基于感抗比的并補裝置電抗器匝間短路保護

馮海鋒，王雅茹，黃彥全

0 引言

并聯電容補償（以下簡稱并補）裝置安裝在電氣化鐵路牽引變電所牽引側母線上，由電容器和電抗器串聯構成。并補裝置提高了供電系統的功率因數，同時吸收了高次諧波，其中電抗器具有抑制電容器組的合閘涌流作用，可以限制諧波對電容器造成的危害，避免電容器裝置對電網諧波的過度放大和諧振的發生[1]。由于缺乏電抗器匝間短路保護，并補裝置中的電抗器在運行中燒毀的現象時有發生。實際運行中，電抗器線圈表面的絕緣材料在受到系統諧波過電流與諧波過電壓、操作過電壓時就會發生局部過熱以致絕緣老化現象甚至發生匝間短路[2]，而現有的保護裝置不能判斷匝間短路，因此有必要設置新型的匝間短路保護。本文基于感抗比做了理論分析，給出匝間短路保護整定條件，并利用PSCAD 進行建模仿真，建立了能快速準確反映電抗器匝間短路的保護方案。

1 電抗器匝間短路保護

1.1 存在問題

電氣化鐵路中，并補電容器組設有電流速斷、過電流、諧波過電流、差壓、失壓、過壓多種保護方式，但電抗器匝間短路故障卻缺乏有效的保護。牽引供電系統中，并補裝置除了具有補償基波無功功率的功能外，一般情況下，還可能兼有3 次、5次和7 次諧波電流的濾波作用，各濾波器以單獨支路并聯于母線上，為簡化問題，以下分析以3 次諧波濾波支路為例。并補裝置電抗率（感抗比）為12%，當電抗器發生匝間短路時，其電抗值將發生變化，假設電抗器線圈間發生1 匝短路，感抗值只變化4.8%～12.2%[3]，因此電流值只變化0.57%～1.5%，在同一母線電壓Us和同一電容器組容抗Xc的情況下，其串接電抗器的電抗率k 越高，流過電容器回路的電流Ic就越大，其關系如下：

由式（1）可見，當匝間短路越嚴重，電抗率k 越小，回路電流Ic越小，直到最后電抗率k = 0，此時Ic達到最小。所以，電流保護不能對電抗器的匝間短路起保護作用。只要電容器不發生故障，即使電抗器全部短路，其差壓和差流均等于零，所以“壓差”和“橋差”保護對電抗器起不到保護作用；對于縱差動保護，由于匝間短路產生的故障電流對縱差保護是穿越性的，因此該保護也起不到作用。電抗器設定的局部過熱保護，由于其對電抗器溫度過高進行保護需要很長時間，并且感應點的選取不能保證在匝間短路點，因此過熱保護也不能快速有效地判斷電抗器匝間短路故障。對于電壓比保護[4]，理論上可行，但是實際仿真結果會出現一定的波動性，由于母線的電壓互感器以及電容器放電線圈的電壓互感器存在一定的誤差，因此可能會導致其靈敏度不高，該問題在下文仿真中會提到。

為準確反映匝間短路并在第一時間切除故障，有必要設置針對匝間短路的專門保護方案。

1.2 保護原理

并補裝置正常運行時，電抗器的感抗和電容器的容抗比值應該是一個相對恒定的量。當電抗器發生匝間短路時，由于其電感值會變小，從而導致其感抗值變小，感抗比也隨之變小。因此可以利用串聯在并補支路上電抗器、電容器的感抗比變小判斷電抗器匝間短路故障。由于在工頻下電抗器的感抗值遠小于電容器的容抗值，為了仿真結果便于觀測，引入感抗比倒數，其定義如下：

由此反應電抗器匝間短路的保護判據為

式中，Zc和Zl分別為電容器基波容抗和電抗器基波感抗，λset為感抗比倒數的整定值。在并補裝置中，電容器的容抗Zc可由電容器放電線圈測得電壓Uc與并補裝置支路電流互感器測得電流I 的比值得到，記作

