电抗器的匝间保护

电抗器的匝间保护
【南自：WDK-600微机电抗器保护装置】 匝间短路保护
大型电抗器多采用分相式结构，其主要故障为电抗器单相接地和匝间短路，因此匝间短路保护也是电抗器的主保护。

匝间保护采用了新原理，它由电抗器高压零序电流、零序电压组成的零序阻抗继电器。

它弥补了以前阻抗补偿原理存在过补偿和欠补偿，补偿度难整定的不足。

新原理不仅定性地分析了故障类型，而且从定量地角度分析故障特征
图中：K1－匝间短路故障；K2－电抗器内部接地故障；K3－区外接地故障
（1） 匝间短路K1
当电抗器匝间短路时，零序源在电抗器内部，即由电抗器向系统送出零序功率。

如下图所示，此时零序电压与零序电流的关系0
00s jX I U -=，端口测量到的是系统的零序阻抗
（2） 内部单相接地故障K2
电抗器内部接地故障时，零序源在电抗器内部，零序电压及零序电流关系如下图所示。

此时零序电压与零序电流的关系0
00s jX I U -=，零序电流超前零序电压。

端口测量到的是
系统的零序阻抗
（3） 外部单相接地故障K3
电抗器外部接地故障时，零序源在电抗器外部，零序电压及零序电流关系如下图所示。

此时零序电压与零序电流的关系0
00s jX I U ，零序电流滞后零序电压。

端口测量到的是电
抗器的零序阻抗
由以上分析知：故障时，可以由系统零序回路零序源的所在位置来决定故障所在（在电
抗器内部还是在系统中）。

从而可达到提高匝间保护动作灵敏度，同时克服了传统保护在系统无穷大时电抗器内部故障的死区问题，而在外部任何非正常运行工况下不会误动
匝间保护的整定，要躲过正常工况下由于三相电压不平衡引起的零序电压及三相TA 不一致引起的零序电流。

为确保匝间保护的灵敏度，零序监控电流整定值应较小。

另外，在电抗器空投时，为防止励磁涌流使匝间保护误动，在电抗器空投时匝间保护零序监控电流采用反时限特性的定值
当电抗器发生TA 断线及TV 断线时，都闭锁匝间保护
电抗器匝间保护动作后，瞬时跳开断路器，并通过远方跳闸将线路对侧断路器跳开 【南自：WDK-600微机电抗器保护装置】
【王维俭编著，电气主设备保护的原理与应用，1996】 并联电抗器的匝间短路保护
电抗器的的匝间短路是比较多见的一种内部故障形式，但是当短路匝数很少时，一相匝数短路引起的三相电流不平衡有可能很小，很难被继电保护装置检出；而且不管短路匝数多大，纵差保护总不反应匝间短路故障。

为此必须考虑其它高灵敏的电抗器匝间短路保护
虽然油浸式电抗器一定装设轻、重瓦斯保护，它对匝间短路有保护作用，但500KV 主设备应有双重主保护，因此还应有另一套匝间短路保护
如果电抗器每相有两个并联分支，即双星型接线方式，这时和双星型接线方式的发电机一样，首先应该装设高灵敏度的单元件横差保护，该保护不但是匝间保护的灵敏保护，而且还能有效地保护绕组内部的接地短路，但对引出端的相间短路和接地短路无效，因为引出端
的各种短路故障，两组星型绕组完全一样，因此在两个中性点的连线上就没有电流
任何利用零序或负序电流（电压）的保护方案，均不可能取得匝间短路的足够灵敏度，因为假设匝间短路使一相阻抗改变3％时，估算零序或负序电流均小于1％，如此小的故障电流很难构成性能良好的匝间短路保护
没有补偿作用的零序功率方向保护
d x I U *00=
匝间短路时，电压0U 领先电流0I ；内部单相接地时，电压0U 落后电流0I ；外部单相接地，电压0U 落后电流0I 。

存在两个问题：（1）匝间短路时，若短路匝数很少，则0U 和0I 均很小，零序功率方向保护可能拒动（死区）；（2）单相接地（电抗器主要故障类型之一）不能和匝间短路共用一个零序功率方向保护
具有补偿作用的零序功率方向
具有补偿作用的零序功率方向原理的电抗器匝间短路保护，不仅可以提高零序功率方向匝间短路的灵敏度，同时也使该保护对内部单相接地有一定的保护功能。

在0U 中增设补偿电压0c U ，令
000*c c x I U =
式中0c x －补偿电抗，一般取（0.6～0.8）R x ，R x 为电抗器零序电压（即正序电抗） 故障情况下
)(*0000'
0c d c x x I U U U +=+=
适当选择的0c x ，在匝间短路和部分绕组单相接地时，电压'
0U 领先0I ，起到保护作用；外部单相接地，电压'
0U 落后电流0I ，保护不误动。

