CN110967654A - 一种干式空心串联电抗器匝间故障监测及保护识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于并联电容器组的干式空心串联电抗器匝间故障监测及保护识别方法，涉及电力系统电气设备故障保护领域。目前，缺乏对电容器组并联串联电抗器匝间短路故障发展过程中引发、激发复杂电磁场能量转化的认识，没有关注到匝间短路故障会伴随次生接地故障发生。本方法通过采集母线PT电压，采集角形接线变压器角内套管CT三相电流(I_a、I_b、I_c)或电容器支路CT电流I′_a、I′_b、I′_c，实时计算HR(I_ab)、HR(I_bc)、HR(I_ca)值或HR(I′_a)、HR(I′_b)、HR(I′_c)值及相互关系识别；在谐波电流的主导频次与电抗率的一致性识别和母线接地辅助信号识别后实现故障识别和保护，该方法能在设备发生匝间故障初期进行准确识别与故障相位确定，及时进行告警及切断电源。

Description

一种干式空心串联电抗器匝间故障监测及保护识别方法

技术领域

本发明涉及电力系统电气设备故障保护领域，尤其涉及一种干式 空心串联电抗器匝间故障监测及保护识别方法。

背景技术

在并联补偿电容器组(以下简称并容)中，为了限制涌流及防止 谐波放大或谐振，通常串联限流电抗器(以下简称串抗)。大容量户 外布置的并容多采用干式空心串联电抗器(以下简称空心串抗)进行 限流，其典型故障主要有：股间短路、匝间短路、包封表面闪络放电。

行业统计数据显示，匝间短路是主要的故障类型。这种故障电流 为线圈绕线匝间内部短路环流，即便匝间短路故障发展扩大，并最终 导致空心串抗电感完全消失(短路匝环流具有去磁效应，能部分或全 部抵消正常匝产生的磁通)，整个并联电容器组的支路电流由于等值 容抗变大，回路电流不增反而会减小，同时用于检测及保护电容器故 障的双星或H桥接线的电容器组差动保护，从技术原理看，根本无法 检测到串抗匝间故障的存在。

目前，行业研究研发出了适合干式空心并联电抗器(以下简称并 抗)匝间短路故障的保护方法主要有：相电压电流相位角偏移变化； 有功功率或等值电阻变化；阻抗变化；有功功率与无功功率比值变化； 三相组负序电流变化；外部测温或热成像监测技术；外部测量电抗器 漏磁通变化。

上述针对并抗匝间短路的检测及保护方法实际并不适用于空心 串抗与电容器组串联后的LC电路特点及特性。虽然，匝间故障发展 过程中短路匝发展扩大速度以及故障暂态变化特性，无论空心并抗还 是串抗都具有相似性。

但对于空心串抗发生了匝间短路故障后，会出现等值电感、电阻 变化，进而会引发、激发了串抗电感与串联电容器LC回路产生了复 杂的电磁场能量转化关系，这种电磁场能量转化有其独特电路机理， 会产生独特的电气特性，特征，尤其是在长达几十秒时间内的暂态和 稳态交替匝间短路状态与电力系统产生了诸如谐波振荡、谐波谐振现 象，同时跟并抗一样，匝间短路故障过程中会伴随次生接地故障的发 生。

这种LC回路独特的电磁场能量转化机理，以及以谐波谐振的表 现形式呈现出的电气量变化特性，为LC回路中串抗发生匝间短路的 检测及故障保护提供了一种特别并且可靠的检测和保护方法。

例如发明专利《串联电抗器保护方法》(专利号2013105018933) 提出通过监测电抗器容量与电容器容量的比值关系(即电抗值的变化) 来判定电抗器是否发生故障；例如发明专利《500kV变电站35kV所 用变压器串联电抗器保护装置及保护方法》(专利号2016106055990) 提出通过等值阻抗来判定电抗器是否发生相间故障。电抗器发生匝间 故障初期，其阻抗变化并不明显，尤其是串联电抗器，常用的12％及 5-6％的串抗匝间故障后的出现百分之几到十几的电感参数变化会被 很大的电容容抗淹没或稀释掉，即从外部电路反映出的电感量特性变 化量会显著变小，从而使得从LC电路特性的外部等值参数变化进行 监测发现其故障要困难得多。

