阅读说明：本技术 磁控式可控电抗器的控制绕组内部故障检测装置及方法 (Device and method for detecting internal fault of control winding of magnetic control type controllable reactor ) 是由 石祥建 牟伟 韩兵 韩焦 钟高跃 吴龙 刘为群 陈松林 文继锋 苏家财 于 2019-09-09 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种磁控式可控电抗器的控制绕组内部故障检测装置及方法,包括第一电流传感元件,设于磁控式可控电抗器的控制绕组的正负极间过压保护支路中；和/或包括第二电流传感元件和第三电流传感元件,二者分别设于磁控式可控电抗器的控制绕组的正极对地过压保护支路和负极对地过压保护支路中；当所述第一电流传感元件,和/或第二电流传感元件和第三电流传感元件中检测到的电流满足设定故障电流特征时,则判定磁控式可控电抗器的控制绕组内部发生故障。本发明通过分别检测各过压保护支路的电流,并在电流符合控制绕组内部故障电流特征时判断电抗器控制绕组内部出现故障,实现了对磁控式电抗器控制绕组内部故障的准确、有效和快速判断。(the invention discloses a device and a method for detecting internal faults of a control winding of a magnetic control type controllable reactor, wherein the device comprises a first current sensing element, a second current sensing element and a third current sensing element, wherein the first current sensing element is arranged in an overvoltage protection branch circuit between the positive pole and the negative pole of the control winding of the magnetic control type controllable reactor; and/or the second current sensing element and the third current sensing element are respectively arranged in a positive pole earth overvoltage protection branch and a negative pole earth overvoltage protection branch of a control winding of the magnetic control type controllable reactor; and when the currents detected in the first current sensing element, the second current sensing element and the third current sensing element meet the set fault current characteristics, determining that a fault occurs in the control winding of the magnetic control type controllable reactor. According to the invention, the current of each overvoltage protection branch circuit is detected respectively, and the fault in the control winding of the reactor is judged when the current accords with the fault current characteristics in the control winding, so that the fault in the control winding of the magnetically controlled reactor is accurately, effectively and quickly judged.)

磁控式可控电抗器的控制绕组内部故障检测装置及方法

技术领域

本发明属于磁控式电抗器保护技术领域，具体涉及一种磁控式可控电抗器的控制绕组内部故障检测装置及方法。

背景技术

超高压/特高压长距离输电线路在轻载时由于线路对地电容充电呈现出明显的“容升效应”，导致线路末端电压偏高，危害输变电设备的安全运行。磁控式可控电抗器作为可控电抗器的一种，它通过磁控式可控电抗器控制绕组的励磁系统连续控制直流励磁电流的大小改变铁心的饱和度，从而实现电抗值的改变和无功功率的连续平滑调节，是解决长距离重载线路限制过电压和无功补偿的矛盾、降低线路输送损耗、平衡无功功率以及改善沿线电压分布水平的重要工具和有效手段。

现有磁控式可控并联电抗器本体主要由网侧绕组、补偿绕组和控制绕组组成。网侧绕组与特高压输电线路或变电站母线直接相连，补偿绕组与滤波装置和励磁系统功率整流回路输入端相连，为自励式励磁系统提供励磁电源。控制绕组则与励磁系统功率整流回路输出端相连，流入控制绕组的直流励磁电流大小决定了电抗器本体铁芯的饱和程度以及相应的电抗值。

