王超，陳禹志，徐攀峰，羅來(lái)龍，文方，覃文繼

（國(guó)網(wǎng)西藏電力有限公司，拉薩 850000）

0 引言

高壓并聯(lián)電抗器（以下簡(jiǎn)稱高抗）是一種帶鐵心的大容量電感線圈，在結(jié)構(gòu)上類似變壓器一次側(cè)，其廣泛應(yīng)用于超（特）高壓遠(yuǎn)距離輸電線路上，主要作用是抵消線路電容效應(yīng)和抑制工頻過(guò)電壓，改善沿線電壓分布和無(wú)功功率分布，限制潛供電流以提高單相重合閘成功率等[1-6]。目前我國(guó)高抗普遍采用通過(guò)隔離開(kāi)關(guān)與線路并連的接線方式配置于線路一端或兩端，因此高抗與輸電線路可視為一體，隔離高抗故障需要聯(lián)跳相應(yīng)線路兩側(cè)斷路器[7-10]。

高抗多采用分相式結(jié)構(gòu)，發(fā)生相間故障概率低，主要故障類型是單相接地和匝間短路故障。發(fā)生匝間短路時(shí)，短路的線圈匝將流過(guò)遠(yuǎn)大于原高抗負(fù)載電流的感應(yīng)電流，且由于短路的線圈匝的實(shí)際繞向發(fā)生改變，該感應(yīng)電流與高抗負(fù)荷電流方向相反，因此匝間短路將造成高抗磁場(chǎng)畸變、性能下降，引起短路線圈匝及其鄰近線圈匝溫度升高，加速高抗絕緣老化，嚴(yán)重情況下可能導(dǎo)致匝間短路范圍的快速擴(kuò)大甚至燒毀高抗。

作為高抗主保護(hù)的縱聯(lián)比率差動(dòng)保護(hù)能可靠識(shí)別單相接地故障，類似于大型變壓器的分側(cè)差動(dòng)保護(hù)，靈敏度高；但匝間短路時(shí)故障電流為穿越性電流，無(wú)法被差動(dòng)保護(hù)檢測(cè)，因此高壓并聯(lián)電抗器保護(hù)均配置了高靈敏度的快速匝間保護(hù)功能，作為電抗器的主保護(hù)。目前國(guó)內(nèi)外電抗器匝間保護(hù)主要判據(jù)包括零序阻抗元件（含比相和比幅兩種）、分相阻抗元件、首/末端零序過(guò)流元件等，其中為了改善系統(tǒng)阻抗低引起的電抗器內(nèi)部故障時(shí)保護(hù)監(jiān)測(cè)零序電壓低的問(wèn)題，零序阻抗元件采用了基于電抗器部分阻抗的補(bǔ)償算法[11-12]。這些判據(jù)基本抓住了電抗器匝間短路的故障特征，但工程應(yīng)用中屢屢有匝間保護(hù)誤動(dòng)現(xiàn)象發(fā)生[3-5]，引起相關(guān)從業(yè)者及科研人員的廣泛關(guān)注。

本文基于一起高壓并聯(lián)電抗器匝間保護(hù)誤動(dòng)案例，全面剖析了匝間保護(hù)動(dòng)作邏輯作用機(jī)理，深入闡釋了線路單相跳閘后高抗首端分相阻抗和零序阻抗量測(cè)值的變化規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上提出高抗匝間保護(hù)優(yōu)化方案，以期對(duì)工程應(yīng)用及相關(guān)從業(yè)人員提供有益參考。

1 案例簡(jiǎn)述

某500 kV 線路L 單側(cè)配置高壓并聯(lián)電抗器，高壓并聯(lián)電抗器采用分相結(jié)構(gòu)，中性點(diǎn)有小電抗，主接線見(jiàn)圖1。圖1 中500 kV 系統(tǒng)采用一個(gè)半斷路器接線方式，線路M 側(cè)經(jīng)5051 和5052 斷路器接入系統(tǒng)，線路N 側(cè)經(jīng)5011 和5012 斷路器接入系統(tǒng)，圖1 中簡(jiǎn)化為兩側(cè)各一個(gè)斷路器，不影響故障特性分析。圖1 中，EMA、EMB、EMC分別為M 側(cè)系統(tǒng)電源三相電勢(shì)，ENA、ENB、ENC分別為N 側(cè)系統(tǒng)電源三相電勢(shì)，BMA、BMB、BMC分別為線路M 側(cè)三相斷路器，BNA、BNB、BNC分別為為線路N 側(cè)三相斷路器，LPA、LPB、LPC分別為電抗器三相主電抗，LN為電抗器中性點(diǎn)小電抗。線路L 的M 側(cè)共配置型號(hào)分別為PCS-931A（A套）和CSC-103（B 套）的兩套線路保護(hù)及型號(hào)分別為SGR-751（A 套）和WKB-801A-G（B 套）的兩套高抗保護(hù)；線路N 側(cè)共配置型號(hào)分別為PCS-931AG（B 套）和CSC-103（B 套）的兩套線路保護(hù)；線路M 側(cè)5051 和5052 斷路器及N 側(cè)5011 和5012 斷路器各配置一套型號(hào)為WDLK-862A-G 的斷路器保護(hù)裝置。