根据近年来收集到的多起500kV站35kV并联电容器组12％空心 串抗的故障案例录波数据分析的基础上，进行了故障案例的等值系统 仿真计算及研究，提出了空心串抗匝间故障后持续不断的匝间短路发 展及匝规模扩大造成的电感突变，以及通过匝间绝缘聚酯薄膜短路时 具有正负半波不对称性，因此在LC回路必然会引发一个或两个低次 谐波的振荡及持续谐振，并且这种相对稳定的谐振会在特定两相(变 压器角形接线角内)或三相(变压器角形接线角外电流或母线支路电 流)出现，从角内三相电流的序分量性质观察为负序谐波电流(故障 相谐振谐波电流与特定相别非故障相谐波电流大小相等方向相反)，从角外或母线支路相电流角度观察为约两倍比例谐波关系(故障相激 发产生的谐振谐波基本均匀分配到其它两非故障相)。同时，由于空 心串抗总匝数远小于空心并抗，其匝内短路环流也远小于并抗短路环 流，这决定了空心串抗匝间短路的发展及扩大速度相对是比较缓慢的。 这种发展特性以及与电容器串联后在电磁场及电路原理方面产生了 一种独特并显著的特性及特征，为有效对匝间短路故障的准确、快速 监测和保护的识别，以及判别提供了一种可行、可靠的方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题和提出的技术任务是对现有技术方案 进行完善与改进，提供一种适用于并联电容器组的干式空心串联电抗 器匝间故障监测及保护识别方法，并以在设备发生匝间故障初期进行 准确识别与故障相位确定，能够及时进行告警及切断电源为目的。为 此，本发明采取以下技术方案。

一种用于并联电容器组的干式空心串联电抗器匝间故障监测及 保护识别方法，包括以下步骤：

1)输入基本数据，包括电抗率、电抗和容抗等，然后执行步骤2)、 3)、4)。其中，步骤2)和步骤4)为根据实际工程项目的接线要求， 可择其一，也可全部执行；

2)对于采集角形接线变压器角内套管CT三相总电流I_a、I_b、I_c， 然后执行步骤5)；

3)采集母线PT电压，然后执行步骤11)；

4)对于采集电容器支路CT三相电流I′_a、I′_b、I′_c，然后执行步骤 8)；

5)按照公式计算谐波含有率：

和

实时计 算HR(I_ab)、HR(I_bc)、HR(I_ca)值，其中，I_ab、I_bc、I_ca为变压器角 形接线角外电流，HR(I_ab)、HR(I_bc)、HR(I_ca)为角外电流I_ab、I_bc、 I_ca电流中的2～6次谐波含有率之和，用于判断变压器总回路角外相 电流中的故障相与非故障的两倍谐波含有率比例关系是否满足定值 要求，若是，执行下一步，若否，则返回步骤2)；

6)判断角外电流谐波含有率是否超过低值保护阈值，若是，则 执行下一步。若否，则返回步骤2)；

7)判断角外电流谐波含有率是否超过高值保护阈值，若是，则 执行步骤12)；若否，则执行步骤11)；

8)实时计算HR(I′_a)、HR(I′_b)、HR(I′_c)值，其中HR(I′_a)、 HR(I′_b)、HR(I′_c)为电容器支路相电流I′_a、I′_b、I′_c中的2～6次谐波 含有率之和，然后根据并联电容器组支路电流中的故障相与非故障的 两倍谐波含有率比例关系是否满足定值要求，若是，步骤9)，若否，则返回步骤4)；

9)判断支路电流谐波含有率是否超过低值保护阈值，若是，则 执行步骤10)。若否，则返回步骤4)；

10)判断支路电流谐波含有率是否超过高值保护阈值，若是，则 执行步骤12)；若否，则执行步骤11)；

11)判断是否发生接地故障且残压中的特征谐波的谐波频次与相 电流中的谐波频次是否一致，若是，执行下一步，若否，则返回步骤 3)；

12)启动告警及保护动作。

本方法灵敏、快速、可靠，在空心串抗发生第一匝匝间短路后， 就可以利用匝间短路的突变电感产生的暂态扰动量所激发的谐波谐 振信号进行明确而灵敏的检测，之后的持续出现的第二匝，第三匝等 不断扩大发展的匝间短路，就会源源不断地提供离散并持续的突变电 感暂态扰动能量；同时，研究发现，由于通过聚酯膜发生短路的匝间 短路具有一定的正负半波不对称，这也是另外一种激发并维持谐波谐 振的持续扰动源；因此，利用匝间短路激发的谐波谐振信号进行有效 检测匝间短路故障，并可以持续跟踪匝间短路的发展、扩大及其发展 猛烈程度，因此，具有非常灵敏发现匝间短路故障的能力，可以在第 一匝故障出现后发展到第二次匝间短路规模扩大时就可以检测并发 现，克服了采用阻抗检测法需要等到匝间短路持续发展到电抗损失很 大，同时初始短路的数匝已经引发了局部剧烈燃烧起火燃烧并达到环 氧树脂、玻璃纤维带，以及铝线自燃的弊端；

