馮海鋒，王雅茹，黃彥全

0 引言

并聯(lián)電容補(bǔ)償（以下簡(jiǎn)稱(chēng)并補(bǔ)）裝置安裝在電氣化鐵路牽引變電所牽引側(cè)母線上，由電容器和電抗器串聯(lián)構(gòu)成。并補(bǔ)裝置提高了供電系統(tǒng)的功率因數(shù)，同時(shí)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(duì)電容器造成的危害，避免電容器裝置對(duì)電網(wǎng)諧波的過(guò)度放大和諧振的發(fā)生[1]。由于缺乏電抗器匝間短路保護(hù)，并補(bǔ)裝置中的電抗器在運(yùn)行中燒毀的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。實(shí)際運(yùn)行中，電抗器線圈表面的絕緣材料在受到系統(tǒng)諧波過(guò)電流與諧波過(guò)電壓、操作過(guò)電壓時(shí)就會(huì)發(fā)生局部過(guò)熱以致絕緣老化現(xiàn)象甚至發(fā)生匝間短路[2]，而現(xiàn)有的保護(hù)裝置不能判斷匝間短路，因此有必要設(shè)置新型的匝間短路保護(hù)。本文基于感抗比做了理論分析，給出匝間短路保護(hù)整定條件，并利用PSCAD 進(jìn)行建模仿真，建立了能快速準(zhǔn)確反映電抗器匝間短路的保護(hù)方案。

1 電抗器匝間短路保護(hù)

1.1 存在問(wèn)題

電氣化鐵路中，并補(bǔ)電容器組設(shè)有電流速斷、過(guò)電流、諧波過(guò)電流、差壓、失壓、過(guò)壓多種保護(hù)方式，但電抗器匝間短路故障卻缺乏有效的保護(hù)。牽引供電系統(tǒng)中，并補(bǔ)裝置除了具有補(bǔ)償基波無(wú)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(dú)支路并聯(lián)于母線上，為簡(jiǎn)化問(wèn)題，以下分析以3 次諧波濾波支路為例。并補(bǔ)裝置電抗率（感抗比）為12%，當(dāng)電抗器發(fā)生匝間短路時(shí)，其電抗值將發(fā)生變化，假設(shè)電抗器線圈間發(fā)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(guò)電容器回路的電流Ic就越大，其關(guān)系如下：

由式（1）可見(jiàn)，當(dāng)匝間短路越嚴(yán)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(shí)Ic達(dá)到最小。所以，電流保護(hù)不能對(duì)電抗器的匝間短路起保護(hù)作用。只要電容器不發(fā)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(hù)對(duì)電抗器起不到保護(hù)作用；對(duì)于縱差動(dòng)保護(hù)，由于匝間短路產(chǎn)生的故障電流對(duì)縱差保護(hù)是穿越性的，因此該保護(hù)也起不到作用。電抗器設(shè)定的局部過(guò)熱保護(hù)，由于其對(duì)電抗器溫度過(guò)高進(jìn)行保護(hù)需要很長(zhǎng)時(shí)間，并且感應(yīng)點(diǎn)的選取不能保證在匝間短路點(diǎn)，因此過(guò)熱保護(hù)也不能快速有效地判斷電抗器匝間短路故障。對(duì)于電壓比保護(hù)[4]，理論上可行，但是實(shí)際仿真結(jié)果會(huì)出現(xiàn)一定的波動(dòng)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(huì)導(dǎo)致其靈敏度不高，該問(wèn)題在下文仿真中會(huì)提到。

為準(zhǔn)確反映匝間短路并在第一時(shí)間切除故障，有必要設(shè)置針對(duì)匝間短路的專(zhuān)門(mén)保護(hù)方案。

1.2 保護(hù)原理

并補(bǔ)裝置正常運(yùn)行時(shí)，電抗器的感抗和電容器的容抗比值應(yīng)該是一個(gè)相對(duì)恒定的量。當(dāng)電抗器發(fā)生匝間短路時(shí)，由于其電感值會(huì)變小，從而導(dǎo)致其感抗值變小，感抗比也隨之變小。因此可以利用串聯(lián)在并補(bǔ)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(yuǎn)小于電容器的容抗值，為了仿真結(jié)果便于觀測(cè)，引入感抗比倒數(shù)，其定義如下：

由此反應(yīng)電抗器匝間短路的保護(hù)判據(jù)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(shù)的整定值。在并補(bǔ)裝置中，電容器的容抗Zc可由電容器放電線圈測(cè)得電壓Uc與并補(bǔ)裝置支路電流互感器測(cè)得電流I 的比值得到，記作

