本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)檢測技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種干式空心電抗器匝間短路故障在線檢測方法。

背景技術(shù)：

干式空心電抗器具有起始電壓分布均勻、線性度好、損耗小、噪聲低、安裝方便、維護(hù)簡單等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)中，起到補(bǔ)償無功功率、限制短路電流、濾除高次諧波等作用，是電力系統(tǒng)重要電力設(shè)備之一。

由于工況嚴(yán)劣，干式空心電抗器事故頻發(fā)。統(tǒng)計(jì)表明，匝間短路故障發(fā)生次數(shù)占據(jù)干式空心電抗器故障總發(fā)生次數(shù)的50％以上，如果得不到及時(shí)排除，短路電流產(chǎn)生的局部高溫會(huì)直接將電抗器燒毀并造成停電事故，嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。因此有效檢測匝間短路故障是保證干式空心電抗器穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。

目前對(duì)干式空心電抗器匝間短路故障的診斷主要采用兩類方法，離線檢測方法和在線檢測方法。

離線檢測方法是從預(yù)防性試驗(yàn)的角度出發(fā)，定期對(duì)電抗器進(jìn)行匝間絕緣性能檢測，通過分析匝間絕緣性能及早發(fā)現(xiàn)匝間短路故障。離線檢測方法能夠保證設(shè)備在兩次試驗(yàn)期間正常運(yùn)行，但它存在以下主要問題：一是設(shè)備檢測期間由于停運(yùn)帶來會(huì)帶來很大的經(jīng)濟(jì)損失；二是離線檢測不能準(zhǔn)確反映設(shè)備運(yùn)行時(shí)的狀況；三是離線檢測中有些是破壞性試驗(yàn)，會(huì)縮短電抗器的使用壽命。

在線檢測方法主要有功率方向檢測法和磁場探測法。功率檢測法的主要原理是：干式空心電抗器正常運(yùn)行時(shí)，三相電壓或三相電流對(duì)稱，只有正序分量，沒有負(fù)序分量和零序；發(fā)生匝間短路故障時(shí)，三相電壓(電流)出現(xiàn)不對(duì)稱現(xiàn)象，此時(shí)可分解出零序和負(fù)序分量。根據(jù)該特點(diǎn)，通過檢測電抗器序電壓和序電流實(shí)現(xiàn)干式空心電抗器匝間短路故障檢測的方法被稱為功率方向檢測法，功率方向檢測法是實(shí)現(xiàn)電抗器匝間保護(hù)的重要手段，但對(duì)于少數(shù)匝短路，即輕微匝間短路，無法檢測，其缺點(diǎn)是靈敏度不足。而磁場探測法的原理是：干式空心電抗器由于其結(jié)構(gòu)呈上下對(duì)稱，因此正常運(yùn)行時(shí)其磁場分布也呈上下對(duì)稱的特性；當(dāng)發(fā)生匝間短路故障時(shí)，由于短路環(huán)中會(huì)產(chǎn)生很大的短路電流，引起電抗器局部磁場發(fā)生顯著變化，破壞了原來磁場分布的對(duì)稱性。根據(jù)此特點(diǎn)，通過在干式空心電抗器各包封外表面對(duì)稱位置成對(duì)安裝磁場探測線圈，通過探測線圈感應(yīng)電壓，提取磁場變化信號(hào)，判斷電抗器運(yùn)行狀態(tài)，達(dá)到匝間短路故障在線實(shí)時(shí)檢測的目的。該方法靈敏度高，在匝間短路故障的早期即可根據(jù)瞬態(tài)信號(hào)進(jìn)行預(yù)警，但是由于該方法需要在電抗器外包封繞制對(duì)稱放置的成對(duì)探測線圈，而對(duì)正在運(yùn)行中的電抗器，尤其是高壓端一側(cè)繞制探測線圈難度很大，可能會(huì)造成設(shè)備的不安全性隱患，因此，對(duì)現(xiàn)役電抗器該方法難以實(shí)施。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種干式空心電抗器匝間短路故障在線檢測方法，解決了現(xiàn)役干式空心電抗器匝間短路故障難以在線實(shí)時(shí)檢測的問題。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，一種干式空心電抗器匝間短路故障在線檢測方法，具體按以下步驟實(shí)施：

