CN111736093B - 基于3次谐波和有功损耗的相控电抗器匝间故障识别方法 - Google Patents

基于3次谐波和有功损耗的相控电抗器匝间故障识别方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于3次谐波和有功损耗的相控电抗器匝间故障识别方法，利用相控电抗器特有的三角形接线方式，通过监测单独边相有功损耗显著或剧烈增大，角内3次谐波电流对称性被破坏，角外3次谐波电流显著增大，角外3次谐波被5、7次滤波器显著放大等特性，还可以利用相控电抗器匝间故障后出现的母线接地信号作为辅助识别及判别的信号，实现干式空心相控电抗器匝间故障的快速可靠识别。本发明利用多种不同且能够各自独立或互相结合的判断条件来灵敏地发现匝间短路故障，可以在发生匝间故障初期进行准确识别以及故障相位确定，能够及时进行告警及切断电源，避免相控电抗器起火燃烧，避免母线短路等扩大事故。

Description

基于3次谐波和有功损耗的相控电抗器匝间故障识别方法
技术领域
本发明属于电力系统电气设备故障在线监测及保护领域，具体涉及一种基于3次谐波和有功损耗的相控电抗器匝间故障识别方法。
背景技术
在静态无功补偿系统（SVC）中，为了获得平滑可调的感性无功（感性电流）输出，通常采用晶闸管阀控电抗器或相控电抗器（TCR），实现从0～100%额定基波感性无功容量输出。由于通过相位角触发晶闸管阀控制的电抗器的电流中有大量3、5、7以及11次谐波的缘故，目前大容量户外布置的TCR通常采用上下叠放或者平放的6只三相组干式空心电抗器，其典型故障同其他干式空心并抗或串抗一样，主要有股间短路、匝间短路和表面闪络放电。
根据业内统计数据显示，匝间短路是从10kV～66kV电压等级，容量从60～360Mvar的TCR电抗器最主要的故障类型。这种故障电流为线圈绕线匝间内部短路环流，即便匝间短路故障不断发展并扩大到电感完全消失，由于TCR的特殊接线形式，以及晶闸管阀开关的调节和控制特性，角内与角外回路的电流不会剧烈增大，常规的差动、过流保护等现有保护方法，均无法检测到故障的存在，也起不到及时可靠快速发现以及保护作用。
目前，还没有适合干式空心TCR匝间短路故障的保护有效方法,其他诸如干式空心类的并联电抗器或串联电抗器，已经发明了成熟可用的监测和保护方法。
发明内容
发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明公开了一种基于3次谐波和有功损耗的相控电抗器匝间故障识别方法，利用相控电抗器特有的三角形接线方式，监测单独边相有功损耗显著或剧烈增大，监测角内3次谐波电流对称性破坏，监测角外3次谐波电流显著增大，监测3次谐波被5、7次滤波器显著放大的特性，进行干式空心相控电抗器匝间故障快速可靠识别方法。
技术方案：本发明采用如下技术方案：一种基于3次谐波和有功损耗的相控电抗器匝间故障识别方法，其特征在于，相控电抗器三相组采用三角形接线方式，首先采集基本数据，包括母线PT电压、相控电抗器支路的角内CT电流、相控电抗器支路的角外CT电流和SVC总回路CT电流，然后分别计算角内三边相各自的有功损耗、无功功率以及有功损耗与无功功率的比值，分别计算角内CT电流、角外CT电流和总回路CT电流的3次谐波有效值以及3次谐波含有率，并进行相控电抗器匝间短路故障识别，识别方法包括：
比较相控电抗器角内AB、BC、CA三相的有功损耗的一致对称性，若有功损耗不对称，则相控电抗器存在匝间短路故障；
比较相控电抗器角内AB、BC、CA三相的角内3次谐波电流的一致对称性，若角内3次谐波电流不对称，则相控电抗器存在匝间短路故障；
计算相控电抗器角外A、B、C三相的角外3次谐波电流的增大量，若角外3次谐波电流的增大量超出阈值，则相控电抗器存在匝间短路故障；
计算5、7次滤波器对相控电抗器角外A、B、C三相的角外3次谐波电流的放大比例，若角外3次谐波电流经过5、7次滤波器的放大比例超出阈值，则相控电抗器存在匝间短路故障。
优选地，采集A、B、C三相的母线接地信号作为辅助识别及判别的信号，当母线接地时，则相控电抗器存在匝间短路故障，母线接地的相为故障相。
优选地：当相控电抗器发生匝间短路故障时，相控电抗器的触发角度为[105°，130°]，线圈基波电流的输出功率占比为[30%，100%]。
优选地：若存在相控电抗器角内三相的有功损耗之间的偏移量大于或等于100%，则有功损耗不对称，有功损耗最大的相控电抗器角内边相为故障相，即：
若
Figure 406721DEST_PATH_IMAGE001
且
Figure 568712DEST_PATH_IMAGE002
，则AB相故障；
若
Figure 567892DEST_PATH_IMAGE003
且
Figure 789926DEST_PATH_IMAGE004
，则BC相故障；
若
Figure 874557DEST_PATH_IMAGE005
且
Figure 840239DEST_PATH_IMAGE006
，则CA相故障；
其中，
Figure 693925DEST_PATH_IMAGE007
为对称系数，取值范围为[2~5]，
Figure 821281DEST_PATH_IMAGE008
、
Figure 658787DEST_PATH_IMAGE009
和
Figure 897002DEST_PATH_IMAGE010
分别为 角内三相的有功损耗；
若存在相控电抗器角内三相的有功损耗与无功功率的比值大于6%，则有功损耗不对称，比值大于6%的相控电抗器角内边相为故障相。
优选地：若存在相控电抗器角内三相的角内3次谐波有效值之间的偏移量大于11%，则角内3次谐波电流不对称，角内3次谐波有效值最大的相控电抗器角内边相为故障相；
若存在相控电抗器角外三相中两相的角外3次谐波含有率大于5%，则角内3次谐波电流不对称，角外3次谐波含有率大于5%的两相对应的相控电抗器角内边相为故障相。
优选地：若相控电抗器角外三相各自的角外3次谐波有效值的总和大于100A，则角外3次谐波电流的增大量超出阈值；