由于控制绕组采用的是与同相网侧绕组耦合的2个绕组的反向串联(然后三相再并联)结构，正常情况下2个反向串联绕组的工频交流感应电压相抵消、控制绕组对外不呈现交流电压。但是一旦控制绕组内部发生故障(比如匝间短路、内部绕组接地或绕组对地闪络)，则在与之相连的直流回路正负极之间、直流回路(正极或负极)对地间产生非常高的工频过电压(几kV～十几kV)，首当其冲便是对励磁系统功率整流回路及励磁变压器的相间绝缘和对地绝缘造成严重破坏，导致励磁回路绝缘击穿和设备损坏，这也是磁控式电抗器控制保护系统在设计阶段必须考虑和解决的问题。为防止控制绕组内部故障产生的过电压对励磁系统的损害，一方面需要在励磁系统整流回路输出端设置正极对地过压保护元件、负极对地过压保护元件以及正负极间过压保护元件，在控制绕组发生故障时立刻投入吸收过电压能量；另一方面需要快速将电抗器从电网中切除，避免过电压能量持续作用。而磁控式电抗器又属于典型高漏抗变压器类型，短路阻抗可达0.4～0.6pu，控制绕组内部发生故障后的网侧绕组电气量没有显著的电气故障特征，导致通过常规保护手段不易检测到故障，因而必须要有专门的有效手段快速检测出控制绕组内部故障，确保在达到过压保护元件的极限承受容量前将电抗器从电网切除，避免对电抗器设备、运行人员人身造成严重损害。

目前已公开的技术资料有关于磁控式电抗器励磁绕组套管闪络的检测方法(比如CN200810105712.4、CN201611160904.6)，上述文献公开的方法仅通过对地电流传感器件输出信号的有无来判断是否发生励磁绕组套管闪络、绕组内部接地等故障，判断方法简单、没有考虑与控制绕组内部不同故障相适应的电流特征，在电流传感器损坏、采样回路异常或采样系统受到干扰下可能带来误判和保护误动问题；同时上述文献公开的方法仅通过采集单一接地点电流信号来判断故障，只能获得总的对地电流信号，不利于故障原因与故障发展过程的深入分析和掌握；而且在控制绕组匝间短路故障时接地点电流传感器检测不到电流，不能用于匝间故障的检测识别。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种磁控式可控电抗器的控制绕组内部故障检测装置及方法，通过分别检测各过压保护支路的电流，并在电流符合控制绕组内部故障电流特征时判断电抗器控制绕组内部出现故障，实现了对磁控式电抗器控制绕组内部故障的准确、有效和快速判断。

为了实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

第一方面，本发明提供了一种磁控式可控电抗器的控制绕组内部故障检测装置，包括：

第一电流传感元件，设于磁控式可控电抗器的控制绕组的正负极间过压保护支路中；

和/或包括：

第二电流传感元件，设于磁控式可控电抗器的控制绕组的正极对地过压保护支路中；以及

第三电流传感元件，设于磁控式可控电抗器的控制绕组的负极对地过压保护支路中；

判断单元，接收所述第一电流传感元件，和/或所述第二电流传感元件和第三电流传感元件的电流；当所述第一电流传感元件，和/或所述第二电流传感元件和第三电流传感元件中检测到的电流满足设定故障电流特征时，则判定磁控式可控电抗器的控制绕组内部发生故障。

可选地，所述故障电流特征包括匝间短路故障的电流特征和内部接地故障的电流特征。

可选地，所述当所述第一电流传感元件中检测到的电流满足设定故障电流特征时，则判定磁控式可控电抗器的控制绕组内部发生故障，具体为：

当第一电流传感元件中的电流i₁的相邻采样点中，前一采样值小于I_1th，且当前采样值大于I_1th时，则判断电流i₁超过故障阈值，计数器N₁加1；

若计数器N₁满足每间隔设定时间加1，则当计数器N₁大于等于设定次数N_zj时，认为电流i₁满足电抗器控制绕组匝间短路的故障电流特征，判断控制绕组内部发生匝间短路故障。

可选地，所述设定时间为18-22ms。

可选地，所述当所述第二电流传感元件和第三电流传感元件中检测到的电流满足设定故障电流特征时，则判定磁控式可控电抗器的控制绕组内部发生故障，具体为：

若第二电流传感元件中的电流i₂₁或第三电流传感元件中的电流i₂₂满足下式时，

式中，I_rms为电流i₂₁或电流i₂₂的周波有效值，I_h1为电流i₂₁或电流i₂₂的基波分量有效值，I_dc为电流i₂₁或电流i₂₂的直流分量值；I_2th为电流周波有效值的判断阈值，I_2th1为基波分量有效值的判断阈值，I_2th0为直流分量的判断阈值，三者均可整定；

