继电保护原理8-电抗器保护

第八章

374

电抗器保护

第一节 WKB-801A

1．概述

WKB-801A 微机并联电抗器保护装置适用于500kV 及其以上各种电压等级的并联电抗器。WKB-801A 型装置集成了一台并联电抗器的全部电气量保护。可满足各种电压等级并联电抗器的双主双后配置及非电量类保护完全独立的配置要求。

2． 保护配置

WKB-801A/R1装置中可提供一台并联电抗器所需要的全部电量保护，主保护和后备保护可共用同一TA 。这些保护包括：

1） 分相差动保护 2） 零序差动保护 3） 匝间保护

4） 主电抗过流保护(两段各一时限) 5） 主电抗零序过流保护(两段各一时限) 6） 中性点小电抗过流保护 另外还包括以下异常告警功能：

1） 主电抗过负荷告警 2） 中性点小电抗过负荷告警 3） TA 异常告警 4） TV 异常告警

下图为WKB-801A/R1在500kV 并联电抗器典型的接线（主后公用TA ）的应用配置方案。

375

图8-1-1 WKB-801A/R1的典型应用配置

图中：

所示的保护在一台装置中实现，所有的交流量只接入装置一次。

当中性点小电抗无专用TA(即无TA3) 时，小电抗过流(负荷) 保护的电流可用电抗器尾端三相电流合成。

利用第二组TA 和第二台装置完成第二套保护功能，实现双主后。

376

3． 产品原理介绍

3.1 分相电流差动保护

分相电流差动保护是电抗器内部故障的主保护，能反映电抗器内部相间短路故障和单相接地故障。分相电流差动保护采用电抗器首端和尾端相电流形成的差流作为判据。 3.1.1动作方程

以A 相为例，分相电流差动动作方程如下：

I op >I op . 0，当I res

(3-1-1) ⎨

I >I +S *(I -I ) ，当I >I 时op . 0res res . 0res res . 0⎩op

+I ⎧⎪I op =I T N

(3-1-2) ⎨ I =I -I /2⎪T N ⎩res

上式中I op 为差动电流，I op . 0为差动动作电流定值，I res 为制动电流，S 为比率制动系

、I 数定值（装置内部固定为0.6，详细定值参见第0节5.3 装置内部固定定值清单），I T N

分别为电抗器首端和尾端的相电流，电流的方向都以指向电抗器为正方向。 3.1.2 动作特性图

I op

I res.0

I res

图8-1-2 分相电流差动保护动作特性图

3.1.3 保护逻辑图

377

图8-1-3 分相电流差动保护逻辑图

3.1.4TA 异常判据

当差动电流大于0.15倍的额定电流时，启动TA 异常判别程序，满足下列条件认为TA 异常：

a ．本侧有一相电流为零；

b ．本侧有零序电流（门槛为0.5倍电抗器二次额定电流），另一侧有流（门槛为0.5倍电抗器二次额定电流）但无零序电流（门槛为0.15倍电抗器二次额定电流）； c．最大相电流小于1.2倍电抗器二次额定电流。

以上条件均满足时，判为TA 异常。

通过定值“TA 异常闭锁差动”控制TA 异常判别出后是否闭锁差动保护。当“TA 异常闭锁差动”整定为“0”时，判别出TA 异常后不闭锁差动保护，整定为“1”时，判别出TA 异常后闭锁差动保护。 3.1.5差流速断

当任一相差动电流大于差流速断定值，瞬时动作于跳闸。 差流速断保护逻辑图如下图所示：

378

图8-1-4 差流速断逻辑图

3.1.6 差流越限告警

当任一相差动电流大于0.5倍分相电流差动最小动作电流定值，延时5s 报差流越限信号。

差流越限保护逻辑图如下图所示：

图8-1-5 差流越限保护逻辑图

3.2 零序电流差动保护

零序电流差动保护能反映电抗器内部单相接地短路故障。零序电流差动保护采用电抗器首端和尾端自产零序电流形成的差流作为判据。 3.2.1动作方程

⎧I op >I op . 0

(3-2-1) ⎨

I >S *I res ⎩op

+3I ⎧⎪I op =3I OT ON

(3-2-2) ⎨ I =3I -3I ⎪OT ON ⎩res

上式中I op 为零序差动电流，I op . 0为零序差动动作电流定值，I res 为零序制动电流，S

379

为制动系数（装置内部固定为0.75，详细定值参见第0节5.3 装置内部固定定值清单），3I OT 为尾端自产零序电流。 为首端自产零序电流，3I ON

3.2.2 动作特性图

I I res

图8-1-6 零序电流差动保护动作特性图

3.2.3 保护逻辑图

图8-1-7 零序电流差动保护逻辑图

3.3 匝间保护

高压并联电抗器大多采用分相式结构，电抗器的主要故障形式为匝间短路或单相接地。但是，当短路匝数很少时，一相匝间短路引起的三相电流不平衡有可能很小，很难被保护装置检测出；由于差动保护从原理上不反应匝间短路故障，本装置采用新原理的的匝间保护，能灵敏地反映电抗器的匝间短路及单相接地故障。 3.3.1 动作方程

380

·

·

·

·

|3U 0-j3I 0⋅X L0|>|3U 0+j3I 0⋅X S0|

式中3U 0为TV 自产零序电压，3I 0为电抗器首端TA 自产零序电流，X L0为电抗器零序电抗，X S0为系统零序电抗。 3.3.2 电抗器故障分析

图8-1-8中：

K1—电抗器匝间短路故障； K2—电抗器内部接地故障； K3—电抗器外部接地故障。

图8-1-8 电抗器区内、区外故障示意图

1） 电抗器匝间短路K1

和3I 图8-1-9 电抗器匝间短路故障时3U 00

电抗器内部匝间短路时，零序源在电抗器内部，电抗器向系统送出零序功率，如图8-1-9所示。此时匝间保护测量到的零序电压3U 0= -j 3I 0⋅X S . o ，保护的动作量为 |3U 0–j 3I 0⋅X L . o |＝|-j 3I 0⋅(X S . o +X L . o ) |，制动量|3U 0+j 3I 0⋅X S . o |为零。即使短路匝数很少时，由于电抗器零序电抗X L . o 很大，而系统零序电抗X S . o 较小，故保护的动作量远大于制动量，保护也能灵敏动作。

