低頻分量導(dǎo)致并聯(lián)高抗匝間保護誤動機理分析

王超，陳禹志，徐攀峰，羅來龍，文方，覃文繼

（國網(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)和抑制工頻過電壓，改善沿線電壓分布和無功功率分布，限制潛供電流以提高單相重合閘成功率等[1-6]。目前我國高抗普遍采用通過隔離開關(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，短路的線圈匝將流過遠大于原高抗負載電流的感應(yīng)電流，且由于短路的線圈匝的實際繞向發(fā)生改變，該感應(yīng)電流與高抗負荷電流方向相反，因此匝間短路將造成高抗磁場畸變、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，嚴重情況下可能導(dǎo)致匝間短路范圍的快速擴大甚至燒毀高抗。

作為高抗主保護的縱聯(lián)比率差動保護能可靠識別單相接地故障，類似于大型變壓器的分側(cè)差動保護，靈敏度高；但匝間短路時故障電流為穿越性電流，無法被差動保護檢測，因此高壓并聯(lián)電抗器保護均配置了高靈敏度的快速匝間保護功能，作為電抗器的主保護。目前國內(nèi)外電抗器匝間保護主要判據(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)部故障時保護監(jiān)測零序電壓低的問題，零序阻抗元件采用了基于電抗器部分阻抗的補償算法[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誤動現(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)電抗器匝間保護誤動案例，全面剖析了匝間保護動作邏輯作用機理，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值的變化規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上提出高抗匝間保護優(yōu)化方案，以期對工程應(yīng)用及相關(guān)從業(yè)人員提供有益參考。

1 案例簡述

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)，中性點有小電抗，主接線見圖1。圖1 中500 kV 系統(tǒng)采用一個半斷路器接線方式，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 中簡化為兩側(cè)各一個斷路器，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，ENA、ENB、ENC分別為N 側(cè)系統(tǒng)電源三相電勢，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為電抗器中性點小電抗。線路L 的M 側(cè)共配置型號分別為PCS-931A（A套）和CSC-103（B 套）的兩套線路保護及型號分別為SGR-751（A 套）和WKB-801A-G（B 套）的兩套高抗保護；線路N 側(cè)共配置型號分別為PCS-931AG（B 套）和CSC-103（B 套）的兩套線路保護；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為WDLK-862A-G 的斷路器保護裝置。

圖1 系統(tǒng)簡化示意圖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)場檢查線路兩側(cè)保護動作行為按時序見表1。基于表1，可梳理故障過程如下：線路L 靠N 側(cè)發(fā)生A 相瞬時性接地故障，兩側(cè)4 套線路保護均正確動作出口跳開A 相斷路器；在線路A 相兩側(cè)斷路器跳開期間，M 側(cè)SGR-751 高抗匝間保護單套動作，跳開線路M 側(cè)三相斷路器，閉鎖M 側(cè)PCS-931A 線路保護重合閘，并發(fā)信聯(lián)跳N 側(cè)三相斷路器；N 側(cè)PCS-931A-G 線路保護收信后遠方跳閘啟動，但此時N 側(cè)A 相斷路器處于斷開狀態(tài)，三相沒有故障電氣特征，N 側(cè)PCS-931A-G 線路保護遠方跳閘因就地判據(jù)不滿足而未動作；M 側(cè)CSC-103 線路保護檢測到M 側(cè)三相斷路器跳開后，閉鎖重合閘；N 側(cè)斷路器保護重合閘經(jīng)整定延時后動作，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，N側(cè)斷路器閉合。

表1 線路L故障后兩側(cè)保護動作行為Table 1 Protection action of both sides of line L after fault

現(xiàn)場檢查高抗本身未發(fā)生故障，且SGR-751 高抗保護動作時線路兩側(cè)斷路器已斷開，可判定SGR-751 高抗匝間保護為誤動作。整個故障過程中，兩側(cè)線路保護、斷路器保護正確動作，M 側(cè)WKB-801A-G 高抗保護正確不動作；M 側(cè)SGR-751高抗匝間保護不正確動作，并導(dǎo)致500 kV 線路L在單相瞬時性故障下供電中斷。

2 保護原理分析

SGR-751 高抗匝間保護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，同時為了防止非全相運行時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即可動作出口。

2.1 零序阻抗判據(jù)

SGR-751 高抗匝間保護零序阻抗判據(jù)公式為

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

高抗保護范圍以首端TA 為分界點，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，各種故障時高抗保護所測零序阻抗Z0m為

工程實際中，高抗零序阻抗遠遠大于系統(tǒng)等效零序阻抗。式（2）表明，高抗保護在外部故障和內(nèi)部故障（包含匝間短路和接地）時測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 高抗匝間保護分相阻抗判據(jù)公式為

式中：Zph為高抗保護測得的各相阻抗值；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，高抗保護測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，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荷電流方向相反），故障相測得的阻抗小于高抗二次額定阻抗，測得的相電流增大，并有末端零序電流；內(nèi)部發(fā)生單相接地故障時，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)故障時高抗保護所測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 誤動機理分析

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 高抗保護裝置錄波，見圖2。該圖表明，高抗保護動作時，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，同時滿足A 相阻抗判據(jù)3 個條件，以致SGR-751 高抗保護動作。