这个保护本质上是一个零序方向继电器，计及系统实际存在的电阻，最大灵敏度不是
90，而是00
585
±，动作区为0
5170
±
方向继电器引入补偿电压0c U ，在电抗器正常运行时可能出现最大不平衡零序电流
unb I .0，同时产生一个补偿电压unb c U .0，在这个不平衡电流和补偿电压下，保护不应误动，
所以保护还有一个最小动作电流m in ..0op I ，其值应为unb op I I .0m in ..0>
300～500KV 并联电抗器的零序功率方向原理的匝间短路保护，基于以下原因保护应带
延时动作于跳闸
（1） 外部故障暂态过程中零序不平衡电气量的作用
（2） 邻近大容量变压器合闸等系统操作引起的低频或高频电气量扰动；线路分布电
容与电抗器也可能产生某种频率的谐振
（3） 输电线路三相切、合不同步，短时产生零序电流和电压
匝间短路保护动作后，经延时跳专用断路器；若无专用断路器，则跳线路本侧断路器，并通过远方跳闸使对侧线路断路器断开
并联电抗器内部故障地微机保护
并联电抗器的内部故障，这里指匝间短路和单相接地短路 并联电抗器的电阻R 很小，略去不计，其数学模型：
dt Nd u /φ=
式中，u －并联电抗器断电压瞬时值；φ－并联电抗器磁通；N －并联电抗器绕组匝数
在T 时间内对上式积分，得
⎰⎰
---=t
T
t t T
t udt d N t φξ)(
当电抗器内部无故障时，在忽略R 得条件下，恒有
0)(=t ξ （电抗器严重饱和产生励磁涌流亦然）
当电抗器内部发生匝间或单相接地短路，必有
0)(≠t ξ
设采样间隔为△t （s ），则可得到 2
/]}[])1([{)]}()([{)}()({)(1
t k t u t k t u T t i t i g N udt T t t N t n
k t
T
t ∆-+∆---
--=-
--=∑⎰
=-φφξ式中，)(i g －电抗器铁芯的i -φ非线性函数，t T n ∆=/，积分区间T 内的采样数
设定保护动作阀值0ξ，则
0)(ξξ<t （并联电抗器无故障） 0)(ξξ>t （并联电抗器有故障）
问题在于时如何取得并联电抗器的)(i g 非线性特性，一种方法是先试验测定并联电抗器rms rms I U -（rms 为有效值符号），理由已有的转换程序，获得相应的i -φ（瞬时值）关系。

另一种方法是首先了解电抗器的铁芯等效截面和空气等效截面、铁芯等效长度和空气等效长度，还应知道铁芯材料的)(fe fe
B f H
=特性和空气的导磁系数，则在给定的磁通Φ必
有相应的I ，此即i -φ特性。

将特性数组存储在ROM 中查用
【王维俭编著，电气主设备保护的原理与应用，1996】
附录
【王维俭编著，电气主设备保护的原理与应用，1996】
远距离超高压输电线的对地电容电流很大，为吸收这种容性无功功率、限制系统的操作过电压，对于使用单相重合闸的线路，为限制潜供电容电容、提高重合闸的成功率，都应在输电线两端或一端变电所内装设三相对地的并联电抗器
我国500KV线路的并联电抗器均为单相油浸式，铁芯带间隙，单台容量为40～60MVA。

用在500KV变压器低压侧、可投切的并联电抗器，则为铁芯带间隙的三相油浸式，单台容量为30～60MV A
接在变压器低压侧的并联电抗器，经专用断路器与低压侧母线相连
500KV并联电抗器与输电线路相连的方式有三种：
（1）通过隔离开关或直接与线路相连，节省设备，减少投资，美、加等国采用此方式。

这种方式的电抗器和输电线可视为一体，运行欠灵活（2）采用专用断路器，运行灵活，但投资大，目前我国采用这种连接方式
（3）通过放电间隙与线路相连，当电压较高时使放电间隙击穿，自动投入电抗器；
电压较低时时又自动退出，不仅投资省，还能减少正常运行时的有功功率和
无功功率损失，但是这种连接方式技术要求高、可靠性低，目前被俄国采用并联电抗器的故障断开，有可能造成线路或变压器过电压，在设计工作中应予校核
并联电抗器可能发生以下故障：
（1）线圈的单相接地和匝间短路；
（2）引线的相间短路和单相接地短路
（3）由过电压引起的过负荷
（4）油面减低，温度升高和冷却系统故障
【王维俭编著，电气主设备保护的原理与应用，1996】。