圖1 系統(tǒng)簡(jiǎn)化示意圖Fig.1 Simplified schematic diagram of system

2020 年某日，線路L 發(fā)生A 相接地故障，現(xiàn)場(chǎng)檢查線路兩側(cè)保護(hù)動(dòng)作行為按時(shí)序見(jiàn)表1。基于表1，可梳理故障過(guò)程如下：線路L 靠N 側(cè)發(fā)生A 相瞬時(shí)性接地故障，兩側(cè)4 套線路保護(hù)均正確動(dòng)作出口跳開(kāi)A 相斷路器；在線路A 相兩側(cè)斷路器跳開(kāi)期間，M 側(cè)SGR-751 高抗匝間保護(hù)單套動(dòng)作，跳開(kāi)線路M 側(cè)三相斷路器，閉鎖M 側(cè)PCS-931A 線路保護(hù)重合閘，并發(fā)信聯(lián)跳N 側(cè)三相斷路器；N 側(cè)PCS-931A-G 線路保護(hù)收信后遠(yuǎn)方跳閘啟動(dòng)，但此時(shí)N 側(cè)A 相斷路器處于斷開(kāi)狀態(tài)，三相沒(méi)有故障電氣特征，N 側(cè)PCS-931A-G 線路保護(hù)遠(yuǎn)方跳閘因就地判據(jù)不滿足而未動(dòng)作；M 側(cè)CSC-103 線路保護(hù)檢測(cè)到M 側(cè)三相斷路器跳開(kāi)后，閉鎖重合閘；N 側(cè)斷路器保護(hù)重合閘經(jīng)整定延時(shí)后動(dòng)作，合上A 相斷路器；故障切除后的狀態(tài)是線路M 側(cè)斷路器斷開(kāi)，N側(cè)斷路器閉合。

表1 線路L故障后兩側(cè)保護(hù)動(dòng)作行為T(mén)able 1 Protection action of both sides of line L after fault

現(xiàn)場(chǎng)檢查高抗本身未發(fā)生故障，且SGR-751 高抗保護(hù)動(dòng)作時(shí)線路兩側(cè)斷路器已斷開(kāi)，可判定SGR-751 高抗匝間保護(hù)為誤動(dòng)作。整個(gè)故障過(guò)程中，兩側(cè)線路保護(hù)、斷路器保護(hù)正確動(dòng)作，M 側(cè)WKB-801A-G 高抗保護(hù)正確不動(dòng)作；M 側(cè)SGR-751高抗匝間保護(hù)不正確動(dòng)作，并導(dǎo)致500 kV 線路L在單相瞬時(shí)性故障下供電中斷。

2 保護(hù)原理分析

SGR-751 高抗匝間保護(hù)采用由高抗首端零序電流、零序電壓組成的零序阻抗繼電器，同時(shí)為了防止非全相運(yùn)行時(shí)電抗器匝間短路零序阻抗元件的靈敏度不足的情況，還配置分相阻抗元件。SGR-751 高抗匝間保護(hù)中零序阻抗元件和分相阻抗元件為或關(guān)系，其中之一滿足匝間保護(hù)即可動(dòng)作出口。

2.1 零序阻抗判據(jù)

SGR-751 高抗匝間保護(hù)零序阻抗判據(jù)公式為

式中，Z0為高抗保護(hù)測(cè)得的零序阻抗，由高抗首端TV（即線路TV）和首端TA 二次值計(jì)算獲得；Zset為零序阻抗整定值；I0為高抗保護(hù)測(cè)得的首端零序電流；I0qd為零序電流啟動(dòng)定值。式（1）表明，零序阻抗判據(jù)為欠量判據(jù)。

