專利名稱：超高壓輸電線并聯電抗器的匝間短路保護方法
技術領域：
本發明涉及電力系統輸電線路并聯電抗器的保護方法，特別是涉及了一種基于負序功率方向原理的超高壓輸電線并聯電抗器的匝間短路保護方法。
背景技術：
遠距離超高壓、特高壓輸電線的對地電容電流很大，容易產生嚴重的過電壓問題。使用并聯電抗器的電感能補償線路的對地電容、削弱電容效應。同時，由于單相重合閘在超高壓線路得到廣泛應用，為限制潛供電流、提高重合閘的成功率，往往在超高壓及以上線路上都需要安裝帶中性點小電抗的并聯電抗器。因此并聯電抗器作為輸電線路的關鍵設備在超高壓、特高壓系統中獲得廣泛的應用。
對于沒有專用開關的超高壓并聯電抗器，其停、送電操作必須在本線路處于無電狀態下進行。即使對于有高壓開關的并聯電抗器，一旦其退出運行，輸電線也將無法運行。所以說，并聯電抗器對整個系統的安全運行起決定性作用。現場運行統計表明，并聯電抗器的故障率遠遠高于相同電壓等級的其他設備，因此對其保護提出了更高要求。隨著我國電力系統實現全國聯網以及建設750kV輸電線路進程的加快，研究大型超高壓并聯電抗器故障及其保護有重大意義。
對于并聯電抗器內部線圈及引出線單相接地或相間短路故障，差動保護方法能夠提供靈敏的保護。電抗器的匝間短路也是一種比較多見的內部故障形式。當短路匝數很少時，一相匝間短路引起的三相電流不平衡可能很小，很難被檢測或發現。而且，縱差保護方法不反應匝間故障，它利用過流與距離繼電器實現匝間故障保護時沒有足夠的靈敏度，且受勵磁涌流等因素的影響大。為提高電抗器匝間故障的靈敏度，我國曾研制出零序功率方向原理的電抗器匝間短路保護。但是，作為一種與本發明最為接近的現有技術，該方法由于發生輕微匝間故障時的零序分量很小，因此零序功率方向保護增加了補償特性，但系統運行方式的變化會影響補償特性的效果，不利于保護的使用。
針對目前并聯電抗器保護性能的不足，尤其是匝間故障保護性能的缺陷，本發明提出了基于負序功率方向的匝間保護方法。
發明內容
本發明的目的是克服現有技術的缺陷，從匝間故障序分量的特點出發，提出了基于負序功率方向原理的輸電線并聯電抗器的匝間短路保護方法，采用負序功率方向特性分析，利用微型機實現了對故障序分量的分析和仿真測試。
本發明提出一種超高壓輸電線并聯電抗器的匝間短路保護方法，通過取自電抗器高壓側引出端的相電壓、相電流計算出負序電壓、電流，并依據該負序電壓、電流值進行匝間短路的判斷，該判斷過程包括以下步驟進行故障序分量計算；通過判斷負序電壓和負序電流之間的相位關系；判斷負序功率的方向從而確定是否發生了并聯電抗器匝間短路故障或區內接地短路故障。
與現有技術相比，本方法由于匝間故障時負序分量比零序分量的模值大，因此負序功率方向保護不僅提高了匝間短路元件動作的靈敏度，也取消了傳統零序功率方向保護的阻抗補償特性。該方法不僅提供了并聯電抗器匝間故障保護，還能實現并聯電抗器區內或區外接地故障的可靠判斷，同時該方法可確保并聯電抗器在非全相運行狀態下不會誤動作，經過理論分析與仿真測試證明了新的匝間保護原理的正確及有效性。
下面將結合實施例，并參照附圖進行詳細說明，以便對本發明進行更深入的說明。
圖1為并聯電抗器與超高壓系統連接的等效電路；圖2為并聯電抗器發生匝間短路的故障序網圖；圖3為并聯電抗器發生匝間故障的負序網絡圖；圖4為并聯電抗器內部發生接地故障時的負序網絡圖；圖5為并聯電抗器區外部發生接地故障時的負序網絡圖；圖6為負序功率方向保護的動作特性圖；圖7為非全相運行時的負序回路電路圖。
