并联电抗器匝间短路故障的电感特征识别

吕 伟

（中国石油大庆石化公司热电厂，黑龙江大庆 163714）

0 引言

高压并联电抗器（简称“高抗”）是一种铁芯带气隙的大容量并联电感线圈，它与普通变压器相比具有很大的结构差异，因而很难产生励磁涌动。但是，在高抗空充或与线路容抗发生低频率振荡的情况下，由于长期处于低频率成分的励磁，会使高抗线圈的铁芯发生饱和。

1 电抗器绕组电感值计算方法

高抗通常采用带铁芯的方式来改善其补偿性能，其构造与无负载的电源侧中性点绕线相似，但其线圈铁芯具有空气间隙，能很好地防止磁心的饱和励磁涌动，并联电抗器原理如图1 所示。

图1 并联电抗器原理

根据自感原理，线圈的非短路相电压、相电流、短路电流、短路线圈内部电阻与线圈感应的环路的关系式为：

绕组相电流、内阻和线圈电抗间的关系式为：

绕组电压、电流和线圈电感间的关系式为：

当并联电抗器具有中线电抗时，可从式（1）～式（3）导出端口电压关系式（4）以及被测替换变量Rc和Lc之间的对应关系式（5）：

在匝间短路时，线圈的自感LD、互感M、中性点3i0以及主绕线的主绕组电流都是判定的。所以，在匝间短路情况下，Rc和Lc是该方法的重要参数。对式（4）进行离散化，再通过最小二乘方法得到最优化的结果：

从式（6）可以看出，在匝间短路期间，由于短路和非短路线圈之间的互感效应，用式（6）所得的Lc小于真实线圈LW。将LZ=LW+LD代入式（5）可以得到：

从式（7）可以看出，当主电抗线圈因短路而分裂为若干电感回路时，互感效应被引进。在不清楚互感参数的情况下，通过所得到的替换变量Lc可以进行匝间的故障辨识。在整定匝间失效辨识的电感门限时，为了满足可靠度的需要，可以把门限调得较小。

2 电抗器电感值及其变化率分析

当线圈处于饱和状态时，线圈的感应电流也会减小，这与线圈的线圈短路特性类似。所以，当匝间失效的可靠行为被辨识时，必须同时兼顾在高抗饱和状态下的干扰。在220 kV 电厂输电和接通过程中，在150 ms 后，由于电缆高阻的匝道防护故障，使输电失效。图2 显示了一种具有强抗性的原位接地结构，包括发电机、高压变压器、电缆传输线、并联电抗器和负载。

图2 并联电抗器主接线拓扑

以常规零序电流方向辨识故障理论为主要准则，结合电抗器零序电压、零序电流、零序测试阻抗以及二次谐波准则，对匝间短路进行了全面的辨识，并进行了以下的分析。

（1）符合零序电源定向单元的辨识准则。在传统的环路电流保护中，采用零序电压和电流功率方向区分的方法，在发生内线短路时，零序电流的电压相位提前90°；当发生在电抗器外单相接地故障时，零序电流的相位会延迟零序电压；利用该资料可以得到零序电流的相位提前120°的零序电压，符合零序电源的方向辨识准则。

（2）零序阻抗单元的辨识准则。一般情况下，一次零序阻抗在数千欧姆左右，一次零序阻抗在数十欧姆左右，因此，可以根据电阻端口的零序阻抗来判定匝间失效。在保护启动20 ms后，零序测试电阻在19 Ω 左右，大大低于标称二次零序电阻的25%，而二次零序电阻则达到175 Ω。

（3）符合零序电流和零序电压的门限，其中零序电压的最小值在0.67 V 左右，超过0.5 V 的工作门限。

（4）符合相位电流的谐波辨识准则；三相二次谐波成分的特点：A、B 两相的含水量在15%～6%之间，且有下降的趋势。C 相中的成分接近0，符合对二次谐波辨识的匝间失效单元的辨识要求。