认定电流i₂₁或电流i₂₂满足电抗器控制绕组内部接地的故障电流特征，判断控制绕组内部发生接地故障。

可选地，所述当所述第一电流传感元件、第二电流传感元件和第三电流传感元件中检测到的电流满足设定故障电流特征时，则判定磁控式可控电抗器的控制绕组内部发生故障，具体为：

当第一电流传感元件中的电流i₁的相邻采样点中，前一采样值小于I_1th，且当前采样值大于I_1th时，则判断电流i₁超过故障阈值，计数器N₁加1；

若计数器N₁满足每间隔设定时间加1，则当计数器N₁大于等于设定次数N_zj时，认为电流i₁满足电抗器控制绕组匝间短路的故障电流特征，判断控制绕组内部发生匝间短路故障；

当第二电流传感元件中的电流i₂₁或第三电流传感元件中的电流i₂₂满足下式时，

式中，I_rms为电流i₂₁或电流i₂₂的周波有效值，I_h1为电流i₂₁或电流i₂₂的基波分量有效值，I_dc为电流i₂₁或电流i₂₂的直流分量值；I_2th为电流周波有效值的判断阈值，I_2th1为基波分量有效值的判断阈值，I_2th0为直流分量的判断阈值，三者均可整定；

认定电流i₂₁或电流i₂₂满足电抗器控制绕组内部接地的故障电流特征；

判断控制绕组内部同时发生接地故障和匝间短路故障。

第二方面，本发明提供了一种磁控式可控电抗器的控制绕组内部故障检测方法，包括：

采集磁控式可控电抗器的控制绕组的正负极间过压保护支路电流i₁；

和/或包括：

采集磁控式可控电抗器的控制绕组的正极对地过压保护支路电流i₂₁；以及

采集磁控式可控电抗器的控制绕组的负极对地过压保护支路电流i₂₂；

当电流i₁，和/或电流i₂₁和电流i₂₂满足设定故障电流特征时，则判定磁控式可控电抗器的控制绕组内部发生故障。

可选地，所述故障电流特征包括匝间短路故障的电流特征和内部接地故障的电流特征。

可选地，所述当电流i₁满足设定故障电流特征时，则判定磁控式可控电抗器的控制绕组内部发生故障，具体为：

当电流i₁的相邻采样点中，前一采样值小于I_1th，且当前采样值大于I_1th时，则判断电流i₁超过故障阈值，计数器N₁加1；

若计数器N₁满足每间隔设定时间加1，则当计数器N₁大于等于设定次数N_zj时，认为电流i₁满足电抗器控制绕组匝间短路的故障电流特征，判断控制绕组内部发生匝间短路故障。

可选地，所述设定时间为18-22ms。

可选地，所述当电流i₂₁和电流i₂₂满足设定故障电流特征时，则判定磁控式可控电抗器的控制绕组内部发生故障，具体为：

当电流i₂₁或电流i₂₂满足下式时，

式中，I_rms为电流i₂₁或电流i₂₂的周波有效值，I_h1为电流i₂₁或电流i₂₂的基波分量有效值，I_dc为电流i₂₁或电流i₂₂的直流分量值；I_2th为电流周波有效值的判断阈值，I_2th1为基波分量有效值的判断阈值，I_2th0为直流分量的判断阈值，三者均可整定；