通過在線實(shí)時(shí)檢測運(yùn)行中電抗器等效電阻值的變化，根據(jù)運(yùn)行等效電阻的變化判斷電抗器是否發(fā)生匝間短路故障，并在發(fā)生匝間短路故障時(shí)給予報(bào)警。

本發(fā)明的特點(diǎn)還在于，

具體為：通過在線實(shí)時(shí)同步測量干式空心電抗器的端電壓和流過電抗器的電流，由對(duì)應(yīng)的電壓相量和電流相量的比值計(jì)算電抗器運(yùn)行等效阻抗，進(jìn)一步取等效阻抗的實(shí)部得到電抗器的運(yùn)行等效電阻，根據(jù)等效電阻值的變化判斷電抗器運(yùn)行狀態(tài)，并在發(fā)生匝間短路故障時(shí)給予報(bào)警。

具體為：在電抗器下出線端設(shè)置電壓探測線圈，在電抗器下出線臂上設(shè)置電流探測線圈檢測實(shí)時(shí)的電抗器電壓和電流，電壓和電流信號(hào)傳輸至實(shí)時(shí)監(jiān)控處理模塊，通過實(shí)時(shí)監(jiān)控處理模塊得到運(yùn)行等效電阻經(jīng)485協(xié)議的通訊電纜傳輸至計(jì)算機(jī)或上位機(jī)，計(jì)算機(jī)或上位機(jī)接收、存儲(chǔ)、顯示通訊數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)計(jì)算等效電阻值的變化判斷電抗器運(yùn)行狀態(tài)，并進(jìn)行預(yù)警。

實(shí)時(shí)監(jiān)控處理模塊內(nèi)設(shè)置有無線通信模塊，實(shí)時(shí)監(jiān)控處理模塊得到的數(shù)據(jù)信息依次通過ZigBee無線傳輸和485協(xié)議的通訊電纜傳輸至計(jì)算機(jī)或上位機(jī)。

電抗器上、下出線端均設(shè)置電壓探測線圈，電抗器上、下出線臂上均設(shè)置電流探測線圈檢測實(shí)時(shí)的電抗器電壓和電流。

具體按照以下步驟實(shí)施：

步驟1，對(duì)檢驗(yàn)合格的干式空心電抗器加載工頻正弦電壓u₀(t)，測得流過電抗器的穩(wěn)態(tài)電流i₀(t)，根據(jù)對(duì)應(yīng)的電壓相量和電流相量的比值，得到電抗器的等效阻抗Z_eq0，即：對(duì)等效阻抗取實(shí)部得到電抗器的等效電阻R_eq0，即：R_eq0＝Re[Z_eq0]；將R_eq0作為基準(zhǔn)值；

步驟2，在線實(shí)時(shí)同步測量運(yùn)行中的干式空心電抗器端電壓u(t)和流過電抗器的電流i(t)，根據(jù)對(duì)應(yīng)的電壓相量和電流相量計(jì)算電抗器運(yùn)行等效阻抗Z_eq，即然后對(duì)等效阻抗取實(shí)部得到電抗器的運(yùn)行等效電阻R_eq，即R_eq＝Re[Z_eq]；

步驟3，比較運(yùn)行等效電阻R_eq及等效電阻基準(zhǔn)值R_eq0，計(jì)算得到運(yùn)行等效電阻的變化值ΔR及其變化率e，即：ΔR＝R_eq-R_eq0，e＝ΔR/R_eq0；根據(jù)ΔR，e來判斷電抗器是否發(fā)生匝間短路故障；

