一种抽能电抗器匝间保护方法及装置与流程

本发明涉及电力系统保护领域，尤其涉及一种基于抽能侧负序阻抗闭锁的抽能电抗器匝间保护方法及装置。

背景技术：

抽能电抗器与传统的电抗器和变压器存在较大差异，由于抽能绕组通常位于旁轭上，原副边耦合较弱，主电抗器侧额定容量和抽能绕组侧额定容量相差上百倍，电流纵联差动无法装设。

传统的基于负序功率方向的匝间保护、零序功率方向匝间保护和带补偿电压的零序功率方向匝间保护使用范围为传统并联电抗器，并未考虑抽能电抗器与传统电抗器的差异性。在抽能侧区外发生不对称故障时，从电抗器高压侧保护安装处获取电压电流量进行计算，均有可能会被认为满足匝间故障判断区内所需的条件，而误切电抗器。

综上所述存在问题，有必要对现有的抽能电抗器匝间保护判据进行改进。

技术实现要素：

本发明的目的，在于提供一种基于抽能侧负序阻抗闭锁的抽能电抗器匝间保护方法及装置，用来解决抽能电抗器匝间保护在抽能绕组侧区外发生故障会误动的问题，其方法通过抽能电抗器抽能绕组侧三相电压和三相电流计算所得负序阻抗，与设置的阻抗判据进行比较，不降低原有匝间保护灵敏度的前提下，提高了保护动作的可靠性。

为实现上述目的，在第一方面，本发明提供了一种抽能电抗器匝间保护方法，该方法包括：

测量抽能电抗器主电抗器高压侧输出端的三相电压及三相电流，判断出不对称故障发生在系统侧还是抽能电抗器侧，所述抽能电抗器侧包括电抗器一次绕组、抽能绕组、与抽能绕组连接的箱式变压器及站用负载侧；

测量抽能电抗器抽能绕组侧输出端的三相电压及三相电流；

根据抽能绕组侧输出端的三相电压及三相电流计算抽能绕组侧负序阻抗测量值Z_2.cn；

将负序测量阻抗值Z_2.cn与抽能绕组侧负序整定阻抗值Z_2.set进行比较，判断是否闭锁抽能电抗器匝间保护，其中：当Z_2.cn大于Z_2.set时，则判定故障发生的位置不在抽能电抗器抽能绕组侧区外，不闭锁匝间保护；当Z_2.cn小于Z_2.set时，则判定故障发生的位置在抽能电抗器抽能绕组侧区外，闭锁匝间保护，

优选地，所述抽能绕组侧负序测量阻抗值Z_2.cn通过如下公式计算得到：

其中各符号的含义如下：

分别为抽能绕组侧的三相带矢量的电压测量值；

分别为抽能绕组侧的三相带矢量的电流测量值；

a为转角因子，a代表逆时针120°转角，a²代表逆时针240°转角；

为计算所得的负序电压；

为计算所得的负序电流；

Z_2.cn为计算所得的负序阻抗。。

优选地，所述抽能绕组侧负序整定阻抗值Z_2.set为实际的抽能绕组侧二次负荷负序阻抗乘以一整定系数k，k的取值范围为0.3～0.5,其保护范围为以阻抗坐标轴原点为圆心、以Z_2.set的模值为半径的全阻抗圆。

优选地，所述计算所得的负序电流小于设定的阈值I_2.set时，不进行对抽能电抗器匝间保护的闭锁处理，所述I_2.set取值为0.06倍～0.2倍的抽能绕组侧参与负序阻抗判断的电流互感器二次额定电流。

优选地，所述判断出不对称故障发生在系统侧还是抽能电抗器侧是通过下列方式中 的一种而实现：

基于负序功率方向的匝间保护、基于零序功率方向匝间保护和带补偿电压的零序功率方向匝间保护。

在第二方面，本发明提供了一种基于抽能侧负序阻抗闭锁的抽能电抗器匝间保护装置。该装置包括采样模块、计算模块、判断模块，

所述采样模块与所述计算模块相连，用于采集抽能电抗器主电抗器高压侧输出端及抽能绕组侧输出端的三相电压和三相电流；

所述计算模块与所述判断模块相连，用于根据抽能电抗器抽能绕组侧输出端的三相电压和三相电流进行计算，计算出抽能电抗器抽能绕组侧负序测量阻抗Z_2.cn；

所述判断模块，用于根据抽能电抗器主电抗器高压侧输出端的三相电压和三相电流判断出不对称故障发生在系统侧还是抽能电抗器侧，以及将负序测量阻抗值Z_2.cn与抽能绕组侧负序整定阻抗值Z_2.set进行比较，判断是否应该闭锁抽能电抗器匝间保护，其中：当Z_2.cn大于Z_2.set时，则判定故障发生的位置不在抽能电抗器抽能绕组侧区外，不闭锁匝间保护；当Z_2.cn小于Z_2.set时，则判定故障发生的位置在抽能电抗器抽能绕组侧区外，闭锁匝间保护。