本方法可以在匝间短路发展到第二次或第三次匝规模扩大之前 就可以进行确定检测识别并进行告警和保护，及时快速发现故障切除 电源，终止故障发展，防止出现起火燃烧事故，并保存发生了匝间故 障的干式空心串抗的完整性，有利于之后的故障部位定位及原因分析。 本发明可以彻底解决目前串抗发生匝间短路后只能由人工发现并灭 火，并导致电气设备完全烧坏而无法进行故障部位及原因分析的局面；

该方法能在设备发生匝间故障初期，未发生自燃阶段进行准确识 别与故障相位确定，具有识别清晰，判别准确、快速的特点，能够及 时进行告警及切断电源，阻止匝间故障持续发展，以及铝线熔化后电 弧燃烧并导致环氧树脂等绝缘材料起火燃烧。

作为优选技术手段：步骤5)与步骤8和11)中，计算的谐波电 流中的主导频次与电抗率的一致性识别的判断依据为：对于电抗率 12％串抗，产生3次、5次谐波为主且幅度显著的谐波谐振；对于电 抗率5-6％串抗,产生5次、6次谐波为主且幅度显著的谐波谐振。

作为优选技术手段：电容器组串联电抗器发生匝间短路过程中， 由于匝间故障短路放电有显著正负半波不对称性，导致在相电流回路 中出现了幅度显著的直流电流分量，以此作为匝间短路故障辅助识别 信号。

作为优选技术手段：当干式空心串联电抗器短路匝铝线熔融后， 电弧高温燃烧喷射或溅落的铝离子会导致空心串抗下部的支持绝缘 子会紧接着发生闪络放电接地，故障相母线会有一定的残压，并且残 压及健全相中含有不稳定闪络燃弧时的2到10次奇数及偶数次谐波， 以及绝缘子稳定闪络放电时的与电流中的谐波频率，以及与串抗率对 应的主导频率、频次有关的谐波电压，以此作为故障相识别及匝间短 路故障的辅助识别及最终判别的信号。极大地提高了判别的可靠性。

作为优选技术手段：步骤5)、8)中，根据计算变压器总回路角 形接线角内，角外或并联电容器组支路回路相电流中谐波的比例关系 不同，可对故障相进行明确识别。

作为优选技术手段：对于变压器总回路角内负序比例谐波电流关 系，故障相别识别方法为：

若HR(I_a)≈HR(I_b)，HR(I_c)≈0，则A相故障；

若HR(I_b)≈HR(I_c)，HR(I_a)≈0，则B相故障；

若HR(I_c)≈HR(I_a)，HR(I_b)≈0，则C相故障。

作为优选技术手段：对于并联电容器组支路回路相电流中谐波关 系(同样适用于变压器总回路角外电流谐波关系)，故障相别识别方 法为：

若HR(I_ab或I′_a)≈2HR(I_bc或I′_b)≈2HR(I_ca或I′_c)，则A相故 障；

若HR(I_bc或I′_b)≈2HR(I_ab或I′_a)≈2HR(I_ca或I′_c),则B相故 障；

若HR(I_ca或I′_c)≈2HR(I_ab或I′_a)≈2HR(I_bc或I′_b),则C相故 障。

作为优选技术手段：对于母线接地故障后辅助识别故障相方法为： 母线电压降低相为故障相，母线电压升高相为非故障相。

作为优选技术手段：步骤11)中，满足谐波比例约两倍比例关 系特性要求，并且谐波含量百分比HR(I_ab或I′_a)或者HR(I_bc或I′_b)或 者HR(I_ca或I′_c)≥5时，同时，故障相母线发生接地故障，故障相残 压及健全相电压中还有特征谐振谐波分量时，启动告警及切断电源命 令。

作为优选技术手段：步骤13)中，满足谐波比例约两倍比例关 系特性要求，并且HR(I_ab或I′_a)或者HR(I_bc或I′_b)或者HR(I_ca或I′_c) ≥10时，启动告警及切断电源命令。

有益效果：该方法能在设备发生匝间故障初期，未发生自燃条件 下进行准确识别与故障相位确定，具有识别清晰，判别准确、快速的 特点，能够及时进行告警及切断电源，阻止匝间故障持续发展及着火 燃烧。

