本发明属于单相电抗器过电压防护与匝间短路保护技术领域，特别是涉及到一种干式空心并联电抗器组保护取样电路及其应用和保护方法。
背景技术
目前，干式空心并联电抗器被广泛应用于电力系统的无功功率补偿。但是在应用中，干式空心并联电抗器会因为匝间短路导致造成单相电抗器烧毁甚至发生着火事故。
根据补偿需求，干式空心并联电抗器组会经常投切，投切过电压是造成匝间绝缘击穿从而引发匝间短路的主要原因之一。匝间短路故障后流过单相电抗器的电流变化非常小，过流保护不能动作。
为了减少匝间绝缘击穿事故发生，有必要对过电压进行防护。常用的投切过电压防护电路包括在电抗器两端并联避雷器、并联阻容吸收电路或两者组合使用。但是这些防护电路不能对单相电抗器匝间短路故障进行保护。
干式空心并联电抗器采用单相制造，三相y型连接构成并联电抗器组，中性点不接地。为解决过流保护不能动作问题，ieeestdc37.109《并联电抗器保护规范》中建议在中性点接一台变压器来提取电压信号，通过测量中性点电压变化进行保护。由于中性点电压偏移受系统电压不平衡影响，ieeestdc37.109《并联电抗器保护规范》建议通过电压互感器获得的三相电压信号差异来消除。由于单相电抗器匝间短路后，干式空心并联电抗器组的中性点电压变化也非常小，因此这种保护电路及其方法并没有被推广应用。
因此现有技术当中亟需要一种新型的技术方案来解决这一问题。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是：提供一种干式空心并联电抗器组保护取样电路及其应用和保护方法，用于解决现有技术中干式空心并联单相电抗器投切过电压对匝间绝缘破坏以及匝间短路后过流保护不动作的技术问题。
干式空心并联电抗器组保护取样电路，用于中性点不接地干式空心并联电抗器组的过电压吸收及电压电流信号取样，包括单相电抗器、断路器、低压电流互感器、吸收电阻、吸收电容、取样电容、高频保护电阻以及双向瞬态抑制二极管，
所述单相电抗器的一端通过断路器与母线连接，单相电抗器的另一端在中性点n处y型连接，单相电抗器与中性点n连接的引线外部套装有低压电流互感器；所述低压电流互感器的一端为输出端用于提取流过单相电抗器的工频电流信号，低压电流互感器的另一端与中性点n连接；所述中性点n不接地；所述吸收电阻、吸收电容和取样电容依次串联连接后与单相电抗器并联连接；所述高频保护电阻和双向瞬态抑制二极管串联后与取样电容并联连接。
所述母线为三相母线，每相母线均连接有单相电抗器、断路器、低压电流互感器、吸收电阻、吸收电容、取样电容、高频保护电阻以及双向瞬态抑制二极管，并且连接方式一致。
干式空心并联电抗器组保护取样电路的应用，应用于中性点不接地干式空心并联电抗器组的保护系统。
所述中性点不接地干式空心并联电抗器组的保护系统，包括干式空心并联电抗器组保护取样电路和取样信号处理装置，
所述取样信号处理装置用于将干式空心并联电抗器组保护取样电路发送的三相工频电压信号usa、usb与usc，以及流过单相电抗器的电流信号isa、isb和isc通过放大、滤波以及运算，获得单相电抗器的阻性电流测量值，并在阻性电流测量值超过设定的阈值条件下，发出匝间短路故障警报。
所述取样信号处理装置包括两大部分：一部分包括信号前处理单元、a/d转换器、数字信号处理单元和串口光纤转换器ⅰ；另一部分包括串口光纤转换器ⅱ；
