1引言

   目前，66 kV及以下等级并联电抗器的 95％以 上为干式空心电抗器，它们在平衡网络无功及维持 系统电压稳定方面发挥着重要的作用。但是干式空 心并联电抗器，其继电保护与故障后及时跳闸问题 一直是难以解决的问题。虽然并联电抗器装有电流 速断保护和过流保护，但从经常出现的事故情况看， 干式空心并联电抗器大多数绕组的内部故障，都是 在发现浓烟之后采取手动操作，才将故障电抗器切 除，而这时整台电抗器已经被烧得很严重了。因此， 笔者从干式空心电抗器基本设计原理出发，分析干 式空心并联电抗器出现匝间短路时阻抗以及工作电 流的变化规律，同时探讨了过流保护对绕组内部故 障保护效果较差的具体原因，并提出相关建议。

2千式空心电抗器的基本结构与计算模型

    干式空心电抗器绕组采用多层圆筒式同轴绕组 并联连接结构。每层圆筒式绕组内径和外径两侧由 环氧树脂和玻璃纤维包封，称为电抗器的一个绕组 包。每个绕组包内部又是 2层～5层同轴圆筒式绕组(称为绕组层)的紧密并联。各绕组层承担相同的电 压，但根据绕组导线截面的大小和温升均匀的原则 分布不等的电流。因此，从电气原理上，空心电抗器 是若干个并联电感支路的组合，各支路间还有与自 电感数量级相同的互感。 根据这种绕组型式，对于含有 Ⅳ层绕组的干式 空心电抗器，以相电压为基准相量时，各并联支路的 复电流 、复阻抗  以及互感电抗  ，之间的关系 满足以下方程： ZI=U (1) 其中，z- 『】 I= l2… l ￡，-【 ：：： ]二 Ⅳ 假定Ⅳ层并联绕组的第 m层出现匝间短路，在 该短路故障尚未将第 m层绕组融化开断以前，其电 路模型如图 1所示。 与正常情况的计算模型相比，除了第  层匝数 减少并分为拉开一定间距的两段串联绕组外，电路 上还增加了一个由电阻 RM 和电感 Ⅳ+。形成的闭合 回路，此闭合回路通过互感  川 与其他各并联电感支路发生联系。方程中的未知数增加了复电流，Ⅳ+ ， 根据 KVL定律，闭合回路方程如下： N (RM1+jm 1)k1+  joJMi，M1 =0 (2) ／=1 将式(2)填补到式(1)的第 Ⅳ+1行，便得出了第 m层绕组出现匝间短路时的电流分布方程。用计算 机解此方程，便很容易确定短路环中的电流、各并联 支路的有功电流、无功电流以及电抗器在电压保持 不变条件下总的复电流和复阻抗。

3并联电抗器匝间短路后阻抗的变化

    笔者以66kV、2OMVA并联电抗器为例，对匝间 短路所引起的阻抗变化进行了计算。66kV、20MVA 干式空心并联电抗器额定电压为 38kV，额定电流为 525A，额定阻抗为 72．56Q。绕组设计有 1 1个并联绕 组包 ，每个绕组包内有 2层～4层并联绕组层，总并 联层数为 36层。各并联绕组层的缠绕匝数为 367 匝-492．1匝，总体上，由里向外各层匝数随着缠绕 直径的增大而逐渐减小。电抗器外直径为 2 967mm， 绕组净高为 2 860mm，绕组本体重量约 1It。 笔者用仿真xxxx对该台电抗器进行了多种 匝间短路故障的分析计算，求出电抗器在相电压保 持不变条件下的电流变化幅度，并由此换算出阻抗 的变化，结果见表 1。需要注意的是，在一个绝缘事 故中，多匝短路是单匝短路发展的结果，最初因匝间 短路故障而直接形成的单匝短路环，由于温度剧烈 上升而引起相邻线匝绝缘失效并相继短路，相邻各 短路环显然是并联成一个整体。因此，本文中虽然在 表述上用“第 X-XX匝”，似乎一个短路环内部有多 匝串联，但在计算中处理为一个由多匝并联的单个 短路环，这个环的横截面轴向尺寸(宽度)为各单匝 轴向尺寸之和。 由表 1可知，匝间短路后电抗器阻抗的降低量 不仅与短路匝的匝数有关，还与故障的位置有关。故障出现在绕组中部时对总电流和阻抗的影响较大。 如果短路故障出现在某一绕组层的两端或里侧边缘 层，总电流和阻抗的变化相对较小。 由表 1数据还可看出，在由数十层匝数为数百 匝的并联绕组所组成的大容量并联电抗绕组中，某 一层绕组因匝间短路出现一两匝的短路环后，电抗 器阻抗的变化是很小的。即使短路故障发展到5、6 匝，阻抗变化也仍然只有几个百分点。这种微小的阻 抗变化量不及母线电压的正常波动范围，显然不能 使流过电抗器的相电流增加到过流保护的整定值。 只有在故障绕组层短路掉 17．3％-38．8％(视故障位 置而定)以上的匝数时，阻抗才会发生较大幅度的变 化，降低到正常值的57％以下。

