CN105044543A - 一种pt断线后电抗器故障判别方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种PT断线后电抗器故障判别方法，所述方法包括以下步骤：(1)PT断线后计算电抗器零序阻抗Zm0，测量故障相首端电流I1和故障相末端电流I2；(2)若零序阻抗Zm0＜2.5Z_L，同时电流变化量ΔI1＞0，ΔI2＞0，I1＝I2，则判为匝间故障；(3)若零序阻抗Zm0＜2.5Z_L，同时电流变化量ΔI1＜0，ΔI2＜0，I1＝I2，则判为区外故障。本发明的方法根据阻抗值的不同，提出了PT断线后匝间故障保护动作的判据，该判据能够可靠区分非全相和匝间故障，从而可改进提高保护动作可靠性，提高保护装置的适应性和动作性能。

Description

一种PT断线后电抗器故障判别方法

技术领域

本发明涉及一种电力***故障分析方法，具体涉及一种PT断线后电抗器故障判别方法。

背景技术

远距离超高压输电线路的对地电容电流很大，为吸收这种容性无功功率、限制***的工频过电压和操作过电压，对于使用单相自动重合闸的线路，为限制潜供电流、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。

超高压并联电抗器对电力***稳定运行起着至关重要的作用，因此，超高压并联电抗器保护的研究日益受到重视。大型电抗器多采用分相式结构，其主要故障为电抗器单相接地和匝间短路，因此匝间短路保护也是电抗器的主保护，但是纵差保护不能反应匝间短路故障，由电抗器零序电压、零序电流组成的零序阻抗继电器构成了电抗器匝间保护。电抗器匝间故障时，零序源在电抗器内部，零序电流超前零序电压，电抗器首端测量到的是***零序阻抗；而在电抗器外部接地故障时，零序源在电抗器外部，零序电流滞后零序电压，电抗器首端测量到的是电抗器的零序阻抗，由于***零序阻抗远小于电抗器零序阻抗，因此通过比较零序电流方向和首端测量零序阻抗的大小可以很容易的判断出故障位置，同时提高匝间保护的灵敏度。

由于PT断线后电抗器发生匝间故障时，电抗器首端测量不到实际的零序阻抗，因此各电抗器保护厂家在PT断线时会闭锁匝间保护，而电抗器的匝间短路是比较多见的一种内部故障形式，为改善匝间短路保护的性能，提高灵敏度，迫切需要研究新型的并联电抗器匝间短路保护原理。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提供一种PT断线后电抗器故障判别方法，利用PT断线后电压特征，计算出断线后及匝间故障时零序电压；利用***正常运行及故障后零序电流大小，分别计算出两种情况下的阻抗值；根据阻抗值的不同，提出了基于零序阻抗的故障判别方法；利用匝间故障时故障电流特征，判断出电抗器区内外故障，提出了PT断线后匝间故障保护动作的判据。

实现上述目的所采用的解决方案为：

一种PT断线后电抗器故障判别方法，其中，该方法包括以下步骤：

(1)PT断线后计算电抗器零序阻抗Zm0，测量故障相首端电流I1和故障相末端电流I2；

(2)若零序阻抗Zm0＜2.5Z_L，同时电流变化量ΔI1＞0，ΔI2＞0，I1＝I2，则判为匝间故障；

(3)若零序阻抗Zm0＜2.5Z_L，同时电流变化量ΔI1＜0，ΔI2＜0，I1＝I2，则判为区外故障。

首先由电抗器首端零负序电压判断PT断线，由于保护装置回路接线方式的影响，PT断线后断线相仍有电压。而上面的判据推导过程基于断线相电压为零，因此判断出断线相后置该相电压为零。然后由电抗器首端零序电压、零序电流采样值计算出半周(10ms)的零序阻抗值：Z0(i+1)，Z0(i+2)，…，Z0(i+N/2)。

其中，N为1个周期内的采样点数。采用基于最小二乘的参数识别法，即选取半波数据窗，若存在某个m使得Z0(i+m)＜2.5Z_L，m＝1，2，3…，N/2，即可判断发生故障。

