基于电流电压相位角的并联干式空心电抗器的保护方法与流程

本发明涉及输变电技术领域，特别涉及一种基于电流电压相位角的并联干式空心电抗器的保护方法。

背景技术：

由于电网容量的扩大，使得输配电系统短路容量的额定值迅速增大，为了限制输电线路的短路电流，保护电力设备，必须安装电抗器，电抗器能够减小短路电流和使短路瞬间系统的电压保持不变。在低压电抗器中，并联干式空心电抗器恰好具有这一功能，用于长距离输电线路的电容无功补偿，使得输配电系统电压稳定运行。因此，并联干式空心电抗器因干式无油、维护量小、运行成本低、结构简单、重量轻、便于运输和安装、无铁芯饱和、噪音低和电抗值保持线性等优点，在电网中得到大规模的应用。

近几年，由于并联干式空心电抗器制造工艺和电网系统过电压的影响，导致并联干式空心电抗器匝间短路事故时有发生，为防止电抗器匝间短路事故扩大，进而发生火灾，目前采用过电流和过电压保护的方式保护电抗器的正常运行。

但是，由于传统的过电流和过电压保护对匝间短路事故的灵敏性较低，使得发生匝间短路的并联干式空心电抗器难以高效地、灵敏地、快速地切除，导致一些电抗器匝间短路事故扩大，甚至发生火灾，严重的影响了变电站其他设备的安全运行。

技术实现要素：

本发明的发明目的在于提供一种基于电流电压相位角的并联干式空心电抗器的保护方法，以解决现有的保护方法无法将发生匝间短路事故的电抗器高效地、灵敏地、快速地切除，导致匝间短路事故扩大，影响变电站其他设备的安全运行的问题。

根据本发明的实施例，提供了一种基于电流电压相位角的并联干式空心电抗器的保护方法，包括以下步骤：

S1、获取正常运行时电抗器的正常相电压和正常相电流，并根据所述正常相电压和所述正常相电流得到正常电流电压相位角；

S2、获取发生匝间短路时电抗器的故障相电压和故障相电流，并根据所述故障相电压和所述故障相电流得到故障电流电压相位角；

S3、根据所述正常电流电压相位角和所述故障电流电压相位角，建立发生匝间短路时的电流电压相位角差计算方法，得到电流电压相位角差值；

S4、对所述电流电压相位角差计算方法进行处理，得到电流电压相位角差的绝对值，建立基于电流电压相位角的保护判断方法；

S5、根据所述保护判断方法，判断所述电流电压相位角差的绝对值是否大于或等于预设阈值，如果满足，则启动保护方法。

优选地，所述步骤S1中，所述正常电流电压相位角的获得方式具体包括：

通过安装在所述电抗器母线上的电压互感器和电流互感器对正常运行时的电抗器进行采样，实时获取正常运行时电抗器的所述正常相电压和所述正常相电流，以所述正常相电流为初始参考向量，根据所述正常相电压和所述正常相电流之间的夹角，得到所述正常电流电压相位角。

优选地，所述步骤S1还可包括：

获取所述电抗器的使用初始时刻的初始相电压和初始相电流，以所述初始相电流为初始参考向量，根据所述初始相电压和初始相电流之间的夹角，得到所述正常电流电压相位角。

优选地，所述步骤S2具体包括：

通过安装在所述电抗器母线上的电压互感器和电流互感器对发生匝间短路时的电抗器进行采样，获取发生匝间短路时电抗器的所述故障相电压和所述故障相电流，以所述故障相电流为初始参考向量，根据所述故障相电压和所述故障相电流之间的夹角，得到所述故障电流电压相位角。

优选地，所述步骤S3具体包括：

根据所述正常电流电压相位角和所述故障电流电压相位角，将所述故障电流电压相位角和所述正常电流电压相位角进行做差处理，建立发生匝间短路时的电流电压相位角差计算方法，得到电流电压相位角差值；其中，所述电流电压相位角差计算方法的计算式为：

式中，表示电流电压相位角差值，表示故障电流电压相位角，表示正常电流电压相位角。

优选地，所述步骤S4具体包括：

根据所述电流电压相位角差计算方法，对所述电流电压相位角差计算方法的计算式进行取绝对值处理，得到电流电压相位角差的绝对值，建立基于电流电压相位角的保护判断方法；其中，所述电流电压相位角差的绝对值的计算式为：

