CN105699840A - 一种判断电抗器匝间短路故障的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种判断电抗器匝间短路故障的方法，利用在线检测空心电抗器等效电阻变化判断电抗器匝间短路故障。本发明判断电抗器匝间短路故障的方法简单，灵敏度高，特别地，对现场已运行电抗器增设保护装置，操作简单可行，能实时监测电抗器内部运行状况。

Description

一种判断电抗器匝间短路故障的方法

技术领域

本发明涉及电力***微机保护领域，特别涉及一种判断电抗器匝间短路故障的方法。

背景技术

电抗器是电力***不可或缺的电力设备，广泛应用于无功补偿装置，限制冲击电流或故障电流，补偿线路容性电流。随着我国电网建设的迅速发展，高压空心电抗器的应用也越来越普遍。

电抗器从故障初期到烧毁，只需数秒到十几秒时间，如果不能及时在故障发展期将电抗器切除，会严重威胁电网的安全运行，亦容易导致重大安全事故。

空心电抗器发生匝间故障引起电感、电流、磁场等特征量的变化大小与安匝数及并联支路数密切相关，在故障发展初期，这些变化量很难被检测到。

从实际运行情况来看，国内已配置的匝间保护装置主要难题是对整定值的确定，常常出现误动、拒动，并没有达到实际效果。这是因为用于整定值的特征变量不易被检测出，难于做出迅速、准确的判断。

发明内容

本发明提出一种判断电抗器匝间短路故障的方法，利用在线检测空心电抗器等效电阻变化判断电抗器匝间短路故障。

本发明的技术方案是这样实现的：一种判断电抗器匝间短路故障的方法，利用在线检测空心电抗器等效电阻变化判断电抗器匝间短路故障。

进一步，通过建模计算出短路匝数与空心电抗器等效电阻变化量的关系，然后通过检测空心电抗器等效电阻变化判断电抗器匝间短路故障。

进一步，空心电抗器等效电阻变化通过监测电抗器有功损耗故障前与故障后增加量来检测。电抗器的有功损耗变化量可以通过低功率分析仪测的故障前后有功功率相减所得。等效电阻的剧变直接引起有功功率变化的剧增。

进一步，根据以下公式检测出空心电抗器等效电阻变化量：，其中，i为支路电流，保持不变，△R为等效电阻变化量，△P为有功损耗故障前与故障后增加量，等效电阻增大50%进行保护监测，增大100%并且持续增大则表明出现故障。

进一步，等效电阻随着电抗器的交流电压及电流相位角的增大而增大。

进一步，短路5匝以内，如果短路1匝，等效电阻增大设为K，则短路n匝的等效电阻增大近似为：。

进一步，所述空心电抗器为CKGKL-100/10-5，等效电阻变大31%，短路1匝。

进一步，所述空心电抗器为CKGKL-100/10-5，等效电阻变大137%，实测短路3匝。

进一步，所述空心电抗器为CKGKL-100/10-5，等效电阻变大265%，短路5匝。

当空心电抗器发生匝间故障时，故障短路环电流升高几十甚至上百倍，故障匝消耗大量的有功能量。

当其中某一匝间发生短路故障后，由于短路匝内通过了几十倍的故障前正常电流，因此，与故障电流平方成正比的损耗增加会使故障匝导体温度剧烈升高，致使相邻匝的绝缘在高温下被损坏而失效，接着两侧紧邻匝也发生匝间短路，如此反复，很快会形成区部几匝、十几匝到几十匝的大面积故障。

根据在不同类型的空心电抗器做的人工匝间短路实验录波数据分析，当匝间有3到5匝故障发生时，电抗器外部损耗剧烈增大，为正常时的2到3倍，同时伴随着电感值有轻微减小，实验数据统计为1%-6%。

实验结果及理论计算表明，当空心电抗器发生严重匝间故障后，从端口等值的角度看，电抗器的电感L与电阻R的比值关系会发生实质性的变化，从而导致电抗器的交流电压及电流相位角发生显著变化。