优选地，所述采样模块根据工程实际要求可支持模拟量输入和光纤数字量信号，对于常规工程，所述采样模块包括模拟量输入模块和模数转换模块；对于数字化工程，所述采样模块包括光信号处理模块。

优选地，所述计算模块通过如下公式计算得到抽能绕组侧负序测量阻抗值Z_2.cn：

其中各符号的含义如下：

分别为抽能绕组侧的三相带矢量的电压测量值；

分别为抽能绕组侧的三相带矢量的电流测量值；

a为转角因子，a代表逆时针120°转角，a²代表逆时针240°转角；

为计算所得的负序电压；

为计算所得的负序电流；

Z_2.cn为计算所得的负序阻抗。

优选地，所述抽能绕组侧负序整定阻抗值Z_2.set为实际的抽能绕组侧二次负荷负序阻抗乘以一整定系数k，k的取值范围为0.3～0.5,其保护范围为以阻抗坐标轴原点为圆心、以Z_2.set的模值为半径的全阻抗圆。

优选地，所述计算所得的负序电流小于设定的阈值I_2.set时，不进行对抽能电抗器匝间保护的闭锁处理，所述I_2.set取值为0.06倍～0.2倍的抽能绕组侧参与负序阻抗判断的电流互感器二次额定电流。

本发明通过利用抽能电抗器抽能绕组侧三相电压和三相电流计算所得负序阻抗，与设置的阻抗判据进行比较以判断是否进行闭锁匝间保护，避免了小电气量的方向判别困难，根据在不同的位置发生故障，其负序测量阻抗的巨大差异性来判断区内和区外。在不降低原有匝间保护灵敏度的前提下，提高了保护动作的可靠性。

附图说明

图1是本发明实施例的抽能电抗器与保护装置的连接示意图；

图2是本发明实施例的保护判断逻辑示意图；

图3是本发明实施例的保护装置的结构框图。

附图标记说明：

a-保护装置抽能电抗器高压侧匝间判别逻辑，b-保护装置抽能电抗器抽能绕组侧负序阻抗判别逻辑，CT-Ha-抽能电抗器高压侧a相电流互感器，CT-Hb-抽能电抗器高压侧b相电流互感器，CT-Hc-抽能电抗器高压侧c相电流互感器，CT-La-为抽能电抗器抽能绕组侧a相电流互感器，CT-Lb-为抽能电抗器抽能绕组侧b相电流互感器，CT-Lc- 为抽能电抗器抽能绕组侧c相电流互感器，PT-H-抽能电抗器高压侧电压互感器，PT-L为抽能电抗器抽能侧电压互感器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。需要说明的是，附图仅为示例性说明，并未按照严格比例绘制，而且其中可能有为描述便利而进行的局部放大、缩小，对于公知部分结构亦可能有一定缺省。

图1是本发明实施例的抽能电抗器与保护装置的连接示意图。

如图1所示，本发明的抽能电抗器高压侧设有抽能电抗器高压侧a相电流互感器CT-Ha、抽能电抗器高压侧b相电流互感器CT-Hb、抽能电抗器高压侧c相电流互感器CT-Hc和抽能电抗器高压侧电压互感器PT-H。抽能电抗器抽能绕组侧设有抽能电抗器抽能绕组侧a相电流互感器CT-La、抽能电抗器抽能绕组侧b相电流互感器CT-Lb，抽能电抗器抽能绕组侧c相电流互感器CT-Lc和抽能电抗器抽能侧电压互感器PT-L。保护装置分别通过CT-Ha、CT-Hb、CT-Hc和PT-H与抽能电抗器的高压侧相连，分别通过CT-La、CT-Lb、CT-Lc和PT-L与抽能电抗器的抽能绕组侧相连。其中，CT-Ha、CT-Hb、CT-Hc上方为系统侧，CT-Ha、CT-Hb、CT-Hc至CT-La、CT-Lb、CT-Lc之间为抽能电抗器侧，CT-La、CT-Lb、CT-Lc下方为抽能电抗器抽能绕组侧区外。

本发明利用上述结构进行抽能电抗器的匝间保护，包括如下步骤：

采集抽能电抗器高压侧三相PT二次电压和抽能电抗器高压侧三相CT二次电流，采用和常规并联电抗器匝间保护相同的方法，判断出不对称故障发生在系统侧还是抽能电抗器侧(抽能电抗器匝间判据a)，匝间判据a可以采用常规的负序功率方向、零序功率方向或者带补偿电压的零序功率方向元件。其中，抽能电抗器侧包含电抗器一次绕组、抽能绕组、与抽能绕组连接的箱式变压器及站用负载侧。