若相控电抗器角外三相各自的角外3次谐波有效值中存在任意两相大于或等于50A，则角外3次谐波电流的增大量超出阈值，角外3次谐波有效值大于或等于50A的两相对应的相控电抗器角内边相为故障相，即：
若
Figure 136353DEST_PATH_IMAGE011
，且
Figure 293665DEST_PATH_IMAGE012
， 则AB相故障；
若
Figure 618467DEST_PATH_IMAGE013
，且
Figure 660372DEST_PATH_IMAGE014
，则 BC相故障；
若
Figure 488651DEST_PATH_IMAGE015
，且
Figure 223389DEST_PATH_IMAGE016
， 则CA相故障；
其中，
Figure 504329DEST_PATH_IMAGE017
取0.2，
Figure 615504DEST_PATH_IMAGE018
、
Figure 298289DEST_PATH_IMAGE019
和
Figure 180491DEST_PATH_IMAGE020
分别为相控电抗器角外三相各 自的角外3次谐波有效值；
若SVC总回路三相各自的总回路3次谐波有效值中存在任意两相大于或等于75A，则角外3次谐波电流的增大量超出阈值，总回路3次谐波有效值大于或等于75A的两相对应的相控电抗器角内边相为故障相，即：
若
Figure 73361DEST_PATH_IMAGE021
，且
Figure 722648DEST_PATH_IMAGE022
，则角 内AB相故障；
若
Figure 259940DEST_PATH_IMAGE023
，且
Figure 336480DEST_PATH_IMAGE024
，则角 内BC相故障；
若
Figure 592012DEST_PATH_IMAGE025
，且
Figure 779411DEST_PATH_IMAGE026
，则角 内CA相故障；
其中，
Figure 702367DEST_PATH_IMAGE027
取0.2，
Figure 684230DEST_PATH_IMAGE028
、
Figure 692637DEST_PATH_IMAGE029
和
Figure 542782DEST_PATH_IMAGE030
分别为SVC总回路三相各自 的总回路3次谐波有效值；
其中，50A、75A和100A对应于运行在105˚～130˚触发角之间的66kV，180Mvar基波容量的相控电抗器三相组的阈值，其他电压、容量等级的相控电抗器按比例计算阈值。
优选地：若SVC总回路三相各自的总回路3次谐波有效值总和与相控电抗器角外三相各自的角外3次谐波有效值总和的比值大于150%，则角外3次谐波电流经过5、7次滤波器的放大比例超出阈值。
优选地，若相控电抗器角内三相的有功损耗之间的相互比值大于200%，且角内三相的有功损耗与无功功率的比值存在任意一相大于或等于6%，则启动报警命令和保护跳闸命令。
优选地，在角内3次谐波电流不对称以及角外3次谐波电流的增大量超出阈值的情况下，若相控电抗器角内三相各自的角内3次谐波有效值之间的比值存在任意一相大于或等于111%，则启动报警命令；若相控电抗器角内三相各自的角内3次谐波有效值之间的比值存在大于或等于125%，则启动报警命令和切断电源命令。
优选地，在角外3次谐波电流的增大量超出阈值以及角外3次谐波电流经过5、7次滤波器的放大比例超出阈值的情况下，若相控电抗器角外三相中有两相的角外3次谐波有效值均大于或等于50A，SVC总回路三相中有两相的总回路3次谐波有效值均大于或等于75A，则启动报警、关闭触发脉冲、保护跳闸和切断电源命令，其中，50A和75A对应于运行在105˚～130˚触发角之间的66kV，180Mvar基波容量的相控电抗器三相组的阈值，其他电压、容量等级的相控电抗器按比例计算阈值。
有益效果：本发明具有如下有益效果：
1、本发明利用多种不同且各自能够独立灵敏地发现匝间短路故障的方法，以此提高监测或保护的灵敏性和快速性，同时利用角内某相相控电抗器出现匝间短路故障后，必然会同时出现的多种特性进行加权综合识别判断，以此增加识别判断的可靠性；
2、本发明将相控电抗器匝间短路后铝线融化导致的串抗支持绝缘子发生闪络接地引发的母线接地信号作为可靠性辅助识别判断，极大地提高了判别的可靠性；
3、本发明的监测及保护方法，可以在相控电抗器匝间短路发展初期（3～5匝规模）到中期（十几匝规模）之前就能够明确有效监测并识别出故障相别，进行故障告警以及关闭晶闸管触发脉冲等操作，阻止匝间故障持续发展扩大，防止出现局部起火燃烧的情况，波及相邻相控电抗器，并引起整个电抗器燃烧事故；或者在相控电抗器匝间短路发展到后期（即几十匝规模）时，发出保护跳闸命令并切断电源，避免燃烧浓烟污染周外绝缘子形成闪络放电，最终发展成母线短路等事故；
4、本发明能兼顾相控电抗器匝间故障及时快速发现，阻止出现起火燃烧以及自燃的现象，也能监测及保护3次谐波流出三角形接线的角外电路后，被长期放大后导致5、7次滤波器严重过载以及发生过电压、滤波器故障的情况，具有多元识别，综合判断，兼顾故障设备以及非故障设备同时监测和保护的特点，能够及时进行告警及关闭晶闸管阀组，或3次谐波电流被严重放大时及时切断总回路电源，防止3次谐波被放大后损坏其他诸如5、7次滤波器等电气设备。
附图说明
图1为典型SVC系统中TCR及其滤波器的接线示意图；
图2为典型SVC系统中TCR三角形接线某边相发生匝间短路后的等值回路示意图；
图3为相控电抗器角内电流波形图；
图4为66kV，180Mvar的TCR三相组正常运行期间的基波电流与谐波电流占比与触发角度关系曲线图；
图5为33kV，180Mvar的TCR三相组故障期间角内有功损耗、无功功率的波形图；
图6为33kV，180Mvar的TCR三相组故障期间后期引发母线相间短路保护切除前角内有功损耗、角内无功功率的波形图；
图7为33kV，180Mvar的TCR三相组故障运行期间角内及角外电流的波形图；
图8为33kV，180Mvar的TCR三相组故障运行期间角内3次谐波电流的波形图；