附图说明

图1干式空心电抗器匝间短路发展匝规模及发展时序过程示意图。

图2本方法流程示意图。

图3电流采集示意图。

图4故障相与其它两非故障相谐振回路示意图。

图5录波启动约0.05S匝间故障典型录播图。

图6录波启动约53.14S匝间故障典型录播图。

图7母线接地故障典型录波图。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。

如图1-3所示，一种用于并联电容器组的干式空心串联电抗器匝 间故障监测及保护识别方法，包括以下步骤：

1)输入基本数据，包括电抗率、电抗和容抗等，然后执行步骤2)、 3)、4)。其中，步骤2)和步骤4)为根据实际工程项目的接线要求， 可择其一也可全部执行；

2)对于采集角形接线变压器角内套管CT三相总电流I_a、I_b、I_c， 然后执行步骤5)；

3)采集母线PT电压，然后执行步骤11)；

4)对于采集电容器支路CT三相电流I′_a、I′_b、I′_c，然后执行步骤 8)；

5)按照公式计算谐波含有率：

和

实时计 算HR(I_ab)、HR(I_bc)、HR(I_ca)值，其中，I_ab、I_bc、I_ca为变压器角 形接线角外电流，HR(I_ab)、HR(I_bc)、HR(I_ca)为角外电流I_ab、I_bc、 I_ca电流中的2～6次谐波含有率之和，用于判断变压器总回路角外相 电流中的故障相与非故障的两倍谐波含有率比例关系是否满足定值 要求，若是，执行下一步，若否，则返回步骤2)；

6)判断角外电流谐波含有率是否超过低值保护阈值，若是，则 执行下一步。若否，则返回步骤2)；

7)判断角外电流谐波含有率是否超过高值保护阈值，若是，则 执行步骤12)；若否，则执行步骤11)；

8)实时计算HR(I′_a)、HR(I′_b)、HR(I′_c)值，其中HR(I′_a)、 HR(I′_b)、HR(I′_c)为电容器支路相电流I′_a、I′_b、I′_c中的2～6次谐波 含有率之和，然后根据并联电容器组支路电流中的故障相与非故障的 两倍谐波含有率比例关系是否满足定值要求，若是，步骤9)，若否，则返回步骤4)；

9)判断支路电流谐波含有率是否超过低值保护阈值，若是，则 执行步骤10)。若否，则返回步骤4)；

10)判断支路电流谐波含有率是否超过高值保护阈值，若是，则 执行步骤12)；若否，则执行步骤11)；

11)判断是否发生接地故障且残压中的特征谐波的谐波频次与相 电流中的谐波频次是否一致，若是，执行下一步，若否，则返回步骤 3)；

12)启动告警及保护动作。

步骤8)和11)中，谐波电流的主导频次与电抗率的一致性识别 的判断依据为：对于通常采用的电抗率为12％串抗，产生3次、5次 谐波为主且幅度显著的谐波谐振；对通常采用的电抗率为5-6％串抗, 产生5次、6次谐波为主且幅度显著的谐波谐振。

电容器组串联电抗器发生匝间短路过程中，由于匝间故障短路放 电有显著正负半波不对称性，导致在相电流回路中出现了幅度显著的 直流电流分量，以此作为相电流直流分量辅助识别信号。

当干式空心串联电抗器短路匝铝线熔融后，电弧高温燃烧喷射或 溅落的铝离子会导致空心串抗下部的支持绝缘子会紧接着发生闪络 放电接地，经过串抗发生接地的故障相母线会有一定的残压，并且残 压及健全相中含有不稳定闪络燃弧时的2到10次奇数及偶数次谐波， 以及绝缘子稳定闪络放电时的与谐振谐波频率有关的谐波电压，以此 作为故障相识别及匝间短路故障的辅助识别及最终判别的信号。

步骤5)和8)中，根据计算变压器总回路角形接线角内、角外 或并联电容器组支路回路相电流中谐波的比例关系或相序不同，可对 故障相进行明确识别。

对于直接采用变压器总回路角内CT计算负序比例谐波电流关系， 故障相别识别方法为：

若HR(I_a)≈HR(I_b)，HR(I_c)≈0，则A相故障；

若HR(I_b)≈HR(I_c)，HR(I_a)≈0，则B相故障；

若HR(I_c)≈HR(I_a)，HR(I_b)≈0，则C相故障。

对于并联电容器组支路回路相电流中谐波关系(也适用于采用变 压器总回路角外计算电流)，故障相别识别方法为：

若HR(I_ab或I′_a)≈2HR(I_bc或I′_b)≈2HR(I_ca或I′_c)，则A相故 障；

若HR(I_bc或I′_b)≈2HR(I_ab或I′_a)≈2HR(I_ca或I′_c),则B相故 障；

若HR(I_ca或I′_c)≈2HR(I_ab或I′_a)≈2HR(I_bc或I′_b),则C相故 障。

对于母线接地故障后辅助识别故障相方法为：母线电压降低相为 故障相，母线电压升高相为非故障相。

步骤11)中，计算HR(I_ab或I′_a)或者HR(I_bc或I′_b)或者HR(I_ca或 I′_c)电流中的谐波电流满足约两倍比例关系特性要求，并且谐波含量 百分比HR(I_ab或I′_a)或者HR(I_bc或I′_b)或者HR(I_ca或I′_c)≥5时，同时， 故障相母线发生接地故障，故障相残压及健全相电压中还有特征谐振 谐波分量时，启动告警及切断电源命令。