所述信号前处理单元用于完成电压及电流信号的放大和滤波，信号前处理单元的信号输入端与干式空心并联电抗器组保护取样电路连接，信号前处理单元的信号输出端与a/d转换器的信号输入端连接；所述a/d转换器用于将三相工频电压与电流信号转化成数字量；所述数字信号处理单元的信号输入端与a/d转换器的信号输出端连接，数字信号处理单元的信号输出端与串口光纤转换器ⅰ连接，数字信号处理单元通过对数字量运算得到阻性电流值和感性电流值；所述串口光纤转换器ⅰ用于将电信号转化成光信号，串口光纤转换器ⅰ通过光纤与串口光纤转换器ⅱ连接；所述串口光纤转换器ⅱ用于将接收到的光信号转换成电信号并输出至报警装置。
中性点不接地干式空心并联电抗器组的保护系统的保护方法，利用所述的中性点不接地干式空心并联电抗器组的保护系统，所述方法包括以下步骤，
步骤一、分别计算并获得干式空心并联电抗器组保护取样电路中与三相母线a相、b相和c相连接的吸收电容值、取样电容值以及吸收电阻值，选取额定电压大于工频电压信号幅值的双向瞬态抑制二极管，干式空心并联电抗器组保护取样电路发送三相工频电压信号usa、usb与usc，以及流过单相电抗器的电流信号isa、isb和isc给信号前处理单元；
步骤二、信号前处理单元接收干式空心并联电抗器组保护取样电路发送的三相工频电压信号usa、usb与usc，以及流过单相电抗器的电流信号isa、isb和isc，对各信号放大和滤波；
步骤三、a/d转换器将滤波后的信号转换为数字信号；
步骤四、数字信号处理单元按照设定的采样间隔采集步骤三中的数字信号，按照阻性电流公式以及分流比进行运算，获得阻性电流测量值并传输至报警装置；
步骤五、相邻两个阻性电流测量值中后一阻性电流测量与前一阻性电流测量值的差值超过设定的阈值，报警装置发出匝间短路故障警报。
所述步骤一中计算并获得与各相母线连接的吸收电容值、取样电容值以及吸收电阻值的方法为：
设定首开相为a相，b相和c相为后开相，后开相的计算方法与首开相一致，
与a相连接的单相电抗器在忽略阻尼影响条件下的截流过电压最大值公式为：
其中u0为工频电压的幅值，i0为截流值，la为与a相连接的单相电抗器等值电感值，
设定截流过电压最大值，获得电容c的值；
所述电容c为吸收电容csa与取样电容cva的串联值，计算公式为：
工频电压分压关系式为：
其中，
通过吸收电容csa和取样电容cva的公式：
cva＝kuac
获得吸收电容csa和取样电容cva的值；
设定相位偏差φ，根据
所述步骤四中a相的阻性电流公式为：
其中，aua为电压信号的虚部，aia为电流信号的虚部，bua为电压信号的实部，bia为电流信号的实部，虚部和实部的值均通过积分运算获得；
a相低压电流互感器的分流关系公式为：
其中，ia为流过a相单相电抗器的电流；isa为a相低压电流互感器输出电流信号；kia为低压电流分压器的额定分流比；
由a相的阻性电流公式获得的阻性电流值乘以a相低压电流互感器的分流比，获得a相的阻性电流测量值；
b相和c相的阻性电流测量值获得方法与a相一致。
中性点不接地干式空心并联电抗器组的保护系统的保护装置，包括：
第一获得模块、用于获得与三相母线a相、b相和c相连接的吸收电容值、取样电容值以及吸收电阻值；
第二获得模块、用于获得放大和滤波后的电压信号以及电流信号；
第三获得模块、用于获得电压数字信号以及电流数字信号；
第四获得模块、用于获得单相电抗器的阻性电流测量值；
报警模块、用于发出匝间短路故障警报。
通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：
本发明以中性点为参考电位，通过干式空心并联电抗器组保护取样电路用于过电压吸收与工频电压取样，实现对投切过电压的防护，同时提取单相电抗器的电压信号。通过低压电流互感器提取流过单相电抗器的电流信号，结合各单相电抗器的电压信号，计算阻性电流和感性电流。由于中性点对地要求高绝缘水平，测量结果通过光纤进行传送来满足绝缘要求。