图9为33kV，180Mvar的TCR三相组正常运行期间角内3次谐波电流的波形图；
图10为33kV，180Mvar的TCR三相组故障运行期间角外及总回路3次谐波的波形图；
图11为33kV，180Mvar的TCR三相组故障运行期间发生接地故障后低压母线电压的波形图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
在一定的相控电抗器电感L及感抗X下，干式空心相控电抗器的电流以及基波功率受到触发晶闸管阀组的触发角度控制，一般将最小触发角度设置在105度，最大触发角度设置在165度，相控电抗器的典型接线图如图1所示：按三角形接线的相控电抗器三相组，三个边相中的每个边相由各自1/2额定电抗值的上节电抗器、下节电抗器以及晶闸管阀组串联组成，每个边相可以独立进行触发控制，三相组的控制时序相差120度。SVC中A、B、C三相母线上的角外电流通过滤波器、相控电抗器与电力系统交换功率的流入变压器低压侧的总回路电流中。相控电抗器正常运行期间，线圈中流通的电流波形如图3所示，为受触发角度控制的间断电流，非连续的正弦波，其中电流波形可分解为1次基波电流以及3、5、7、11、13次等谐波电流，其中基波电流与各次谐波电流的占比与触发角度的关系见图4，而且其中3次谐波电流在三个边相正常运行期间，大小相等，方向相同，只在三角内循环流通，不会出现在角外电流中，其他5、7、11、13次等谐波电流要流出角外，一般在SVC 系统三相母线设置5、7次滤波器，滤除相控电抗器产生的谐波电流。
三角形接线的有利之处在于：无论母线是否接地，任何时候都可以利用边相的线电压和边相角内电流进行3个独立边相的有功损耗及无功功率的实时计算，因此可以利用这种接线特点形成的优势，进行各个边相的独立有功损耗监测计算，而不需要与采用Y星形接线的并联电抗器组一样必须采用两瓦计法计算三相组电抗器有功损耗及无功功率。
根据近一两年收集到的有关400kV变电站33kV，180Mvar TCR的匝间短路故障案例所提供的波形进行数据分析，以及据此案例进行模拟仿真计算研究，发现TCR匝间故障后，三角形接线的TCR角内故障相有功损耗异常增大，角内、角外电流出现3次谐波异常变化，以及SVC系统的5、7次滤波器会对流出角外的3次谐波电流起到显著的放大作用。
发生了匝间短路故障的干式空心相控电抗器，同匝间短路故障后的并联电抗器以及串联电抗器一样，有几十倍到数百倍的短路环流。巨大的短路环流一方面产生了与电流平方成正比的有功损耗，这些短路环流的有功损耗反映在角内故障相就是出现了有功损耗的显著增大（故障初期发展到几匝同时故障）或剧烈增大（故障中后期发展到十几匝及以上规模同时故障）。巨大的短路环流在另一方面还产生了与电流大小以及故障匝数成正比的反向磁通，由此可造成故障相相控电抗器的1/2电抗损失，角内故障相的等效电抗值会出现相应比例的降低变化。
以66kV，180Mvar的相控电抗器为例说明，在相控电抗器电抗值一定的条件下，在不同触发角度下，基波电流以及3、5、7次等谐波电流的一次值如下表1所示：
表1
Figure 54666DEST_PATH_IMAGE031
其中基波电流在触发角105˚～130˚角之间时，电流从930A变化到333A，而3次谐波电流在136A～170A之间变化，3次谐波电流值相对变化要小得多。
在确定触发角度的情况下，角内3次谐波电流大小随实时等效电抗值变化可用下式(1)表示：
Figure 473009DEST_PATH_IMAGE032
(1)
其中，
Figure 703133DEST_PATH_IMAGE033
为相控电抗器基波额定电流，k为对应触发角度下的固定3次谐波比例系 数，
Figure 232334DEST_PATH_IMAGE034
为相控电抗器额定电抗值，
Figure 864304DEST_PATH_IMAGE035
为上节电抗器实时电抗值，
Figure 453548DEST_PATH_IMAGE036
为下节电 抗器实时电抗值。正常运行时
Figure 436548DEST_PATH_IMAGE037
。 相控电抗器三角形接线后某边相 发生匝间短路后的等值回路图如图2所示。
从公式(1)可以得出，在特定触发角度下当故障相的上节电抗器或者下节电抗器的电抗值减少时，故障相的3次谐波电流会有相应比例增大，如下表2所示：
表2
Figure 769440DEST_PATH_IMAGE038
正常情况下，相控电抗器的实时基波损耗加上谐波损耗，其总有功损耗与实际的实时基波出力容量的比值百分数，根据实际运行记录大约在2%-3%之间。
同时正常情况下，相控电抗器的角内3次谐波电流在触发角度为105˚～130˚之间触发时，3次谐波电流的大小在额定基波电流的14%-21%之间变化。相控电抗器匝间短路故障后，故障节的等值电感会有0-100%的变化，而整体相控电抗器的等值电感会有0-50%的变化，根据公式(1)，相应故障相的3次谐波电流会有0-100%的增加。因此，3次谐波电流成为了一种天然的理想监测对象，三角形接线的相控电抗器组，只有故障相的3次谐波电流会随着匝间故障的发展按比例增大，且增大比例很显著，其他两边相则大小基本一致，维持不变。
同时正常运行条件下三相对称，包括系统电压对称、触发角度对称的情况下，在角外线（相）电流中，理论上不会出现3次谐波电流，即认为正常运行条件下无相控电抗器故障时，角外3次谐波电流值为0，这也是监测相控电抗器匝间短路故障的一种天然有利条件。因此，角外3次谐波电流的出现以及变大与匝间短路直接相关，并且在相序上具有显著的负序特征（在一相流出，在另外一相流进，第三相基本没有3次谐波电流），在与故障角内边相有关的两相出现。同时，在图1所示的原理接线图中，由于5、7次滤波器的存在，角外3次谐波电流到总回路3次谐波电流一定会被放大，因此，可以实时计算角外3次谐波电流大小以及总回路3次谐波电流大小，作为识别、判别相控电抗器匝间短路故障，以及谐波放大事件，并且确定故障相别的有效条件之一。