然后由电抗器首端电流采样值和末端电流采样值计算出半周(10ms)的相电流突变量：△Is(i+1)，△Is(i+2)，…，△Is(i+N/2)；△Im(i+1)，△Im(i+2)，…，△Im(i+N/2)。

其中，N为1个周期内的采样点数。采用基于最小二乘的参数识别法，即选取半波数据窗，若存在某个m使得△Is(i+m)＞0，同时△Im(i+m)＞0，m＝1，2，3…，N/2，即可判断发生匝间故障。反之则判为区外故障。

优选的，所述步骤(1)中，所述电抗器包括A相、B相和C相；

所述零序阻抗，通过首端PT测量零序电压除以首端CT测量零序电流获得；

所述故障相首端电流I1，为首端电流互感器测量电流；

所述故障相末端电流I2，为末端电流互感器测量电流。

优选的，所述步骤(2)中，任何一相断线时，计算零序阻抗Z_m0均小于Z_L+Z_N；当***正常运行时，零序电流I_A0≈0，此时如果发生PT断线，计算零序阻抗Z_m0接近无穷大，考虑到正常波动及计算误差，取计算零序阻抗值小于2.5Z_L(电抗器阻抗值)时即判断为发生故障。

Z_L为电抗器阻抗；Z_N为中性点小电抗

所述匝间故障，是电抗器匝与匝之间因为绝缘损坏造成的短路故障；

所述电流变化量ΔI1，是首端电流互感器电流变化量；

所述电流变化量ΔI2，是末端电流互感器电流变化量。

优选的，所述步骤(3)中，特高压电抗器一般采用Y型接线方式并联在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。当A相发生金属性接地故障时，以A相为特殊相边界条件为

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{A1}+U_{A2}+U_{A0}=0\\ I_{A1}=I_{A2}=I_{A0}=\frac{1}{3}{I}_A\end{array}\right.$

考虑到中性点小电抗Z_N，保护安装处测量零序阻抗为：

$\begin{array}{c}{Z}_{m0}=\frac{3U_0}{3I_0}=\frac{U_A+U_B+U_C+3U_N}{3I_{A0}}\\ =\frac{U_{B1}+U_{B2}+U_{B0}+U_{C1}+U_{C2}+U_{C0}+3I_{A0}\×3Z_N}{3I_{A0}}\\ =\frac{a^2{U}_{A1}+{\mathrm{aU}}_{A2}+U_{A0}+{\mathrm{aU}}_{A1}+a^2{U}_{A2}+U_{A0}+3I_{A0}\×3Z_N}{3I_{A0}}\\ =\frac{\left(-U_{A1}-U_{A2}\right)+2U_{A0}+3I_{A0}\×3Z_N}{3I_{A0}}\\ =Z_L+3Z_N\end{array}$

式中，U₀为零序电压，I₀为零序电流，U_A、U_B、U_C为各相电压，U_N为中性点小电抗电压，Z_N为中性点电抗器阻抗，I_A0为A相零序电流；Z_L为电抗器阻抗，若此时发生A相PT断线，U_A＝0，保护安装处测量零序阻抗仍为Z_L+3Z_N；若此时发生B相PT断线，U_B＝0，保护安装处测量零序阻抗为：

$\begin{array}{c}{Z}_{m0}=\frac{{\mathrm{aU}}_{A1}{a}^2{U}_{A2}+U_{A0}+3I_{A0}\×3Z_N}{3I_{A0}}\\ =\frac{\left(a-a^2\right)U_{A1}+\left(a-a^2\right)U_{A0}+3I_{A0}\×3Z_N}{3I_{A0}}\\ =-j\sqrt{3}\frac{Z_{2\mathrm{\Σ}}+2Z_{0\mathrm{\Σ}}}{3}+3Z_N\end{array}$

当Z_2Σ＝Z_0Σ时， $Z_{m0}=-j\sqrt{3}{Z}_L+3Z_N$

式中，U_A1为A相正序电压，U_A2为A相负序电压，U_A0为A相零序电压，a＝e^j120°，j为复数的虚部，Z_2Σ为等效负序阻抗，Z_0Σ为等效零序阻抗；