高抗保護(hù)范圍以首端TA 為分界點(diǎn)，靠系統(tǒng)側(cè)的故障均為區(qū)外故障，靠高抗側(cè)發(fā)生的故障均為區(qū)內(nèi)故障。匝間短路產(chǎn)生縱向零序電壓，接地故障產(chǎn)生橫向零序電壓，各種故障時(shí)高抗保護(hù)所測(cè)零序阻抗Z0m為

工程實(shí)際中，高抗零序阻抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于系統(tǒng)等效零序阻抗。式（2）表明，高抗保護(hù)在外部故障和內(nèi)部故障（包含匝間短路和接地）時(shí)測(cè)得的零序阻抗在幅值和相位上均有較大差異，單一故障條件下，式（1）能很好地反映內(nèi)、外部故障差異。

2.2 分相阻抗判據(jù)

SGR-751 高抗匝間保護(hù)分相阻抗判據(jù)公式為

式中：Zph為高抗保護(hù)測(cè)得的各相阻抗值；Zset為分相阻抗整定值；Iph為高抗首端相電流；I0m為高抗末端零序電流；Ie為高抗額定電流。

外部故障時(shí)，高抗保護(hù)測(cè)得的各相阻抗為高抗二次額定阻抗，各相電流不大于額定電流；匝間短路時(shí)，因短路線圈匝中電流的去磁作用（短路線圈匝中電流方向與高抗負(fù)荷電流方向相反），故障相測(cè)得的阻抗小于高抗二次額定阻抗，測(cè)得的相電流增大，并有末端零序電流；內(nèi)部發(fā)生單相接地故障時(shí)，高抗故障相有效阻抗減小，電流增加，并末端零序電流產(chǎn)生。綜上所述，區(qū)外、區(qū)內(nèi)故障時(shí)高抗保護(hù)所測(cè)故障相阻抗和電流差別明顯，單一故障條件下，式（3）也可有效區(qū)分區(qū)外故障和區(qū)內(nèi)故障。

3 誤動(dòng)機(jī)理分析

上文事故案例中，高抗二次額定電流Ie為0.315 A，二次額定阻抗為201 Ω；分相阻抗定值為0.7 倍高抗二次額定阻抗，即140.7 Ω；首端分相電流定值為1.05 倍Ie，即0.331 A；末端零序電流定值為0.2 倍Ie，即0.063 A。調(diào)取SGR-751 高抗保護(hù)裝置錄波，見(jiàn)圖2。該圖表明，高抗保護(hù)動(dòng)作時(shí)，A 相相電流為1.282 A，阻抗為112.04 Ω，末端零序電流為0.654 A，同時(shí)滿足A 相阻抗判據(jù)3 個(gè)條件，以致SGR-751 高抗保護(hù)動(dòng)作。

進(jìn)一步分析圖2 所示故障錄波，A 相接地故障持續(xù)約10 個(gè)周波后消失，A 相重新建壓，并產(chǎn)生包含較大低頻分量的相電流。此時(shí)，線路A 相兩側(cè)斷路器仍處于斷開(kāi)狀態(tài)，A 相電流由B、C 正常相提供的潛供電流和斷線相振蕩電流兩部分組成，見(jiàn)圖3。圖3 中，內(nèi)側(cè)箭頭表示潛供電流供給，外側(cè)線條構(gòu)成振蕩回路；CA為A 相對(duì)地電容，CBA和CCA分別為BA 相和CA 相之間的相間電容。潛供電流由B、C相通過(guò)相間電容提供，A 相產(chǎn)生感應(yīng)電壓后，分別通過(guò)對(duì)地電容、兩側(cè)電源接地點(diǎn)、兩健全相，以及通過(guò)高抗A 相繞組、中性點(diǎn)小電抗、兩側(cè)電源接地點(diǎn)、兩健全相構(gòu)成回路，為高抗A 相提供工頻電流。

圖3 斷線相振蕩電流和潛供電流回路示意Fig.3 Schematic diagram of oscillation current and secondary arc current circuit

另一方面，高抗A 相繞組、中性點(diǎn)小電抗、線路A 相對(duì)地電容及線路電阻組成的RLC 振蕩回路將產(chǎn)生低頻分量。由于回路中電阻成分較小，因此回路可簡(jiǎn)化為L(zhǎng)C 振蕩回路，其振蕩角頻率ωz為

式中：ω0為工頻角頻率；fz為振蕩頻率；Xc為線路對(duì)地電容的容抗；XL為高抗A 相繞組和中性點(diǎn)小電抗的等效感抗。由于Xc小于XL，因此fz較小，一般為幾赫茲。圖2 中，T1點(diǎn)為低頻分量峰值，T2點(diǎn)為低頻分量過(guò)零點(diǎn)，二者時(shí)間差125 ms 剛好為1/4 個(gè)周波，因此低頻分量頻率約為2 Hz。