2） 电抗器内部接地故障K2

381

·

·

·

·

·

·

·

和 图8-1-10 电抗器内部接地故障时3U 0

3I 0

电抗器内部接地短路时，零序源在电抗器内部，电抗器向系统送出零序功率，如图8-1-10所示。此时匝间保护测量到的零序电压|3U 0–

·

3U 0=-j 3I 0⋅X S . o

·

·

··

，保护的动作量为

j 3I 0⋅X L . o

·

|＝|

-j 3I 0⋅(X S . o +X L . o )

·

|，制动量|3U 0+j 3I 0⋅X S . o |为零。同上分

析，保护的动作量远大于制动量，保护灵敏动作。

3） 电抗器外部接地故障K3

图8-1-11 外部接地短路时

3U 0和3I 0

电抗器外部接地短路时，零序源在电抗器外部，零序功率由外部流进电抗器，如图8-1-11所示。此时匝间保护测量到的零序电压3U 0=j 3I 0X L 0，保护的动作量|3U 0–j 3I 0⋅X L . o |＝|j 3I 0⋅(X L . o -X L . o ) |为零，制动量为| 3U 0 + 3I 0⋅X S . o |近似等于 |3I 0⋅X L . o |，动作量远小于制动量，保护可靠不动作。

由以上分析可知：本装置采用的新原理匝间保护，能够正确区分电抗器的内、外部故障，对于电抗器内部匝间短路故障具有很高的灵敏度，而对于外部故障等非正常运行工况，保护可靠不动作。

另外，匝间保护还设有电抗器空充处理元件，以消除零序不平衡电压、电流中的低次谐

··

·

·

·

·

·

·

382

波的影响，保证正常空充、非全相空充以及空充于外部故障时，保护可靠不误动，而在空充内部故障时，保护灵敏快速动作。 辅助判据

电抗器匝间故障后电抗器本身的相阻抗参数将降低，为了保证匝间短路保护在一些暂态过程中不误动，例如：非全相运行，线路（或串补线路）发生接地故障后重合闸以及重合于故障再跳闸，开关非同期、线路两侧开关跳开后的LC 振荡、区外故障与非全相伴随系统振荡等，利用电抗器的测量阻抗变化的特性作为匝间保护的辅助判据：

Z ϕ

ϕ分别表示a,b 和c 相，其中Z ϕ=(U ϕ-Z n (I a +I b +I c )) /I ϕ， Z n 表示中性点小电

抗的电抗值。Z e 表示主电抗器的相电抗值。

若I min

·

·

·

·

·

图8-1-12 匝间保护逻辑图

3.4 过流保护

主电抗器过流保护作为电抗器内部故障的后备保护。电流输入量取电抗器首端TA 三相电流。当电抗器首端任一相电流大于动作电流整定值时，带时限动作于跳闸（装置内部设定一段延时为1.5s ，二段延时为3.0s ，详细定值参见第0节5.3 装置内部固定定值清单）。 过流保护逻辑框图

383

图8-1-13 过流保护逻辑框图

3.5 零序过流保护

零序过流保护作为并联电抗器内部匝间短路及单相接地故障的后备保护。电流输入量取电抗器首端TA 三相电流，零序电流由保护装置自产。

当电抗器自产零序电流3Io 大于动作电流整定值时，带时限动作于跳闸（装置内部设定一段延时为1.5s ，二段延时为3.0s ，详细定值参见第0节5.3 装置内部固定定值清单）。 零序过流保护逻辑框图

图8-1-14 零序过流保护逻辑框图 3.6 过负荷保护

并联电抗器所接系统如果电压异常升高，可造成电抗器过负荷，应装设过负荷保护。电流输入量取电抗器首端TA 三相电流。

当电抗器首端任一相电流大于动作电流整定值时，动作于告警（装置内部设定延时为8.0s ，详细定值参见第0节5.3 装置内部固定定值清单）。 过负荷保护逻辑框图

384

图8-1-15 过负荷保护逻辑图

3.7 小电抗器过流和过负荷保护

为限制单相重合闸时的潜供电流，提高单相重合闸的成功率，三相并联电抗器的中性点经一小电抗器接地。小电抗器过流和过负荷保护作为此电抗器的过流和过负荷保护。电流输入量取电抗器中性点侧零序TA 电流，当电抗器中性点侧无零序TA 时，则取电抗器尾端自产零序电流。

当小电抗器零序电流大于过流保护的动作电流时，带时限动作于跳闸（装置内部设定延时为8.0s ，详细定值参见第0节5.3 装置内部固定定值清单）。

当小电抗器零序电流大于过负荷保护的动作电流时，带时限动作于告警（装置内部设定延时为8.0s ，详细定值参见第0节5.3 装置内部固定定值清单）。 请在订货时，指明电抗器中性点侧有无零序TA 。 小电抗器过流保护逻辑框图

图8-1-16 小电抗器过流保护逻辑框图

小电抗器过负荷保护逻辑框图

图8-1-17 小电抗器过负荷保护逻辑图

385

3.8 TV异常判别

判据原理

a ．正序电压小于30V ，任一相电流大于0.5 I （I 为电抗器二次额定电流值）。

e

e

b ．负序电压大于4V 。

满足上述任一条件，延时10 s发TV 异常告警信号。 TV 检修对TV 异常判别的影响

当TV 检修或旁路代路未切换TV 时，为保证保护的正确动作，需投入“TV 检修压板”。 TV 检修压板投入时，TV 异常判别自动退出，不再报TV 异常。

4． 装置硬件介绍及典型接线

4.1装置整体介绍 4.1.1硬件平台

保护装置采用新一代32位基于DSP 技术的通用硬件平台。整体大面板，全封闭机箱，硬件电路采用后插拔的插件式结构，CPU 电路板采用6层板，并采用表面贴装技术，提高了装置可靠性。

硬件框图如图8-1-18所示：

装置有两个完全独立的、相同的CPU 板，并具有独立的采样、A/D变换、逻辑计算及启动功能，两块CPU 板硬件电路完全一样。CPU 部分硬件框图如图4-1-2。两块CPU 板“与”启动出口。另有一块人机对话板，由一片DSP 专门处理人机对话任务。人机对话担负键盘操作和液晶显示功能。正常时，液晶显示当前时间、各侧电流、电压、差电流。人机对话中所