電抗器的電壓不能直接測(cè)得，但是可以通過(guò)并補(bǔ)裝置母線電壓與放電線圈電壓之差獲得，假設(shè)母線電壓為U，則

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

在并補(bǔ)裝置投入的過(guò)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(guò)程中會(huì)有充電勵(lì)磁過(guò)程，從而在線路中產(chǎn)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(tài)過(guò)程。在一段時(shí)間后，非周期分量及高次諧波分量衰減完畢后，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)，為了防止保護(hù)裝置在暫態(tài)過(guò)程中誤動(dòng)作，保護(hù)可以通過(guò)延時(shí)Ts來(lái)解決，具體大小取決于合閘時(shí)電源的狀態(tài)，電容及電抗的容量。

2 仿真及分析

由于并補(bǔ)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(shù)來(lái)進(jìn)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(bǔ)裝置支路，其中電抗器分為2 部分，與斷路器并聯(lián)部分的電感值為電抗器總電感值的5%，斷路器設(shè)置在0.2 s 時(shí)刻由斷開(kāi)狀態(tài)變?yōu)殚]合，此時(shí)感抗減小5%從而模擬匝間短路情況，右邊的支路為加載負(fù)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(fù)載情況下電抗器發(fā)生匝間短路

圖2 為電抗器發(fā)生匝間短路的情況，其中縱坐標(biāo)表示感抗比的倒數(shù)，橫坐標(biāo)為時(shí)間t，可以看出感抗比的倒數(shù)經(jīng)過(guò)開(kāi)始一段時(shí)間暫態(tài)之后就保持不變，在0.2 s 時(shí)刻斷路器閉合，感抗值減小5%，從而使得感抗比的倒數(shù)迅速變化，超出整定值8.72，保護(hù)裝置可以快速動(dòng)作，具有較高的靈敏度。

圖2 電抗器發(fā)生匝間短路時(shí)的感抗比倒數(shù)值圖

圖3 為根據(jù)電壓比整定電抗器匝間短路的PSCAD 仿真圖，由此可見(jiàn)，雖然理想狀況下保護(hù)裝置也能正確動(dòng)作，但是由于電壓比具有波動(dòng)性，母線電壓或者電容器放電線圈出現(xiàn)一點(diǎn)電壓測(cè)量誤差將可能導(dǎo)致保護(hù)裝置誤動(dòng)作。所以對(duì)比結(jié)果表明阻抗比的整定具有相對(duì)較高的靈敏度。

圖3 電抗器發(fā)生匝間短路時(shí)的電壓比值圖

2.2 母線電壓波動(dòng)時(shí)的保護(hù)性能

母線電壓出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，如果發(fā)生電抗器匝間短路，利用PSCAD 進(jìn)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(xiàn)波動(dòng)也不會(huì)影響感抗比，保護(hù)裝置仍然能可靠動(dòng)作。

圖4 母線電壓波動(dòng)時(shí)發(fā)生匝間短路的感抗比倒數(shù)值圖

母線電壓出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，如果電抗器正常運(yùn)行，利用PSCAD 進(jìn)行仿真，得出如圖5 所示的仿真圖，由圖5 可知，當(dāng)母線電壓波動(dòng)，但是未發(fā)生匝間短路時(shí)，感抗比的倒數(shù)穩(wěn)定之后一直是一個(gè)恒定的量，不會(huì)超過(guò)整定值8.72，保護(hù)裝置不動(dòng)作。

圖5 母線電壓波動(dòng)時(shí)未發(fā)生匝間短路的感抗比倒數(shù)值圖

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

3 結(jié)論

本文針對(duì)電抗器匝間短路時(shí)其感抗值的變化，在不增加一次設(shè)備的前提下，提出了基于感抗比的匝間短路保護(hù)的新原理，利用PSCAD 進(jìn)行了一系列的仿真，得出了在帶負(fù)載以及母線電壓波動(dòng)的情況下的一些結(jié)論，理論分析以及基于PSCAD 的仿真均說(shuō)明了該保護(hù)原理具有切實(shí)的可行性，且靈敏度較高。

[1] 楊昌興，華水榮.關(guān)于并聯(lián)電容器用串聯(lián)電抗器的保護(hù)問(wèn)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(lián)電容器及其成套裝置[M].北京：中國(guó)電力出版社，2008.

[4] 林國(guó)松，李夢(mèng)和.基于電壓比的并補(bǔ)裝置電抗器匝間短路保護(hù)[J].繼電器，2008，（11）：25-27.