认定电流i₂₁或电流i₂₂满足电抗器控制绕组内部接地的故障电流特征，判断控制绕组内部发生接地故障。

可选地，当电流i₁、电流i₂₁和电流i₂₂满足设定故障电流特征时，则判定磁控式可控电抗器的控制绕组内部发生故障，具体为：

当电流i₁的相邻采样点中，前一采样值小于I_1th，且当前采样值大于I_1th时，则判断电流i₁超过故障阈值，计数器N₁加1；

若计数器N₁满足每间隔设定时间加1，则当计数器N₁大于等于设定次数N_zj时，认为电流i₁满足电抗器控制绕组匝间短路的故障电流特征；

当电流i₂₁或电流i₂₂满足下式时，

式中，I_rms为电流i₂₁或电流i₂₂的周波有效值，I_h1为电流i₂₁或电流i₂₂的基波分量有效值，I_dc为电流i₂₁或电流i₂₂的直流分量值；I_2th为电流周波有效值的判断阈值，I_2th1为基波分量有效值的判断阈值，I_2th0为直流分量的判断阈值，三者均可整定；

认定电流i₂₁或电流i₂₂满足电抗器控制绕组内部接地的故障电流特征；

判断控制绕组内部同时发生接地故障和匝间短路故障。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明提供一种磁控式可控电抗器的控制绕组内部故障检测装置及方法，通过分别检测各过压保护支路电流，在电流符合控制绕组内部故障电流特征时判断电抗器控制绕组内部出现故障，实现了对磁控式电抗器控制绕组内部故障的准确有效和快速判断。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中：

图1是本发明一种实施例中设于各过压保护支路的电流传感元件的布置图；

图2是本发明一种实施例中磁控式可控电抗器控制绕组内部匝间短路时电流i1的波形示意图；

图3是本发明一种实施例中磁控式可控电抗器控制绕组内部接地故障时电流i21或i22的波形示意图。

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，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明的保护范围。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

实施例1

本发明实施例中提供了一种磁控式可控电抗器的控制绕组内部故障检测装置，如图1所示，具体包括：

第一电流传感元件，设于磁控式可控电抗器的控制绕组的正负极间过压保护支路中，检测保护支路中的电流；

判断单元，接收第一电流传感元件输出的电流，当所述第一电流传感元件中检测到的电流满足设定故障电流特征时，则判定磁控式可控电抗器的控制绕组内部发生故障。

当电抗器正常运行时，磁控式可控电抗器的控制绕组的正负极间过压保护支路无电流，i₁＝0，计数器N₁置0。

在本发明实施例的一种具体实施方式中，当磁控式可控电抗器的控制绕组的正负极间过压保护支路电流i₁大于0A时进行如下判断：

当第一电流传感元件中的电流i₁的相邻采样点中，前一采样值小于I_1th，且当前采样值大于I_1th时，则判断电流i₁超过故障阈值，计数器N₁加1；

若计数器N₁满足每间隔设定时间加1，则当计数器N₁大于等于设定次数N_zj时，认为电流i₁满足电抗器控制绕组匝间短路的故障电流特征，判断控制绕组内部发生匝间短路故障。在具体是应用过程中，所述设定时间可以选定为18-22ms，比如设置为20ms。

更具体地，所述当所述第一电流传感元件中检测到的电流满足设定故障电流特征时，则判定磁控式可控电抗器的控制绕组内部发生故障，包括以下步骤：

(1)一旦检测到电流i₁的相邻采样点中的前一采样值小于I_1th，且当前采样值大于I_1th时，判断电流i₁超过故障阈值，有流计数器N₁加1；同时启动展宽计数器T1，T1计时长度25ms，在本发明实施例的其他实施方式中，所述T1还可以是其他值，具体根据实际需要去设置；

(2)在T1计时结束前，再次检测到电流i₁相邻采样点中的前一采样值小于I_1th且当前采样值大于I_1th，且T1计时值介于18～22ms间，则判断电流i₁再次出现，有流计数器N₁再次加1，同时重新启动展宽计数器T1；以此类推，满足该步条件时该步骤可重复循环；

(3)在T1计时结束时，将有流计数器N₁清零；

(4)当有流计数器N₁大于等于设定次数N_zj时，认为电流i₁满足电抗器控制绕组匝间短路的故障电流特征，判断控制绕组内部发生匝间短路故障；电流i₁波形如图2所示。

