CN100442623C - 超高压输电线并联电抗器的匝间短路保护方法 - Google Patents

Abstract

一种超高压输电线并联电抗器的匝间短路保护方法，通过取自电抗器高压侧引出端的相电压、相电流计算出负序电压、电流，并依据该负序电压、电流值进行匝间短路的判断，该判断过程包括以下步骤：通过判断负序电压和负序电流之间的相位关系；判断发生匝间短路故障时负序功率的方向；以及确定并联电抗器所发生的故障在区内或者区外。本方法不仅提高了匝间短路时保护元件动作的灵敏度，也取消了传统零序功率方向保护的阻抗补偿特性。该方法不仅提供了并联电抗器匝间故障保护，还能实现并联电抗器区内或区外接地故障的可靠判断，同时该方法可确保并联电抗器在非全相运行状态下不会误动作，经过理论分析与仿真测试证明了新的匝间保护原理的正确及有效性。

Description

超高压输电线并联电抗器的匝间短路保护方法

技术领域

本发明涉及电力***输电线路并联电抗器的保护方法，特别是涉及了一种基于负序功率方向原理的超高压输电线并联电抗器的匝间短路保护方法。

背景技术

远距离超高压、特高压输电线的对地电容电流很大，容易产生严重的过电压问题。使用并联电抗器的电感能补偿线路的对地电容、削弱电容效应。同时，由于单相重合闸在超高压线路得到广泛应用，为限制潜供电流、提高重合闸的成功率，往往在超高压及以上线路上都需要安装带中性点小电抗的并联电抗器。因此并联电抗器作为输电线路的关键设备在超高压、特高压***中获得广泛的应用。

对于没有专用开关的超高压并联电抗器，其停、送电操作必须在本线路处于无电状态下进行。即使对于有高压开关的并联电抗器，一旦其退出运行，输电线也将无法运行。所以说，并联电抗器对整个***的安全运行起决定性作用。现场运行统计表明，并联电抗器的故障率远远高于相同电压等级的其他设备，因此对其保护提出了更高要求。随着我国电力***实现全国联网以及建设750kV输电线路进程的加快，研究大型超高压并联电抗器故障及其保护有重大意义。

对于并联电抗器内部线圈及引出线单相接地或相间短路故障，差动保护方法能够提供灵敏的保护。电抗器的匝间短路也是一种比较多见的内部故障形式。当短路匝数很少时，一相匝间短路引起的三相电流不平衡可能很小，很难被检测或发现。而且，纵差保护方法不反应匝间故障，它利用过流与距离继电器实现匝间故障保护时没有足够的灵敏度，且受励磁涌流等因素的影响大。为提高电抗器匝间故障的灵敏度，我国曾研制出零序功率方向原理的电抗器匝间短路保护。但是，作为一种与本发明最为接近的现有技术，该方法由于发生轻微匝间故障时的零序分量很小，因此零序功率方向保护增加了补偿特性，但***运行方式的变化会影响补偿特性的效果，不利于保护的使用。

针对目前并联电抗器保护性能的不足，尤其是匝间故障保护性能的缺陷，本发明提出了基于负序功率方向的匝间保护方法。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺陷，从匝间故障序分量的特点出发，提出了基于负序功率方向原理的输电线并联电抗器的匝间短路保护方法，采用负序功率方向特性分析，利用微型机实现了对故障序分量的分析和仿真测试。

本发明提出一种超高压输电线并联电抗器的匝间短路保护方法，通过取自电抗器高压侧引出端的相电压、相电流计算出负序电压、电流，并依据该负序电压、电流值进行匝间短路的判断，该判断过程包括以下步骤：

进行故障序分量计算，

计算公式为其中，

代表负序电压，

代表负序电流，U_2r代表负序的实部电压，I_2r代表负序的实部电流，U_2i代表负序的虚部电压，I_2i代表负序的虚部电流，

代表a、b相间电压，

代表a、b相间电流，

代表b、c相间电压，代表b、c相间电流；

判断负序电压和负序电流之间的相位关系；

计算负序功率方向保护的动作判据为

当负序功率方向计算式

满足动作判据，则判断所发生的匝间短路故障为区内故障；当负序功率方向计算式

不满足动作判据，则判断所发生的匝间短路故障为区外故障，其中，

为负序电压

与负序电流

之间的灵敏角，取***负序阻抗角。

与现有技术相比，本方法由于匝间故障时负序分量比零序分量的模值大，因此负序功率方向保护不仅提高了匝间短路元件动作的灵敏度，也取消了传统零序功率方向保护的阻抗补偿特性。该方法不仅提供了并联电抗器匝间故障保护，还实现并联电抗器区内或区外接地故障的可靠判断，同时该方法可确保并联电抗器在非全相运行状态下不会误动作，经过理论分析与仿真测试证明了新的匝间保护原理的正确及有效性。