圖2 故障時(shí)SGR?751高抗匝間保護(hù)裝置錄波圖Fig.2 Waveform of SGR?751 inter?turn protection device in case of fault

低頻分量將導(dǎo)致高抗飽和。由安培環(huán)路定理可知，對(duì)于高抗繞組，有

式中：Φ為繞組磁通；N為繞組線圈匝數(shù)；I為繞組的線圈電流。

當(dāng)線圈電流為工頻正弦波時(shí)，在繞組電流處于正半波時(shí)，繞組磁通正向積累；在繞組電流處于負(fù)半波時(shí)，繞組磁通反向減?。灰粋€(gè)周波內(nèi)高抗繞組積累的磁通量為零。只要控制繞組電流使得半周波內(nèi)積累的磁通不會(huì)使繞組飽和，則高抗將一直運(yùn)行磁滯特性的線性區(qū)。但在低頻分量作用下，繞組電流在較長(zhǎng)時(shí)間（對(duì)應(yīng)圖2，約12 個(gè)周波）內(nèi)偏向于坐標(biāo)軸一側(cè)，致使繞組磁通一直朝一個(gè)方向積累，最終導(dǎo)致A 相繞組飽和，測(cè)量阻抗下降。實(shí)際上，從圖2 可知，故障消失后約一個(gè)半周波，高抗A 相繞組即發(fā)生飽和，表現(xiàn)為測(cè)量阻抗下降，但此時(shí)低頻分量幅值較低，電流未達(dá)到低抗判據(jù)動(dòng)作值。故障進(jìn)一步發(fā)展到當(dāng)?shù)皖l電流分量處于峰值附近時(shí)（即圖中T1時(shí)刻），首端相電流和末端零序電流判據(jù)均滿足，SGR-751 高抗匝間保護(hù)動(dòng)作。因此，低頻振蕩是導(dǎo)致分相阻抗判據(jù)動(dòng)作的主要原因。

4 匝間保護(hù)邏輯優(yōu)化

上文故障案例中，高抗A 相飽和時(shí)，飽和相測(cè)量阻抗下降，將產(chǎn)生零序分量，且零序電壓源在高抗內(nèi)部，與高抗內(nèi)部故障特征類似，但實(shí)際上整個(gè)故障過(guò)程中匝間保護(hù)測(cè)得的零序阻抗一直在阻抗平面第1 象限，表現(xiàn)為反方向故障。進(jìn)一步分析可知，上文案例中匝間保護(hù)動(dòng)作時(shí)，系統(tǒng)中存在兩個(gè)零序電壓源，一是線路非全相產(chǎn)生的零序電壓源，二是高抗飽和的零序電壓源，而高抗保護(hù)測(cè)得的零序阻抗是兩個(gè)零序電壓源共同作用下的結(jié)果。線路非全相產(chǎn)生的零序電壓處于高抗外部，高抗飽和產(chǎn)生的零序電壓處于高抗內(nèi)部。由式（2）可知，外部故障和內(nèi)部故障時(shí)，高抗首端感受的零序功率方向是相反的，前者保護(hù)不動(dòng)作，后者保護(hù)應(yīng)該動(dòng)作。從保護(hù)實(shí)際測(cè)得的零序阻抗位于第1 象限可知，線路非全相產(chǎn)生的零序電壓對(duì)高抗匝間保護(hù)零序判據(jù)作用更大。零序分量是三相相分量的矢量和，線路非全相零序電壓主要由健全相產(chǎn)生，健全相電壓高于低頻振蕩電壓，因此高抗飽和時(shí)健全相電壓對(duì)高抗匝間保護(hù)起到了閉鎖作用，避免了零序阻抗判據(jù)誤動(dòng)。換言之，上文故障案例情況下，零序阻抗判據(jù)可靠性高于分相阻抗判據(jù)。

實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)高抗發(fā)生5%匝間短路故障時(shí)，分相阻抗即可降至高抗主電抗的65% 左右[16]。單獨(dú)發(fā)生匝間短路故障時(shí)，零序阻抗判據(jù)和分相阻抗判據(jù)均能可靠動(dòng)作，并具有較高靈敏度，因此匝間保護(hù)應(yīng)著重考慮避免誤動(dòng)。結(jié)合上文事故案例情況，本文提出如圖4 所示的高抗匝間保護(hù)判據(jù)。