具體實施例方式
并聯電抗器一般采用Y型接入超高壓輸電線路的一端或兩端，為抑制潛供電流和諧振過電壓等問題，并聯電抗器往往帶有中性點小電抗。并聯電抗器與超高壓系統連接的等效電路如圖1所示。圖中ZL為并聯電抗器阻抗；ZN為中性點小電抗。
正常運行時，各序電流關系為 假設并聯電抗器A相發生匝間故障，其阻抗變化為ZF。由對稱分量法，可以計算得到匝間短路的故障序網圖如圖2所示。
由序網圖分析可知，輕微匝間故障時，z=ZF-ZL3]]>很小，因此正序電流仍近似為 可見輕微匝間故障時的正序電流變化很小，因此過流保護對匝間故障沒有足夠的靈敏度。負序與零序電流之間的關系為 對于超高壓輸電系統，一般Z0∑＝(1.5～3)Z2∑。顯然，匝間故障時的負序電流模值遠大于零序電流，但考慮到輕微匝間故障時的序電流較小，單純利用故障序分量電流對匝間故障不能構成性能良好的保護，因此本發明提出了基于負序功率方向的新的匝間保護原理。
利用微型機的繼電保護裝置很容易實現故障序分量的計算，可實現本發明所提出的利用負序功率方向原理實現的輸電線并聯電抗器的匝間故障保護方法。其具體步驟包括通過判斷負序電壓和負序電流之間的相位關系，明確負序功率的方向，確定是否發生匝間短路故障，或者是接地故障發生在區內還是區外。為此定義負序功率方向保護的負序電壓U&2取自電抗器引出端線路上的負序電壓；負序電流I&2取自電抗器的高壓側，正方向為線路流向電抗器。
下面通過具體實施例，進一步說明本發明的技術方案1.利用負序功率方向特性進行并聯電抗器區內、區外故障判斷的具體實現方法由對稱分量法可知，在網絡中發生不對稱故障時，可以在故障點接入一組不對稱的電勢源，電勢源的各相電勢與上述各相不對稱電壓大小相等、方向相反。單相匝間短路時的負序回路中必有縱向負序故障電壓E&2，設XL1，XL2分別為故障點兩側的電抗，XN為中性點小電抗；XS2為系統等值負序電抗，則匝間故障的負序網絡如圖3所示。發生匝間故障時，取自電抗器高壓側的負序電壓U&2與負序電流I&2之間的關系為 一般超高壓、特高壓輸電線路的并聯電抗器均為單相油浸式，故一般僅考慮單相接地故障。設在電抗器內部出現接地故障，故障點出現橫向負序電壓E2&，其負序網絡如圖4所示，即電抗器內部接地故障時的負序回路。
可見電抗器內部接地故障時的負序電壓U&2與負序電流I&2之間的關系為 當系統側發生接地故障，即接地故障發生在并聯電抗器區外時的負序網絡如圖5所示，即外部接地故障時的負序回路。
電抗器外部接地故障時的負序電壓U&2與負序電流I&2之間的關系為 由以上分析可知，故障發生在區內或區外可由系統負序網絡中負序源所在位置判斷出來，從而大大提高了匝間故障時保護動作的靈敏度。
因此本發明提出的負序功率方向保護的動作判據如下 式中lm最大靈敏角，取決于系統負序阻抗角。為保證負序功率方向保護反映電抗器匝間故障以及內部接地故障，以負序阻抗為純電抗考慮，則lm＝-90°。因此，負序功率方向保護的動作特性如圖6所示。
2.線路非全相運行時負序功率方向保護的動作特性分析為保證系統的穩定運行和供電的可靠性，單相重合閘在超高壓線路上得到廣泛的應用。當超高壓線路任一相位上因發生故障而跳閘后，線路進入非全相運行狀態。由于三相電壓不對稱，因此會產生負序電壓、負序電流，此時系統在非全相運行時的負序回路如圖7所示。