同理，发生C相PT断线时，U_C＝0，保护安装处测量零序阻抗为

$\begin{array}{c}{Z}_{m0}=\frac{a^2{U}_{A1}+{\mathrm{aU}}_{A2}+U_{A0}+3I_{A0}\×3Z_N}{3I_{A0}}\\ =\frac{\left(a^2-a\right)U_{A1}-\left(a-1\right)U_{A0}+3I_{A0}3Z_N}{3I_{A0}}\\ =\frac{-j\sqrt{3}{Z}_{2\mathrm{\Σ}}-\left(j\frac{\sqrt{3}}{2}+\frac{3}{2}\right)Z_{0\mathrm{\Σ}}}{3}+3Z_N\end{array}$

当Z_2Σ＝Z_0Σ时，Z_m0＝-Z_L+3Z_N

从以上分析可以看出，电抗器PT断线后若发生区外单相接地故障，保护安装处计算零序阻抗最大为为的模值，Z_N为中性点小电抗；考虑到测量过程中存在的误差，保护在整定时考虑适当裕度，以Zm0<2.5Z_L为判断标准；当***正常运行时，零序电流I_A0≈0，此时如果发生PT断线，计算零序阻抗Z_m0接近无穷大。

所述区外故障，是电抗器所在母线故障或者是线路故障。

电抗器发生匝间故障时，故障相首端I1和末端电流I2均增大且大小相位相同；

电抗器发生近端区外故障时，故障相首端电流I1和末端电流I2均减小且大小相位相同；

电抗器发生远端区外故障时，首末端电流几乎无变化；

电抗器非全相运行时，首末端电流降为零。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明判PT断线时的匝间故障，可以不用闭锁，能够可靠区分非全相和匝间故障，从而可改进提高保护动作可靠性，提高保护装置的适应性和动作性能。

附图说明

图1为本发明中PT断线后匝间保护逻辑图；

图2为本发明中匝间故障时并联电抗器与***等值电路图；

图3为本发明电抗器匝间短路时的复合序网图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。

电抗器发生区内匝间故障时故障特征轻微，以A相为例，设故障后等值阻抗为Z_F，并联电抗器与***等值电路如图2所示。

以A相为特殊相，端口F、F’出现不对称的三相电压UA、UB、UC，可以看出边界条件为

$\left\{\begin{array}{c}{U}_A=I_A(Z_F-Z_L)\\ U_B=0\\ U_C=0\end{array}\right.$

根据对称分量法，可得到端口F、F’处的复合序网图如图3所示。

由复合序网图可求得端口处各序分量：

$I_{A0}=-\frac{U_{A0}}{Z_{0\mathrm{\&Sigma;}}+(Z_L+3Z_N)}$

$I_{A2}=-\frac{U_{A0}}{Z_{2\mathrm{\&Sigma;}}+Z_L}$

$I_{A1}=-\frac{U_{A0}}{\frac{1}{3}(Z_F-Z_L)}-(I_{A0}+I_{A2})$

设保护安装处电流为I_mA、I_mB、I_mC，则保护安装处电压如下式所示。

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{mA}=I_{mA}\&times;Z_F+U_N\\ U_{mB}=I_{mB}\&times;Z_L+U_N\\ U_{mC}=I_{mC}\&times;Z_L+U_N\end{array}\right.$

保护安装处测量阻抗Z_m0为

$\begin{array}{c}{Z}_{m0}=\frac{U_A+U_B+U_C+3U_N}{3I_{A0}}\\ =\frac{I_{mA}\&times;Z_F+I_{mB}\&times;Z_L+I_{mC}\&times;Z_L+3U_N}{3I_{A0}}\\ =\frac{I_{mA}\&times;\left(Z_F-Z_L\right)+3I_{A0}\&times;Z_L+3U_N}{3I_{A0}}=-Z_{0\mathrm{\&Sigma;}}\end{array}$

若此时发生B相PT断线，由于故障相电压降低较少，零序电压幅值仍接近于相电压，3U₀≈U_B。

$\begin{array}{c}\left|Z_{m0}\right|=\left|\frac{I_{mB}\&times;Z_L+U_N}{3I_{A0}}\right|\\ =\left|\frac{I_{mB}\&times;Z_L}{3I_{A0}}+Z_N\right|\&le;\left|\frac{I_{mB}\&times;Z_L}{3I_{A0}}\right|+Z_N\end{array}$