步驟4，當(dāng)運(yùn)行等效電阻變化率e超出設(shè)定閾值時(shí)，進(jìn)行預(yù)警。

等效電阻的變化率e的設(shè)定閾值介于10％～25％。

本發(fā)明的有益效果是，本發(fā)明方法通過在線實(shí)時(shí)同步測量干式空心電抗器的端電壓和流過電抗器的電流，由對(duì)應(yīng)的電壓相量和電流相量的比值計(jì)算電抗器運(yùn)行等效阻抗，計(jì)算其與設(shè)定的基準(zhǔn)值的變化率e，當(dāng)發(fā)生e超過相應(yīng)設(shè)定閾值時(shí)，啟動(dòng)電抗器匝間短路故障的預(yù)警、報(bào)警動(dòng)作，同時(shí)通過485通訊協(xié)議傳遞數(shù)據(jù)到遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)，進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和進(jìn)一步診斷等操作。該方法可靠性、實(shí)時(shí)性高，對(duì)電抗器結(jié)構(gòu)和安全性能無損，適合高壓、超高壓工況下服役的干式空心電抗器運(yùn)行健康狀態(tài)的在線監(jiān)控。

附圖說明

圖1是本發(fā)明方法的工作流程示意圖；

圖2是本發(fā)明所采用的在線監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是干式空心電抗器匝間短路位置示意圖；

圖4是本發(fā)明實(shí)施例2所采用的在線監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是本發(fā)明實(shí)施例3所采用的在線監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中，1.電抗器本體，2.電壓探測線圈，3.電流探測線圈，4.電抗器出線臂，5.計(jì)算機(jī)或上位機(jī)，6.485協(xié)議的通訊電纜，7.實(shí)時(shí)監(jiān)控處理模塊，8.無線信號(hào)發(fā)射器，9.無線信號(hào)接收器。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。

本發(fā)明提供了一種干式空心電抗器匝間短路故障在線檢測方法，通過在線實(shí)時(shí)同步測量干式空心電抗器的端電壓和流過電抗器的電流，由對(duì)應(yīng)的電壓相量和電流相量的比值計(jì)算電抗器運(yùn)行等效阻抗，進(jìn)一步取等效阻抗的實(shí)部得到電抗器的運(yùn)行等效電阻，根據(jù)等效電阻值的變化判斷電抗器運(yùn)行狀態(tài)，達(dá)到匝間短路故障在線實(shí)時(shí)檢測的目的。具體按照以下步驟實(shí)施：

步驟1，對(duì)檢驗(yàn)合格的干式空心電抗器加載工頻正弦電壓u₀(t)，測得流過電抗器的穩(wěn)態(tài)電流i₀(t)，根據(jù)對(duì)應(yīng)的電壓相量和電流相量的比值，得到電抗器的等效阻抗Z_eq0，即：進(jìn)一步，對(duì)等效阻抗取實(shí)部得到電抗器的等效電阻R_eq0，即：R_eq0＝Re[Z_eq0]；將R_eq0作為基準(zhǔn)值。

電抗器等效電阻基準(zhǔn)值R_eq0為對(duì)電抗器生產(chǎn)廠家出廠檢驗(yàn)合格的電抗器加載工頻正弦電壓，在電路達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，根據(jù)電抗器電壓相量和電流相量計(jì)算的電抗器等效電阻。

步驟2，在線實(shí)時(shí)同步測量運(yùn)行中的干式空心電抗器端電壓u(t)和流過電抗器的電流i(t)，根據(jù)對(duì)應(yīng)的電壓相量和電流相量計(jì)算電抗器運(yùn)行等效阻抗Z_eq，即然后對(duì)等效阻抗取實(shí)部得到電抗器的運(yùn)行等效電阻R_eq，即R_eq＝Re[Z_eq]。

電抗器電壓相量為電壓有效值相量，其大小為電抗器端電壓u(t)的有效值，角度為電抗器端電壓u(t)的初相角，若以端電壓為參考相量，則初相角取為0°。

電抗器電流相量為電流有效值相量，其大小為流過電抗器電流i(t)的有效值，角度為流過電抗器電流i(t)的初相角，以端電壓為參考相量時(shí)，該電流初相角可以反映電抗器阻抗的阻抗角。

電抗器運(yùn)行等效電阻R_eq為運(yùn)行中的電抗器，在線測得電抗器端電壓和流過電抗器的電流，根據(jù)對(duì)應(yīng)的電壓相量和電流相量計(jì)算的電抗器等效電阻。

