500千伏纵宝线串联电抗器本体故障类型及保护动作分析

500千伏纵宝线串联电抗器本体故障类型及保护动作分析

郭约法马静勇

广东电网有限责任公司东莞供电局广东省东莞市523008

摘要：本文旨在探讨纵宝线大容量串联电抗器内部故障的类型、各故障类型产生发展的机理及所配置电量保护对各型内部故障的反映动作情况。从发热、温升、电量变化等角度分析串抗内部各类型故障发生发展的机理。提出层电抗下降百分比、简化计算各型故障的电抗值变化量等思路，将电抗器故障严重程度量化为层电抗下降百分比及电抗值的变化量，又将电抗值变化量、线路负荷电流与线路的零序电流进行数量关联，定量分析所配置零序等保护的动作情况。总结所配置电量保护不可作为串抗内部故障的可靠灵敏保护。倡导对大容量干式空心电抗器的故障及保护做更多更深的研究。

关键词：串联电抗器；故障类型；保护动作

0引言

东莞深圳地区500千伏纵江站至宝安站双回线路（简称纵宝甲乙线）的近区电网联系紧密，500千伏变电站多且为枢纽站，500千伏母线短路电流偏高或超过断路器遮断容量，在纵宝甲乙线上装设串联电抗器（简称串抗）限制近区母线的短路电流[1]。纵宝甲乙线长期允许最大负荷电流4000A。纵宝甲乙线每回每相串联两台串抗，每台额定阻抗10.5欧姆，每相额定阻抗21欧姆，额定电流4000A，单台额定容量168MVar（世界最大），单台串抗有21个包封层（串抗一个同心圆筒为一个包封层），最外层是没有线圈的假包封层，其余20个包封层均有绕组。

串抗共用装设在线路两侧站的纵宝甲乙线保护，主要保护功能配置为光纤分相电流差动主保护，相间接地距离及零序电流后备保护[2]。串抗未配置专用保护。

纵宝甲乙线光纤分相电流差动主保护，相间接地距离及零序电流后备保护均整定投入运行，零序电流定值为一次320A[3]。

本文旨在探讨纵宝线大容量串联电抗器内部故障的类型，各故障类型产生发展的机理及所配置电量保护对各型内部故障的反映动作情况，并通过此文促进大容量干式空心电抗器内部故障及保护的研究。

1串抗本体故障类型分析[4-8]

1.1匝间短路故障

若串抗某层出现部分匝间短路，该层有效通流匝数变少，该层电感量变小，阻抗变小，串抗总电流会增大，串抗其他众多并接的无故障层电流就要部分转移到该故障层，该故障层电流增大，且匝间短路初始形成的新电流通道狭窄而电阻大，匝间短路处发热多，温度更高，短路匝数进一步增多。上述过程恶性循环，最后该层剩余绕组会电击穿，发展成串抗上、下汇流架之间的短路故障。

1.2层间异物故障

若异物卡在两层之间，因阻碍散热且增加发热（异物为铁磁材质因涡流损耗而产生），导致异物接触到的局部包封材料温度升高，造成两层内部匝间短路或层间绕组短路（在异物能导电时出现），按上述2.3条匝间短路故障发展理论，最后可导致上下汇流架之间短路。

1.3多层绕组烧断故障

某层因故烧断，其余层电流会增加，且故障层发热导致相邻层包封及绝缘破坏，相邻层相继短路烧断，如此恶性循环，致使串抗所有层绕组烧断。

1.4同台串抗上、下汇流架之间短路故障

各包封层（包括假包封层）表面污秽、受潮、老化龟裂或过电压等综合因素可导致此故障。另包封层内匝间短路故障、层间短路故障可发展成此故障。

1.5层导线部分或全部烧断故障

若串抗某个包封层绕组出现横截面部分导线断裂，该包封层绕组通过的总电流不会因部分导线断裂而减小，剩余导电截面承载不变的该层总电流，该截面电流密度增大，因导电面积变小而电阻增大，如此发热增加，温度更高，该截面导线进一步熔化。上述过程恶性循环，直到该截面导线全部烧断。