以中性点为参考电位提取电压与电流信号，解决了中性点不接地干式空心并联电抗器组中性点电压降落大，严重影响阻性电流测量的问题。
本发明用于降低中性点不接地干式空心并联单相电抗器投切过电压水平，同时有效发现匝间短路故障，避免着火事故发生。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明：
图1为本发明干式空心并联电抗器组保护取样电路及其应用和保护方法中干式空心并联电抗器组保护取样电路的电路图。
图2为本发明干式空心并联电抗器组保护取样电路及其应用和保护方法中取样信号处理装置的结构框图。
图3为本发明干式空心并联电抗器组保护取样电路及其应用和保护方法中过电压防护等值电路图。
图中1-干式空心并联电抗器组保护取样电路、2-取样信号处理装置、201-信号前处理单元、202-a/d转换器、203-数字信号处理单元、204-串口光纤转换器ⅰ、205-串口光纤转换器ⅱ、206-报警装置。
具体实施方式
如图1所示，干式空心并联电抗器组保护取样电路1为过电压吸收及电压电流信号取样电路，包括分别标识为a、b、c的三相母线，每相母线均连接有断路器、单相电抗器、吸收电阻、吸收电容、取样电容、高频保护电阻、双向瞬态抑制二极管以及低压电流互感器并且连接方式一致，
所述单相电抗器的一端为高压端，该高压端通过断路器与母线连接，单相电抗器的另一端在中性点n处y型连接，中性点n不接地；所述吸收电阻、吸收电容和取样电容依次串联连接后与单相电抗器并联连接；所述高频保护电阻和双向瞬态抑制二极管串联后与取样电容并联，从双向瞬态抑制二极管两端得到三相工频电压信号；所述低压电流互感器以中性点为参考电位，用于提取流过各相单相电抗器的工频电流信号，低压电流互感器套装在单相电抗器与中性点n连接的引线外部，低压电流互感器的一端为输出端用于提取流过单相电抗器的工频电流信号，低压电流互感器的另一端与中性点n连接；
中性点不接地干式空心并联电抗器组的保护系统，包括干式空心并联电抗器组保护取样电路1和取样信号处理装置2。
所述取样信号处理装置2用于将干式空心并联电抗器组保护取样电路1发送的三相工频电压信号usa、usb与usc，以及流过单相电抗器的电流信号isa、isb和isc通过放大、滤波以及运算，获得单相电抗器的阻性电流测量值，并在阻性电流测量值超过设定的阈值条件下，发出匝间短路故障警报。
如图2所示，所述取样信号处理装置2包括两大部分：一部分包括信号前处理单元201、a/d转换器202、数字信号处理单元203和串口光纤转换器ⅰ204；另一部分包括串口光纤转换器ⅱ205；
所述信号前处理单元201用于完成电压及电流信号的放大和滤波，信号前处理单元201与a/d转换器202连接；所述a/d转换器202用于将三相工频电压与电流信号转化成数字量，a/d转换器202与数字信号处理单元203连接；所述数字信号处理单元203与串口光纤转换器ⅰ204连接，数字信号处理单元203通过对数字量运算得到阻性电流和感性电流值；所述串口光纤转换器ⅰ204用于将电信号转化成光信号，通过光纤与串口光纤转换器ⅱ205连接；所述串口光纤转换器ⅱ205用于将接收到的光信号转换成电信号，经串口与报警装置206连接；所述报警装置206用于完成数据存储、人机交互、匝间短路故障的评定及警报。
所述串口光纤转换器ⅰ204与串口光纤转换器ⅱ205的通信方式为串行通信。
所述a/d转换器202为六路同步采集转换器。