由此可見，非全相運行情況下，電抗器引出端的負序電壓取自母線或取自線路有本質區別。當U&2取自母線側和線路側時負序電壓與負序電流之間的關系為 由(6)式可見，當負序電壓取自母線側(負序電壓U&2M)，負序功率方向保護必然發生誤動；而當負序電壓取自線路側(負序電壓U&2L)，負序電壓U&2超前于負序電流I&2，故負序功率方向保護不會誤動。
對于全相運行或故障的各種情況，負序電壓取自線路側或母線側的判定結果是一致的。因此，負序功率方向保護的負序電壓應取自并聯電抗器引出端的線路側，負序電流取自電抗器高壓側，且定義正方向為由線路流向電抗器。由上分析可知，負序功率方向保護不僅能夠有效判斷區內外接地故障，同時避免非全相運行狀態下發生誤動，也為電抗器匝間故障提供了靈敏的保護特性。
3.在微型機中利用負序功率方向特性進行電抗器故障判斷的具體實現方法微型機繼電保護很容易實現對故障序分量的計算。由取自電抗器高壓側引出端的相電壓、相電流可以計算負序電壓、電流 由微機保護實現(5)式表達的負序功率方向保護特性如下式 當(8)式滿足時，則說明發生了匝間短路故障或是有區內接地故障。
可見，負序功率方向保護原理清晰，易于實現，且對匝間故障有很高的靈敏度，因此可作為并聯電抗器匝間故障的主保護。
為此定義負序功率方向保護的負序電壓U&2取自電抗器引出端線路上的負序電壓；負序電流I&2取自電抗器的高壓側，正方向為線路流向電抗器。
權利要求
1.一種超高壓輸電線并聯電抗器的匝間短路保護方法，通過取自電抗器高壓側引出端的相電壓、相電流計算出負序電壓、電流，并依據該負序電壓、電流值進行匝間短路的判斷，該判斷過程包括以下步驟進行故障序分量計算；判斷負序電壓和負序電流之間的相位關系；依據計算出的負序功率的方向判斷是否發生了匝間故障或其他類型故障。
2.如權利要求1所述的超高壓輸電線并聯電抗器的匝間短路保護方法，其特征在于，所述負序功率方向保護的動作判據為 當負序功率方向計算式 滿足動作判據，則判斷所發生的匝間短路故障為區內故障；當負序功率方向計算式 不滿足動作判據，則判斷所發生的匝間短路故障為區外故障。
3.如權利要求1所述的負序功率方向保護動作判據中的靈敏角lm可根據實際系統情況通過定值整定實現靈活選擇。
4.如權利要求1所述的超高壓輸電線并聯電抗器的匝間短路保護方法，其特征在于，在輸電線路進入非全相運行狀態時，其負序電壓U2&取自線路側，此時負序電壓U2&與負序電流I2&之間的關系為
5.如權利要求1所述的超高壓輸電線并聯電抗器的匝間短路保護方法，其特征在于，所述故障序分量由微型機繼電保護實現。
全文摘要
一種超高壓輸電線并聯電抗器的匝間短路保護方法，通過取自電抗器高壓側引出端的相電壓、相電流計算出負序電壓、電流，并依據該負序電壓、電流值進行匝間短路的判斷，該判斷過程包括以下步驟通過判斷負序電壓和負序電流之間的相位關系；判斷發生匝間短路故障時負序功率的方向；以及確定并聯電抗器所發生的故障在區內或者區外。本方法不僅提高了匝間短路時保護元件動作的靈敏度，也取消了傳統零序功率方向保護的阻抗補償特性。該方法不僅提供了并聯電抗器匝間故障保護，還能實現并聯電抗器區內或區外接地故障的可靠判斷，同時該方法可確保并聯電抗器在非全相運行狀態下不會誤動作，經過理論分析與仿真測試證明了新的匝間保護原理的正確及有效性。
文檔編號H02H3/38GK1652424SQ20051001309
公開日2005年8月10日 申請日期2005年1月13日 優先權日2005年1月13日
發明者李永麗, 李斌 申請人:天津大學