式中，Δθ表示电流电压相位角差的绝对值，表示电流电压相位角差值。

优选地，所述基于电流电压相位角的保护判断方法具体为：

根据所述电流电压相位角差的绝对值的计算式，判断所述电流电压相位角差的绝对值是否大于预设阈值；其中，所述预设阈值为

如果所述电流电压相位角差的绝对值大于或等于则发生匝间短路，启动所述保护方法；

如果所述电流电压相位角差的绝对值小于则未发生匝间短路，不启动所述保护方法。

优选地，所述步骤S5具体包括：

根据所述基于电流电压相位角的保护判断方法，判断所述电流电压相位角差的绝对值与预设阈值的比较结果；

如果所述电流电压相位角差的绝对值大于或等于则发生匝间短路，输出一个控制信号给所述电抗器的开关，触发开关动作，启动所述保护方法，切除所述发生匝间短路的电抗器；

如果所述电流电压相位角差的绝对值小于则未发生匝间短路，不启动所述保护方法。

由以上技术方案可知，本发明实施例提供了一种基于电流电压相位角的并联干式空心电抗器的保护方法，包括以下步骤：获取正常运行时电抗器的正常相电压和正常相电流，并根据正常相电压和正常相电流得到正常电流电压相位角；获取发生匝间短路时电抗器的故障相电压和故障相电流，并根据故障相电压和故障相电流得到故障电流电压相位角；根据正常电流电压相位角和故障电流电压相位角，建立发生匝间短路时的电流电压相位角差计算方法，得到电流电压相位角差值；再对电流电压相位角差计算方法进行处理，得到电流电压相位角差的绝对值，建立基于电流电压相位角的保护判断方法；根据所述保护判断方法，判断电流电压相位角差的绝对值是否大于或等于预设阈值，如果满足，则启动保护方法。本发明提供的方法，通过安装在干式空心电抗器上的电压互感器和电流互感器获取正常运行时电抗器各相的电流电压相位角，或获取电抗器使用初始时刻的电流电压相位角作为正常电流电压相位角；再获取电抗器匝间击穿时的电流电压相位角作为故障电流电压相位角，建立基于发生匝间短路时的电流电压相位角计算方法，再根据电流电压相位角差值，对其取绝对值处理，建立基于电流电压相位角的保护判断方法，判断取绝对值后的数值与预设阈值的大小关系，进而判断是否需要启动保护方法，本发明提供的方法，基于电流电压相位角的保护判断方法，可实现高效地、灵敏地、快速地切除发生匝间短路故障的电抗器，避免电抗器匝间短路事故的扩大，以保证变电站其他电力设备的安全可靠运行。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例示出的基于电流电压相位角的并联干式空心电抗器的保护方法的流程图；

图2为本发明实施例示出的正常电流电压相位角与故障电流电压相位角的对比图；

图3为本发明实施例示出的BKDK-20000/35并联干式空心电抗器发生匝间短路时的电流电压相位角差的绝对值的情况示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，根据本发明实施例提供的一种基于电流电压相位角的并联干式空心电抗器的保护方法，包括以下步骤：

S1、获取正常运行时电抗器的正常相电压和正常相电流，并根据所述正常相电压和所述正常相电流得到正常电流电压相位角；

S2、获取发生匝间短路时电抗器的故障相电压和故障相电流，并根据所述故障相电压和所述故障相电流得到故障电流电压相位角；

S3、根据所述正常电流电压相位角和所述故障电流电压相位角，建立发生匝间短路时的电流电压相位角差计算方法，得到电流电压相位角差值；

S4、对所述电流电压相位角差计算方法进行处理，得到电流电压相位角差的绝对值，建立基于电流电压相位角的保护判断方法；

S5、根据所述保护判断方法，判断所述电流电压相位角差的绝对值是否大于或等于预设阈值，如果满足，则启动保护方法。

本发明实施例提供的针对并联干式空心电抗器的保护方法，是基于电流电压相位角的方法，根据电流电压相位角差的绝对值与预设阈值的比较结果，判断是否出现匝间短路事故，以高效地、灵敏地、快速地切除发生匝间短路的电抗器，避免电抗器匝间短路事故的扩大，以保证变电站其他电力设备的安全可靠运行。

在步骤S1中，获取正常运行时电抗器的正常相电压和正常相电流，并根据所述正常相电压和所述正常相电流得到正常电流电压相位角；

具体地，通过安装在所述电抗器母线上的电压互感器和电流互感器对发生匝间短路时的电抗器进行采样，获取发生匝间短路时电抗器的所述故障相电压和所述故障相电流，以所述故障相电流为初始参考向量，根据所述故障相电压和所述故障相电流之间的夹角，得到所述故障电流电压相位角。

当并联干式空心电抗器处于正常运行状态时，在现场通过设置在电抗器母线上的电压互感器和安装有A、B、C三相的电流互感器，实时采集正常运行时电抗器的正常相电压和正常相电流，以正常相电流作为初始参考向量，正常相电压以正常相电流的值为起始点旋转一定角度，使得正常相电压和正常相电流之间形成一定夹角，而此夹角即为正常电流电压相位角。

