrm{wB}1}+I_{\mathrm{wCD}}& I_{\mathrm{wB}1}\&le;I_{\mathrm{wzd}}<I_{\mathrm{wB}2}\\ I_{\mathrm{wdz}}>K_{\mathrm{wIB}3}\&times;(I_{\mathrm{wzd}}-I_{\mathrm{wB}2})+K_{\mathrm{wID}2}\&times;(I_{\mathrm{wB}2}-I_{\mathrm{wB}1})+K_{\mathrm{wID}1}\&times;I_{\mathrm{wB}1}+I_{\mathrm{wCD}}& I_{\mathrm{wB}2}\&le;I_{\mathrm{wzd}}\end{array}\right\}---\left(3\right)$

式中：I_wzd为大差动保护的制动电流；K_wID1、K_wID2、K_wID3分别为各段的比率制动斜率，装置内部分别固定为0.2、0.4和0.6；I_wB1、I_wB2均为拐点电流，其中I_wB1在装置内部固定为0.5I_rh2n，I_wB2在装置内部固定为1.0I_rh2n；I_wCD为大差动保护的起动电流定值。

如图2所示逻辑，A、B、C三相比率制动大差动作为“或”的关系。A、B、C相中任一相电流满足式(3)后表示该相大差动作，在保护出口前还要判断如下的闭锁条件。

三段式比率差动保护经TA饱和闭锁和TA异常闭锁，其中TA饱和闭锁固定投入，TA异常闭锁由用户通过控制位选择。

电抗器是一个负载性元件，在电抗器区外故障或其它区外扰动的暂态过程中，流过电抗器的工频(交流)电流不会很大，不足以使TA发生饱和从而令纵差保护误动。而此时流过电抗器的直流分量一般会很大而且衰减缓慢，直流分量很容易使TA饱和(称直流饱和)，如果电抗器原边和副边TA特性不一致，一端饱和而另一端不饱和，则大差动保护可能会误动。因此与其它元件的差动保护不同，要保证高压并联电抗器大差动保护可靠运行，需要有完善的TA直流饱和判据。

直流饱和判据采用波形识别与谐波分析相结合，进行容错复判的方法：

1)差流基波大于门槛值，为0.15I_r2ln；

2)差流2次谐波比大于10％，三次谐波比小于10％；

3)差流波形偏向时间轴一侧，即|S₊-S_-|≥20％|S₊+S_-|，其中S₊和S_-分别为差动电流一周波内的正采样值积分和负采样值积分；

4)相电流大于1.5I_r2ln时解除TA直流饱和判别。

如图2所示逻辑，判出直流饱和后闭锁大差动保护。

装置具有完善的TA异常判别功能。采用零序电流和相电流相结合的综合判据，能可靠检测出TA二次回路间隙性断线，保证在TA似断非断的情况下差动保护不误动。如图2所示逻辑，当判断出TA异常后闭锁大差动保护，但当差流大于1.2倍额定电流后，自动开放大差动保护。

为了确保电抗器在空投或外部故障切除时大差动保护的安全性，装置具有三相式二次谐波制动性能。采用三相差动电流中二次谐波与基波的比值作为制动判据：

I_dφ2＞K_XB2×I_dφ         (＝A，B，C)    (4)

式中：I_dφ、I_dφ2分别为各相差动电流中的基波和二次谐波分量，K_XB2为二次谐波制动系数。

如图2所示逻辑，二次谐波比制动采用“或”门闭锁方式，仍一相满足式(4)后闭锁大差动保护。

为了防止电抗器饱和后，由于激磁电流的增大影响大差动保护的动作，采用差动电流的五次谐波与基波的比值作为闭锁判据。

I_dφ5＞K_XB5×I_dφ          (＝A，B，C)    (5)

式中：I_dφ5为各相差动电流中的五次谐波分量，K_XB5为五次谐波制动系数。

如图2所示逻辑，五次谐波比制动采用“或”门闭锁方式，仍一相满足式(5)后闭锁大差动保护。

电抗器空投时，为了躲开空投时差动回路中的较大不平衡量，除了TA直流饱和检测外，还设置了空投检测功能。当检测到电抗器空投时自动适当提高差动定值，防止因冲击电流使大差动保护误动，同时又能保证空投于内部故障时纵差保护正确动作。

Claims (8)