对于相控电抗器的匝间短路故障，本发明是基于故障时触发角度在105°到130°范围内，基波电流出力在30%到100%范围内，基波电流加上谐波电流才有可能导致线圈局部热点温度达到损坏绝缘程度，才会发生匝间短路故障。
本发明公开了一种基于3次谐波和有功损耗的相控电抗器匝间故障识别方法，利用SVC静态无功补偿系统中干式空心相控电抗器在三角形接线情况下，角内某个边相的上节电抗器或者下节电抗器中某一节出现匝间短路故障后必然出现的四个方面显著且明确的异常和变化特性，进行干式空心相控电抗器匝间短路故障的有效及灵敏识别，特性如下：故障相有功损耗在故障初期（几匝）时会显著增大，中后期（十几到几十匝）会剧烈增大；角内三相电流中3、6、9次谐波电流值的一致对称性也遭到了破坏，出现严重不对称，3次谐波电流也会出现显著或剧烈增大；角外电流中出现大量3次谐波电流（基波电流的百分之几到十几）；静态无功补偿系统的5、7次滤波器会严重放大流出角外的3次谐波电流，放大倍数接近2倍。本发明实时计算监测每边相电抗器有功损耗是否正常；实时计算监测角内电流里的3次谐波电流，是否三相大小一致，完全对称平衡；实时计算监测角外线电流中是否出现了显著的非特征3次谐波电流；实时计算监测5、7次滤波器是否对3次谐波电流进行了严重放大，综合判断相控电抗器是否出现了匝间短路故障。
本发明包括如下步骤：
1)采集母线PT电压；
2)采集TCR相控电抗器支路角内、角外CT电流、三角形相间电压；
3)采集SVC总回路CT电流；
4)采集SVC滤波器回路CT电流；
5)按照公式
Figure 521495DEST_PATH_IMAGE039
、
Figure 281641DEST_PATH_IMAGE040
和
Figure 220778DEST_PATH_IMAGE041
实时计算三角接线角内AB、BC、CA三边相TCR各自的有功损耗
Figure 357361DEST_PATH_IMAGE042
、
Figure 698344DEST_PATH_IMAGE043
和
Figure 894970DEST_PATH_IMAGE044
，并且计算相应的无功功率
Figure 586983DEST_PATH_IMAGE045
、
Figure 261678DEST_PATH_IMAGE046
和
Figure 581800DEST_PATH_IMAGE047
，其中
Figure 949328DEST_PATH_IMAGE048
、
Figure 863057DEST_PATH_IMAGE049
、
Figure 341443DEST_PATH_IMAGE050
为角内电 流，
Figure 657018DEST_PATH_IMAGE051
、
Figure 664288DEST_PATH_IMAGE052
、
Figure 330893DEST_PATH_IMAGE053
分别为三角形接线AB边、BC边、CA边的相间电压。同时，计算有功损耗 与无功功率的比值百分比
Figure 347390DEST_PATH_IMAGE054
、
Figure 783051DEST_PATH_IMAGE055
、
Figure 961223DEST_PATH_IMAGE056
。
计算三角形角内电流
Figure 115123DEST_PATH_IMAGE057
、
Figure 794366DEST_PATH_IMAGE058
、
Figure 818954DEST_PATH_IMAGE059
中的3次谐波有效值
Figure 699185DEST_PATH_IMAGE060
、
Figure 74803DEST_PATH_IMAGE061
、
Figure 433103DEST_PATH_IMAGE062
，以及3次谐波含有率
Figure 577777DEST_PATH_IMAGE063
、
Figure 363330DEST_PATH_IMAGE064
、
Figure 960665DEST_PATH_IMAGE065
；
计算三角形角外电流
Figure 122656DEST_PATH_IMAGE066
、
Figure 387415DEST_PATH_IMAGE067
、
Figure 468504DEST_PATH_IMAGE068
电流中的3次谐波有效值
Figure 818713DEST_PATH_IMAGE069
、
Figure 253237DEST_PATH_IMAGE070
、
Figure 372503DEST_PATH_IMAGE071
，以及3次谐波含有率
Figure 499859DEST_PATH_IMAGE072
、
Figure 602944DEST_PATH_IMAGE073
、
Figure 106738DEST_PATH_IMAGE074
；
计算SVC总回路（包括滤波器以及相控电抗器等）电流
Figure 814931DEST_PATH_IMAGE075
、
Figure 378767DEST_PATH_IMAGE076
、
Figure 703569DEST_PATH_IMAGE077
电流中的3次谐 波有效值
Figure 745475DEST_PATH_IMAGE078
、
Figure 573753DEST_PATH_IMAGE079
、
Figure 308491DEST_PATH_IMAGE080
，以及3次谐波含有率
Figure 714065DEST_PATH_IMAGE081
、
Figure 825240DEST_PATH_IMAGE082
、
Figure 773605DEST_PATH_IMAGE083
。
6)比较有功损耗的一致对称性：
比较三边相的有功损耗
Figure 413664DEST_PATH_IMAGE042
、
Figure 447480DEST_PATH_IMAGE084
和
Figure 565608DEST_PATH_IMAGE044
的一致对称性关系：当有 功功率损耗值在三边相之间出现了大于或等于100%的偏移，则有功损耗不对称，即可判断 出现了TCR匝间短路故障，故障相判断如下：
若
Figure 634058DEST_PATH_IMAGE085
且