386

图8-1-18 硬件框图

有的菜单均为简体汉字。通过本公司为保护提供的软件，可对保护进行更为方便、详尽的监视与控制。

装置核心部分采用德州仪器公司(Texas Instruments) 的32位数字信号处理器TMS320VC33，主要完成保护的出口逻辑及后台功能，使保护整体精确、高速、可靠。

GPS对时脉冲

32路

32路

图8-1-19 CPU部分硬件框图

模拟量变换由1块交流变换插件完成，功能是将TA 、TV 二次电气量转换成小电压信号。保护出口由1块出口插件构成，完成所有跳闸出口功能。信号插件和开入插件分别完成信号开出、开关量输入等功能。 4.1.2软件平台

软件平台采用ATI 公司的RTOS 系统NUCLEUS PLUS。RTOS 是一个经过严格测试的内核，保证软件运行的稳定性。 与综合自动化监控系统接口说明 系统应用总体框图如图8-1-20所示：

387

图8-1-20 系统总体框图

构成系统的各个装置之间、每一装置内各保护CPU 之间以及保护CPU 与通信管理CPU 之间通过现场总线Lonworks 相连，可方便的实现自检和互检，同时减少各部分的关联性，有利于整体可靠性的提高。单元管理机以串行通信或网络通信方式与变电站监控系统相联, 可对变电站监控系统上送事件报告、告警信息等，并可由远方实现保护投退功能。

通过Lonworks 现场总线可方便的级连多台保护装置，通过软件可设置任一台保护装置单元管理机为与自动化系统连接节点端口。设有三组独立的通讯接口RS-485，支持IEC60870-5-103通讯规约。可满足Ethernet 组网要求，并通过配套规约转换器可适应多种通信规约，满足220kV~500kV电压等级变电站综合自动化的要求。 4.2 装置背视示意图 装置背视示意图如下图所示：

F#

E#

D#通稳压电源

通讯信讯转号换插/件空

面板

插件

开

空入

面插

板件

跳闸出口/空面板

跳

空闸

面出

板口

保护C P U

保护C P U

采

空保

面插

板件

板

换

面

变

空

流交

C#

B#

A#

9#

8#

7#

6#

5#

4#

3#

2#

1#

388

图8-1-21 WKB-801A背视示意图

4.3 WKB-801A保护装置端子图 4.3.1 交流电流电压端子图

389

图8-1-22 WKB-801A装置交流变换插件端子图

注1、测频电压取自Ua 相电压；

注2、WKB-801A 装置交流输入共8路交流电流、4路交流电压。 4.3.2 保护跳闸开出端子图

390

图8-1-23 WKB-801A装置跳闸出口插件端子图

4.3.3 保护信号开出端子图和保护开入端子图

391

图8-1-24 WKB-801A装置信号插件和开入插件端子图

注1、装置提供三组保护信号，其中第一组和第二组为瞬动信号，第三组信号为磁保持信号； 注2、检修状态开入投入时，表示本装置处于检修状态。此时装置各类信息不再向自动化系统上传，对自动化下发的命令不响应，但不闭锁保护功能。 4.3.4 稳压电源插件

392

直流+220/110V电源直流-220/110V电源

12

图8-1-25 稳压电源插件端子定义图

本插件为直流逆变电源插件。直流220 V 或110 V 电压输入经抗干扰滤波回路后，利用逆变原理输出本装置需要的三组直流电压，即5 V、±15 V及24 V。电源插件具有失电告警功能。

F01、F02为GPS 对时脉冲接点，对保护CPU 对时，可进行脉冲对时（分脉冲或秒脉冲）或B 码对时。

F03、F04为B 码对时脉冲接点，对保护CPU 对时。

F07、F08为强电复归开入接点，可直接从外接进220 V或110 V对保护装置进行复归。 F09－F12为两组失电告警接点，保护正常运行时此接点断开，保护装置失电后，接点闭合。用于对保护装置工作电源的监视。

F13为装置工作电源正极性端， F15为装置工作电源负极性端，该装置可外接220V 或110V 直流工作电源。

F17为装置屏蔽地，应将此接点直接连到接地铜排。 4.3.5 通讯插件

通讯插件可作为保护、测控或其它自动控制装置的通讯、人机接口管理单元，提供NTX-803和NTX-816两种型号供选择，NTX-803可提供2个以太网口、2个RS-485通信接口、1个网络打印485串口、1个打印232串口，NTX-816无以太网口，可提供2个RS-485通信接口、1个网络打印485串口、1个打印232串口。具体定义见图4-4-5（a ）和图4-4-5（b ）。

393

I09I10I11I12I13I14I15I17I18I19I20I21I22I24

485B 485A 485B 未用（RXD 未用（TXD 0V

未用（RXD 未用（TXD 至监控系统至监控系统485口1至监控系统485口2至监控系统

内部LON

485A 485B TXD RXD

至网络打印485串口至打印232串口

图8-1-26 NTX-803通讯插件端子定义图

E01、E02为打印机电源控制接点，将打印机电源线串入此接点，则正常时打印机不带电，在有报文需要打印时，管理机将该接点闭合，导通打印机交流电源。

E04、E05为GPS 对时脉冲接点，可进行脉冲对时或B 码对时。 RS485串口(E09、E10/ E11、E12) 用于系统监控。 E06、E07、E08为内部LON 接口。

E20、E23、E24为打印RS-232串口，E20、E21、E22为网络打印RS-485串口。 E13、E14、E18、E19备用。

内部LON

通讯插件

E10E11E12E13E14E15E17E18E19E20E21E22E24

485A 485B 485A 485B

485口1485口2

0V B+B-

B 码对时

0V 485A 485B TXD RXD

至网络打印485串口至打印232串口

图8-1-27 NTX-816通讯插件端子定义图

E16、E17为专用的B 码对时接口，主要用于人机接口时钟对时。 其它端子同NTX-803通讯插件。 4.3.6 通讯转换插件

通讯转换

调试口

LAN1 LAN2 LAN3 LAN4

端口类别调试口

插件端口调试口LAN1

与外部连接编程调试口

以太网口1-4

LAN2LAN3LAN4PWR 备用

至控制系统

电源灯预留灯运行灯指示RS485口1的收发状态指示RS485口2的收发状态连接E#RS485口1连接E#RS485口2

指示灯

备用RUN RX1TX1RX2TX2

通信转换插件提供的四个光纤以太网口，即四路10M/100Mbps自适应以太网的转换回路，可作为网关使用，

实现以太网与保护CPU 间的通讯。另外还提供了2个485口和8个通信状态指示灯。插件上的调试口仅供软件设计人员使用，不提供用户使用。

实际应用时，通常采用NTX-816通讯插件和NTX-817通讯转换插件配套使用，通讯插件通过RS485口（E09、E10或 E11、E12）将信息传送到通讯转换插件的RS485口1或RS485口2，再经由通讯转换插件的以太网接口与控制系统进行通信。