1.一种由高压交流可控型并联电抗器原、副边电流构成的大差动保护的方法，该方法包括如下步骤：

a.电抗器保护装置对高压交流可控型并联电抗器原、副边电流互感器的波形进行采样得到电流瞬时值；

b.通过傅氏算法求出各电气量的复数形式；

c.根据用户输入的TA变比自动计算平衡系数，并输出该系数供用户校验；

d.利用平衡系数计算平衡补偿后的电抗器副边的二次电流；

e.计算差动电流与制动电流；和

f.根据差动速断和比率制动特性分相判断大差动保护逻辑，以进行保护动作。

2.根据权利要求1的方法，其中比率制动采用三段折线特性。

3.根据权利要求1的方法，其中步骤c进一步包括：

电抗器副边电流的平衡系数为 $K_{\mathrm{wph}}=\frac{I_{\mathrm{rh}2n}}{I_{\mathrm{rw}2n}},$ 式中I_rh2n为原边首端二次额定电流，I_rw2n为副边二次额定电流；和其中步骤d进一步包括：

电抗器副边电流与平衡系数相乘，即得补偿后的各相电流。

4.根据权利要求1-3的方法，其中步骤e进一步包括：

大差动保护的动作电流I_wdz和制动电流I_wzd的计算公式为：

$\left.\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{wdz}}=|i_h+i_w^{\&prime;}|\\ I_{\mathrm{wzd}}=\frac{1}{2}\&times;|i_h-i_w^{\&prime;}|\end{array}\right\}$

式中：

为主电抗器原边首端的二次电流，

为经过平衡补偿后的电抗器副边的二次电流，均以流入电抗器为正方向。

5.根据权利要求l的方法，其中步骤f进一步包括：

大差动速断的动作方程为：

I_wdz＞I_wSD

式中：I_wdz为大差动保护的动作电流，I_wSD为大差动保护的速断电流定值。

比率制动大差动保护的动作方程为：

$\left.\begin{array}{cc}{I}_{\mathrm{wdz}}>K_{\mathrm{wID}1}\&times;I_{\mathrm{wzd}}+I_{\mathrm{wCD}}& I_{\mathrm{wzd}}<I_{\mathrm{wB}1}\\ I_{\mathrm{wdz}}>K_{\mathrm{wID}2}\&times;(I_{\mathrm{wzd}}-I_{\mathrm{wB}1})+K_{\mathrm{wID}1}\&times;I_{\mathrm{wB}1}+I_{\mathrm{wCD}}& I_{\mathrm{wB}1\&le;}{I}_{\mathrm{wzd}}<I_{\mathrm{wB}2}\\ I_{\mathrm{wdz}}{K}_{\mathrm{wID}3}\&times;(I_{\mathrm{wzd}}-I_{\mathrm{wB}2})+K_{\mathrm{wID}2}\&times;(I_{\mathrm{wB}2}-I_{\mathrm{wB}1})+K_{\mathrm{wID}1}\&times;I_{\mathrm{wB}1}+I_{\mathrm{wCD}}& I_{\mathrm{wB}2}\&le;I_{\mathrm{wzd}}\end{array}\right\}$

式中：L_wzd为大差动保护的制动电流；K_wID1、K_wID2、K_wID3分别为各段的比率制动斜率，

装置内部分别固定为0.2、0.4和0.6；I_wB1、I_wB2均为拐点电流，其中I_wB1在装置内部固定为0.5I_rh2n，I_wB2在装置内部固定为1.0I_rh2n；I_wCD为大差动保护的起动电流定值。

6.根据权利要求1的方法，其中进一步包括空投检测、TA直流饱和检测、TA异常检测步骤。

7.根据权利要求6的方法，其中空投检测采用三相差动电流中二次谐波与基波的比值作为制动判据：

I_dφ2＞K_XB2×I_dφ    (＝A，B，C)

式中：I_dφ、I_dφ2分别为各相差动电流中的基波和二次谐波分量，K_XB2为二次谐波制动系数。

8.根据权利要求6的方法，其中TA直流饱和的判别条件如下：

1)差流基波大于0.15I_r2ln；

2)差流2次谐波比大于10％，三次谐波比小于10％；

3)差流波形偏向时间轴一侧，即|S₊-S_-|≥20％|S₊S_-|，其中S₊和S_-分别为差动电流一周波内的正采样值积分和负采样值积分；

4)相电流大于15I_r2ln时解除TA直流饱和判别；和

5)判出TA直流饱和后闭锁三段式比率差动保护。

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