从上述结果可以看出，在并联式电抗器的匝间保护中，存在着零序功率方向、零序阻抗、相电流二次谐波等问题。在零序和零序电流等准则下，匝间保护发生了故障。该电抗器的铁芯具有饱和特性，类似于匝间短路，不易分辨，最后造成了匝间保护的误动。

综上所述，目前的电抗器的匝间防护不能很好地辨识出具有较强的抗饱。针对具有较强抗饱和度的匝间保护，有必要研究一种新的故障辨识算法。

2.1 基于电感特征的匝间故障识别方法

而在有铁芯并联式电抗器中，低频率共振成分也是造成其饱和的原因。根据一般情况，在40%～50%的地方，比如BRK1 开关，BRK2 开关从接通到断开，电缆与电抗装置之间会发生LC 共振，从公式（8）可以得出，该体系的振荡频率约为33 Hz，比工作频率更低。

在此基础上，采用MATLAB 软件结合RTDS 技术，分析了电阻空充、LC 振荡、匝间短路等三种情况下的电抗器检测特性。该反应器的主要特性是：三相功率55 MW，额定电压230 kV，在50 Hz 工作频率时，其额定电感为1.148 H。

2.2 电抗器空充时电感及其变化率分析

在B 相绕组7%的匝间短路时，电抗器的饱和相电感突然减小，随后饱和度下降；在接近标称的感应范围内逐步收敛；电感值的变化量急剧增加，并逐步趋于0，显示出稳定的特性。当电抗器在B 相和7%的匝间短路时，B 相绕组的电感为0.409 H，电感量突然下降至50%，并在此范围内趋于收敛。感应变化性迅速趋于0，表现出稳定特性。

2.3 电抗器谐振时电感及其变化率分析

在B 相绕组7%匝间短路时，电抗器的饱和相电感突然减小，饱和相电感突然减小，随后饱和状态消失；在接近额定电感处逐步收敛；电感的变化率发生了急剧的变化，并逐步趋于接近0，并显示出稳定的特性。当电抗器在B 相中发生7%匝间故障时，B 相绕组的电感为0.409 H，电抗器的感应值突然下降到50%以下，并且在此范围内收敛。感应变化率迅速趋近于0，表现出稳定特性。

2.4 电抗器匝间故障时电感及其变化率分析

模拟分析表明，在A 相位3%、5%典型匝间失效时，三相电感值和感应变化率的模拟表明，其对应的感应值为0.657 6 H、0.504 8 H。电抗器失效时，各相电感迅速降低至50%，并在此范围内趋于收敛。感应变化性迅速趋于0，表现出稳定特性。

2.5 电感特征分析总结

通过对线圈的感应电流和变幅的分析，发现线圈在空充饱和、匝间故障、低频率共振时，线圈的感应电流都比标称值要小，因此单靠感应电流的变化特性不能很好地判断出匝间的失效状态。

在空充时，在800 ms 左右的剧烈振荡后，饱和相绕组的感应变化速率趋于0；在电抗器空充匝间失效的情况下，通过轻微的振荡，使故障相的电感值变化速率迅速地向0 方向收缩；在电抗器的低频率共振下，在300 ms 左右的剧烈振荡后，共振相的感应变化率趋于0；在正常情况下，当出现3%～5%的匝间失效时，在40 ms 内故障相的变化量迅速趋于0。

3 结束语

该方案在不影响匝间保护的基本原则的前提下，需要在既有匝间保护的故障辨识准则和新的故障辨识准则的前提下，对匝间的匝间防护进行了研究；在现有的环路保护失效判别准则未达到时，采用新的判别准则，而采用直接闭合的匝间保护。该方案不仅提高了原匝间防护的故障辨识功能，而且在不影响原环路保护的可靠性的前提下，具有较好的通用性和提高匝间防护的性能。