并聯(lián)電抗器匝間短路故障的電感特征識(shí)別

呂 偉

（中國(guó)石油大慶石化公司熱電廠，黑龍江大慶 163714）

0 引言

高壓并聯(lián)電抗器（簡(jiǎn)稱“高抗”）是一種鐵芯帶氣隙的大容量并聯(lián)電感線圈，它與普通變壓器相比具有很大的結(jié)構(gòu)差異，因而很難產(chǎn)生勵(lì)磁涌動(dòng)。但是，在高抗空充或與線路容抗發(fā)生低頻率振蕩的情況下，由于長(zhǎng)期處于低頻率成分的勵(lì)磁，會(huì)使高抗線圈的鐵芯發(fā)生飽和。

1 電抗器繞組電感值計(jì)算方法

高抗通常采用帶鐵芯的方式來改善其補(bǔ)償性能，其構(gòu)造與無負(fù)載的電源側(cè)中性點(diǎn)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(lì)磁涌動(dòng)，并聯(lián)電抗器原理如圖1 所示。

圖1 并聯(lián)電抗器原理

根據(jù)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(nèi)部電阻與線圈感應(yīng)的環(huán)路的關(guān)系式為：

繞組相電流、內(nèi)阻和線圈電抗間的關(guān)系式為：

繞組電壓、電流和線圈電感間的關(guān)系式為：

當(dāng)并聯(lián)電抗器具有中線電抗時(shí)，可從式（1）～式（3）導(dǎo)出端口電壓關(guān)系式（4）以及被測(cè)替換變量Rc和Lc之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系式（5）：

在匝間短路時(shí)，線圈的自感LD、互感M、中性點(diǎn)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(shù)。對(duì)式（4）進(jìn)行離散化，再通過最小二乘方法得到最優(yōu)化的結(jié)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(yīng)，用式（6）所得的Lc小于真實(shí)線圈LW。將LZ=LW+LD代入式（5）可以得到：

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

2 電抗器電感值及其變化率分析

當(dāng)線圈處于飽和狀態(tài)時(shí)，線圈的感應(yīng)電流也會(huì)減小，這與線圈的線圈短路特性類似。所以，當(dāng)匝間失效的可靠行為被辨識(shí)時(shí)，必須同時(shí)兼顧在高抗飽和狀態(tài)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(hù)故障，使輸電失效。圖2 顯示了一種具有強(qiáng)抗性的原位接地結(jié)構(gòu)，包括發(fā)電機(jī)、高壓變壓器、電纜傳輸線、并聯(lián)電抗器和負(fù)載。

圖2 并聯(lián)電抗器主接線拓?fù)?/p>

以常規(guī)零序電流方向辨識(shí)故障理論為主要準(zhǔn)則，結(jié)合電抗器零序電壓、零序電流、零序測(cè)試阻抗以及二次諧波準(zhǔn)則，對(duì)匝間短路進(jìn)行了全面的辨識(shí)，并進(jìn)行了以下的分析。

（1）符合零序電源定向單元的辨識(shí)準(zhǔn)則。在傳統(tǒng)的環(huán)路電流保護(hù)中，采用零序電壓和電流功率方向區(qū)分的方法，在發(fā)生內(nèi)線短路時(shí)，零序電流的電壓相位提前90°；當(dāng)發(fā)生在電抗器外單相接地故障時(shí)，零序電流的相位會(huì)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(shí)準(zhǔn)則。

（2）零序阻抗單元的辨識(shí)準(zhǔn)則。一般情況下，一次零序阻抗在數(shù)千歐姆左右，一次零序阻抗在數(shù)十歐姆左右，因此，可以根據(jù)電阻端口的零序阻抗來判定匝間失效。在保護(hù)啟動(dòng)20 ms后，零序測(cè)試電阻在19 Ω 左右，大大低于標(biāo)稱二次零序電阻的25%，而二次零序電阻則達(dá)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(shí)準(zhǔn)則；三相二次諧波成分的特點(diǎn)：A、B 兩相的含水量在15%～6%之間，且有下降的趨勢(shì)。C 相中的成分接近0，符合對(duì)二次諧波辨識(shí)的匝間失效單元的辨識(shí)要求。