5． 定值清单

5.1 WKB-801A/R1微机电抗器保护软压板清单 PWR

RUN

TX2

RX2TX1RX1

485口1485口2

RS485口1-2

485口1485口2

图8-1-28 通讯转换插件端子定义图

5.2 WKB-801A/R1微机电抗器保护定值清单

注1、额定电流为相应电抗器铭牌上的一次额定相电流。如果铭牌没有标明额定相电流，则可用铭牌的额定相电压与额定电抗相除得到。

注2、当无中性点小电抗时，“小电抗器一次额定电抗”定值请整定为最小值0.1Ω，程序将按0计算它。

注3、当中性点小电抗器有独立TA 时，请将此定值整定为0，即中性点小电抗器后备过流(或过负荷) 保护的电流采用中性点小电抗器TA 电流。当中性点小电抗无独立TA 时，请将此定值整定为1，即中性点小电抗器后备过流(过负荷) 的电流采用主电抗器尾端三相电流自产零序电流。

当中性点小电抗无单独TA 时，“小电抗器TA 变比”定值请按照主电抗器尾端TA 变比进行整定，小电抗器二次额定电流按照主电抗器尾端TA 变比定值进行计算。 5.3 装置内部固定定值清单

WKB-801A/R1装置的保护定值由装置自动生成，装置自动生成的保护定值清单如下表。

上表中I e . L . 2为主电抗器二次额定电流，I e . N . 2为小电抗器二次额定电流。

第二节 WKB-802A

1. 应用范围

WKB-802A 微机电抗器保护装置适用于330kV 及其以上各种电压等级的并联电抗器。WKB-802A 型装置集成了一台并联电抗器的全部非电气量保护。本说明书是WKB-802A 装置用于330kV 及其以上系统时的说明。

2. 保护配置

WKB-802A 装置中可提供一台并联电抗器所需要的全部非电量保护，这些保护包括：

表8-2-1 保护功能配置表

注1：nG05端子用于检修压板开入。

3． 非电量保护原理

WKB-802A 装置完成一台并联电抗器所有的非电量保护。非电量触点经保护装置重动后给出三组信号触点，同时保护装置的CPU 记录非电量动作情况。直接跳闸的非电量保护，直接驱动保护装置中的跳闸出口继电器。对需延时跳闸的非电量保护，由CPU 计时后按出口矩阵启动延时出口触点，再驱动装置中的跳闸出口继电器。根据非电量保护不同的动作行为，非电量保护的原理示意图分别如图3-1-1、图3-1-2、图3-1-3所示：

电源正端

电源负端

J4

图8-2-1 直接瞬时跳闸的非电量保护原理示意图

电源正端电源负端

图8-2-2 不跳闸的非电量保护原理示意图

电源正端电源负端

J4

图8-2-3 延时跳闸的非电量保护原理示意图

4. 装置硬件介绍及典型接线

4.1 装置整体介绍 4.1.1 硬件平台

保护装置采用新一代32位基于DSP 技术的通用硬件平台。整体大面板，全封闭机箱，硬件电路采用后插拔的插件式结构，CPU 电路板采用6层板，并采用表面贴装技术，提高了装置可靠性。

装置核心部分采用德州仪器公司(Texas Instruments) 的32位数字信号处理器TMS320C33，主要完成保护的出口逻辑及后台功能，使保护整体精确、高速、可靠。 4.1.2 软件平台

软件平台采用ATI 公司的RTOS 系统NUCLEUS PLUS。RTOS 是一个经过严格测试的内核，保证软件运行的稳定性。

与综合自动化监控系统接口说明

单元管理机以串行通信或网络通信方式与变电站监控系统相联，可对变电站监控系统上送事件报告、告警信息等，并可由远方实现保护投退功能。

通过Lonworks 现场总线可方便的级连多台保护装置，通过软件可设置任一台保护装置单元管理机为与自动化系统连接节点端口。设有三组独立的通讯接口RS-485，支持

IEC60870-5-103通讯规约。可满足Ethernet 组网要求，并通过配套规约转换器可适应多种通信规约，满足220kV~500kV电压等级变电站综合自动化的要求。 4.2 装置背视示意图 装置背视示意图如下。

J#

I#H#G#F#E#D#C#B#A#9#

8#7#6#5#4#3#2#1#

延延延延

延 延延 延延C

P 延U

延延 延 延 延 延延延 延 延 延 延延延

延延

延延

延延延

延

延延

延延延延

延延C 延

P U 延

/延延延

延延

延延延 延延延 延延延延/延/延/延延延延延延延延延延延 延延 延延延/延/延延延延延延延延延延/延延延延延延延/延延

图8-2-4 WKB-802A背视示意图

4.3 WKB-802A保护装置端子图

WKB-802A 保护装置接线端子图如图8-2-5、图8-2-6、图8-2-7、图8-2-8、图8-2-9及图8-2-10所示：

图8-2-5 WKB-802A装置电源、通信插件端子图

404

405

图8-2-6 WKB-802A装置开入插件端子图一

406

407

图8-2-7 WKB-802A装置开入插件端子图二

408

图8-2-8 WKB-802A装置开入插件端子图三

409

410

图8-2-9 WKB-802A装置开入插件端子图四

411

图8-2-10 WKB-802A装置出口、跳闸插件端子图

注1：检修状态开入投入时，表示本装置处于检修状态。此时装置各类信息不再向自动化系统上传，对自动化下发的命令不响应，但不闭锁保护功能。

412

5. 定值清单

WKB-802A 保护定值清单

413

第八章

374

电抗器保护

第一节 WKB-801A

1．概述

WKB-801A 微机并联电抗器保护装置适用于500kV 及其以上各种电压等级的并联电抗器。WKB-801A 型装置集成了一台并联电抗器的全部电气量保护。可满足各种电压等级并联电抗器的双主双后配置及非电量类保护完全独立的配置要求。