4不对称故障电流变化与过流保护范围

    干式空心电抗器为单相设计，每三台相同的电 抗器构成一个三相组。A、B、C三相通常按品字形安 装在一个三角形平面上，各相之间有足够的距离，从 而使相间的磁耦合可以忽略不计。除了用于静态无 功补偿装置(Svc)的相控电抗器(TCR)以外 ，66kV 及以下等级的并联电抗器通常采用中性点不接地的 Y形接线。当单相电抗器出现匝间短路等绝缘故障 引起三相阻抗不平衡时，没有零序电流通路，在正序 电流增大之外，只出现负序电流和中性点电位的飘 移。这使得故障相电流增大的比例与该相阻抗降低 的比例并不相等。作为示例，表 2给出了一相电抗器 阻抗因匝间短路等故障降低时各相电流的变化情 况由表 2数据可以看出，当电抗器故障使阻抗降 低到正常值的50％以下时，该相电抗器电流才达到 常态工作电流的 1．5倍以上，而此时非故障相电流 仅仅增加到 1．15倍。如果要使非故障相电流增大到 1．5倍以上，故障相阻抗需要降低到正常值的ll％ 以下。 目前，干式空心电抗器过流保护系统的检测方 式有两类。 一类方式是只在 A、C两相装设互感器，B相不 检测。当B相出现故障时，由其他两相电流的增大 来反映B相故障，启动过流继电器。采用这种接线 方式时，延时 0．5s的过流保护整定值大多为 1．4倍～ 1．5倍。由表 2可以看出，按 1．4倍整定，如故障发生 在不装互感器的B相，那么B相故障使阻抗降低到 18％时才可能启动过流继电器，而此时故障绕组的 匝数已经短路掉59．8％-73．8％(见表 1)；按 1．5倍整 定，如故障发生在没有互感器的 B相，那么 B相故 障使阻抗降低到 1 1％时才可能启动过流继电器，而 此时故障绕组的匝数已经丢失70．5％-81．3％(见表 1)。这就是说，该层绕组的绝大部分已经被短路掉。 根据经验，一旦一层绕组故障发展到这种程度，电抗 绕组绝大部分绕组层都将遭到破坏，使干式电抗器 整体上失去了修理价值。 另一类方式是A、B、C三相全部安装互感器，分 别检测三相电流，过流保护延时0．5s，整定值为额定 电流的 1．5倍。由表 2可以看出，采用这种三相电流检测时，过流保护的启动时机是故障相阻抗降低到 50％。此时故障绕组的匝数仅剩余 55．3％~76．9％(见 表 1)。根据经验，一旦一层绕组的故障发展到这种 程度，该绕组包以外的其他邻近绕组包也已经出现 不同程度的破坏。虽然动作较迟，但与两台互感器的 接线方式相比，事故破坏程度还是明显要好些，相比 之下值得采用。 任意两相线端或引线之间的短路都会在 A相 或 C相上出现大倍数的短路电流。因此，A、C两相 检测与 A、B、C三相检测对这种外部相间短路的保 护效果的确没有差异，都可以按保护要求动作。对于 单相首末端之间的短路，故障相电流增大到 3倍，非 故障相也将达到或接近 1．73倍(见表2)。因此，当过 流保护整定值小于 1．7倍时，两台互感器与三台互 感器的不同配置方式都能按期望启动保护装置。

5结论

    无论是装设两台互感器还是三台互感器，目前 应用的过流保护对外部相间短路和单相电抗器首末 端之间的短路均有理想的保护效果。由于干式空心 电抗器并联层数较多，单层出现匝间短路故障时阻 抗变化不够显著。另外，由于中性点不接地，单相阻 抗降低时电流不能成反比地增大，因此，可靠系数为 1．4～1．5的过流保护系统，本质上不能实现对绕组内 部故障的保护。 对于电抗器绕组内部故障而言，采用三相电流 互感器接线的过流保护虽然动作时机较晚，但与两 相互感器的接线相比，在灵敏性和保护范围上有明 显优势，在没有其他更灵敏的保护时，还是值得提倡 的。 为抑制绕组内部匝间短路故障的破坏范围，减 小故障损失，建议对干式空心并联电抗器增加 IEEE 保护导则推荐的负序保护或裂相横差保护。