Figure 445020DEST_PATH_IMAGE086
，则AB相故障；
若
Figure 966131DEST_PATH_IMAGE087
且
Figure 12584DEST_PATH_IMAGE088
，则BC相故障；
若
Figure 958978DEST_PATH_IMAGE089
且
Figure 206420DEST_PATH_IMAGE090
，则CA相故障；
其中，
Figure 949248DEST_PATH_IMAGE091
为对称系数，取值范围为[2~5]。
Figure 674759DEST_PATH_IMAGE092
表示
Figure 452222DEST_PATH_IMAGE093
和
Figure 604986DEST_PATH_IMAGE044
之间的偏差小于30%，
Figure 100689DEST_PATH_IMAGE088
表示
Figure 629890DEST_PATH_IMAGE042
和
Figure 261860DEST_PATH_IMAGE044
之间的偏差小于30%，
Figure 710159DEST_PATH_IMAGE090
表 示
Figure 693158DEST_PATH_IMAGE042
和
Figure 760472DEST_PATH_IMAGE043
之间的偏差小于30%。
同时，也可以通过有功损耗与无功功率的比率百分比来比较有功损耗的一致对称性：如果有功损耗与无功功率的比率百分比显著或剧烈升高，存在严重不一致，即存在某边相的比率百分比大于6%（正常边相一般小于3%），则有功损耗不对称，即可判断出现了TCR发生了匝间短路故障，比率百分比大于6%的角内边相即为故障相。
7)比较角内3次谐波电流的一致对称性：
比较角内3次谐波电流
Figure 246948DEST_PATH_IMAGE060
、
Figure 272673DEST_PATH_IMAGE094
和
Figure 211810DEST_PATH_IMAGE062
的一致对称性关系： 当角内3次谐波电流在三边相之间出现了大于11%（对应故障节相控电抗器电抗值损失20%） 的偏移，则角内3次谐波电流不对称，即可判断出现了TCR匝间短路故障，角内3次谐波电流 最大相即为故障相。
同时，也可以通过角外3次谐波含有率来比较角内3次谐波电流
Figure 817235DEST_PATH_IMAGE060
、
Figure 423796DEST_PATH_IMAGE095
和
Figure 620422DEST_PATH_IMAGE062
的一致对称性关系：理论上，正常运行条件下，角外线电流中的3 次谐波电流含量为零，当存在两相的角外3次谐波含有率大于5%，则是由于角内3次谐波电 流不对称，导致了三次谐波电流流出角外，即可判断出现了TCR匝间短路故障，角外3次谐波 含有率大于5%的两相对应的角内边相即为故障相。
8)计算角外3次谐波电流的异常增大量：
当角外3次谐波有效值的三相总和大于100A（对应为运行在105˚～130˚触发角之间的66kV，180Mvar基波容量的TCR三相组的阈值，不同的电压、容量等级的TCR可按比例进行计算，例如，容量电压等级增大时，阈值按比例增大），则角外3次谐波电流的严重增大，即可判断出现了TCR 匝间短路故障。
同时，若存在两相的角外3次谐波有效值大于或等于50A（对应为运行在105˚～130˚触发角之间的66kV，180Mvar基波容量的TCR三相组的阈值，其他不同的电压、容量等级的TCR可按比例进行计算，例如，容量电压等级增大时，阈值按比例增大），则角外3次谐波电流的增大量超出阈值，即可判断出现了TCR 电抗器匝间短路故障，故障相判断如下：
若
Figure 905910DEST_PATH_IMAGE011
，且
Figure 846184DEST_PATH_IMAGE012
， 则角内AB相故障；
若
Figure 41674DEST_PATH_IMAGE096
，且
Figure 878043DEST_PATH_IMAGE014
， 则角内BC相故障；
若
Figure 57351DEST_PATH_IMAGE015
，且
Figure 535737DEST_PATH_IMAGE016
， 则角内CA相故障；
其中
Figure 851312DEST_PATH_IMAGE097
可取0.2；
Figure 124161DEST_PATH_IMAGE098
表示
Figure 384241DEST_PATH_IMAGE069
和
Figure 666318DEST_PATH_IMAGE070
之间的偏 差小于20%，
Figure 101979DEST_PATH_IMAGE099
表示
Figure 280150DEST_PATH_IMAGE070
和
Figure 434051DEST_PATH_IMAGE071
之间的偏差小于20%，
Figure 988660DEST_PATH_IMAGE100
表示
Figure 278827DEST_PATH_IMAGE071
和
Figure 627900DEST_PATH_IMAGE069
之间的偏差小于20%。
同时，也可以通过SVC总回路3次谐波电流的异常增大量以及滤波器谐波放大作用（放大比例大于50%）来比较角外3次谐波电流的异常增大量：若存在两相的总回路3次谐波有效值大于或等于75A（对应运行在105˚～130˚触发角之间的66kV，180Mvar基波容量的TCR三相组的阈值，其他不同的容量电压等级的相控电抗器可按比例进行计算，例如，容量电压等级增大时，阈值按比例增大），即可判断出现了TCR匝间短路故障，故障相判断如下：
若
Figure 862572DEST_PATH_IMAGE101
，且
Figure 486452DEST_PATH_IMAGE102
， 则角内AB相故障；
若
Figure 631125DEST_PATH_IMAGE103
，且
Figure 416679DEST_PATH_IMAGE104
， 则角内BC相故障；
若