2． 保护配置

WKB-801A/R1装置中可提供一台并联电抗器所需要的全部电量保护，主保护和后备保护可共用同一TA 。这些保护包括：

1） 分相差动保护 2） 零序差动保护 3） 匝间保护

4） 主电抗过流保护(两段各一时限) 5） 主电抗零序过流保护(两段各一时限) 6） 中性点小电抗过流保护 另外还包括以下异常告警功能：

1） 主电抗过负荷告警 2） 中性点小电抗过负荷告警 3） TA 异常告警 4） TV 异常告警

下图为WKB-801A/R1在500kV 并联电抗器典型的接线（主后公用TA ）的应用配置方案。

375

图8-1-1 WKB-801A/R1的典型应用配置

图中：

所示的保护在一台装置中实现，所有的交流量只接入装置一次。

当中性点小电抗无专用TA(即无TA3) 时，小电抗过流(负荷) 保护的电流可用电抗器尾端三相电流合成。

利用第二组TA 和第二台装置完成第二套保护功能，实现双主后。

376

3． 产品原理介绍

3.1 分相电流差动保护

分相电流差动保护是电抗器内部故障的主保护，能反映电抗器内部相间短路故障和单相接地故障。分相电流差动保护采用电抗器首端和尾端相电流形成的差流作为判据。 3.1.1动作方程

以A 相为例，分相电流差动动作方程如下：

I op >I op . 0，当I res

(3-1-1) ⎨

I >I +S *(I -I ) ，当I >I 时op . 0res res . 0res res . 0⎩op

+I ⎧⎪I op =I T N

(3-1-2) ⎨ I =I -I /2⎪T N ⎩res

上式中I op 为差动电流，I op . 0为差动动作电流定值，I res 为制动电流，S 为比率制动系

、I 数定值（装置内部固定为0.6，详细定值参见第0节5.3 装置内部固定定值清单），I T N

分别为电抗器首端和尾端的相电流，电流的方向都以指向电抗器为正方向。 3.1.2 动作特性图

I op

I res.0

I res

图8-1-2 分相电流差动保护动作特性图

3.1.3 保护逻辑图

377

图8-1-3 分相电流差动保护逻辑图

3.1.4TA 异常判据

当差动电流大于0.15倍的额定电流时，启动TA 异常判别程序，满足下列条件认为TA 异常：

a ．本侧有一相电流为零；

b ．本侧有零序电流（门槛为0.5倍电抗器二次额定电流），另一侧有流（门槛为0.5倍电抗器二次额定电流）但无零序电流（门槛为0.15倍电抗器二次额定电流）； c．最大相电流小于1.2倍电抗器二次额定电流。

以上条件均满足时，判为TA 异常。

通过定值“TA 异常闭锁差动”控制TA 异常判别出后是否闭锁差动保护。当“TA 异常闭锁差动”整定为“0”时，判别出TA 异常后不闭锁差动保护，整定为“1”时，判别出TA 异常后闭锁差动保护。 3.1.5差流速断

当任一相差动电流大于差流速断定值，瞬时动作于跳闸。 差流速断保护逻辑图如下图所示：

378

图8-1-4 差流速断逻辑图

3.1.6 差流越限告警

当任一相差动电流大于0.5倍分相电流差动最小动作电流定值，延时5s 报差流越限信号。

差流越限保护逻辑图如下图所示：

图8-1-5 差流越限保护逻辑图

3.2 零序电流差动保护

零序电流差动保护能反映电抗器内部单相接地短路故障。零序电流差动保护采用电抗器首端和尾端自产零序电流形成的差流作为判据。 3.2.1动作方程

⎧I op >I op . 0

(3-2-1) ⎨

I >S *I res ⎩op

+3I ⎧⎪I op =3I OT ON

(3-2-2) ⎨ I =3I -3I ⎪OT ON ⎩res

上式中I op 为零序差动电流，I op . 0为零序差动动作电流定值，I res 为零序制动电流，S

379

为制动系数（装置内部固定为0.75，详细定值参见第0节5.3 装置内部固定定值清单），3I OT 为尾端自产零序电流。 为首端自产零序电流，3I ON

3.2.2 动作特性图

I I res

图8-1-6 零序电流差动保护动作特性图

3.2.3 保护逻辑图

图8-1-7 零序电流差动保护逻辑图

3.3 匝间保护

高压并联电抗器大多采用分相式结构，电抗器的主要故障形式为匝间短路或单相接地。但是，当短路匝数很少时，一相匝间短路引起的三相电流不平衡有可能很小，很难被保护装置检测出；由于差动保护从原理上不反应匝间短路故障，本装置采用新原理的的匝间保护，能灵敏地反映电抗器的匝间短路及单相接地故障。 3.3.1 动作方程

380

·

·

·

·

|3U 0-j3I 0⋅X L0|>|3U 0+j3I 0⋅X S0|

式中3U 0为TV 自产零序电压，3I 0为电抗器首端TA 自产零序电流，X L0为电抗器零序电抗，X S0为系统零序电抗。 3.3.2 电抗器故障分析

图8-1-8中：

K1—电抗器匝间短路故障； K2—电抗器内部接地故障； K3—电抗器外部接地故障。

图8-1-8 电抗器区内、区外故障示意图

1） 电抗器匝间短路K1

和3I 图8-1-9 电抗器匝间短路故障时3U 00

电抗器内部匝间短路时，零序源在电抗器内部，电抗器向系统送出零序功率，如图8-1-9所示。此时匝间保护测量到的零序电压3U 0= -j 3I 0⋅X S . o ，保护的动作量为 |3U 0–j 3I 0⋅X L . o |＝|-j 3I 0⋅(X S . o +X L . o ) |，制动量|3U 0+j 3I 0⋅X S . o |为零。即使短路匝数很少时，由于电抗器零序电抗X L . o 很大，而系统零序电抗X S . o 较小，故保护的动作量远大于制动量，保护也能灵敏动作。