步骤7)或步骤10)中，计算HR(I_ab或I′_a)或者HR(I_bc或I′_b)或 者HR(I_ca或I′_c)电流中的谐波电流满足两倍比例关系特性要求，并且 谐波含量百分比HR(I_ab或I′_a)或者HR(I_bc或I′_b)或者HR(I_ca或I′_c)≥ 10时，启动告警及切断电源命令。

发生空心串抗匝间故障的电容器组电流中的谐波电流，是由于空 心串抗在匝间短路过程中持续变化以及间歇性不断突变的时变电感 ΔL_t产生持续了扰动，由此激发并产生了持续的谐波谐振。谐波谐振 在电路上主要通过故障相与另外两个非故障相，以及与变压器及系统 阻抗组成了谐波振荡激发及持续谐振的电路回路。

如图1所示为，某包封处线匝1由于偶然的原因发生了与相邻匝 的匝间短路故障，之后短路环流造成了短路匝的铝导体升温，当温度 达到破坏周边线匝聚酯膜绝缘性能的温度后，引发并扩大了周围的第 2、3、4、5匝发生了匝间短路，之后，又引发了第6-12匝的匝间短 路，在Δt₁+Δt₂+Δt₃时间后，匝1的铝金属导体温度会升高并到熔 化温度，高温金属溶液伴随着电弧燃烧会喷射出去，一是会造成更大 规模的匝故障，二是造成局部剧烈燃弧并导致金属离子飞溅，污染下 部支持绝缘子，使其发生表面闪络故障，发生母线接地此生故障。

以下以A相发生匝间短路故障为例，进行理论推导及说明有关机 理及原理:

忽略电阻，其谐波谐振等值回路如图4所示，串抗为随时间可变 电感串抗L(t)的故障相与串抗为固定L值的其它两非故障相形成谐振 回路,其中，X_s为系统等值电抗，X_T为变压器等值电抗，X_C为ABC相 电容器的各相容抗，L为正常相串抗电感，L(t)为故障相的时序电感， 随着故障发展规模扩大而变化，L(t)＝L-ΔL_t，其中ΔL_t为阶梯式出 现的突变电感，是谐波谐振的扰动源，E为系统电源ABC相工频电源。 当A相串抗由于匝间短路发生间隔性及间歇性扩大形成了最新的电 感突变量ΔL_tnew后，就会产生磁场能量的突变，以及由此突变的磁场 能量引发的LC回路谐波振荡。假设此振荡可能产生n个谐波频率的 谐振，则可用下式表示工频电流下的磁场能量突变与可能的谐波电流 下的磁场能量转换关系：

其中ΔW为磁场能量突变量，i₁为基波电流，i_n为激发的n次谐波 电流，ΔL_tnew为新出现的短路匝造成的电感突变量，此为激发谐振的 能量源。ΔL_t为持续的匝间短路累积的电感损失量，(1.5L-ΔL_t) 的大小决定了可能的谐振谐波频谱及含量大小。

故障初期匝间短路的发展为间隔性扩展及间隔性突变，故障匝环 流产生的导线高温热绝缘损坏又导致的新的相邻两匝突然短路造成 了间隔式电感的突变，其ΔL_tnew一般较小，约为1～3％，而长时间的 匝间短路电流导致的铝线熔融,温度极高造成了新的相邻多匝突然短 路带来了间歇性电感的大突变，其ΔL_tnew一般较大，约为3～5％。对 公式(1)进一步简化可得到激发谐波谐振后，电流总谐波畸变率THD_i的估算式：

特别地，当发展初期第一匝出现匝间短路时，ΔL_new＝ΔL_Lost，此 时有：

即可通过在线或离线(如通过录波纪录)测量实时电流中的总谐 波畸变率，以此计算匝间短路突变匝数规模大小，以及持续的匝间短 路造成的电感损失积累程度，亦可根据电流总谐波率跟踪电感变化， 结合谐波电流的独特特性，作出快速、准确的有效识别与判别。