步驟3，比較運(yùn)行等效電阻R_eq及等效電阻基準(zhǔn)值R_eq0，計(jì)算得到運(yùn)行等效電阻的變化值ΔR及其變化率e，即：ΔR＝R_eq-R_eq0，e＝ΔR/R_eq0；根據(jù)ΔR，e來判斷電抗器是否發(fā)生匝間短路故障。

本發(fā)明的方法的工作原理，如圖1所示，通過在線同步測量干式空心電抗器端電壓和流過電抗器的電流，根據(jù)對(duì)應(yīng)的電壓相量和電流相量計(jì)算電抗器的運(yùn)行等效電阻R_eq，以電抗器等效電阻R_eq0為基準(zhǔn)，根據(jù)運(yùn)行等效電阻的變化ΔR及其變化率e來判斷電抗器運(yùn)行狀態(tài)和匝間短路故障出現(xiàn)的特征位置，達(dá)到匝間短路故障在線實(shí)時(shí)監(jiān)測目的，是一種有效且易于實(shí)施的電抗器匝間短路故障在線監(jiān)測方法。

等效電阻的變化率e的設(shè)定閾值通常介于10％～25％，當(dāng)發(fā)生e超過相應(yīng)設(shè)定閾值時(shí)，啟動(dòng)預(yù)警、報(bào)警動(dòng)作，也可根據(jù)實(shí)際服役環(huán)境和靈敏度要求對(duì)e調(diào)整修正。也可通過485通訊協(xié)議傳遞數(shù)據(jù)到遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)，通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和操作。

本發(fā)明所采用的在線監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，如圖2所示，工作過程如下：

1)電抗器電壓波形信號(hào)及其波形采用電壓互感器原理通過電壓探測線圈2結(jié)構(gòu)獲取，通常設(shè)置于電抗器下部的接地出線端附近。

2)電抗器電流信號(hào)及其波形的采用CT電流互感器原理通過電流探測線圈3結(jié)構(gòu)獲取，通常設(shè)置于電抗器下部的接地出線端臂(即電抗器出線臂4)上。

3)電抗器的電壓信號(hào)、電流信號(hào)同時(shí)接入實(shí)時(shí)監(jiān)控處理模塊7中，通過實(shí)時(shí)監(jiān)控處理模塊7中的DSP單片機(jī)采樣和波形對(duì)比計(jì)算，得到實(shí)時(shí)的電抗器電壓u(t)和流過的電流i(t)，計(jì)算對(duì)應(yīng)的電壓相量和電流相量得到電抗器運(yùn)行等效阻抗Z_eq，即然后將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)阻抗Z_eq通過485協(xié)議通訊電纜6傳送到遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)或上位機(jī)5。

4)485協(xié)議的通訊電纜6主要配合實(shí)時(shí)監(jiān)控處理模塊7進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的可靠傳送，通常根據(jù)使用條件，可以采用485協(xié)議的電纜傳輸或者ZigBee無線傳輸+電纜傳輸。

5)計(jì)算機(jī)或上位機(jī)5用于接收、存儲(chǔ)、顯示通訊數(shù)據(jù)，同時(shí)根據(jù)等效電阻基準(zhǔn)值R_eq0實(shí)時(shí)計(jì)算等效電阻的變化值ΔR及其變化率e，根據(jù)e來判斷電抗器是否發(fā)生匝間短路故障。基于數(shù)據(jù)庫的統(tǒng)計(jì)分析給出設(shè)備工作正常的信息或者設(shè)備發(fā)生匝間短路前期進(jìn)行預(yù)警動(dòng)作。

實(shí)施例1：

干式空心電抗器，容量4.4kVar、額定電壓110V、額定電流40A以及額定電感8.76mH，工作頻率為50Hz。探測線圈的設(shè)置同圖2所示。

在電抗器1靠近接地端的底部設(shè)置電壓探測線圈2、出線臂上設(shè)置電流探測線圈3，采用實(shí)時(shí)監(jiān)控處理模塊7中的電壓-電流采樣單片機(jī)進(jìn)行采樣，計(jì)算得到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)阻抗Z_eq通過485協(xié)議的通訊電纜6傳送到遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)5。

首先在電抗器正常運(yùn)行狀態(tài)下，實(shí)時(shí)監(jiān)控測得電抗器在工頻下的等效電阻為：0.225Ω＝225mΩ，即將該值作為電抗器等效電阻的基準(zhǔn)值。