Figure 279593DEST_PATH_IMAGE105
，且
Figure 176004DEST_PATH_IMAGE106
， 则角内CA相故障；
其中
Figure 440764DEST_PATH_IMAGE107
可取0.2；
Figure 397218DEST_PATH_IMAGE108
表示
Figure 481849DEST_PATH_IMAGE078
和
Figure 447531DEST_PATH_IMAGE079
之间的偏 差小于20%，
Figure 425851DEST_PATH_IMAGE109
表示
Figure 818787DEST_PATH_IMAGE079
和
Figure 390713DEST_PATH_IMAGE080
之间的偏差小于20%，
Figure 894507DEST_PATH_IMAGE110
表示
Figure 868279DEST_PATH_IMAGE080
和
Figure 432116DEST_PATH_IMAGE078
之间的偏差小于20%。
9)计算角外3次谐波电流通过SVC 系统中5、7次滤波器进行的放大效应：
当5、7次滤波器对角外3次谐波进行了严重放大，滤波器严重过载时，SVC总回路3次谐波有效值三相总和大于150%（考虑至少放大50%的滤波器放大作用）的TCR角外3次谐波有效值三相总和值，即可判断TCR 出现了显著或严重的匝间短路故障。
10)母线接地辅助信号识别：
当相控电抗器发生了匝间短路故障后，匝铝线熔融后，空心串抗的支持绝缘子会紧接着发生闪络放电接地，导致故障相母线发生类似母线接地的次生故障，以此作为辅助识别及判别的信号，加速匝间短路故障后的判别及关闭晶闸管阀组或发出跳闸命令动作。
11)对步骤6)中，若存在边相之间的有功损耗比值大于200%，并且某边相的
Figure 225759DEST_PATH_IMAGE111
时，启动告警命令及保护跳闸命令。
12)对步骤7）、8）中，在满足角内3次谐波电流不对称以及角外3次谐波电流严重增大的条件下，若存在边相之间的角内3次谐波有效值比值大于或等于111%时，启动告警；若存在边相之间的角内3次谐波有效值比值大于或等于125%时，启动告警及切断电源命令，停止匝间短路发展，阻止电抗器起火燃烧以及进而引发次生相间短路故障。
13)对步骤9）、10）中，在满足角外3次谐波电流严重增大以及由于5、7次滤波器严重放大角外3次谐波电流的条件下，若相控电抗器角外三相中有两相的角外3次谐波有效值均大于或等于50A（对应运行在105～130˚触发角之间的66kV，180Mvar基波容量的TCR三相组的阈值，其他不同的容量电压等级的相控电抗器可按比例进行计算，例如，容量电压等级增大时，阈值按比例增大），同时SVC总回路三相中有两相的总回路3次谐波有效值均大于或等于75A（对应运行在105～130˚触发角之间的66kV，180Mvar基波容量的TCR三相组的阈值，其他不同的容量电压等级的相控电抗器可按比例进行计算，例如，容量电压等级增大时，阈值按比例增大）时，启动告警、关闭触发脉冲以及开出跳闸命令，跳开断路器切断电源。
通过以下具体实施例，说明本发明所述的相控电抗器匝间故障识别方法的有效性，其中以BC相为故障相为例：
1、有功损耗变化
图5为33kV，180Mvar的TCR故障期间角内有功损耗与无功功率的波形图，图5中记录的波形自上而下分别为：1通道的非故障相AB相相控电抗器有功损耗，2通道的故障相BC相相控电抗器有功损耗，3通道的非故障相CA相相控电抗器有功损耗，4通道的非故障相AB相相控电抗器无功功率，5通道的故障相BC相相控电抗器无功功率。
表3为33kV，180Mvar的TCR故障运行期间角内有功损耗与无功功率的统计分析表。
表3
Figure 267665DEST_PATH_IMAGE112
从表3中可以看出：故障期间故障相的有功损耗与无功功率之比为13.73%，正常相的有功损耗与无功功率之比平均值为2.40%，故障相与正常相之间的有功损耗比例倍数为6.83倍。
图6为33kV，180Mvar的TCR故障后期由于带炭黑以及金属离子的烟尘污染绝缘子后，引发母线相间短路保护切除前的角内有功损耗与无功功率的波形图，图6中记录的波形自上而下分别为：1通道的角内非故障相AB相相控电抗器有功损耗，2通道的角内故障相BC相相控电抗器有功损耗，3通道的角内非故障相CA相相控电抗器有功损耗，4通道的角内非故障相AB相相控电抗器无功功率，5通道的角内故障相BC相相控电抗器无功功率。
表4为33kV，180Mvar的TCR故障后期引发母线相间短路保护切除前的角内有功损耗与无功功率的统计分析表。
表4
Figure 361523DEST_PATH_IMAGE113
从表4中可以看出：故障期间故障相的有功损耗与无功功率之比为16.8%，正常相的有功损耗与无功功率之比平均值为2.30%，故障相与正常相之间的有功损耗比例倍数为8.03倍。
由上述分析可知：相控电抗器运行故障期间故障相（本实施例中为BC相）的有功损耗出现了剧烈增大，是非故障相的6-8倍，故障相的有功损耗与无功功率之比为13%以上，非故障相的有功损耗与无功功率之比为3%以下。因此通过计算TCR回路三相边相各自的角内有功损耗与无功功率的比率百分比变化作为特征量判定，如出现此比率剧烈升高至大于6%，且角内三相之间严重不一致（正常相一般小于3%）；故障相的有功损耗是非故障相的2倍以上，即可判断出现了TCR 电抗器发生了匝间短路故障。
2、角内3次谐波电流变化
图7为33kV，180Mvar的三相组TCR故障运行期间角内及角外电流的波形图，图7中记录的波形自上而下分别为：1通道的角内非故障相AB相的角内电流，2通道的角内故障相BC的角内电流，3通道的角内非故障相CA相的角内电流，4通道的角内非故障相AB相的角外电流，5通道的角内故障相BC相的角外电流，6通道的角内非故障相CA相的角外电流。
图8为33kV，180Mvar的三相组TCR故障运行期间角内3次谐波电流的波形图，图8中记录的波形自上而下分别为：1通道的角内非故障相AB相的3次谐波电流，2通道的角内故障相BC的3次谐波电流，3通道的角内非故障相CA相的3次谐波电流。