2保护对串抗本体故障的动作分析[9-13]

为不重复陈述，对各分节共同的简化计算条件或符号意义交代如下：

1）为在抓住关键的前提下简化计算，在涉及串抗阻抗值时，忽略串抗的电阻，不考虑串抗层间互感，电气上认为串抗由20层电抗值相等的绕组并联而成，如此每层电抗值均为10.5欧姆×20=210欧姆。

2）因纵宝线近区系统强大，可假设单台串抗本体故障时纵江站、宝安站500千伏母线电压维持不变，故障相线路（包括串抗）阻抗角变化忽略不计。在此条件下计算出的零序电流会偏大，但对说明问题影响不大。

3）IA、IB、IC分别表示串抗故障前线路A、B、C三相相量电流，故IA+IB+IC=0；IA、IB、IC分别表示串抗故障后线路A、B、C三相相量电流；I0表示故障后线路零序相量电流；X1表示串抗故障前电抗值（10.5欧姆）；X2表示串抗故障后电抗值；△X=X1-X2表示串抗故障前后电抗减小量；Z1、Z2分别表示故障前、后A相线路正序阻抗。

4）r表示层电抗下降百分比，指匝间短路导致的层电抗下降值占该层原电抗值的百分比。在匝间异物故障时，将出现匝间短路的两层当成整体考虑，即两层的电抗值并联，r表示两层电抗并联值下降百分比。r的意义是匝间短路的严重程度。

5）单台串抗内部故障均指纵宝甲线A相两台中的一台。

6）根据线路参数实测结果，纵宝甲线带串抗的正序阻抗值为25.9欧姆，即Z1=25.9。

2.1保护对1.1条匝间短路故障的动作分析

根据本节上述的简化计算条件或符号意义交代可得：

│IA│×Z1=│IA│×Z2（1）

由（1）式可得：│IA│=Z1&pide;Z2×│IA│（2）

Z2≈Z1-△X=25.9-△X（3）

由（2）、（3）式及Z1=25.9可得：

│IA│≈25.9&pide;（25.9-△X）×│IA│（4）

层电抗下降量=210欧姆×r=210r欧姆层剩余电抗量=210-210r=210×（1-r）欧姆

故障后串抗电抗X2是19个健康绕组和一个故障绕组并联，即210欧姆&pide;19=11.05欧姆并联210×（1-r）即：

X2=[11.05×210×（1-r）]&pide;[11.05+210×（1-r）]（5）

△X=X1-X2=10.5-X2（6）

│I0│=│1/3×（IA+IB+IC）│（7）

将（4）（5）（6）式代入（7）式且IA+IB+IC=0、IB=IB、IC=IC可得：

│I0│=│1/3×[25.9&pide;（25.9-△X）×IA+IB+IC）│

=│1/3×（IA+IB+IC）+1/3×△X&pide;（25.9-△X）×IA│

=│1/3×△X&pide;（25.9-△X）×IA│

=1/3×（0.525+115.5r）&pide;（5724.67-5554.5r）×│IA│（8）

表1是根据（8）式计算出的在不同层电抗下降百分比r及不同负荷电流│IA│下的零序电流。

表1在不同层电抗下降百分比r及不同负荷电流│IA│下的零序电流

Table1Zero-sequencecurrentunderdifferentlayerreactance

reductionpercentageranddifferentloadingcurrent[IA]