实验及理论计算表明，正常运行状态下电抗器的工频交流电压下，其端电压及通过电流的相位一般为88°左右，当发生3到5匝的匝间故障后，其相位会偏移3到7度左右，利用现代测量及微机计算技术可以准确快速的计算等效电阻的变化，通过比较变化量的大小以及匝间故障发展情况，从而快速的切断故障电抗器，避免着火燃烧的事故。

本发明的有益效果为：本发明判断电抗器匝间短路故障的方法简单，灵敏度高，特别地，对现场已运行电抗器增设保护装置，操作简单可行，能实时监测电抗器内部运行状况。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为单相匝间故障模型；

图2为单相匝间故障等效电路图；

图3为单相匝间故障二端口网络；

图4为等效电阻故障判定区间图；

图5为多支路模型；

图6为等效电阻录波曲线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在工程计算空心电抗器电感时常采用平均安匝法，图1是经过平均安匝法简化的带匝间故障的单相模型示意图。其中：L2为被金属短路的故障匝，L1为电抗器故障匝上端部分，L3为电抗器故障匝下端部分，U为电抗器的端电压。

图2是匝间故障等效电路图。空心电抗器的安匝数与电感、几何尺寸相关，有些只有数匝，有些高达上千匝。通过该匝间故障等效电路图计算统计表明，电抗器短路一匝的电感变化很小，一般小于5%。

如型号为CKGKL-100/10-5电抗器短路1匝电感变小0.72%、型号为BKGKL-4000/35电抗器短路1匝电感变小0.1%。实测数据与计算分析相吻合。

显然，如果需要在电抗器故障初期即短路1匝时将故障检测出，通过电感、磁场等物理量手段显得十分困难，其灵敏度很难实现。

空心电抗器的包封绝缘材料是环氧玻璃纤维，环氧玻璃纤维的导热系数远低于铝线。电抗器发生匝间故障导致烧毁的根本原因是瞬时大量的能量无法释放。正常运行时电抗器有功损耗主要有电阻损耗和附件损耗，频率一定情况下附加损耗一般认为为某一个固定值，设计时其数值一般不大于直阻损耗的0.2。现将电抗器两端看成一个二端口网络（图3），正常情况下其有功损耗为：

（公式1）

当电抗器发生内部故障初期时，电感变化很小，特别是并联电抗器，理论计算一般小于0.1%，因而|i|几乎没变化。

但是，电抗器故障短路环瞬时消耗了大量能量，从公式1可以看出，P急剧增大，其等效电阻R在急剧增大,因而通过绘制R变化情况来判定。

由于故障环电流增大到了K倍（约40-50倍），故而此1/n匝短路环内的损耗。

图4为等效电阻故障判定区间图，其中，t1为电抗器投切后达到温升平衡的时间点，一般不小于6H；故障区1为电抗器从投切到温度平稳阶段出现的故障区，由于电阻本身随着温度线性变化，在此阶段其有功损耗会随着温度上升而上升，其等效电阻R也会变大，变化平稳缓慢。一旦出现匝间故障时，等效电阻会瞬时上升，从故障初期到烧毁只需数秒到十几秒。