采集抽能电抗器抽能绕组侧输出端的三相PT二次电压及三相CT二次电流；根据抽能绕组侧输出端的三相PT二次电压及三相CT二次电流计算抽能绕组侧负序阻抗测量值Z_2.cn；将负序测量阻抗值Z_2.cn与抽能绕组侧负序整定阻抗值Z_2.set进行比较，判断是否闭锁抽能电抗器匝间保护，(匝间判据b)。当Z_2.cn大于Z_2.set时，认为故障发生的位置不在抽能电抗器抽能绕组侧区外，不闭锁匝间保护；当Z_2.cn小于Z_2.set时，认为故障发生的位置在抽能电抗器抽能绕组侧区外，闭锁匝间保护。其中，抽能绕组侧负序整定阻抗值 Z_2.set为实际的抽能绕组侧二次负荷负序阻抗乘以一整定系数k，k的取值范围为0.3～0.5,其保护范围为以阻抗坐标轴原点为圆心、以Z_2.set的模值为半径的全阻抗圆5。抽能绕组侧负序测量阻抗值Z_2.cn通过以下公式获得：

其中各符号的含义如下：

分别为抽能绕组侧的三相带矢量的电压测量值；

分别为抽能绕组侧的三相带矢量的电流测量值；

a为转角因子，a代表逆时针120°转角，a²代表逆时针240°转角；

为计算所得的负序电压；

为计算所得的负序电流；

Z_2.cn为计算所得的负序阻抗。

其中，为了防止正常运行情况下无负序电压及负序电流，式(3)中的分子和分母均接近于0，导致计算异常。当负序测量阻抗落入设定的负序阻抗圆内，同时抽能绕组侧负序电流大于设定的开放阈值I_2.set，闭锁高压侧匝间保护。其中I_2.set取值为0.06～0.2倍的抽能绕组侧参与负序阻抗判断的电流互感器二次额定电流。

以下根据国内某500kV变电站抽能电抗器具体参数，结合附图详细介绍基于抽能侧负序阻抗闭锁的抽能电抗器匝间保护方法。抽能电抗器参数如下：

电抗器额定容量：6000kvar/167kVA；

电抗器额定电压：318kV/6kV；

额定电流：189A/27.8A；

正常运行时换算到高压侧的测量阻抗：1680Ω；

抽能绕组金属性短路时换算到高压侧的测量阻抗：1547.19Ω；

正常运行时换算到抽能绕组侧的测量阻抗：215.7Ω；

电抗器高压侧金属性短路时换算到抽能绕组侧的测量阻抗：5.98Ω。

以上述抽能电抗器为例，对于静止设备，电力系统中通常会认为正序阻抗约等于负序阻抗，由于500kV变电站与系统联系紧密，系统联系阻抗较小，相对于电抗器阻抗而言，几乎可以忽略不计，在正确运行情况下，抽能绕组侧感受到的负序测量阻抗约等于正序测量阻抗215.7Ω，这里的215.7欧姆为一次负荷测量阻抗用Z′_2.cnload表示，可以根据以下公式换算至二次负荷测量阻抗：

式(4)中N_ct为抽能绕组侧CT变比，N_pt为抽能绕组侧PT变比，取可靠系数k以后作为二次负序阻抗整定值，其中k根据实际情况，可以取值为0.3～0.5。

Z_2.set＝k·Z_2.cnload 式(5)

上述方案中在抽能绕组保护安装处靠近系统侧发生不对称故障，由于负序电源在故障点，抽能绕组侧保护安装处测量到的负序阻抗为负荷负序阻抗，值比较大，接近Z_2.cnload，不会落入Z_2.set的阻抗圆内；而在抽能绕组保护安装处靠近负荷侧发生不对称故障，负序电源在负载侧，抽能绕组侧保护安装处测量到的负序阻抗为电抗器负序阻抗和系统联络负序阻抗，值比较小，会落入到Z_2.set的阻抗圆内，从而闭锁高压侧匝间保护。

采用本发明的方法后，可有效区分抽能电抗器抽能绕组区外不对称、区内不对称故障，不降低抽能电抗器匝间保护灵敏度的同时提高了匝间保护的可靠性，同时全阻抗圆的判据，避免了小电气量的方向判别困难，根据在不同的位置发生故障，其负序测量阻抗的巨大差异性来判断区内和区外。