一、电路原理
通过单相电抗器的电压与电流关系，可以将流过单相电抗器的电流分成感性电流和阻性电流。近年来研究发现，干式空心并联单相电抗器匝间短路后，感性电流几乎不发生变化，阻性电流增大两倍以上，可以通过阻性电流变化来判断匝间短路故障。在电力系统的电路中，通过电流互感器ct能获得流过各单相电抗器的电流信号，通过电压互感器pt能获得相电压信号。由于干式空心并联电抗器组中性点不接地，三台单相电抗器阻抗差异及三相电压不平衡使中性点形成电压降落，造成相电压与施加在电抗器上的电压形成相位差，它远大于电抗器的损失角。所以，不能利用来自电压互感器pt的电压信号来区分阻性电流。
本发明所涉及的中性点不接地单相电抗器组保护电路原理如图1与图2所示，图1为干式空心并联电抗器组保护取样电路，包括过电压吸收及电压电流信号取样电路，图2为取样信号处理装置的结构框图，用于阻性和感性电流测量。
图1中，a、b与c标识为三相母线，cba、cbb与cbc为断路器，la、lb与lc为三台单相电抗器。每相单相电抗器高压端通过断路器与母线连接，另一端在中性点n处y型连接，中性点n不接地，为中性点不接地单相电抗器组在电力系统中的接线方式。
图1中，rsa、rsb与rsc为吸收电阻，csa、csb与csc为吸收电容，cva、cvb与cvc为取样电容，rpa、rpb与rpc为高频保护电阻，tva、tvb与tvc为双向瞬态抑制二极管。高频保护电阻远小于信号前处理单元201的输入阻抗，工频电压降落可以忽略，选取额定电压为工频电压信号幅值1.2倍的双向瞬态抑制二极管，各相的吸收电阻、吸收电容和取样电容串联连接，与单相电抗器并联连接，为过电压吸收电路，同时从取样电容得到工频电压信号。高频保护电阻和双向瞬态抑制二极管串联后，与取样电容并联，防止建立在取样电容上的高幅值过电压信号进入测量系统，从双向瞬态抑制二极管两端得到三相工频电压信号usa、usb与usc。
图1中，cta、ctb、ctc为低压电流互感器，它们也以中性点为参考电位，用于提取流过各相单相电抗器的工频电流isa、isb与isc信号。
三相工频电压信号和电流信号提供给图2所示的阻性和感性电流测量系统，该系统包括两大部分：一部分包括信号前处理单元201、a/d转换器202、数字信号处理单元203和串口光纤转换器ⅰ204等单元，它们以中性点为参考电位。信号前处理单元201完成电压与电流信号放大与滤波；a/d转换器202采用六路同步采集转换器，将三相工频电压与电流信号转化成数字量；数字信号处理单元203通过对数字量运算得到阻性电流值和感性电流值；数字信号处理单元203的串口与串口光纤转换器ⅰ204连接，将电信号转化成光信号，通过串行通信的方式传递。另一部分包括串口光纤转换器ⅱ205和报警装置206，以大地为参考电位。串口光纤转换器ⅱ205将接收到的光信号转换成电信号，经串口提供给报警装置206。报警装置206完成数据存储、人机交互和报警等功能。两大部分通过光纤进行数据传递，同时起绝缘作用，解决参考电位不同问题。
二、过电压防护原理
(1)过电压防护等值电路
图1中的吸收电阻、吸收电容和取样电容构成过电压防护电路。包含断路器、单相电抗器、吸收电阻、吸收电容及取样电容组成的过电压防护等值电路如图3所示，图中：ua、ub与uc为系统三相源，cla、clb与clc为三台单相电抗器等值电容，la、lb与lc为三台单相电抗器等值电感，rla、rlb与rlc为三台单相电抗器等值电阻。
(2)过电压产生原理