下面将结合实施例，并参照附图进行详细说明，以便对本发明进行更深入的说明。

附图说明

图1为并联电抗器与超高压***连接的等效电路；

图2为并联电抗器发生匝间短路的故障序网图；

图3为并联电抗器发生匝间故障的负序网络图；

图4为并联电抗器内部发生接地故障时的负序网络图；

图5为并联电抗器区外部发生接地故障时的负序网络图；

图6为负序功率方向保护的动作特性图；

图7为非全相运行时的负序回路电路图。

具体实施方式

并联电抗器一般采用Y型接入超高压输电线路的一端或两端，为抑制潜供电流和谐振过电压等问题，并联电抗器往往带有中性点小电抗。并联电抗器与超高压***连接的等效电路如图1所示。图中Z_L为并联电抗器阻抗；Z_N为中性点小电抗。

正常运行时，各序电流关系为 ${\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{ka}1}=\frac{{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{ka}1}}{Z_L},$ ${\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{ka}2}={\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{ka}0}=0A.$ 假设并联电抗器A相发生匝间故障，其阻抗变化为Z_F。由对称分量法，可以计算得到匝间短路的故障序网图如图2所示。

由序网图分析可知，轻微匝间故障时， $z=\frac{Z_F-Z_L}{3}$ 很小，因此正序电流仍近似为 ${\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{ka}1}\≈\frac{{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{ka}1}}{Z_L}.$ 可见轻微匝间故障时的正序电流变化很小，因此过流保护对匝间故障没有足够的灵敏度。负序与零序电流之间的关系为：

$\frac{{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{ka}0}}{{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{ka}2}}=\frac{Z_{2\mathrm{\Σ}}+Z_L}{Z_{0\mathrm{\Σ}}+Z_L+3Z_N}---\left(1\right)$

对于超高压输电***，一般Z_0∑＝(1.5～3)Z_2∑。显然，匝间故障时的负序电流模值远大于零序电流，但考虑到轻微匝间故障时的序电流较小，单纯利用故障序分量电流对匝间故障不能构成性能良好的保护，因此本发明提出了基于负序功率方向的新的匝间保护原理。

利用微型机的继电保护装置很容易实现故障序分量的计算，可实现本发明所提出的利用负序功率方向原理实现的输电线并联电抗器的匝间故障保护方法。其具体步骤包括：通过判断负序电压和负序电流之间的相位关系，明确负序功率的方向，确定是否发生匝间短路故障，或者是接地故障发生在区内还是区外。为此定义负序功率方向保护的负序电压

取自电抗器引出端线路上的负序电压；负序电流

取自电抗器的高压侧，正方向为线路流向电抗器。

下面通过具体实施例，进一步说明本发明的技术方案：

1.利用负序功率方向特性进行并联电抗器区内、区外故障判断的具体实现方法

由对称分量法可知，在网络中发生不对称故障时，可以在故障点接入一组不对称的电势源，电势源的各相电势与上述各相不对称电压大小相等、方向相反。单相匝间短路时的负序回路中必有纵向负序故障电压，设X_L1，X_L2分别为故障点两侧的电抗，X_N为中性点小电抗；X_S2为***等值负序电抗，则匝间故障的负序网络如图3所示。发生匝间故障时，取自电抗器高压侧的负序电压与负序电流