從上述結(jié)果可以看出，在并聯(lián)式電抗器的匝間保護(hù)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(zhǔn)則下，匝間保護(hù)發(fā)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(hù)的誤動(dòng)。

綜上所述，目前的電抗器的匝間防護(hù)不能很好地辨識(shí)出具有較強(qiáng)的抗飽。針對(duì)具有較強(qiáng)抗飽和度的匝間保護(hù)，有必要研究一種新的故障辨識(shí)算法。

2.1 基于電感特征的匝間故障識(shí)別方法

而在有鐵芯并聯(lián)式電抗器中，低頻率共振成分也是造成其飽和的原因。根據(jù)一般情況，在40%～50%的地方，比如BRK1 開關(guān)，BRK2 開關(guān)從接通到斷開，電纜與電抗裝置之間會(huì)發(fā)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(chǔ)上，采用MATLAB 軟件結(jié)合RTDS 技術(shù)，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(cè)特性。該反應(yīng)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(shí)，其額定電感為1.148 H。

2.2 電抗器空充時(shí)電感及其變化率分析

在B 相繞組7%的匝間短路時(shí)，電抗器的飽和相電感突然減小，隨后飽和度下降；在接近標(biāo)稱的感應(yīng)范圍內(nèi)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(wěn)定的特性。當(dāng)電抗器在B 相和7%的匝間短路時(shí)，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(nèi)趨于收斂。感應(yīng)變化性迅速趨于0，表現(xiàn)出穩(wěn)定特性。

2.3 電抗器諧振時(shí)電感及其變化率分析

在B 相繞組7%匝間短路時(shí)，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(tài)消失；在接近額定電感處逐步收斂；電感的變化率發(fā)生了急劇的變化，并逐步趨于接近0，并顯示出穩(wěn)定的特性。當(dāng)電抗器在B 相中發(fā)生7%匝間故障時(shí)，B 相繞組的電感為0.409 H，電抗器的感應(yīng)值突然下降到50%以下，并且在此范圍內(nèi)收斂。感應(yīng)變化率迅速趨近于0，表現(xiàn)出穩(wěn)定特性。

2.4 電抗器匝間故障時(shí)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(shí)，三相電感值和感應(yīng)變化率的模擬表明，其對(duì)應(yīng)的感應(yīng)值為0.657 6 H、0.504 8 H。電抗器失效時(shí)，各相電感迅速降低至50%，并在此范圍內(nèi)趨于收斂。感應(yīng)變化性迅速趨于0，表現(xiàn)出穩(wěn)定特性。

2.5 電感特征分析總結(jié)

通過對(duì)線圈的感應(yīng)電流和變幅的分析，發(fā)現(xiàn)線圈在空充飽和、匝間故障、低頻率共振時(shí)，線圈的感應(yīng)電流都比標(biāo)稱值要小，因此單靠感應(yīng)電流的變化特性不能很好地判斷出匝間的失效狀態(tài)。

在空充時(shí)，在800 ms 左右的劇烈振蕩后，飽和相繞組的感應(yīng)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(yīng)變化率趨于0；在正常情況下，當(dāng)出現(xiàn)3%～5%的匝間失效時(shí)，在40 ms 內(nèi)故障相的變化量迅速趨于0。

3 結(jié)束語

該方案在不影響匝間保護(hù)的基本原則的前提下，需要在既有匝間保護(hù)的故障辨識(shí)準(zhǔn)則和新的故障辨識(shí)準(zhǔn)則的前提下，對(duì)匝間的匝間防護(hù)進(jìn)行了研究；在現(xiàn)有的環(huán)路保護(hù)失效判別準(zhǔn)則未達(dá)到時(shí)，采用新的判別準(zhǔn)則，而采用直接閉合的匝間保護(hù)。該方案不僅提高了原匝間防護(hù)的故障辨識(shí)功能，而且在不影響原環(huán)路保護(hù)的可靠性的前提下，具有較好的通用性和提高匝間防護(hù)的性能。