圖4 新型匝間保護(hù)判據(jù)Fig.4 New criterion of inter?turn protection

圖4中，I?1為相基波電流，I?2為相二次諧波電流，I?0為相直流分量；零序阻抗判據(jù)和分相阻抗判據(jù)仍分別取式（1）和式（3），二者為與的關(guān)系，其中零序阻抗判據(jù)也可以有其他的形式[17-21]，但基本原理是一樣的。輕微匝間短路對(duì)匝間保護(hù)動(dòng)作速動(dòng)性要求并不高，為避免匝間保護(hù)在故障初瞬磁場(chǎng)劇烈畸變時(shí)誤動(dòng)，零序阻抗判據(jù)增加了100 ms 的延時(shí)；同時(shí)，為避免高抗飽和時(shí)誤動(dòng)，增加二次諧波和直流分量閉鎖判據(jù)[16]。另外，當(dāng)發(fā)生嚴(yán)重匝間故障時(shí)，為提高電量判據(jù)的速動(dòng)性，增加不帶延時(shí)的相過(guò)流判據(jù)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析，相過(guò)流判據(jù)可取2Ie。

5 仿真驗(yàn)證

本文利用PSCAD 對(duì)圖1 所示系統(tǒng)進(jìn)行仿真，其中高抗用空載自耦變模擬，原因是PSCAD 中沒(méi)有可模擬匝間短路的高抗模型。試驗(yàn)過(guò)程分兩種情況，一是線路A 相故障跳閘后不重合，且故障在持續(xù)1 s 后才消失；二是自耦變二次側(cè)短路，變比為230/5 kV。兩種情況下仿真結(jié)果分別見(jiàn)圖5 和圖6，圖中，Vsa和Vra分別為M 側(cè)和N 側(cè)母線的A 相電壓，Iga為高抗支路A 相電流，I0為高抗支路零序電流，Xg為高抗A 相繞組計(jì)算阻抗電感值，X0為高抗首端計(jì)算零序阻抗電感值。從圖5 與參考文獻(xiàn)[22]仿真結(jié)果的契合度來(lái)看，本文仿真結(jié)果具有較強(qiáng)的參考價(jià)值。

圖5 線路A相接地故障仿真波形Fig.5 Simulation waveform of grounding fault of phase A of line

圖6 匝間短路仿真波形（二次電壓為5 kV）Fig.6 Simulation waveform of inter?turn short circuit（secondary voltage is 5 kV）

圖5表明，線路發(fā)生單相接地故障期間，高抗對(duì)應(yīng)相產(chǎn)生了持續(xù)直流分量，導(dǎo)致分相阻抗測(cè)量值劇烈波動(dòng)，故障消失后，潛供電流的影響更導(dǎo)致測(cè)量阻抗為負(fù)值，分相阻抗判據(jù)此時(shí)表現(xiàn)為可靠性極低[12]。但除故障初瞬零序阻抗測(cè)量值出現(xiàn)反向突變外，零序阻抗電抗值一直未正值，加上100 ms 延時(shí)躲過(guò)故障初瞬的波形畸變情況，零序阻抗可確保匝間保護(hù)不誤動(dòng)。

圖6表明，高抗A 相發(fā)生匝間短路后，A 相阻抗和高抗零序阻抗值同時(shí)顯著減小，分相阻抗電抗值仍為正值，而零序阻抗電抗值為負(fù)值，仿真結(jié)果與前文理論分析一致。此外，匝間短路時(shí)，故障相電流顯著增加，相電流判據(jù)具有可靠開(kāi)放條件。

6 結(jié)語(yǔ)

匝間保護(hù)是保護(hù)高抗本體的一種重要保護(hù)功能。工程經(jīng)驗(yàn)和理論分析表明，線路單相故障跳閘后，在高抗和故障線路回路中可能產(chǎn)生低頻分量，威脅高抗匝間保護(hù)的正確動(dòng)作。本文深入分析了低頻分量導(dǎo)致高抗飽和的機(jī)制機(jī)理，以及零序阻抗判據(jù)和分相阻抗判據(jù)的適應(yīng)性，并同步闡釋了線路單相跳閘后系統(tǒng)零序電壓特征，及其對(duì)匝間保護(hù)零序阻抗判據(jù)的影響。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合文獻(xiàn)及本文仿真結(jié)果，對(duì)高抗匝間保護(hù)邏輯進(jìn)行了優(yōu)化。所提優(yōu)化方案兼顧了可靠性和速動(dòng)性要求，希望能對(duì)相關(guān)從業(yè)人員提供有益參考。