此谐波电流的独特性在于：

(1)谐波谐振频率与电抗率密切相关

针对与故障电容器组紧密联结的电力系统谐波频率响应特性的 不同，受此匝间短路激发的谐波振荡频率会在3次到6次之间出现。 对于电抗率12％串抗，会产生3次及5次谐波为主且幅度显著的谐波 谐振；对于电抗率5-6％串抗,会产生5次及6次谐波为主且幅度显 著的谐波谐振。下表1为12％串抗匝间故障时两相串联LC电路可能 出现的谐波谐振频率计算表。从计算结果可以看出，对于12％串抗率 的串抗而言，故障初期匝间短路造成％5～25％的电抗损失时，很容易激 发起3次谐波频率下的谐振。

表1：典型串抗匝间故障时，故障相与其它两相非故障相形成串 联LC电路可能出现的谐波谐振

注：以上为按照系统等值无穷大进行计算。

(2)谐波电流具有显著的负序特征(角接变压器角内电流谐波 相序关系分析)，和大约两倍数特征关系(角外或电容器支路相电流 视角)，主导频率频次随损失电感增大而变大

匝间故障导致的电感突变而激发的谐波谐振会在故障相与其它 两非故障相为主要回路进行流通，即谐波电流在三相电路中呈现在变 压器总回路角内为负序特征，在角外或并联电容器组支路中为约两倍 数关系。随着故障的发展扩大，谐波主导的频率频次会发生改变呈增 大趋势。

据此，可以实时利用采用角内CT相电流计算出角外两相电流I_ab, I_bc,I_ca及电流中的2～6次谐波含有率之和HR(I_ab)、HR(I_bc)、HR (I_ca),或者直接采用支路CT采集到的相电流，计算出支路三相电流I′_a, I′_b,I′_c电流中的2～6次谐波含有率之和HR(I′_a)或、HR(I′_b)、HR (I′_c),以及它们之间的相互比值关系，然后作为多元识别的有效条件 之一：

采用变压器总回路角内CT电流时：

具体判据有两种情况为：

判据1：

HR(I_ab)or HR(I_bc)or HR(I_ca)≥5(有其中一个角外相电流中的 谐波含有率大于5％)，同时，故障相母线发生接地故障，故障相残压 及健全相电压中还有特征谐振谐波分量。

判据2：

HR(I_ab)or HR(I_bc)or HR(I_ca)≥10(有其中一角外相电流中的 谐波含有率大于10％)

同时，根据计算相电流谐波含有率比例的不同可对故障相进行识 别：

若HR(I_ab)＝K×HR(I_bc)＝K×HR(I_ca) 则A相故障；

若HR(I_bc)＝K×HR(I_ca)＝K×HR(I_ab) 则B相故障；

若HR(I_ca)＝K×HR(I_ab)＝K×HR(I_bc) 则C相故障。

其中，K为比例系数，取值范围为[1.5，2.2]，典型值为2。

采用母线电容器支路CT电流时：

具体判据有两种情况为：

判据1：

HR(I′_a)or HR(I′_b)or HR(I′_c)≥5有其中一个线电流中的谐 波含有率大于5％，同时，故障相母线发生接地故障，故障相残压及 健全相电压中还有特征谐振谐波分量。

判据2：

HHR(I′_a)or HR(I′_b)or HR(I′_c)≥10(有其中一个线电流中 的谐波含有率大于10％)

对于变压器总回路角内相电流谐波含有率比例关系，故障相别识 别方法为：

若HR(I_a)≈HR(I_b)，HR(I_c)≈0，则A相故障；

若HR(I_b)≈HR(I_c)，HR(I_a)≈0，则B相故障；

若HR(I_c)≈HR(I_a)，HR(I_b)≈0，则C相故障；

对于并联电容器组支路回路相电流中谐波关系，故障相别识别方 法为：

若HR(I′_a)≈K×HR(I′_b)≈K×HR(I′_c)，则A相故障；

若HR(I′_b)≈K×HR(I′_a)≈K×HR(I′_c),则B相故障；

若HR(I′_c)≈K×HR(I′_a)≈K×HR(I′_b),则C相故障；

其中，K为比例系数，取值范围为[1.5，2.2]，典型值为2。

母线接地故障后辅助识别故障相方法为：

母线电压降低相为故障相，母线电压升高相为非故障相。

(3)谐波谐振的同时伴随有故障相母线接地现象

一旦出现匝间短路，短路线匝的铝线必然会出现熔化并掉落，并 由此导致铝线熔化匝的局部产生电弧放电及金属溶液的喷射、溅射等 污染，空心串抗底部的支持绝缘子会因此发生闪络放电，导致故障相 母线发生类似母线接地的次生故障。