進一步分析圖2 所示故障錄波，A 相接地故障持續(xù)約10 個周波后消失，A 相重新建壓，并產(chǎn)生包含較大低頻分量的相電流。此時，線路A 相兩側(cè)斷路器仍處于斷開狀態(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相通過相間電容提供，A 相產(chǎn)生感應(yīng)電壓后，分別通過對地電容、兩側(cè)電源接地點、兩健全相，以及通過高抗A 相繞組、中性點小電抗、兩側(cè)電源接地點、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、中性點小電抗、線路A 相對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，因此回路可簡化為LC 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為線路對地電容的容抗；XL為高抗A 相繞組和中性點小電抗的等效感抗。由于Xc小于XL，因此fz較小，一般為幾赫茲。圖2 中，T1點為低頻分量峰值，T2點為低頻分量過零點，二者時間差125 ms 剛好為1/4 個周波，因此低頻分量頻率約為2 Hz。

圖2 故障時SGR?751高抗匝間保護裝置錄波圖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，在繞組電流處于正半波時，繞組磁通正向積累；在繞組電流處于負半波時，繞組磁通反向減??；一個周波內(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)積累的磁通不會使繞組飽和，則高抗將一直運行磁滯特性的線性區(qū)。但在低頻分量作用下，繞組電流在較長時間（對應(yīng)圖2，約12 個周波）內(nèi)偏向于坐標(biāo)軸一側(cè)，致使繞組磁通一直朝一個方向積累，最終導(dǎo)致A 相繞組飽和，測量阻抗下降。實際上，從圖2 可知，故障消失后約一個半周波，高抗A 相繞組即發(fā)生飽和，表現(xiàn)為測量阻抗下降，但此時低頻分量幅值較低，電流未達到低抗判據(jù)動作值。故障進一步發(fā)展到當(dāng)?shù)皖l電流分量處于峰值附近時（即圖中T1時刻），首端相電流和末端零序電流判據(jù)均滿足，SGR-751 高抗匝間保護動作。因此，低頻振蕩是導(dǎo)致分相阻抗判據(jù)動作的主要原因。

4 匝間保護邏輯優(yōu)化

上文故障案例中，高抗A 相飽和時，飽和相測量阻抗下降，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，但實際上整個故障過程中匝間保護測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。進一步分析可知，上文案例中匝間保護動作時，系統(tǒng)中存在兩個零序電壓源，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，而高抗保護測得的零序阻抗是兩個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，高抗首端感受的零序功率方向是相反的，前者保護不動作，后者保護應(yīng)該動作。從保護實際測得的零序阻抗位于第1 象限可知，線路非全相產(chǎn)生的零序電壓對高抗匝間保護零序判據(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，因此高抗飽和時健全相電壓對高抗匝間保護起到了閉鎖作用，避免了零序阻抗判據(jù)誤動。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)。

實驗表明，當(dāng)高抗發(fā)生5%匝間短路故障時，分相阻抗即可降至高抗主電抗的65% 左右[16]。單獨發(fā)生匝間短路故障時，零序阻抗判據(jù)和分相阻抗判據(jù)均能可靠動作，并具有較高靈敏度，因此匝間保護應(yīng)著重考慮避免誤動。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判據(jù)。

圖4 新型匝間保護判據(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。輕微匝間短路對匝間保護動作速動性要求并不高，為避免匝間保護在故障初瞬磁場劇烈畸變時誤動，零序阻抗判據(jù)增加了100 ms 的延時；同時，為避免高抗飽和時誤動，增加二次諧波和直流分量閉鎖判據(jù)[16]。另外，當(dāng)發(fā)生嚴重匝間故障時，為提高電量判據(jù)的速動性，增加不帶延時的相過流判據(jù)。通過實驗分析，相過流判據(jù)可取2Ie。

5 仿真驗證

本文利用PSCAD 對圖1 所示系統(tǒng)進行仿真，其中高抗用空載自耦變模擬，原因是PSCAD 中沒有可模擬匝間短路的高抗模型。試驗過程分兩種情況，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 相繞組計算阻抗電感值，X0為高抗首端計算零序阻抗電感值。從圖5 與參考文獻[22]仿真結(jié)果的契合度來看，本文仿真結(jié)果具有較強的參考價值。

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，高抗對應(yīng)相產(chǎn)生了持續(xù)直流分量，導(dǎo)致分相阻抗測量值劇烈波動，故障消失后，潛供電流的影響更導(dǎo)致測量阻抗為負值，分相阻抗判據(jù)此時表現(xiàn)為可靠性極低[12]。但除故障初瞬零序阻抗測量值出現(xiàn)反向突變外，零序阻抗電抗值一直未正值，加上100 ms 延時躲過故障初瞬的波形畸變情況，零序阻抗可確保匝間保護不誤動。

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值，仿真結(jié)果與前文理論分析一致。此外，匝間短路時，故障相電流顯著增加，相電流判據(jù)具有可靠開放條件。

6 結(jié)語

匝間保護是保護高抗本體的一種重要保護功能。工程經(jīng)驗和理論分析表明，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，威脅高抗匝間保護的正確動作。本文深入分析了低頻分量導(dǎo)致高抗飽和的機制機理，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，及其對匝間保護零序阻抗判據(jù)的影響。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合文獻及本文仿真結(jié)果，對高抗匝間保護邏輯進行了優(yōu)化。所提優(yōu)化方案兼顧了可靠性和速動性要求，希望能對相關(guān)從業(yè)人員提供有益參考。