图2是本发明实施例的保护判断逻辑示意图。

如图2所示，图2中的高压侧匝间判据为图1中判别逻辑a，抽能侧Z_2.cn<Z_2.set和抽能侧为图1中的判别逻辑b，抽能侧Z_2.cn<Z_2.set和抽能侧组成第一与门关系，主电抗器侧PT断线和抽能绕组侧PT断线组成第一或门关系，匝间保护软压板 和匝间保护硬压板组成第二与门关系。抽能侧Z_2.cn<Z_2.set和抽能侧组成的第一与门输出端与主电抗器侧PT断线和抽能绕组侧PT断线组成的第一或门的输出端组成第二或门关系，第二或门的输出端经过第一非门与高压侧匝间判据组成第三与门关系，第三与门的输出端与第二与门的输出端组成第四与门关系，第四与门的输出端即为匝间保护动作。

在主电抗器高压侧输出端和抽能绕组侧发生一次或者二次PT断线的时候，由于无法再进行方向元件测量，匝间保护以及负序阻抗判据退出，同时匝间保护受匝间保护硬压板和匝间保护软压板控制，匝间保护硬压板和匝间保护软压板为与门关系，当同时投入的时候，保护才会投入。

图3是本发明实施例的保护装置的结构框图。

如图3所示，本发明实施例的保护装置包括采样模块、计算模块和判断模块。

采样模块与所述计算模块相连，主要负责采集抽能电抗器主电抗器高压侧输出端及抽能绕组侧输出端的三相电压和三相电流。其中，采样模块根据工程实际要求可支持模拟量输入(为现场常规电压互感器、电流互感器传递过来的模拟量)和光纤数字量信号(电子式互感器经合并单元处理后的数字量信号)。对于常规工程，采样模块包括模拟量输入模块和模数转换模块。对于数字化工程，采样模块包括光信号处理模块。

计算模块与所述判断模块相连，主要负责根据抽能电抗器抽能绕组侧输出端的三相电压和三相电流进行计算，计算出抽能电抗器抽能绕组侧负序测量阻抗Z_2.cn。抽能绕组侧负序测量阻抗值Z_2.cn通过以下公式得到：

其中各符号的含义如下：

分别为抽能绕组侧的三相带矢量的电压测量值；

分别为抽能绕组侧的三相带矢量的电流测量值；

a为转角因子，a代表逆时针120°转角，a²代表逆时针240°转角；

为计算所得的负序电压；

为计算所得的负序电流；

Z_2.cn为计算所得的负序阻抗。

判断模块主要负责根据抽能电抗器主电抗器高压侧输出端的三相电压和三相电流判断出不对称故障发生在系统侧还是抽能电抗器侧，以及将负序测量阻抗值Z_2.cn与抽能绕组侧负序测量阻抗值Z_2.set进行比较，判断是否应该闭锁抽能电抗器匝间保护，其中：当Z_2.cn大于Z_2.set时，则判定故障发生的位置不在抽能电抗器抽能绕组侧区外，不闭锁匝间保护；当Z_2.cn小于Z_2.set时，则判定故障发生的位置在抽能电抗器抽能绕组侧区外，闭锁匝间保护。抽能绕组侧负序整定阻抗值Z_2.set为实际的抽能绕组侧二次负荷负序阻抗乘以一整定系数k，k的取值范围为0.3～0.5,其保护范围为以阻抗坐标轴原点为圆心、以Z_2.set的模值为半径的全阻抗圆。

另外，为了防止正常运行情况下无负序电压及负序电流，式(3)中的分子和分母均接近于0，导致计算异常。当负序测量阻抗落入设定的负序阻抗圆内，同时抽能绕组侧负序电流大于设定的开放阈值I_2.set，闭锁高压侧匝间保护。其中I_2.set取值为0.06～0.2倍的抽能绕组侧参与负序阻抗判断的电流互感器二次额定电流。

应当理解，根据本发明的抽能电抗器匝间保护还可有如下变化：

1)当抽能电抗器正常运行时，负序电压和负序电流理论上等于零，实际运行中会存在，但是量非常小，负序电流小于设定的起判阈值，不对匝间保护进行闭锁。

2)当抽能电抗器高压侧区外发生不对称故障时，抽能绕组侧阻抗判据满足，开放匝间保护，而高压侧本身的匝间保护为带方向的保护，不会出口，匝间保护不会误动作。

3)当抽能电抗器区内发生不对称故障时，抽能绕组侧阻抗判据满足，开放匝间保护，同时高压侧本身的匝间保护正方向满足，匝间保护动作切除故障。

4)当抽能电抗器抽能绕组侧区外发生不对称故障时，抽能绕组侧阻抗判据不满足， 闭锁匝间保护，尽管高压侧本身的匝间保护正方向满足，匝间保护不会误动作。

另外，在本发明的描述中，需要说明的是，术语“相连”“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。