由于接地时是通过串抗发生的，因此故障母线会有一定的残压， 并且残压及健全相中含有不稳定闪络燃弧时的2到10次奇数及偶数 次谐波，绝缘子稳定闪络放电时的与谐振谐波频率有关的谐波电压。 具有这种特征的母线接地故障一定是发生了串抗匝间故障之后所致 的确定的及唯一的特征，可以据此作为辅助识别信号特征进行匝间故 障确认性判别。

以下通过实际故障案例的录波数据对上述方法进行分析说明。如 图5、图6、图7所示，为某500千伏变电站一串抗率为12％的A相 空心串抗发生匝间故障的实际故障录波图，从图中可以看出故障发生 后，主要以3次，5次谐波为主，且发展到一定阶段后，主导谐波频次从3次跳到5次，其数据如下表2所示。

表2串抗匝间故障期间主变低压侧角内CT采样后计算出的角外 电流谐波电流含量对比分析表

记录时刻/故障相别	HR(I<sub>ab</sub>)	HR(I<sub>bc</sub>)	HR(I<sub>ca</sub>)
				0.05S/A	14.5	7.8/1.86	7.9/1.84
53.14S/A	9.9	5.3/1.87	5.5/1.8

从表中可以看出，实际故障录波数据满足：HR(I_ab)＝ (1.86～1.87)×HR(I_bc)＝(1.80～1.84)×HR(I_ca)，即

可识别为A相故障，同时HR(I_ab)＝14.5≥10，保护 动作。同时故障初期故障想母线发生了接地故障，亦可以采用低值 HR(I_ab)＝14.5>5，再加母线接地辅助判别，动作出口，切断电源，阻 止电抗器继续发展匝间短路并着火燃烧。

该方法能在设备发生匝间故障初期进行准确识别与故障相位确 定，具有识别清晰，判别准确、快速的特点，能够及时进行告警及切 断电源，阻止匝间故障持续发展,铝线熔化电弧燃烧及绝缘材料着火 高温自燃。

以上图-5到图-7所示的一种利用干式空心串抗匝间故障激发的 谐波谐振的串联电抗器匝间故障识别方法是本发明的具体实施例，已 经体现出本发明突出的实质性特点和显著进步，可根据实际的使用需 要，在本发明的启示下，对其进行形状、结构等方面的等同修改，均 在本方案的保护范围之列。

Claims (10)

1.一种用于并联电容器组的干式空心串联电抗器匝间故障监测及保护识别方法，其特征在于包括以下步骤：

1)输入基本数据，包括电抗率、电抗和容抗等，然后执行步骤2)、3)、4)；其中，步骤2)和步骤4)为根据实际工程项目的接线要求，可择其一，也可全部执行；

2)对于采集角形接线变压器角内套管CT三相总电流I_a、I_b、I_c，然后执行步骤5)；

3)采集母线PT电压，然后执行步骤11)；

4)对于采集电容器支路CT三相电流I′_a、I′_b、I′_c，然后执行步骤8)：

5)按照公式计算谐波含有率：

和

实时计算HR(I_ab)、HR(I_bc)、HR(I_ca)值，其中，I_ab、I_bc、I_ca为变压器角形接线角外电流，HR(I_ab)、HR(I_bc)、HR(I_ca)为角外电流I_ab、I_bc、I_ca电流中的2～6次谐波含有率之和，用于判断变压器总回路角外相电流中的故障相与非故障的约两倍谐波含有率比例关系是否满足定值要求，若是，执行下一步，若否，则返回步骤2)；

6)判断角外电流谐波含有率是否超过低值保护阈值，若是，则执行下一步；若否，则返回步骤2)；

7)判断角外电流谐波含有率是否超过高值保护阈值，若是，则执行步骤12)；若否，则执行步骤11)；

8)实时计算HR(I′_a)、HR(I′_b)、HR(I′_c)值，其中HR(I′_a)、HR(I′_b)、HR(I′_c)为电容器支路相电流I′_a、I′_b、I′_c中的2～6次谐波含有率之和，然后根据并联电容器组支路电流中的故障相与非故障的约两倍谐波含有率比例关系是否满足定值要求，若是，步骤9)，若否，则返回步骤4)；

