并聯電抗器匝間短路故障的電感特征識別

呂 偉

（中國石油大慶石化公司熱電廠，黑龍江大慶 163714）

0 引言

高壓并聯電抗器（簡稱“高抗”）是一種鐵芯帶氣隙的大容量并聯電感線圈，它與普通變壓器相比具有很大的結構差異，因而很難產生勵磁涌動。但是，在高抗空充或與線路容抗發生低頻率振蕩的情況下，由于長期處于低頻率成分的勵磁，會使高抗線圈的鐵芯發生飽和。

1 電抗器繞組電感值計算方法

高抗通常采用帶鐵芯的方式來改善其補償性能，其構造與無負載的電源側中性點繞線相似，但其線圈鐵芯具有空氣間隙，能很好地防止磁心的飽和勵磁涌動，并聯電抗器原理如圖1 所示。

圖1 并聯電抗器原理

根據自感原理，線圈的非短路相電壓、相電流、短路電流、短路線圈內部電阻與線圈感應的環路的關系式為：

繞組相電流、內阻和線圈電抗間的關系式為：

繞組電壓、電流和線圈電感間的關系式為：

當并聯電抗器具有中線電抗時，可從式（1）～式（3）導出端口電壓關系式（4）以及被測替換變量Rc和Lc之間的對應關系式（5）：

在匝間短路時，線圈的自感LD、互感M、中性點3i0以及主繞線的主繞組電流都是判定的。所以，在匝間短路情況下，Rc和Lc是該方法的重要參數。對式（4）進行離散化，再通過最小二乘方法得到最優化的結果：

從式（6）可以看出，在匝間短路期間，由于短路和非短路線圈之間的互感效應，用式（6）所得的Lc小于真實線圈LW。將LZ=LW+LD代入式（5）可以得到：

從式（7）可以看出，當主電抗線圈因短路而分裂為若干電感回路時，互感效應被引進。在不清楚互感參數的情況下，通過所得到的替換變量Lc可以進行匝間的故障辨識。在整定匝間失效辨識的電感門限時，為了滿足可靠度的需要，可以把門限調得較小。

2 電抗器電感值及其變化率分析

當線圈處于飽和狀態時，線圈的感應電流也會減小，這與線圈的線圈短路特性類似。所以，當匝間失效的可靠行為被辨識時，必須同時兼顧在高抗飽和狀態下的干擾。在220 kV 電廠輸電和接通過程中，在150 ms 后，由于電纜高阻的匝道防護故障，使輸電失效。圖2 顯示了一種具有強抗性的原位接地結構，包括發電機、高壓變壓器、電纜傳輸線、并聯電抗器和負載。

圖2 并聯電抗器主接線拓撲

以常規零序電流方向辨識故障理論為主要準則，結合電抗器零序電壓、零序電流、零序測試阻抗以及二次諧波準則，對匝間短路進行了全面的辨識，并進行了以下的分析。

（1）符合零序電源定向單元的辨識準則。在傳統的環路電流保護中，采用零序電壓和電流功率方向區分的方法，在發生內線短路時，零序電流的電壓相位提前90°；當發生在電抗器外單相接地故障時，零序電流的相位會延遲零序電壓；利用該資料可以得到零序電流的相位提前120°的零序電壓，符合零序電源的方向辨識準則。

（2）零序阻抗單元的辨識準則。一般情況下，一次零序阻抗在數千歐姆左右，一次零序阻抗在數十歐姆左右，因此，可以根據電阻端口的零序阻抗來判定匝間失效。在保護啟動20 ms后，零序測試電阻在19 Ω 左右，大大低于標稱二次零序電阻的25%，而二次零序電阻則達到175 Ω。

（3）符合零序電流和零序電壓的門限，其中零序電壓的最小值在0.67 V 左右，超過0.5 V 的工作門限。

（4）符合相位電流的諧波辨識準則；三相二次諧波成分的特點：A、B 兩相的含水量在15%～6%之間，且有下降的趨勢。C 相中的成分接近0，符合對二次諧波辨識的匝間失效單元的辨識要求。