其中，I_1th为正负极间过压保护支路的有流阈值，可整定；设定次数N_zj的设置要根据最严重匝间短路故障下的过压水平和正负极间过压保护氧化锌的能容量综合考虑，在保护装置动作前过压保护氧化锌吸收的能量不应超过其额定能容量。

实施例2

本发明实施例中提供了一种磁控式可控电抗器的控制绕组内部故障检测装置，如图1所示，具体包括：

第二电流传感元件，设于磁控式可控电抗器的控制绕组的正极对地过压保护支路中，检测保护支路中的电流；

第三电流传感元件，设于磁控式可控电抗器的控制绕组的负极对地过压保护支路中，检测保护支路中的电流；

判断单元，接收第二电流传感元件和第三电流传感元件输出的电流，当所述第二电流传感元件和第三电流传感元件中检测到的电流满足设定故障电流特征时，则判定磁控式可控电抗器的控制绕组内部发生故障。

当电抗器正常运行时，正极对地过压保护支路和负极对地过压保护支路均无电流，即i₂₁＝0，i₂₂＝0。

在本发明实施例的一种具体实施方式中，若第二电流传感元件中的电流i₂₁或第三电流传感元件中的电流i₂₂满足下式时，

式中，I_rms为电流i₂₁或电流i₂₂的周波有效值，I_h1为电流i₂₁或电流i₂₂的基波分量有效值，I_dc为电流i₂₁或电流i₂₂的直流分量值；I_2th为电流周波有效值的判断阈值，I_2th1为基波分量有效值的判断阈值，I_2th0为直流分量的判断阈值，三者均可整定；

认定电流i₂₁或电流i₂₂满足电抗器控制绕组内部接地的故障电流特征，判断控制绕组内部发生接地故障，电流i₂₁或电流i₂₂的波形如图3所示。

实施例3

本发明实施例中提供了一种磁控式可控电抗器的控制绕组内部故障检测装置，包括：

第一电流传感元件，设于磁控式可控电抗器的控制绕组的正负极间过压保护支路中，检测保护支路中的电流；

判断单元，接收第一电流传感元件输出的电流，当所述第一电流传感元件中检测到的电流满足设定故障电流特征时，则判定磁控式可控电抗器的控制绕组内部发生故障。

第二电流传感元件，设于磁控式可控电抗器的控制绕组的正极对地过压保护支路中，检测保护支路中的电流；

第三电流传感元件，设于磁控式可控电抗器的控制绕组的负极对地过压保护支路中，检测保护支路中的电流；

判断单元，接收第一电流传感元件、第二电流传感元件和第三电流传感元件输出的电流，当所述第一电流传感元件、第二电流传感元件和第三电流传感元件中检测到的电流满足设定故障电流特征时，则判定磁控式可控电抗器的控制绕组内部发生故障。

在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述当所述第一电流传感元件、第二电流传感元件和第三电流传感元件中检测到的电流满足设定故障电流特征时，则判定磁控式可控电抗器的控制绕组内部发生故障，具体为：

当第一电流传感元件中的电流i₁的相邻采样点中，前一采样值小于I_1th，且当前采样值大于I_1th时，则判断电流i₁超过故障阈值，计数器N₁加1；

若计数器N₁满足每间隔设定时间加1，则当计数器N₁大于等于设定次数N_zj时，认为电流i₁满足电抗器控制绕组匝间短路的故障电流特征，判断控制绕组内部发生匝间短路故障；

当第二电流传感元件中的电流i₂₁或第三电流传感元件中的电流i₂₂满足下式时，

式中，I_rms为电流i₂₁或电流i₂₂的周波有效值，I_h1为电流i₂₁或电流i₂₂的基波分量有效值，I_dc为电流i₂₁或电流i₂₂的直流分量值；I_2th为电流周波有效值的判断阈值，I_2th1为基波分量有效值的判断阈值，I_2th0为直流分量的判断阈值，三者均可整定；