2） 电抗器内部接地故障K2

381

·

·

·

·

·

·

·

和 图8-1-10 电抗器内部接地故障时3U 0

3I 0

电抗器内部接地短路时，零序源在电抗器内部，电抗器向系统送出零序功率，如图8-1-10所示。此时匝间保护测量到的零序电压|3U 0–

·

3U 0=-j 3I 0⋅X S . o

·

·

··

，保护的动作量为

j 3I 0⋅X L . o

·

|＝|

-j 3I 0⋅(X S . o +X L . o )

·

|，制动量|3U 0+j 3I 0⋅X S . o |为零。同上分

析，保护的动作量远大于制动量，保护灵敏动作。

3） 电抗器外部接地故障K3

图8-1-11 外部接地短路时

3U 0和3I 0

电抗器外部接地短路时，零序源在电抗器外部，零序功率由外部流进电抗器，如图8-1-11所示。此时匝间保护测量到的零序电压3U 0=j 3I 0X L 0，保护的动作量|3U 0–j 3I 0⋅X L . o |＝|j 3I 0⋅(X L . o -X L . o ) |为零，制动量为| 3U 0 + 3I 0⋅X S . o |近似等于 |3I 0⋅X L . o |，动作量远小于制动量，保护可靠不动作。

由以上分析可知：本装置采用的新原理匝间保护，能够正确区分电抗器的内、外部故障，对于电抗器内部匝间短路故障具有很高的灵敏度，而对于外部故障等非正常运行工况，保护可靠不动作。

另外，匝间保护还设有电抗器空充处理元件，以消除零序不平衡电压、电流中的低次谐

··

·

·

·

·

·

·

382

波的影响，保证正常空充、非全相空充以及空充于外部故障时，保护可靠不误动，而在空充内部故障时，保护灵敏快速动作。 辅助判据

电抗器匝间故障后电抗器本身的相阻抗参数将降低，为了保证匝间短路保护在一些暂态过程中不误动，例如：非全相运行，线路（或串补线路）发生接地故障后重合闸以及重合于故障再跳闸，开关非同期、线路两侧开关跳开后的LC 振荡、区外故障与非全相伴随系统振荡等，利用电抗器的测量阻抗变化的特性作为匝间保护的辅助判据：

Z ϕ

ϕ分别表示a,b 和c 相，其中Z ϕ=(U ϕ-Z n (I a +I b +I c )) /I ϕ， Z n 表示中性点小电

抗的电抗值。Z e 表示主电抗器的相电抗值。

若I min

·

·

·

·

·

图8-1-12 匝间保护逻辑图

3.4 过流保护

主电抗器过流保护作为电抗器内部故障的后备保护。电流输入量取电抗器首端TA 三相电流。当电抗器首端任一相电流大于动作电流整定值时，带时限动作于跳闸（装置内部设定一段延时为1.5s ，二段延时为3.0s ，详细定值参见第0节5.3 装置内部固定定值清单）。 过流保护逻辑框图

383

图8-1-13 过流保护逻辑框图

3.5 零序过流保护

零序过流保护作为并联电抗器内部匝间短路及单相接地故障的后备保护。电流输入量取电抗器首端TA 三相电流，零序电流由保护装置自产。

当电抗器自产零序电流3Io 大于动作电流整定值时，带时限动作于跳闸（装置内部设定一段延时为1.5s ，二段延时为3.0s ，详细定值参见第0节5.3 装置内部固定定值清单）。 零序过流保护逻辑框图

图8-1-14 零序过流保护逻辑框图 3.6 过负荷保护

并联电抗器所接系统如果电压异常升高，可造成电抗器过负荷，应装设过负荷保护。电流输入量取电抗器首端TA 三相电流。

当电抗器首端任一相电流大于动作电流整定值时，动作于告警（装置内部设定延时为8.0s ，详细定值参见第0节5.3 装置内部固定定值清单）。 过负荷保护逻辑框图

384

图8-1-15 过负荷保护逻辑图

3.7 小电抗器过流和过负荷保护

为限制单相重合闸时的潜供电流，提高单相重合闸的成功率，三相并联电抗器的中性点经一小电抗器接地。小电抗器过流和过负荷保护作为此电抗器的过流和过负荷保护。电流输入量取电抗器中性点侧零序TA 电流，当电抗器中性点侧无零序TA 时，则取电抗器尾端自产零序电流。

当小电抗器零序电流大于过流保护的动作电流时，带时限动作于跳闸（装置内部设定延时为8.0s ，详细定值参见第0节5.3 装置内部固定定值清单）。

当小电抗器零序电流大于过负荷保护的动作电流时，带时限动作于告警（装置内部设定延时为8.0s ，详细定值参见第0节5.3 装置内部固定定值清单）。 请在订货时，指明电抗器中性点侧有无零序TA 。 小电抗器过流保护逻辑框图

图8-1-16 小电抗器过流保护逻辑框图

小电抗器过负荷保护逻辑框图

图8-1-17 小电抗器过负荷保护逻辑图

385

3.8 TV异常判别

判据原理

a ．正序电压小于30V ，任一相电流大于0.5 I （I 为电抗器二次额定电流值）。

e

e

b ．负序电压大于4V 。

满足上述任一条件，延时10 s发TV 异常告警信号。 TV 检修对TV 异常判别的影响

当TV 检修或旁路代路未切换TV 时，为保证保护的正确动作，需投入“TV 检修压板”。 TV 检修压板投入时，TV 异常判别自动退出，不再报TV 异常。

4． 装置硬件介绍及典型接线

4.1装置整体介绍 4.1.1硬件平台

保护装置采用新一代32位基于DSP 技术的通用硬件平台。整体大面板，全封闭机箱，硬件电路采用后插拔的插件式结构，CPU 电路板采用6层板，并采用表面贴装技术，提高了装置可靠性。

硬件框图如图8-1-18所示：

装置有两个完全独立的、相同的CPU 板，并具有独立的采样、A/D变换、逻辑计算及启动功能，两块CPU 板硬件电路完全一样。CPU 部分硬件框图如图4-1-2。两块CPU 板“与”启动出口。另有一块人机对话板，由一片DSP 专门处理人机对话任务。人机对话担负键盘操作和液晶显示功能。正常时，液晶显示当前时间、各侧电流、电压、差电流。人机对话中所