干式空心并联单相电抗器从属于感性部件，投切过电压主要在截断时产生。截断单相电抗器时，产生的过电压类型分截流过电压和复燃过电压两种。复燃过电压是在截流过电压基础上产生的，截流过电压幅值越小，复燃过电压幅值就越小。因此，本发明仅从截流过电压抑制的角度讨论过电压产生与防护原理。
由于三相电流相位相差120°，切断单相电抗器组时会有一相单相电抗器先开断，为首开相；首开相断开后，其它两相承受线电压，会同时开断，为后开相。后开相开断时，单相电抗器上的电压为相电压的
假设a相为首开相，开断后a相单相电抗器两端工频电压降落为0，没有吸收电阻、吸收电容及取样电容防护时，单相电抗器的截流过电压u的电压方程为：
电流会在电压峰值附近截断，设工频电压的幅值u0，截流值为i0，方程(1)的解为阻尼振荡波形：
式(2)表达式中电压波形的振荡角频率ω1、衰减系数δ1和初相位φ1分别为：
式(2)截流过电压的最大值为：
忽略阻尼影响时，式(3)截流电压最大值简化为：
(3)过电压防护原理
有吸收电阻、吸收电容及取样电容构成的防护电路时，令电容c为吸收电容csa与取样电容cva的串联值：
电容c远大于单相电抗器等值电容，吸收电阻远小于单相电抗器的等值电阻，a相单相电抗器上的电压方程为：
方程的解仍为阻尼振荡波：
式(7)表达式中电压波形的振荡角频率ω2、衰减系数δ2和初相位φ2为：
式(7)截流过电压的最大值为：
忽略阻尼影响时，式(8)截流过电压最大值简化为：
对比式(3)与式(8)发现，吸收电容值远大于单相电抗器原来的等值电容，有效抑制了截流过电压水平，吸收电阻也适当提高了阻尼效果。
3、匝间短路保护原理
(1)取样原理
工频电压下，吸收电阻、吸收电容和取样电容构成分压器，在取样电容端得到电压信号。以a相为例，ω为工频角频率，
式(10)可见，电压信号与单相电抗器上的电压存在相位偏差φ，电压信号滞后：
为了实现准确测量，必须保证相位偏差φ足够小到不影响测量准确度的程度，此时分压关系可以简化成：
流过各单相电抗器的电流信号使用低压电流互感器获得，设ia为流过a相单相电抗器的电流，kia为分流比，分流关系为：
输出端都以中性点为参考电位，各相输出电流分别为isa、isb和isc，
(2)阻性与感性电流计算方法
a相单相电抗器提取的电压信号和电流信号分别表示成：
以上两式中：aua为电压信号的幅值，aia为电流信号的幅值，
电压与电流的初相位分别为：
阻性电流公式为：
感性电流公式为：
上述分析可见，只要得到电压信号和电流信号的实部和虚部值，阻性电流和感性电流就可以计算出来。计算的阻性电流和感性电流乘以分流比，得到流过实际单相电抗器的阻性电流和感性电流。
电压与电流信号经过a/d转换后变成离散的数字信号，由附图2中的数字信号处理单元203完成上述计算。若在一个周期t内取采集n个数据，采样间隔为：
k为数据个数，实部和虚部由离散化的表达式进行计算：
(3)预警方法
干式空心并联单相电抗器发生匝间短路后，阻性电流变化量一般会超出100％。可以通过式(20)和分流比计算阻性电流测量值，对阻性电流按照采样间隔连续测量，当相邻两个阻性电流测量值中后一测量值大于前一测量值的2倍时确认发生匝间短路故障，报警装置206发出匝间短路故障报警。
4、电路参数取值方法
图1中吸收电容、取样电容和吸收电阻参数取值按以下步骤进行：
①、根据单相电抗器额定电压、断路器截流值、单相电抗器等值电感和限定过电压水平，通过式(9)确定出电容c值；
②、联合电容c与吸收电容与取样电容的关系式(5)及工频电压分压关系式(12)，可以进一步计算吸收电容cs和取样电容值cv；
③、限定相位偏差φ，根据式(11)确定阻尼电阻值rs。