注：第一行层电抗下降百分比，第一列负荷电流（单位A），其余数值零序电流（单位A）

通过对表1的数据等分析可知单层匝间短路故障保护动作等情况如下：

在层电抗下降百分比r一定情况下（即匝间短路严重性相同），线路负荷电流越大，则零序电流越大，两者成线性比例关系。在负荷电流一定条件下，层电抗下降百分比r越大（即匝间短路越严重），则零序电流越大。在r不超过90%，负荷电流不超过4000A时，零序电流保护肯定不动作。只有当匝间短路发展到上下汇流架电击穿导通短路时（即r取100%时），零序电流保护才可能但不一定动作。相间距离保护不动作。接地距离可仿零序电流保护分析，动作结论类似零序电流保护。光纤分相电流差动因保护范围内无新电流支路出现而不动作。

2.2保护对1.2条层间异物故障的动作分析

与2.1条相比，差别在于存在匝间短路的两层当成一个整体考虑，此处r表示两层电抗并联值下降百分比，同理分析可得：

│I0│=122.85r&pide;（3021.75-2842.35r）&pide;3×│IA│（9）

根据（？）式计算可得与表1类似的数据，对数据分析可知1.2条层间异物故障保护动作等情况同1.1条单层匝间短路故障保护动作等情况一样。

2.3保护对1.3条多层绕组烧断故障的动作分析

用n表示已烧断绕组的层数，余下（20-n）层健康绕组并联，即X’=210欧姆&pide;（20-n），同理分析可得：

│I0│=3.5n&pide;（518-15.4n）×│IA│（10）

表2在不同烧断层数及不同负荷电流下的零序电流

Table2Zero-sequencecurrentunderdifferentburnoff

layernumberanddifferentloadingcurrent

注：第一行烧断绕组层数，第一列负荷电流（单位A），其余数据零序电流（单位A）

通过分析表2数据等可知多层绕组烧断故障保护动作等情况如下：

在负荷电流一定时绕组烧断层数越多，则零序电流越大；在绕组烧断层数一定时，负荷电流越大，则零序电流越大。）在烧断的层数少及负荷电流小（n不超过9层或│IA│不超过1000A）时，零序电流保护肯定不动作；在负荷电流很大及烧断层数很多（如n不小于15层及│IA│不小于2000A）时，零序电流保护可能但不一定动作。距离保护因故障相阻抗增加不可能动作。光纤分相电流差动因保护范围内无新电流支路出现而不动作。

2.4保护对1.4条同台串抗上、下汇流架之间短路故障的动作分析

1.4条同台串抗上、下汇流架之间短路故障实际上是1.1条匝间短路故障r取100%的极限发展特殊情况，同理分析可得│I0│=0.23│IA│，若要│I0│大于零序电流定值320A，则│IA│大于1391A。故零序电流随负荷电流增大而增大；在负荷电流小于某个临界值时，零序电流保护肯定不动作；在系统足够强大紧密且负荷电流很大的情况下，零序电流保护可能而不是一定动作。光纤分相电流差动因保护范围内无新电流支路出现而不动作。相间距离保护肯定不动作；接地距离保护可仿零序电流保护分析，结论同零序保护。

2.5保护对1.5条层导线部分或全部烧断故障的动作分析

分两种情况。第一种情况是某一层绕组部分烧断，串抗对外电气参数未变，所有保护均不会反应动作。第二种情况是某一层绕组全部烧断，串抗20层并联降为19层并联，同理分析可得│I0│=6.67/1000×│IA│，即使│IA│取4000A，│I0│仅26.68A，零序保护不动作。距离保护因故障相阻抗增加不可能动作。光纤分相电流差动因保护范围内无新电流支路出现而不动作。

3结语

本文从发热、温升、电量变化等角度分析串抗内部各类型故障发生发展的机理。提出层电抗下降百分比、简化计算各型故障的电抗值变化量等思路，将电抗器故障严重程度量化为层电抗下降百分比及电抗值的变化量，又将电抗值变化量、线路负荷电流与线路的零序电流进行数量关联，定量分析所配置零序等保护的动作情况。总结所配置电量保护不可作为串抗内部故障的可靠灵敏保护。倡导对大容量干式空心电抗器的故障及保护做更多更深的研究。

参考文献：

[1]500kV纵宝线串联电抗器工程可行性研究报告[B].