认定电流i₂₁或电流i₂₂满足电抗器控制绕组内部接地的故障电流特征；

判断控制绕组内部同时发生接地故障和匝间短路故障。

实施例4

本发明提供了一种磁控式可控电抗器的控制绕组内部故障检测方法，包括以下步骤：

(1)采集磁控式可控电抗器的控制绕组的正负极间过压保护支路电流i₁；

(2)当电流i₁满足设定故障电流特征时，则判定磁控式可控电抗器的控制绕组内部发生故障。

所述当电流i₁满足设定故障电流特征时，则判定磁控式可控电抗器的控制绕组内部发生故障，具体为：

当电流i₁的相邻采样点中，前一采样值小于I_1th，且当前采样值大于I_1th时，则判断电流i₁超过故障阈值，计数器N₁加1；

若计数器N₁满足每间隔设定时间加1，则当计数器N₁大于等于设定次数N_zj时，认为电流i₁满足电抗器控制绕组匝间短路的故障电流特征，判断控制绕组内部发生匝间短路故障。

可选地，所述设定时间为18-22ms。

实施例5

本发明提供了一种磁控式可控电抗器的控制绕组内部故障检测方法，包括以下步骤：

(1)采集磁控式可控电抗器的控制绕组的正极对地过压保护支路电流i₂₁；

(2)采集磁控式可控电抗器的控制绕组的负极对地过压保护支路电流i₂₂；

(3)当电流i₂₁和电流i₂₂满足设定故障电流特征时，则判定磁控式可控电抗器的控制绕组内部发生故障。

在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述当电流i₂₁和电流i₂₂满足设定故障电流特征时，则判定磁控式可控电抗器的控制绕组内部发生故障，具体为：

当电流i₂₁或电流i₂₂满足下式时，

式中，I_rms为电流i₂₁或电流i₂₂的周波有效值，I_h1为电流i₂₁或电流i₂₂的基波分量有效值，I_dc为电流i₂₁或电流i₂₂的直流分量值；I_2th为电流周波有效值的判断阈值，I_2th1为基波分量有效值的判断阈值，I_2th0为直流分量的判断阈值，三者均可整定；

认定电流i₂₁或电流i₂₂满足电抗器控制绕组内部接地的故障电流特征，判断控制绕组内部发生接地故障。

实施例6

本发明实施例中提供了一种磁控式可控电抗器的控制绕组内部故障检测方法，包括以下步骤：

(1)采集磁控式可控电抗器的控制绕组的正负极间过压保护支路电流i₁

(2)采集磁控式可控电抗器的控制绕组的正极对地过压保护支路电流i₂₁；

(3)采集磁控式可控电抗器的控制绕组的负极对地过压保护支路电流i₂₂；

(4)当电流i₁、电流i₂₁和电流i₂₂满足设定故障电流特征时，则判定磁控式可控电抗器的控制绕组内部发生故障。

在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述当电流i₁、电流i₂₁和电流i₂₂满足设定故障电流特征时，则判定磁控式可控电抗器的控制绕组内部发生故障，具体为：

当电流i₁的相邻采样点中，前一采样值小于I_1th，且当前采样值大于I_1th时，则判断电流i₁超过故障阈值，计数器N₁加1；

若计数器N₁满足每间隔设定时间加1，则当计数器N₁大于等于设定次数N_zj时，认为电流i₁满足电抗器控制绕组匝间短路的故障电流特征；

当电流i₂₁或电流i₂₂满足下式时，

式中，I_rms为电流i₂₁或电流i₂₂的周波有效值，I_h1为电流i₂₁或电流i₂₂的基波分量有效值，I_dc为电流i₂₁或电流i₂₂的直流分量值；I_2th为电流周波有效值的判断阈值，I_2th1为基波分量有效值的判断阈值，I_2th0为直流分量的判断阈值，三者均可整定；

认定电流i₂₁或电流i₂₂满足电抗器控制绕组内部接地的故障电流特征；

判断控制绕组内部同时发生接地故障和匝间短路故障。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。