386

图8-1-18 硬件框图

有的菜单均为简体汉字。通过本公司为保护提供的软件，可对保护进行更为方便、详尽的监视与控制。

装置核心部分采用德州仪器公司(Texas Instruments) 的32位数字信号处理器TMS320VC33，主要完成保护的出口逻辑及后台功能，使保护整体精确、高速、可靠。

GPS对时脉冲

32路

32路

图8-1-19 CPU部分硬件框图

模拟量变换由1块交流变换插件完成，功能是将TA 、TV 二次电气量转换成小电压信号。保护出口由1块出口插件构成，完成所有跳闸出口功能。信号插件和开入插件分别完成信号开出、开关量输入等功能。 4.1.2软件平台

软件平台采用ATI 公司的RTOS 系统NUCLEUS PLUS。RTOS 是一个经过严格测试的内核，保证软件运行的稳定性。 与综合自动化监控系统接口说明 系统应用总体框图如图8-1-20所示：

387

图8-1-20 系统总体框图

构成系统的各个装置之间、每一装置内各保护CPU 之间以及保护CPU 与通信管理CPU 之间通过现场总线Lonworks 相连，可方便的实现自检和互检，同时减少各部分的关联性，有利于整体可靠性的提高。单元管理机以串行通信或网络通信方式与变电站监控系统相联, 可对变电站监控系统上送事件报告、告警信息等，并可由远方实现保护投退功能。

通过Lonworks 现场总线可方便的级连多台保护装置，通过软件可设置任一台保护装置单元管理机为与自动化系统连接节点端口。设有三组独立的通讯接口RS-485，支持IEC60870-5-103通讯规约。可满足Ethernet 组网要求，并通过配套规约转换器可适应多种通信规约，满足220kV~500kV电压等级变电站综合自动化的要求。 4.2 装置背视示意图 装置背视示意图如下图所示：

F#

E#

D#通稳压电源

通讯信讯转号换插/件空

面板

插件

开

空入

面插

板件

跳闸出口/空面板

跳

空闸

面出

板口

保护C P U

保护C P U

采

空保

面插

板件

板

换

面

变

空

流交

C#

B#

A#

9#

8#

7#

6#

5#

4#

3#

2#

1#

388

图8-1-21 WKB-801A背视示意图

4.3 WKB-801A保护装置端子图 4.3.1 交流电流电压端子图

389

图8-1-22 WKB-801A装置交流变换插件端子图

注1、测频电压取自Ua 相电压；

注2、WKB-801A 装置交流输入共8路交流电流、4路交流电压。 4.3.2 保护跳闸开出端子图

390

图8-1-23 WKB-801A装置跳闸出口插件端子图

4.3.3 保护信号开出端子图和保护开入端子图

391

图8-1-24 WKB-801A装置信号插件和开入插件端子图

注1、装置提供三组保护信号，其中第一组和第二组为瞬动信号，第三组信号为磁保持信号； 注2、检修状态开入投入时，表示本装置处于检修状态。此时装置各类信息不再向自动化系统上传，对自动化下发的命令不响应，但不闭锁保护功能。 4.3.4 稳压电源插件

392

直流+220/110V电源直流-220/110V电源

12

图8-1-25 稳压电源插件端子定义图

本插件为直流逆变电源插件。直流220 V 或110 V 电压输入经抗干扰滤波回路后，利用逆变原理输出本装置需要的三组直流电压，即5 V、±15 V及24 V。电源插件具有失电告警功能。

F01、F02为GPS 对时脉冲接点，对保护CPU 对时，可进行脉冲对时（分脉冲或秒脉冲）或B 码对时。

F03、F04为B 码对时脉冲接点，对保护CPU 对时。

F07、F08为强电复归开入接点，可直接从外接进220 V或110 V对保护装置进行复归。 F09－F12为两组失电告警接点，保护正常运行时此接点断开，保护装置失电后，接点闭合。用于对保护装置工作电源的监视。

F13为装置工作电源正极性端， F15为装置工作电源负极性端，该装置可外接220V 或110V 直流工作电源。

F17为装置屏蔽地，应将此接点直接连到接地铜排。 4.3.5 通讯插件

通讯插件可作为保护、测控或其它自动控制装置的通讯、人机接口管理单元，提供NTX-803和NTX-816两种型号供选择，NTX-803可提供2个以太网口、2个RS-485通信接口、1个网络打印485串口、1个打印232串口，NTX-816无以太网口，可提供2个RS-485通信接口、1个网络打印485串口、1个打印232串口。具体定义见图4-4-5（a ）和图4-4-5（b ）。

393

I09I10I11I12I13I14I15I17I18I19I20I21I22I24

485B 485A 485B 未用（RXD 未用（TXD 0V

未用（RXD 未用（TXD 至监控系统至监控系统485口1至监控系统485口2至监控系统

内部LON

485A 485B TXD RXD

至网络打印485串口至打印232串口

图8-1-26 NTX-803通讯插件端子定义图

E01、E02为打印机电源控制接点，将打印机电源线串入此接点，则正常时打印机不带电，在有报文需要打印时，管理机将该接点闭合，导通打印机交流电源。

E04、E05为GPS 对时脉冲接点，可进行脉冲对时或B 码对时。 RS485串口(E09、E10/ E11、E12) 用于系统监控。 E06、E07、E08为内部LON 接口。

E20、E23、E24为打印RS-232串口，E20、E21、E22为网络打印RS-485串口。 E13、E14、E18、E19备用。

内部LON

通讯插件

E10E11E12E13E14E15E17E18E19E20E21E22E24

485A 485B 485A 485B

485口1485口2

0V B+B-

B 码对时

0V 485A 485B TXD RXD

至网络打印485串口至打印232串口

图8-1-27 NTX-816通讯插件端子定义图

E16、E17为专用的B 码对时接口，主要用于人机接口时钟对时。 其它端子同NTX-803通讯插件。 4.3.6 通讯转换插件

通讯转换

调试口

LAN1 LAN2 LAN3 LAN4

端口类别调试口

插件端口调试口LAN1

与外部连接编程调试口

以太网口1-4

LAN2LAN3LAN4PWR 备用

至控制系统

电源灯预留灯运行灯指示RS485口1的收发状态指示RS485口2的收发状态连接E#RS485口1连接E#RS485口2

指示灯

备用RUN RX1TX1RX2TX2

通信转换插件提供的四个光纤以太网口，即四路10M/100Mbps自适应以太网的转换回路，可作为网关使用，

实现以太网与保护CPU 间的通讯。另外还提供了2个485口和8个通信状态指示灯。插件上的调试口仅供软件设计人员使用，不提供用户使用。

实际应用时，通常采用NTX-816通讯插件和NTX-817通讯转换插件配套使用，通讯插件通过RS485口（E09、E10或 E11、E12）将信息传送到通讯转换插件的RS485口1或RS485口2，再经由通讯转换插件的以太网接口与控制系统进行通信。