之间的关系为：

${\stackrel{\·}{U}}_2=-{\stackrel{\·}{I}}_2\·j{X}_{S2}---\left(2\right)$

一般超高压、特高压输电线路的并联电抗器均为单相油浸式，故一般仅考虑单相接地故障。设在电抗器内部出现接地故障，故障点出现横向负序电压

其负序网络如图4所示，即电抗器内部接地故障时的负序回路。

可见电抗器内部接地故障时的负序电压

与负序电流

之间的关系为：

${\stackrel{\·}{U}}_2=-{\stackrel{\·}{I}}_2\·j{X}_{S2}---\left(3\right)$

当***侧发生接地故障，即接地故障发生在并联电抗器区外时的负序网络如图5所示，即外部接地故障时的负序回路。

电抗器外部接地故障时的负序电压

与负序电流

之间的关系为：

${\stackrel{\·}{U}}_2={\stackrel{\·}{I}}_2\·j{X}_L---\left(4\right)$

上式中，X_L代表并联电抗器的感抗。

由以上分析可知，故障发生在区内或区外可由***负序网络中负序源所在位置判断出来，从而大大提高了匝间故障时保护动作的灵敏度。

因此本发明提出的负序功率方向保护的动作判据如下：

式中

最大灵敏角，取决于***负序阻抗角。为保证负序功率方向保护反映电抗器匝间故障以及内部接地故障，以负序阻抗为纯电抗考虑，则

因此，负序功率方向保护的动作特性如图6所示。

2.线路非全相运行时负序功率方向保护的动作特性分析

为保证***的稳定运行和供电的可靠性，单相重合闸在超高压线路上得到广泛的应用。当超高压线路任一相位上因发生故障而跳闸后，线路进入非全相运行状态。由于三相电压不对称，因此会产生负序电压、负序电流，此时***在非全相运行时的负序回路如图7所示。

由此可见，非全相运行情况下，电抗器引出端的负序电压取自母线或取自线路有本质区别。当

取自母线侧和线路侧时负序电压与负序电流之间的关系为：

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{U}}_{2M}=-j{\stackrel{\·}{I}}_2{X}_{S2}\\ {\stackrel{\·}{U}}_{2L}=j{\stackrel{\·}{I}}_2{X}_L\end{array}\right.---\left(6\right)$

由(6)式可见，当负序电压取自母线侧(负序电压

)，负序功率方向保护必然发生误动；而当负序电压取自线路侧(负序电压

)，负序电压超前于负序电流

，故负序功率方向保护不会误动。

对于全相运行或故障的各种情况，负序电压取自线路侧或母线侧的判定结果是一致的。因此，负序功率方向保护的负序电压应取自并联电抗器引出端的线路侧，负序电流取自电抗器高压侧，且定义正方向为由线路流向电抗器。由上分析可知，负序功率方向保护不仅能够有效判断区内外接地故障，同时避免非全相运行状态下发生误动，也为电抗器匝间故障提供了灵敏的保护特性。

3.在微型机中利用负序功率方向特性进行电抗器故障判断的具体实现方法

微型机继电保护很容易实现对故障序分量的计算。由取自电抗器高压侧引出端的相电压、相电流可以计算负序电压、电流：

由微机保护实现(5)式表达的负序功率方向保护特性如下式：

当(8)式满足时，则说明发生了匝间短路故障或是有区内接地故障。

可见，负序功率方向保护原理清晰，易于实现，且对匝间故障有很高的灵敏度，因此可作为并联电抗器匝间故障的主保护。

为此定义负序功率方向保护的负序电压

取自电抗器引出端线路上的负序电压；负序电流

取自电抗器的高压侧，正方向为线路流向电抗器。

Claims (3)

1.一种超高压输电线并联电抗器的匝间短路保护方法，通过取自电抗器高压侧引出端的相电压、相电流计算出负序电压、电流，并依据该负序电压、电流值进行匝间短路的判断，该判断过程包括以下步骤：

进行故障序分量计算，

计算公式为

其中，代表负序电压，

代表负序电流，U_2r代表负序的实部电压，I_2r代表负序的实部电流，U_2i代表负序的虚部电压，I_2i代表负序的虚部电流，

代表a、b相间电压，

代表a、b相间电流，

代表b、c相间电压，

代表b、c相间电流；

判断负序电压和负序电流之间的相位关系；

计算负序功率方向保护的动作判据为

当负序功率方向计算式

满足动作判据，则判断所发生的匝间短路故障为区内故障；当负序功率方向计算式

不满足动作判据，则判断所发生的匝间短路故障为区外故障，其中，

为负序电压

与负序电流

之间的灵敏角，取***负序阻抗角。

2.如权利要求1所述的超高压输电线并联电抗器的匝间短路保护方法，其特征在于，在输电线路进入非全相运行状态时，其负序电压

应取自线路侧，此时负序电压

与负序电流

之间的关系为 ${\stackrel{\·}{U}}_2=j{\stackrel{\·}{I}}_2{X}_L,$ X_L为并联电抗器的感抗。

3.如权利要求1所述的超高压输电线并联电抗器的匝间短路保护方法，其特征在于，所述故障序分量由微型机继电保护实现。

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