超高压并联电抗器匝间短路的阻抗特性分析与灵敏识别方法

《Protection and Control of Modern Power Systems》：Impedance Characteristic Analysis and Sensitive Identification Method for Inter-Turn Short Circuits of Ultra-High Voltage Shunt Reactors

　　

超高压并联电抗器匝间短路检测因故障特征微弱而具有挑战性。本文建立了精确的三段式故障模型，并首次推导了短路相等效电阻（R_eq）作为短路匝比（α）和过渡电阻（R_k）函数的显式解析表达式。该模型揭示了特定的R_eq变化规律：金属性故障时随α单调递减，而过渡电阻故障时呈现非单调特性。基于这些认识，提出了一种创新性识别方法。其核心创新在于基于理论驱动的灵活阈值（R_set）计算，该计算仅依赖于所推导的R_eq=f(α,R_k)函数及用户自定义参数（最小可检测α_min和最大可容忍R_{k_max}），从而减少了对经验值的依赖。仿真结果验证了所提模型和方法，证明其与传统零序方法相比，尤其在带过渡电阻的小匝数匝间短路情况下具有更优的灵敏度和准确性。这为实际故障检测提供了坚实的理论基础。

超高压并联电抗器是电力系统的重要设备，用于补偿线路电容电流、抑制工频及操作过电压，并优化输电线路的电磁暂态特性。然而，其内部故障特别是匝间短路，因故障特征微弱而难以检测。当短路匝数占比极小（如1%及以下）时，三相电流不平衡度极低，常规继电保护装置难以动作，且电流差动保护对这类相内故障不敏感。已有识别方法包括基于电感变化、三相不平衡度、零序分量等方法，但均对小匝数带过渡电阻的匝间短路故障灵敏度不足，甚至失效。因此，研究适用于微小匝间短路的高灵敏识别方法具有重要意义。

研究人员在《Protection and Control of Modern Power Systems》上发表的论文，针对上述问题开展了深入研究。首先，通过分析电抗器绕组线圈的电磁耦合关系，将多匝线圈集中等效为电阻-电感支路，并建立了包含短路匝与非短路匝的三段式匝间短路故障模型。基于该模型，首次推导了短路相等效电阻（R_eq）关于短路匝比（α）和过渡电阻（R_k）的显式解析表达式R_eq=f(α,R_k)。理论分析表明，金属性故障时R_eq随α单调递减；过渡电阻故障时R_eq随α呈先增后减的非单调变化，且极值点可通过偏导数计算。基于此，提出了一种基于短路相等效电阻变化量的匝间短路识别方法。该方法的核心创新在于阈值R_set的理论化计算，仅需用户设定最小可检测短路匝比α_min和最大可容忍过渡电阻R_{k_max}，即可通过遍历由f(α,R_k)生成的等效电阻矩阵离线计算出保护阈值，摆脱了对经验值的依赖。仿真结果验证了模型和方法的正确性，与传统零序法相比，该方法在小匝比过渡电阻故障下具有更高的灵敏度和准确性。

在关键技术方法方面，研究人员主要采用了以下方法：基于电磁耦合分析建立电抗器绕组的三段式集中等效模型；利用基尔霍夫电压电流定律推导短路相的等效阻抗表达式；在理论推导的基础上，利用MATLAB/Simulink搭建了超高压并联电抗器匝间短路仿真模型，通过对比理论计算与仿真结果验证模型精度；采用全波傅里叶算法提取三相电压电流基波相量，计算等效电阻测量值；与基于零序功率方向、零序阻抗和零序电流启动的传统零序保护方法进行对比分析；并从线圈匝数动态变化、测量误差与噪声、绕组耦合系数、不同铁心结构、高过渡电阻五个方面进行了适应性分析。

研究结果方面，首先验证了仿真模型的准确性。在正常运行、金属性匝间短路（R_k=0Ω）及过渡电阻匝间短路（R_k=3Ω）工况下，仿真与理论计算的故障相电流最大误差为0.139%，证明了三段式故障模型和等效阻抗表达式的正确性。其次，分析了等效阻抗特性：短路相等效电阻R_eq在不同故障条件下均显著升高，而等效电抗（X_eq）、阻抗模值（|Z|）和功率因数（cosφ）的变化相对微弱。例如，对于小匝比过渡电阻故障（α=0.1%，R_k=3Ω），R_eq从正常值2Ω升至3.3538Ω，增幅168%；而X_eq和|Z|与正常值2016Ω基本相同。因此，选用R_eq作为故障特征量。进一步，通过仿真比较了所提方法与零序法在不同故障条件下的动作表现。结果表明，在所有测试的金属性和过渡电阻故障工况下，所提方法的等效电阻均超过设定阈值，可靠动作；而零序法在小匝比过渡电阻故障时因零序电流达不到启动阈值而拒动。适应性分析显示，考虑线圈匝数动态变化时，所提方法在过渡电阻故障下比传统方法动作速度快200ms以上；在测量误差（线性误差±5%、零漂±0.5Ω）和噪声（金属性故障SNR≥50dB，过渡电阻故障SNR≥70dB）下仍能准确识别；当绕组耦合系数低至0.6时，等效电阻仍上升至正常值的2倍以上；不同铁心结构（C型与EI型）对结果影响小于0.1%；当过渡电阻增大至100Ω时，1%匝间短路等效电阻仍为正常值3倍以上。这些结果表明该方法具有良好的适应性。

讨论部分指出，该方法的实际优势在于离线理论计算阈值，逻辑清晰，易于工程实现。与传统的零序方法相比，显著提高了小匝比和过渡电阻故障下的识别灵敏度与精度。研究结论可归纳为：本文研究了超高压并联电抗器匝间短路的阻抗特性，并提出了一种基于相等效电阻R_eq监测的识别新方法。主要贡献与创新如下：第一，建立了匝间短路的三段式数学模型，首次推导了短路相等效电阻R_eq关于短路匝比α和过渡电阻R_k的显式解析表达式，量化了R_eq与关键故障参数的关系；第二，分析了不同故障条件下等效电阻R_eq、电抗X_eq、阻抗模值|Z|和功率因数cosφ的变化规律，发现R_eq变化最为显著，并揭示了金属性故障时R_eq随α单调递减、过渡电阻故障时随α先增后减的规律；第三，提出了一种基于R_eq的匝间短路识别方法，其核心实用优势在于基于理论模型离线计算精确的保护阈值R_set，以理论模型替代经验依赖，显著提高了小匝比和过渡电阻故障下的识别灵敏度与准确性，比传统零序方法更具实用性。