该正常电流电压相位角的另一种获取方式为：获取所述电抗器的使用初始时刻的初始相电压和初始相电流，以所述初始相电流为初始参考向量，根据所述初始相电压和初始相电流之间的夹角，得到所述正常电流电压相位角。

获取正常相电压和相电流的方式不仅只在电抗器正常运行时获取，还可以在电抗器投入使用时获取，由于电抗器在投入生产使用前是未运行状态，因此使用初始状态必然是正常运行状态，不会出现故障的情况，因此通过获取使用初始时刻的相电流和相电压来确定正常电流电压相位角也是可以的。两种获取方式得到的正常电流电压相位角的数值一样。

本发明实施例提供的保护方法，在电抗器正常运行状态下，其通过获取相电流和相电压来确定正常电流电压相位角的方式可采用上述两种方式中的任意一种，本发明实施例不做具体限定。

在步骤S2中，获取发生匝间短路时电抗器的故障相电压和故障相电流，并根据所述故障相电压和所述故障相电流得到故障电流电压相位角；

具体地，通过安装在所述电抗器母线上的电压互感器和电流互感器对发生匝间短路时的电抗器进行采样，获取发生匝间短路时电抗器的所述故障相电压和所述故障相电流，以所述故障相电流为初始参考向量，根据所述故障相电压和所述故障相电流之间的夹角，得到所述故障电流电压相位角。

当并联干式空心电抗器发生匝间短路故障时，在现场中通过设置在电抗器母线上的电压互感器和安装有A、B、C三相的电流互感器，采集发生匝间短路时电抗器的瞬时故障相电压和故障相电流，以故障相电流作为初始参考向量，故障相电压以故障相电流的方向为起始点开始旋转，使得故障相电压和故障相电流之间形成一定夹角，此夹角即为故障电流电压相位角。

在步骤S3中，根据所述正常电流电压相位角和所述故障电流电压相位角，建立发生匝间短路时的电流电压相位角差计算方法，得到电流电压相位角差值；

具体地，根据所述正常电流电压相位角和所述故障电流电压相位角，将所述故障电流电压相位角和所述正常电流电压相位角进行做差处理，建立发生匝间短路时的电流电压相位角差计算方法，得到电流电压相位角差值；

当获取到正常电流电压相位角和故障电流电压相位角后，需要计算二者的相位角差值，来说明发生匝间短路时电压和电流的变化情况，因此，将故障电流电压相位角和正常电流电压相位角进行做差处理，建立电流电压相位角计算方法，即可得到电流电压相位角差值。

其中，发生匝间短路时的电流电压相位角差计算方法的计算式为：

式中，表示电流电压相位角差值，表示故障电流电压相位角，表示正常电流电压相位角。

在步骤S4中，对所述电流电压相位角差计算方法进行处理，得到电流电压相位角差的绝对值，建立基于电流电压相位角的保护判断方法；

根据所述电流电压相位角差计算方法，对所述电流电压相位角差计算方法的计算式进行取绝对值处理，得到电流电压相位角差的绝对值，建立基于电流电压相位角的保护判断方法；

其中，所述电流电压相位角差的绝对值的计算式为：

式中，Δθ表示电流电压相位角差的绝对值，表示电流电压相位角差值。

其中，所述基于电流电压相位角的保护判断方法具体为：

根据所述电流电压相位角差的绝对值的表达式，判断所述电流电压相位角差的绝对值是否大于预设阈值；其中，所述预设阈值为

由于相电压和相电流的极限夹角为90°，因此，将此极限夹角作为预设阈值，判断电抗器的正常电流电压相位角和故障电流电压相位角之差的绝对值，是否超过90°，以此来确定当前电抗器是否发生匝间短路故障。

根据电流电压相位角计算方法，判断发生匝间短路时的故障电流电压相位角与正常电流电压相位角之差的绝对值是否等于或大于预设阈值；

如果电流电压相位角差的绝对值与所述预设阈值满足下式：则发生匝间短路，即并联干式空心电抗器发生匝间击穿，触发保护方法切除发生故障的电抗器；

如果电流电压相位角差的绝对值与所述预设阈值满足下式：则未发生匝间短路，不触发保护方法。

在对电抗器进行实时采集数据时，其获取到的相电压与相电流之间的相位角与正常电流电压相位角之差的绝对值小于时，说明此时电抗器正处于正常运行状态；当获取的两个电流电压相位角之差的绝对值大于或等于时，则说明当前电抗器发生匝间短路故障，进而触发保护方法以隔离发生故障的电抗器。因此，本发明实施例提供的方法通过判断发生匝间短路时的故障电流电压相位角与正常电流电压相位角之差的绝对值是否等于或大于预设阈值，作为判断电抗器发生匝间短路故障的依据，进一步判断是否启动保护方法，以切除发生故障的电抗器。