根据经验值，电抗器2％匝间故障时，故障电流大于为正常相电流。所以|Z_m0|≤Z_L+Z_N。同理A、C相断线时，测量阻抗均小于Z_L+Z_N。

最后应当说明的是:以上实施例仅用于说明本申请的技术方案而非对其保护范围的限制,尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明,所属领域的普通技术人员应当理解:本领域技术人员阅读本申请后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在申请待批的权利要求保护范围之内。

Claims (4)

1.一种PT断线后电抗器故障判别方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)PT断线后计算电抗器零序阻抗Zm0，测量故障相首端电流I1和故障相末端电流I2；

(2)若零序阻抗Zm0＜2.5Z_L，同时电流变化量ΔI1＞0，ΔI2＞0，I1＝I2，则判为匝间故障,其中Z_L为电抗器阻抗；

(3)若零序阻抗Zm0＜2.5Z_L，同时电流变化量ΔI1＜0，ΔI2＜0，I1＝I2，则判为区外故障,其中Z_L为电抗器阻抗。

2.如权利要求1所述的判别方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述电抗器包括A相、B相和C相；

所述零序阻抗，通过首端PT测量零序电压除以首端CT测量零序电流获得；

所述故障相首端电流I1，为电流互感器首端测量电流；

所述故障相末端电流I2，为电流互感器末端测量电流。

3.如权利要求1所述的判别方法，其特征在于，所述步骤(2)中：

所述匝间故障，是电抗器匝与匝之间因为绝缘损坏造成的短路故障；

所述电流变化量ΔI1，是电流互感器首端电流变化量；

所述电流变化量ΔI2，是电流互感器末端电流变化量。

4.如权利要求1所述的判别方法，其特征在于，所述步骤(3)中，当A相发生区外故障A相PT断线时，计算零序阻抗 $Z_{m0}=\frac{3U_0}{3I_0}=\frac{U_A+U_B+U_C+3U_N}{3I_{A0}}=Z_L+3Z_N;$

式中U₀为零序电压，I₀为零序电流，U_A、U_B、U_C为各相电压，U_N为中性点小电抗电压，Z_N为中性点电抗器阻抗，I_A0为A相零序电流；

当B相发生区外故障B相PT断线时，

$Z_{m0}=\frac{3U_0}{3I_0}=\frac{{\mathrm{aU}}_{A1}+a^2{U}_{A2}+U_{A0}+3I_{A0}\&times;3Z_N}{3I_{A0}}=-j\sqrt{3}\frac{Z_{2\mathrm{\&Sigma;}}+2Z_{0\mathrm{\&Sigma;}}}{3}+3Z_N;$

当Z_2Σ＝Z_0Σ时， $Z_{m0}=-j\sqrt{3}{Z}_L+3Z_N;$

当C相发生区外故障C相PT断线时，

$Z_{m0}=\frac{3U_0}{3I_0}=\frac{a^2{U}_{A1}+{\mathrm{aU}}_{A2}+U_{A0}+3I_{A0}\&times;3Z_N}{3I_{A0}}=\frac{-j\sqrt{3}{Z}_{2\mathrm{\&Sigma;}}-(j\frac{\sqrt{3}}{2}+\frac{3}{2})Z_0\mathrm{\&Sigma;}}{3}+3Z_N;$

式中，U_A1为A相正序电压，U_A2为A相负序电压，U_A0为A相零序电压，a＝e^j120°，j为复数的虚部，Z_2Σ为等效负序阻抗，Z_0Σ为等效零序阻抗；

当Z_2Σ＝Z_0Σ时， $Z_{m0}=-Z_L+3Z_N;$

即电抗器PT断线后若发生区外单相接地故障，保护安装处计算零序阻抗Zm0最大为考虑到测量过程中存在的误差，保护在整定时考虑适当裕度，以Zm0<2.5Z_L为判断标准；

所述区外故障，是电抗器所在母线故障或者是线路故障。