電抗器的電壓不能直接測得，但是可以通過并補裝置母線電壓與放電線圈電壓之差獲得，假設母線電壓為U，則

當電抗器發生匝間短路時，電抗器的感抗就會發生變化，取極端的情況，即電抗器發生最小匝間短路（1 匝）時，空心電抗器阻抗變化為4.8%～12.2%。

在并補裝置投入的過程中，由于電容器的電壓以及電抗器的電流不能突變，在合閘過程中會有充電勵磁過程，從而在線路中產生除工頻分量外的非周期分量以及各種高次諧波，形成暫態過程。在一段時間后，非周期分量及高次諧波分量衰減完畢后，系統達到穩態，為了防止保護裝置在暫態過程中誤動作，保護可以通過延時Ts來解決，具體大小取決于合閘時電源的狀態，電容及電抗的容量。

2 仿真及分析

由于并補裝置常選用電抗率為12%的電抗器，因此可以選擇合適的電容器和電抗器參數來進行仿真，如圖1 所示，其中，電容器電容C = 2.497 μF，電抗器電感L = 0.478 H，電源為50 Hz 單相交流電源，電壓為31.5 kV，下面一條為并補裝置支路，其中電抗器分為2 部分，與斷路器并聯部分的電感值為電抗器總電感值的5%，斷路器設置在0.2 s 時刻由斷開狀態變為閉合，此時感抗減小5%從而模擬匝間短路情況，右邊的支路為加載負載情況。

圖1 電抗器短路PSCAD 仿真模型圖

在正常情況下，所建模型的感抗比

2.1 帶負載情況下電抗器發生匝間短路

圖2 為電抗器發生匝間短路的情況，其中縱坐標表示感抗比的倒數，橫坐標為時間t，可以看出感抗比的倒數經過開始一段時間暫態之后就保持不變，在0.2 s 時刻斷路器閉合，感抗值減小5%，從而使得感抗比的倒數迅速變化，超出整定值8.72，保護裝置可以快速動作，具有較高的靈敏度。

圖2 電抗器發生匝間短路時的感抗比倒數值圖

圖3 為根據電壓比整定電抗器匝間短路的PSCAD 仿真圖，由此可見，雖然理想狀況下保護裝置也能正確動作，但是由于電壓比具有波動性，母線電壓或者電容器放電線圈出現一點電壓測量誤差將可能導致保護裝置誤動作。所以對比結果表明阻抗比的整定具有相對較高的靈敏度。

圖3 電抗器發生匝間短路時的電壓比值圖

2.2 母線電壓波動時的保護性能

母線電壓出現波動時，如果發生電抗器匝間短路，利用PSCAD 進行仿真，得出如圖4 所示的仿真圖。由圖4 可以看出，即使母線電壓出現波動也不會影響感抗比，保護裝置仍然能可靠動作。

圖4 母線電壓波動時發生匝間短路的感抗比倒數值圖

母線電壓出現波動時，如果電抗器正常運行，利用PSCAD 進行仿真，得出如圖5 所示的仿真圖，由圖5 可知，當母線電壓波動，但是未發生匝間短路時，感抗比的倒數穩定之后一直是一個恒定的量，不會超過整定值8.72，保護裝置不動作。

圖5 母線電壓波動時未發生匝間短路的感抗比倒數值圖

由以上仿真情況表明電抗器發生匝間短路時，感抗比保護裝置在大于50 ms 的延時后都能正確動作，且具有較高的靈敏度。

3 結論

本文針對電抗器匝間短路時其感抗值的變化，在不增加一次設備的前提下，提出了基于感抗比的匝間短路保護的新原理，利用PSCAD 進行了一系列的仿真，得出了在帶負載以及母線電壓波動的情況下的一些結論，理論分析以及基于PSCAD 的仿真均說明了該保護原理具有切實的可行性，且靈敏度較高。

[1] 楊昌興，華水榮.關于并聯電容器用串聯電抗器的保護問題[J].電力電容器，2000，（1）：19-22.

[2] 張彥軍.牽引變電所用干式空芯電抗器的故障分析與處理[J].西鐵科技，2006.

[3] 周存和.并聯電容器及其成套裝置[M].北京：中國電力出版社，2008.

[4] 林國松，李夢和.基于電壓比的并補裝置電抗器匝間短路保護[J].繼電器，2008，（11）：25-27.