图9为33kV，180Mvar的三相组TCR正常运行期间角内3次谐波电流的波形图，图9中记录的波形自上而下分别为：1通道的角内非故障相AB相的3次谐波电流，2通道的角内非故障相BC的3次谐波电流，3通道的角内非故障相CA相的3次谐波电流。
表5为33kV，180Mvar的三相组TCR故障运行期间角内3次谐波电流的统计分析表，表6为33kV，180Mvar的三相组TCR正常运行期间角内3次谐波电流的统计分析表。
表5
Figure 955315DEST_PATH_IMAGE114
表6
Figure 501834DEST_PATH_IMAGE115
通过比较表5与表6中角内3次谐波电流对称性关系，故障相中的3次谐波电流已经达到了非故障相的2倍：表5中BC相3次谐波电流为505.8A，CA相为250.7A，AB相为215.8A，比例关系约为2倍；非故障相3次谐波电流基本一致，出现偏差是由于受到三次谐波电流对于系统电压的影响，导致三相电压出现偏差。表5中角内3次谐波电流在三相之间出现了远大于11%的偏移，说明匝间故障已经到了后期，故障相角内3次谐波的增加几乎达到了100%非故障相角内3次谐波电流值，根据公式(1)反推计算可知，其中故障相中的一节电抗器的电感基本已经全部损失。
3、角外3次谐波电流变化
图10为33kV，180Mvar的TCR故障运行期间角外及总回路3次谐波电流的波形图，图10中记录的波形自上而下分别为：1通道的角外A相的总回路3次谐波电流，2通道的角外B相的总回路3次谐波电流，3通道的角外C相的总回路3次谐波电流，4通道的角外A相的角外3次谐波电流，5通道的角外B相的角外3次谐波电流，6通道的角外C相的角外3次谐波电流。
表7为33kV，180Mvar的TCR故障运行期间角外及总回路3次谐波电流的统计分析表。
表7
Figure 347430DEST_PATH_IMAGE116
角外以及总回路电流中，与角内故障相BC相关的角外B相、C相突然出现3次谐波电流的显著或剧烈增大，由表5可知，BC故障相增大了约100%的角内3次谐波电流，此匝间短路后增加的不平衡性的3次谐波电流通过B相（321.6安）、C相（282.5安）流出角外，由此可判断出现了BC相的TCR匝间短路故障。
SVC母线上的角外电流通过滤波器、相控电抗器与电力系统交换功率的流入变压器低压侧的总回路电流中，与三角形角内故障相别相关的两相电流中（例如本实施例中的B、C相），总回路3次谐波电流如表7所显示的一样，要远大于角外3次谐波电流值。为防止谐波放大损坏滤波器，也要监测3次谐波电流的放大程度。
4、母线接地辅助判定
相控电抗器匝间短路的同时首先会伴随有故障相别的母线接地现象，同时出现严重的母线短路次生故障，需要进行监测及保护，防止出现母线相间或三相短路，造成其他正常运行设备的损坏。
干式相控电抗器一旦出现匝间短路，同其他并抗、串抗一样，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。
另外，由于相控电抗器一般容量是同级电压等级并抗的3-4倍，体积更大，匝间短路故障后产生的浓烟以及大火程度，在规模上因之更加巨大，实施例中的BC故障相已经造成了相邻的正常相控电抗器损坏，也最终造成了SVC母线的相间及三相短路。
图11为33kV，180MvarTCR三相组故障运行期间发生B相接地故障后低压母线电压的波形图，图11中记录的波形自上而下分别为：1通道的A相母线电压，2通道的B相母线电压，3通道的C相母线电压，由于接地时是通过电抗器发生的，因此故障母线会有一定的残压。从图11中看出，接地后约12周波后，即发生次生的相间短路及三相短路事故，最后由其他保护动作切除故障，但相控电抗器已经发生了自燃着火。
因此，可以利用母线接地故障作为辅助判别条件，可以据此作为辅助识别信号加速匝间短路故障后的判别及关闭晶闸管阀组或发出跳闸命令动作。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于3次谐波和有功损耗的相控电抗器匝间故障识别方法，其特征在于，相控电抗器三相组采用三角形接线方式，首先采集基本数据，包括母线PT电压、相控电抗器支路的角内CT电流、相控电抗器支路的角外CT电流和SVC总回路CT电流，然后分别计算角内三边相各自的有功损耗、无功功率以及有功损耗与无功功率的比值，分别计算角内CT电流、角外CT电流和总回路CT电流的3次谐波有效值以及3次谐波含有率，并进行相控电抗器匝间短路故障识别，识别方法包括：
比较相控电抗器角内AB、BC、CA三相的有功损耗的一致对称性，若有功损耗不对称，则相控电抗器存在匝间短路故障；
比较相控电抗器角内AB、BC、CA三相的角内3次谐波电流的一致对称性，若角内3次谐波电流不对称，则相控电抗器存在匝间短路故障；
计算相控电抗器角外A、B、C三相的角外3次谐波电流的增大量，若角外3次谐波电流的增大量超出阈值，则相控电抗器存在匝间短路故障；
计算5、7次滤波器对相控电抗器角外A、B、C三相的角外3次谐波电流的放大比例，若角外3次谐波电流经过5、7次滤波器的放大比例超出阈值，则相控电抗器存在匝间短路故障。
2.根据权利要求1所述的一种基于3次谐波和有功损耗的相控电抗器匝间故障识别方法，其特征在于，采集A、B、C三相的母线接地信号作为辅助识别及判别的信号，当母线接地时，则相控电抗器存在匝间短路故障，母线接地的相为故障相。
3.根据权利要求1所述的一种基于3次谐波和有功损耗的相控电抗器匝间故障识别方法，其特征在于：当相控电抗器发生匝间短路故障时，相控电抗器的触发角度为[105°，130°]，线圈基波电流的输出功率占比为[30%，100%]。
4.根据权利要求1所述的一种基于3次谐波和有功损耗的相控电抗器匝间故障识别方法，其特征在于：
若存在相控电抗器角内三相的有功损耗之间的偏移量大于或等于100%，则有功损耗不对称，有功损耗最大的相控电抗器角内边相为故障相，即：
若
Figure 347935DEST_PATH_IMAGE001
且