在步骤S5中，根据所述保护判断方法，判断所述电流电压相位角差的绝对值与预设阈值的比较结果，如果满足，则启动保护方法。

具体地，根据所述基于电流电压相位角的保护判断方法，判断所述电流电压相位角差的绝对值与预设阈值的比较结果；

如果所述电流电压相位角差的绝对值大于或等于则发生匝间短路，输出一个控制信号给所述电抗器的开关，触发开关动作，启动所述保护方法，切除所述发生匝间击穿的电抗器；

如果所述电流电压相位角差的绝对值小于则未发生匝间短路，不启动所述保护方法。

根据本发明实施例提供的基于电流电压相位角的保护判断方法，通过实时获取电抗器的相电压和相电流，进而得到电流电压相位角，对比其与正常电流电压相位角之差的绝对值与预设阈值的大小，若小于预设阈值，则说明当前电抗器处于正常运行状态，未发生匝间短路故障，则不触发保护动作。

若大于或等于预设阈值，说明此时电抗器发生匝间短路故障，此时的电流电压相位角即为故障电流电压相位角，即该电抗器在放电为外界提供能量，此时需触发保护动作，即刻输出一个控制信号给电抗器的开关，控制此开关的开启，进而快速地切除发生匝间短路故障的电抗器，以保证变电站其他设备的安全运行。

由以上技术方案可知，本发明实施例提供了一种基于电流电压相位角的并联干式空心电抗器的保护方法，包括以下步骤：获取正常运行时电抗器的正常相电压和正常相电流，并根据正常相电压和正常相电流得到正常电流电压相位角；获取发生匝间短路时电抗器的故障相电压和故障相电流，并根据故障相电压和故障相电流得到故障电流电压相位角；根据正常电流电压相位角和故障电流电压相位角，建立发生匝间短路时的电流电压相位角差计算方法，得到电流电压相位角差值；再对电流电压相位角差计算方法进行处理，得到电流电压相位角差的绝对值，建立基于电流电压相位角的保护判断方法；根据所述保护判断方法，判断电流电压相位角差的绝对值是否大于或等于预设阈值，如果满足，则启动保护方法。本发明提供的方法，通过安装在干式空心电抗器上的电压互感器和电流互感器获取正常运行时电抗器各相的电流电压相位角，或获取电抗器使用初始时刻的电流电压相位角作为正常电流电压相位角；再获取电抗器匝间击穿时的电流电压相位角作为故障电流电压相位角，建立基于发生匝间短路时的电流电压相位角计算方法，再根据电流电压相位角差值，对其取绝对值处理，建立基于电流电压相位角的保护判断方法，判断取绝对值后的数值与预设阈值的大小关系，进而判断是否需要启动保护方法，本发明提供的方法，基于电流电压相位角的保护判断方法，可实现高效地、灵敏地、快速地切除发生匝间短路故障的电抗器，避免电抗器匝间短路事故的扩大，以保证变电站其他电力设备的安全可靠运行。

为了更好地说明本发明提供的方案，下面以BKDK-20000/35并联干式空心电抗器为例进行说明。

S1、获取BKDK-20000/35并联干式空心电抗器正常运行时的相电压和相电流，或获取该电抗器使用初始时刻的相电压和相电流，以相电流作为初始参考向量，相电压根据相电流旋转一定角度，相电压与相电流之间的夹角即为正常电流电压相位角；

S2、获取BKDK-20000/35并联干式空心电抗器发生匝间短路时的故障相电压和故障相电流，以故障相电流作为初始参考向量，故障相电压旋转一定角度，二者之间的夹角即为故障电流电压相位角；

S3、故障电流电压相位角减去两倍的正常电流电压相位角，得到故障时和正常运行时的电流电压相位角差值，建立发生匝间短路时的电流电压相位角差计算方法；

S4、对得到的电流电压相位角差值取绝对值处理，得到电流电压相位角差的绝对值，建立基于电流电压相位角的保护判断方法；

S5、根据基于电流电压相位角的保护判断方法，判断电流电压相位角差的绝对值与预设阈值的大小情况，如果小于预设阈值，则说明当前电抗器处于正常运行状态，未发生匝间短路故障，则不触发保护动作；

若大于或等于预设阈值，说明此时电抗器发生匝间短路故障，即该电抗器在放电为外界提供能量，此时需触发保护动作，即刻输出一个控制信号给电抗器的开关，控制此开关的开启，进而高效地、灵敏地、快速地切除发生匝间短路故障的电抗器，以保证变电站其他设备的安全运行。

电流电压相位角差的绝对值与预设阈值的判断结果，以40个支路为例，具体判断结果如图3所示。

由图3可以看出，发生匝间短路故障时，电流电压相位角差的绝对值大于以此作为判断电抗器发生匝间短路故障的依据，进而触发保护方法，以高效地、灵敏地、快速地切除发生故障的电抗器，保证变电站内其他设备的正常运行。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。