5． 定值清单

5.1 WKB-801A/R1微机电抗器保护软压板清单 PWR

RUN

TX2

RX2TX1RX1

485口1485口2

RS485口1-2

485口1485口2

图8-1-28 通讯转换插件端子定义图

5.2 WKB-801A/R1微机电抗器保护定值清单

注1、额定电流为相应电抗器铭牌上的一次额定相电流。如果铭牌没有标明额定相电流，则可用铭牌的额定相电压与额定电抗相除得到。

注2、当无中性点小电抗时，“小电抗器一次额定电抗”定值请整定为最小值0.1Ω，程序将按0计算它。

注3、当中性点小电抗器有独立TA 时，请将此定值整定为0，即中性点小电抗器后备过流(或过负荷) 保护的电流采用中性点小电抗器TA 电流。当中性点小电抗无独立TA 时，请将此定值整定为1，即中性点小电抗器后备过流(过负荷) 的电流采用主电抗器尾端三相电流自产零序电流。

当中性点小电抗无单独TA 时，“小电抗器TA 变比”定值请按照主电抗器尾端TA 变比进行整定，小电抗器二次额定电流按照主电抗器尾端TA 变比定值进行计算。 5.3 装置内部固定定值清单

WKB-801A/R1装置的保护定值由装置自动生成，装置自动生成的保护定值清单如下表。

上表中I e . L . 2为主电抗器二次额定电流，I e . N . 2为小电抗器二次额定电流。

第二节 WKB-802A

1. 应用范围

WKB-802A 微机电抗器保护装置适用于330kV 及其以上各种电压等级的并联电抗器。WKB-802A 型装置集成了一台并联电抗器的全部非电气量保护。本说明书是WKB-802A 装置用于330kV 及其以上系统时的说明。

2. 保护配置

WKB-802A 装置中可提供一台并联电抗器所需要的全部非电量保护，这些保护包括：

表8-2-1 保护功能配置表

注1：nG05端子用于检修压板开入。

3． 非电量保护原理

WKB-802A 装置完成一台并联电抗器所有的非电量保护。非电量触点经保护装置重动后给出三组信号触点，同时保护装置的CPU 记录非电量动作情况。直接跳闸的非电量保护，直接驱动保护装置中的跳闸出口继电器。对需延时跳闸的非电量保护，由CPU 计时后按出口矩阵启动延时出口触点，再驱动装置中的跳闸出口继电器。根据非电量保护不同的动作行为，非电量保护的原理示意图分别如图3-1-1、图3-1-2、图3-1-3所示：

电源正端

电源负端

J4

图8-2-1 直接瞬时跳闸的非电量保护原理示意图

电源正端电源负端

图8-2-2 不跳闸的非电量保护原理示意图

电源正端电源负端

J4

图8-2-3 延时跳闸的非电量保护原理示意图

4. 装置硬件介绍及典型接线

4.1 装置整体介绍 4.1.1 硬件平台

保护装置采用新一代32位基于DSP 技术的通用硬件平台。整体大面板，全封闭机箱，硬件电路采用后插拔的插件式结构，CPU 电路板采用6层板，并采用表面贴装技术，提高了装置可靠性。

装置核心部分采用德州仪器公司(Texas Instruments) 的32位数字信号处理器TMS320C33，主要完成保护的出口逻辑及后台功能，使保护整体精确、高速、可靠。 4.1.2 软件平台

软件平台采用ATI 公司的RTOS 系统NUCLEUS PLUS。RTOS 是一个经过严格测试的内核，保证软件运行的稳定性。

与综合自动化监控系统接口说明

单元管理机以串行通信或网络通信方式与变电站监控系统相联，可对变电站监控系统上送事件报告、告警信息等，并可由远方实现保护投退功能。

通过Lonworks 现场总线可方便的级连多台保护装置，通过软件可设置任一台保护装置单元管理机为与自动化系统连接节点端口。设有三组独立的通讯接口RS-485，支持

IEC60870-5-103通讯规约。可满足Ethernet 组网要求，并通过配套规约转换器可适应多种通信规约，满足220kV~500kV电压等级变电站综合自动化的要求。 4.2 装置背视示意图 装置背视示意图如下。

J#

I#H#G#F#E#D#C#B#A#9#

8#7#6#5#4#3#2#1#

延延延延

延 延延 延延C

P 延U

延延 延 延 延 延延延 延 延 延 延延延

延延

延延

延延延

延

延延

延延延延

延延C 延

P U 延

/延延延

延延

延延延 延延延 延延延延/延/延/延延延延延延延延延延延 延延 延延延/延/延延延延延延延延延延/延延延延延延延/延延

图8-2-4 WKB-802A背视示意图

4.3 WKB-802A保护装置端子图

WKB-802A 保护装置接线端子图如图8-2-5、图8-2-6、图8-2-7、图8-2-8、图8-2-9及图8-2-10所示：

图8-2-5 WKB-802A装置电源、通信插件端子图

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图8-2-6 WKB-802A装置开入插件端子图一

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图8-2-7 WKB-802A装置开入插件端子图二

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图8-2-8 WKB-802A装置开入插件端子图三

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图8-2-9 WKB-802A装置开入插件端子图四

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图8-2-10 WKB-802A装置出口、跳闸插件端子图

注1：检修状态开入投入时，表示本装置处于检修状态。此时装置各类信息不再向自动化系统上传，对自动化下发的命令不响应，但不闭锁保护功能。

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5. 定值清单

WKB-802A 保护定值清单

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