Figure 445204DEST_PATH_IMAGE002
，则AB相故障；
若
Figure 278031DEST_PATH_IMAGE003
且
Figure 169764DEST_PATH_IMAGE004
，则BC相故障；
若
Figure 822462DEST_PATH_IMAGE005
且
Figure 989001DEST_PATH_IMAGE006
，则CA相故障；
其中，
Figure 410755DEST_PATH_IMAGE007
为对称系数，取值范围为[2~5]，
Figure 738968DEST_PATH_IMAGE008
、
Figure 377498DEST_PATH_IMAGE009
和
Figure 82149DEST_PATH_IMAGE010
分别为角内 三相的有功损耗；
若存在相控电抗器角内三相的有功损耗与无功功率的比值大于6%，则有功损耗不对称，比值大于6%的相控电抗器角内边相为故障相。
5.根据权利要求1所述的一种基于3次谐波和有功损耗的相控电抗器匝间故障识别方法，其特征在于：
若存在相控电抗器角内三相的角内3次谐波有效值之间的偏移量大于11%，则角内3次谐波电流不对称，角内3次谐波有效值最大的相控电抗器角内边相为故障相；
若存在相控电抗器角外三相中两相的角外3次谐波含有率大于5%，则角内3次谐波电流不对称，角外3次谐波含有率大于5%的两相对应的相控电抗器角内边相为故障相。
6.根据权利要求1所述的一种基于3次谐波和有功损耗的相控电抗器匝间故障识别方法，其特征在于：
若相控电抗器角外三相各自的角外3次谐波有效值的总和大于100A，则角外3次谐波电流的增大量超出阈值；
若相控电抗器角外三相各自的角外3次谐波有效值中存在任意两相大于或等于50A，则角外3次谐波电流的增大量超出阈值，角外3次谐波有效值大于或等于50A的两相对应的相控电抗器角内边相为故障相，即：
若
Figure 623988DEST_PATH_IMAGE011
，且
Figure 123103DEST_PATH_IMAGE012
，则AB 相故障；
若
Figure 750393DEST_PATH_IMAGE013
，且
Figure 993156DEST_PATH_IMAGE014
，则BC相 故障；
若
Figure 389502DEST_PATH_IMAGE015
，且
Figure 59518DEST_PATH_IMAGE016
，则CA 相故障；
其中，
Figure 377367DEST_PATH_IMAGE017
取0.2，
Figure 456443DEST_PATH_IMAGE018
、
Figure 176138DEST_PATH_IMAGE019
和
Figure 17055DEST_PATH_IMAGE020
分别为相控电抗器角外三相各自的 角外3次谐波有效值；
若SVC总回路三相各自的总回路3次谐波有效值中存在任意两相大于或等于75A，则角外3次谐波电流的增大量超出阈值，总回路3次谐波有效值大于或等于75A的两相对应的相控电抗器角内边相为故障相，即：
若
Figure 618937DEST_PATH_IMAGE021
，且
Figure 203502DEST_PATH_IMAGE022
，则角内AB相 故障；
若
Figure 574441DEST_PATH_IMAGE023
，且
Figure 586259DEST_PATH_IMAGE024
，则角内BC相 故障；
若
Figure 409859DEST_PATH_IMAGE025
，且
Figure 296650DEST_PATH_IMAGE026
，则角内CA 相故障；
其中，
Figure 522095DEST_PATH_IMAGE027
取0.2，
Figure 970394DEST_PATH_IMAGE028
、
Figure 546869DEST_PATH_IMAGE029
和
Figure 473236DEST_PATH_IMAGE030
分别为SVC总回路三相各自的总回 路3次谐波有效值；
其中，50A、75A和100A对应于运行在105˚～130˚触发角之间的66kV，180Mvar基波容量的相控电抗器三相组的阈值，其他电压、容量等级的相控电抗器按比例计算阈值。
7.根据权利要求1所述的一种基于3次谐波和有功损耗的相控电抗器匝间故障识别方法，其特征在于：
若SVC总回路三相各自的总回路3次谐波有效值总和与相控电抗器角外三相各自的角外3次谐波有效值总和的比值大于150%，则角外3次谐波电流经过5、7次滤波器的放大比例超出阈值。
8.根据权利要求1所述的一种基于3次谐波和有功损耗的相控电抗器匝间故障识别方法，其特征在于，若相控电抗器角内三相的有功损耗之间的相互比值大于200%，且角内三相的有功损耗与无功功率的比值存在任意一相大于或等于6%，则启动报警命令和保护跳闸命令。
9.根据权利要求1所述的一种基于3次谐波和有功损耗的相控电抗器匝间故障识别方法，其特征在于，在角内3次谐波电流不对称以及角外3次谐波电流的增大量超出阈值的情况下，若相控电抗器角内三相各自的角内3次谐波有效值之间的比值存在任意一相大于或等于111%，则启动报警命令；若相控电抗器角内三相各自的角内3次谐波有效值之间的比值存在大于或等于125%，则启动报警命令和切断电源命令。
10.根据权利要求1所述的一种基于3次谐波和有功损耗的相控电抗器匝间故障识别方法，其特征在于，在角外3次谐波电流的增大量超出阈值以及角外3次谐波电流经过5、7次滤波器的放大比例超出阈值的情况下，若相控电抗器角外三相中有两相的角外3次谐波有效值均大于或等于50A，SVC总回路三相中有两相的总回路3次谐波有效值均大于或等于75A，则启动报警、关闭触发脉冲、保护跳闸和切断电源命令，其中，50A和75A对应于运行在105˚～130˚触发角之间的66kV，180Mvar基波容量的相控电抗器三相组的阈值，其他电压、容量等级的相控电抗器按比例计算阈值。
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