为准确计算等效电阻R故障前后变化量，需建模计算故障电流与支路电流的比值K=。

（1）若电抗器是单层线（小容量电抗器），其模型与图1一样。以安匝数70匝，电感3.21mH电抗器为例，通过计算，故障1匝后其匝等效电阻R变大倍。

（2）电抗器多支路并联时，其模型图5，设总支路为n+1，第n+1条支路出现匝间故障。

依据图5，由KCL定律得第m条支路的电压平衡关系式：

U=+++（公式2）

短路环电压平衡关系式：

0=++（公式3）

上述各支路自感及互感可根据平均安匝法计算出来，令，代入（公式2）及（公式3），分离根部及虚部，通过矩阵方程可求得各支路电流及短路环电流，则故障后：

=+=+（公式4）

前面分析到，空心电抗器，特别是并联电抗器，在故障初期支路总电流变化极小，可认为不变，此时

（公式5）

以CKGKL-100/10-5为例，短路1匝，电感变小0.72%；短路3匝，电感变小2.19%；

实测短路1匝，等效电阻变大31%，录波显示功率因数角从87.25°下降到86.4°。

实测短路3匝，等效电阻变大137%，录波显示功率因数角从87.1°下降到83.1°。

实测短路5匝，等效电阻变大265%，录波显示功率因数角从87.3°下降到80.1°。

事实上，短路3匝可看成是3个短路1匝的3个短路环金属连接，如果短路1匝，等效电阻增大设为K，则短路n匝的等效电阻增大近似为：（公式6）。

如实测短路1匝，等效电阻变大31%，则:

短路3匝的等效电阻变大约为：1.31^3=2.25，即变大125%。

短路5匝的等效电阻变大约为：1.31^5=3.86，即变大286%。

图6为人为制造5匝短路时故障录波数据-有功损耗，根据公式五，其等效电阻R的变化曲线与图6相同。图6中横坐标代表波形周期，表示第几个周波的意思，纵坐标代表当前周波下有功功率损耗值。

随着短路匝的扩大，电抗器发展到5匝以后，电感变化不可忽略，由公式6得到的推算值与实测值偏差越来越大。

因此，通过以上理论计算及实验数据表明通过等效电阻的变化来判定电抗器匝间故障可行，其特征量在故障3匝后十分明显。特别是现阶段对空心并联电抗器匝间保护束手无策的时候，此保护方法有重大意义。

此保护方法涉及的等效电阻与电抗器直流电阻完全不同，电抗器匝间故障时，其直流电阻变小，变化量也极小。而等效电阻是剧增，变化量大。

以上所述保护方法采用以下措施误动：

（1）结合过流保护区分外部故障，等效电阻采用反延时保护，增量变化越大，动作时间越短；

（2）通过功率因数角判断等效电阻是否由电网电压波动引起的电流变化引起的。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种判断电抗器匝间短路故障的方法，其特征在于：利用在线检测空心电抗器等效电阻变化判断电抗器匝间短路故障。

2.如权利要求1所述的判断电抗器匝间短路故障的方法，其特征在于：通过建模计算出短路匝数与空心电抗器等效电阻变化量的关系，然后通过检测空心电抗器等效电阻变化判断电抗器匝间短路故障。

3.如权利要求2所述的判断电抗器匝间短路故障的方法，其特征在于：空心电抗器等效电阻变化通过监测电抗器有功损耗故障前与故障后增加量来检测。

4.如权利要求2所述的判断电抗器匝间短路故障的方法，其特征在于，根据以下公式检测出空心电抗器等效电阻变化量：=，其中，i为支路电流，保持不变，△R为等效电阻变化量，为有功损耗故障前与故障后增加量，等效电阻增大50%进行保护监测，增大100%并且持续增大则表明出现故障。

5.如权利要求1所述的判断电抗器匝间短路故障的方法，其特征在于：等效电阻随着电抗器的交流电压及电流相位角的增大而增大。

6.如权利要求2所述的判断电抗器匝间短路故障的方法，其特征在于：短路5匝以内，如果短路1匝，等效电阻增大设为K，则短路n匝的等效电阻增大近似为：。

7.如权利要求2所述的判断电抗器匝间短路故障的方法，其特征在于：所述空心电抗器为CKGKL-100/10-5，等效电阻变大31%，短路1匝。

8.如权利要求2所述的判断电抗器匝间短路故障的方法，其特征在于：所述空心电抗器为CKGKL-100/10-5，等效电阻变大137%，实测短路3匝。

9.如权利要求2所述的判断电抗器匝间短路故障的方法，其特征在于：所述空心电抗器为CKGKL-100/10-5，等效电阻变大265%，短路5匝。