Reportonpracticabilityresearchingof500kVZongbaoLinesseriesreactorengineering[B].

[2]500kV纵江站至宝安站双回线路保护设计图纸[B].

Protectiondesigndiagramfor500kVdoublecircuittransmissionlinesfromZongjiangsubstationtoBaoansubstation[B].

[3]500kV纵宝线保护定值通知单[B].

Protectionsettingvaluenoticelistsfor500kVZongbaotransmissionlines[B].

[4]张科，原会静，郭磊，王立楠.换流站交流滤波电抗器故障分析[J].PowerCapacitor&ReactivePowerCompensation，2013，34（1）：21-23.

ZHANGKe，YUANHuijing，GUOLei，WANGLinan.FaultanalysisofACfilteringreactoratpowerconvertingstation[J].PowerCapacitor&ReactivePowerCompensation，2013，34（1）：21-23.

[5]徐林峰.一起干式空心串联电抗器的故障分析[J].电力电容器与无功补偿，2008，29（2）：32-34.

XULinfeng.Faultanalysisofdry-typeair-coreseriesreactor[J].PowerCapacitor&ReactivePowerCompensation，2008，29（2）：32-34.

[6]李阳林，万军彪，黄瑛.10kV干式空心串抗电抗器故障原因分析[J].电力电容器与无功补偿，2011，32（3）：38-40.

LIYanglin，WANJunbiao，HUANGYing.Faultanalysison10kVdry-typeair-coreseriesreactor[J].PowerCapacitor&ReactivePowerCompensation，2011，32（3）：38-40.

[7]李禀坚.35kV干式空心并联电抗器运行故障分析[J].科技信息，2012，（27）：51-53.

LIBingjian.Operationfaultanalysisof35kVdry-typeair-coreshuntreactor[J].Science&TechnologyInformation，2012（27）：51-53.

[8]崔志刚.干式空心并联电抗器故障原因分析探讨[J].变压器，2012，49（3）：53-55.

CUIZhigang.Analysisanddiscussiononfaultindry-typeshuntreactorwithair-core[J].Transformer，2012，49（3）：53-55.

[9]黄彬.关于微机高压并联电抗器保护应用中几个问题的讨论[J].广西质量监督导报，2008，（10）：35-37.

HUANGBing.Discussiononseveralproblemsaboutmicrocomputerhigh-voltageshuntreactorprotectionapplication[J].GuangxiQualitySupervisionGuidePeriodical，2008，（10）：35-37.

[10]薛玉霞，赵强，杨玉林，柴书明，李卓平.干式电抗器保护方式探讨[J]，西北电力技术，2005，33（6）：21-23.

XUEYuxia，ZHAOQiang，YANGYulin，CAIShuming，LIZhuoping.Discussionondry-typereactorprotectionmode[J].NorthwestChinaElectricPower，2005，33（6）：21-23.

[11]郭香福，孟波.空心并联电抗器匝间短路故障电流及其过电流保护系统[J].变压器，2008，（11）：20-22.

GUOXiangfu，MENBo.Interturnshort-circuitfaultcurrentofair-coreshuntreactorandover-currentprotectionsystem[J].Transformer，2008，（11）：20-22.

[12]赵广平.干式电抗器保护方式探讨[J].铁道建筑技术，2008，（2）：41-43.

ZHAOGuangping.Discussionontheprotectionmodeofdry-typereactor[J].RailwayConstructionTechnology，2008，（2）：41-43.

[13]陈志伟.一起35kV串联电抗器短路故障分析及保护建议[J].电力电容器与无功补偿，2006，（03）：39-41.

CHENZhiwei.Analysisofone35kVseriesreactorshort-circuitfaultandprotectionsuggestion[J].PowerCapacitor&ReactivePowerCompensation，2006，（03）：39-41.