9)判断支路电流谐波含有率是否超过低值保护阈值，若是，则执行步骤10)；若否，则返回步骤4)；

10)判断支路电流谐波含有率是否超过高值保护阈值，若是，则执行步骤12)；若否，则执行步骤11)；

11)判断是否发生接地故障且残压中的特征谐波的谐波频次与相电流中的谐波频次是否一致，若是，执行下一步，若否，则返回步骤3)：

12)启动告警及保护动作。

2.根据权利要求1所述的一种用于并联电容器组干式空心串联电抗器匝间故障监测及保护识别方法，其特征在于：步骤5)；步骤8)和11)中，谐波电流的主导频次与电抗率的一致性识别的判断依据为：对于通常采用的电抗率为12％串抗，产生3次、5次谐波为主且幅度显著的谐波谐振；对于通常采用的电抗率为5-6％串抗，产生5次、6次谐波为主且幅度显著的谐波谐振。

3.根据权利要求1所述的一种用于并联电容器组的干式空心串联电抗器匝间故障监测及保护识别方法，其特征在于：电容器组串联电抗器发生匝间短路过程中，由于匝间故障短路放电有显著正负半波不对称性，导致在相电流回路中出现了幅度显著的直流电流分量，以此作为匝间短路故障辅助识别信号。

4.根据权利要求1所述的一种用于并联电容器组的干式空心串联电抗器匝间故障监测及保护识别方法，其特征在于：当干式空心串联电抗器短路匝铝线熔融后，电弧高温燃烧喷射或溅落的铝离子会导致空心串抗下部的支持绝缘子会紧接着发生闪络放电接地，经过串抗发生接地的故障相母线会有一定的残压，并且残压及健全相中含有不稳定闪络燃弧时的2到10次奇数及偶数次谐波，以及绝缘子稳定闪络放电时的与谐振谐波频率有关的谐波电压，以此作为故障相识别及匝间短路故障的辅助识别及最终判别的信号。

5.根据权利要求1所述的一种用于并联电容器组的干式空心串联电抗器匝间故障监测及保护识别方法，其特征在于：步骤5)、8)中，根据计算变压器总回路角形接线角外或并联电容器组支路回路相电流中谐波的比例关系不同，可对故障相进行明确识别。

6.根据权利要求5所述的一种用于并联电容器组的干式空心串联电抗器匝间故障监测及保护识别方法，其特征在于：对于变压器总回路角内出现的负序比例谐波电流关系，故障相别识别方法为：

若HR(I_a)≈HR(I_b)，HR(I_c)≈0，则A相故障；

若HR(I_b)≈HR(I_c)，HR(I_a)≈0，则B相故障；

若HR(I_c)≈HR(I_a)，HR(I_b)≈0，则C相故障；

对于变压器总回路角外出现的谐波电流关系，故障相别识别方法为：

若HR(I_ab)≈2HR(I_bc)≈2HR(I_ca)，则A相故障；

若HR(I_bc)≈2HR(I_ab)≈2HR(I_ca)，则B相故障；

若HR(I_ca)≈2HR(I_ab)≈2HR(I_bc)，则C相故障。

7.根据权利要求5所述的一种用于并联电容器组的干式空心串联电抗器匝间故障监测及保护识别方法，其特征在于：对于并联电容器组支路回路相电流中谐波关系，故障相别识别方法为：

若HR(I′_a)≈2HR(I′_b)≈2HR(I′_c)，则A相故障；

若HR(I′_b)≈2HR(I′_a)≈2HR(I′_c)，则B相故障；

若HR(I′_c)≈2HR(I′_a)≈2HR(I′_b)，则C相故障。

8.根据权利要求5所述的一种用于并联电容器组的干式空心串联电抗器匝间故障监测及保护识别方法，其特征在于：对于母线接地故障后辅助识别故障相方法为：母线电压降低相为故障相，母线电压升高相为非故障相。

9.根据权利要求1所述的一种用于并联电容器组的干式空心串联电抗器匝间故障监测及保护识别方法，其特征在于：步骤11)中，计算HR(I_ab或I′_a)或者HR(I_bc或I′_b)或者HR(I_ca或I′_c)电流中的谐波电流满足约两倍比例关系特性要求，并且谐波含量百分比HR(I_ab或I′_a)或者HR(I′_bc或I′_b)或者HR(I_ca或I′_c)≥5时，同时，故障相母线发生接地故障，故障相残压及健全相电压中还有特征谐振谐波分量时，启动告警及切断电源命令。

10.根据权利要求1所述的一种干式空心串联电抗器匝间故障监测及保护识别方法，其特征在于：步骤7)或步骤10)中，计算HR(I_ab或I′_a)或者HR(I′_bc或I′_b)或者HR(I_ca或I′_c)电流中的谐波电流满足约两倍比例关系特性要求，并且谐波含量百分比HR(I_ab或I′_a)或者HR(I_bc或I′_b)或者HR(I_ca或I′_c)≥10时，启动告警及切断电源命令。

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