在電抗器中出線匝間短路故障時(shí)，即內(nèi)部有一個(gè)或若干個(gè)自行閉和的短路環(huán)生成，短路層匝數(shù)也隨之改變，由于電抗器由多層線圈并聯(lián)構(gòu)成，因此，當(dāng)發(fā)生小匝數(shù)短路時(shí)其等效電感值變化微小，而電抗器的等效電阻卻變化顯著。

在本實(shí)施例中，如圖3所示，當(dāng)單匝匝間短路位置在距離電抗器中部分別為0、2H/10、3H/10、4H/10、5H/10時(shí)，相應(yīng)的不同位置發(fā)生匝間短路時(shí)的等效電阻監(jiān)測值如表1所示。

表1不同位置發(fā)生匝間短路故障時(shí)電抗器的等效電阻Z_eq及其變化率

表1所示，電抗器正常狀態(tài)下，等效電阻值為225mΩ，電抗器不同部位發(fā)生單匝匝間短路故障時(shí)，其等效電阻Z_eq變化率發(fā)生顯著變化，減小了23％～40％，越靠近電抗器中部，這種變化率越顯著。

設(shè)定等效電阻Z_eq變化率閾值為20％，一旦其變化率超越該閾值Z_eq即可判斷電抗器正在發(fā)生匝間短路故障，并準(zhǔn)確予以報(bào)警。

實(shí)施例2：

干式空心電抗器，容量1000kVar、額定電壓10kV、額定電流173A、額定電感106mH，工作頻率為50Hz。探測線圈的設(shè)置同圖4所示。

在電抗器1靠近接地端的底部設(shè)置電壓探測線圈2、出線臂上設(shè)置電流探測線圈3，采用實(shí)時(shí)監(jiān)控處理模塊7中的電壓-電流采樣單片機(jī)進(jìn)行采樣，實(shí)時(shí)監(jiān)控處理模塊7內(nèi)設(shè)置有無線通信模塊，計(jì)算得到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)阻抗Z_eq通過ZigBee協(xié)議由無線信號(hào)發(fā)射器8傳輸?shù)綗o線信號(hào)接收器9，其中無線信號(hào)發(fā)射器8到無線信號(hào)接收器9的距離不超過50m。然后由無線信號(hào)接收器9通過485協(xié)議的通訊電纜6遠(yuǎn)距離傳送到遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)5進(jìn)行進(jìn)一步存儲(chǔ)處理，從而在電抗器工作側(cè)實(shí)現(xiàn)高電壓隔離。

在本實(shí)例中，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下電抗器的等效電阻為27Ω，設(shè)定等效電阻Z_eq的變化率報(bào)警閾值為20％，一旦其變化率超越該閾值Z_eq即可判斷電抗器正在發(fā)生匝間短路故障。

實(shí)施例3：

干式空心電抗器，額定電壓35kV、額定容量5000kVA、額定電流247A、額定電感260mH，工作頻率為50Hz。探測線圈的設(shè)置同圖5所示。

在電抗器1上、下接線臂附近位置各自設(shè)置電壓探測線圈2的雙探測模塊(雙回路并行工作，用于提高在線監(jiān)控的可靠性)，采用實(shí)時(shí)監(jiān)控處理模塊7中的DSP單片機(jī)進(jìn)行各自的電壓-電流信號(hào)采樣，各自計(jì)算得到的2路實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)阻抗Z_eq通過ZigBee協(xié)議由無線信號(hào)發(fā)射器8傳輸?shù)綗o線信號(hào)接收器9。然后由無線信號(hào)接收器9通過485協(xié)議的通訊電纜6遠(yuǎn)距離傳送到遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)5進(jìn)行進(jìn)一步存儲(chǔ)處理，從而在電抗器工作側(cè)實(shí)現(xiàn)高電壓隔離。

在本實(shí)例中，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下電抗器的等效電阻為76Ω，設(shè)定等效電阻Z_eq的變化率報(bào)警閾值為15％，一旦其變化率超越該閾值Z_eq即可判斷電抗器正在發(fā)生匝間短路故障。