從上述結果可以看出，在并聯式電抗器的匝間保護中，存在著零序功率方向、零序阻抗、相電流二次諧波等問題。在零序和零序電流等準則下，匝間保護發生了故障。該電抗器的鐵芯具有飽和特性，類似于匝間短路，不易分辨，最后造成了匝間保護的誤動。

綜上所述，目前的電抗器的匝間防護不能很好地辨識出具有較強的抗飽。針對具有較強抗飽和度的匝間保護，有必要研究一種新的故障辨識算法。

2.1 基于電感特征的匝間故障識別方法

而在有鐵芯并聯式電抗器中，低頻率共振成分也是造成其飽和的原因。根據一般情況，在40%～50%的地方，比如BRK1 開關，BRK2 開關從接通到斷開，電纜與電抗裝置之間會發生LC 共振，從公式（8）可以得出，該體系的振蕩頻率約為33 Hz，比工作頻率更低。

在此基礎上，采用MATLAB 軟件結合RTDS 技術，分析了電阻空充、LC 振蕩、匝間短路等三種情況下的電抗器檢測特性。該反應器的主要特性是：三相功率55 MW，額定電壓230 kV，在50 Hz 工作頻率時，其額定電感為1.148 H。

2.2 電抗器空充時電感及其變化率分析

在B 相繞組7%的匝間短路時，電抗器的飽和相電感突然減小，隨后飽和度下降；在接近標稱的感應范圍內逐步收斂；電感值的變化量急劇增加，并逐步趨于0，顯示出穩定的特性。當電抗器在B 相和7%的匝間短路時，B 相繞組的電感為0.409 H，電感量突然下降至50%，并在此范圍內趨于收斂。感應變化性迅速趨于0，表現出穩定特性。

2.3 電抗器諧振時電感及其變化率分析

在B 相繞組7%匝間短路時，電抗器的飽和相電感突然減小，飽和相電感突然減小，隨后飽和狀態消失；在接近額定電感處逐步收斂；電感的變化率發生了急劇的變化，并逐步趨于接近0，并顯示出穩定的特性。當電抗器在B 相中發生7%匝間故障時，B 相繞組的電感為0.409 H，電抗器的感應值突然下降到50%以下，并且在此范圍內收斂。感應變化率迅速趨近于0，表現出穩定特性。

2.4 電抗器匝間故障時電感及其變化率分析

模擬分析表明，在A 相位3%、5%典型匝間失效時，三相電感值和感應變化率的模擬表明，其對應的感應值為0.657 6 H、0.504 8 H。電抗器失效時，各相電感迅速降低至50%，并在此范圍內趨于收斂。感應變化性迅速趨于0，表現出穩定特性。

2.5 電感特征分析總結

通過對線圈的感應電流和變幅的分析，發現線圈在空充飽和、匝間故障、低頻率共振時，線圈的感應電流都比標稱值要小，因此單靠感應電流的變化特性不能很好地判斷出匝間的失效狀態。

在空充時，在800 ms 左右的劇烈振蕩后，飽和相繞組的感應變化速率趨于0；在電抗器空充匝間失效的情況下，通過輕微的振蕩，使故障相的電感值變化速率迅速地向0 方向收縮；在電抗器的低頻率共振下，在300 ms 左右的劇烈振蕩后，共振相的感應變化率趨于0；在正常情況下，當出現3%～5%的匝間失效時，在40 ms 內故障相的變化量迅速趨于0。

3 結束語

該方案在不影響匝間保護的基本原則的前提下，需要在既有匝間保護的故障辨識準則和新的故障辨識準則的前提下，對匝間的匝間防護進行了研究；在現有的環路保護失效判別準則未達到時，采用新的判別準則，而采用直接閉合的匝間保護。該方案不僅提高了原匝間防護的故障辨識功能，而且在不影響原環路保護的可靠性的前提下，具有較好的通用性和提高匝間防護的性能。