干式空心電抗器匝間短路在線監(jiān)測系統(tǒng)研制

高自偉 +朱學成+王永紅+莊羽

摘要：針對干式空心電抗器匝間短路故障后引起電流變化小，故障監(jiān)測困難的問題，設計了一種基于阻抗變化量的匝間短路在線監(jiān)測系統(tǒng)。數(shù)值解析了在不同位置發(fā)生匝間短路故障后電抗器等值電阻與等值電抗的變化量，理論分析了基于諧波分析和準同步算法的監(jiān)測方法。硬件以單片機為數(shù)據(jù)處理和邏輯控制的核心，對電抗器電壓與電流信號進行數(shù)據(jù)采集。軟件利用上述監(jiān)測方法計算出阻抗變化量后，上傳給計算機，實現(xiàn)對匝間短路故障的監(jiān)測。對設計的在線監(jiān)測系統(tǒng)進行了試驗驗證。研究結(jié)果表明：干式空心電抗器發(fā)生匝間短路后等值電阻增加，等值電抗減小，其中等值電阻變化更明顯。試驗結(jié)果驗證了該監(jiān)測方法的正確性和監(jiān)測系統(tǒng)的可行性。

關(guān)鍵詞：干式空心電抗器；匝間短路；阻抗變化量；在線監(jiān)測

DOI：1015938/jjhust201702013

中圖分類號： TM47

文獻標志碼： A

文章編號： 1007-2683（2017）02-0067-05

Abstract：The change of current value caused by turntoturn short circuit of drytype aircore reactor is so little that failure detection is difficult to be carried out In order to solve this problem， a new online monitoring system based on impedance variation of turntoturn short circuit is proposed The numerical method is applied to analyze the variation of equivalent resistance and equivalent reactance when drytype aircore reactor winding short circuit happens in different places， and the monitoring method based on harmonic analysis method and quasisynchronization sampling method is analyzed by theory The hardware system， which takes singlechip microcomputer as the core of data processing and logic control， completes data acquisition of voltage signal and current signal of the reactor In the respect of software design， the impedance variation will be uploaded to the PC after it has been calculated by using the above monitoring method， and then monitoring of turntoturn short circuit fault will be realized Finally， the design of online monitoring system is studied by testing The research result shows that， the equivalent resistance increases and the equivalent reactance decreases when turntoturn short circuit occurs， and the variation of equivalent resistance is more obvious than equivalent reactance The experiment results prove that this monitoring method is true and the online monitoring system is feasible

Keywords：drytype aircore reactor；turntoturn short circuit；impedance variation；online monitoring

0引言

干式空心電抗器具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、體積小、線性好、損耗低、維護方便等優(yōu)點，在電力系統(tǒng)中運用日益廣泛[1-2]。隨著干式空心電抗器長時間的使用，其故障發(fā)生率居高不下，大量資料和實際運行情況表明，干式空心電抗器燒毀的原因主要是線圈匝間短路故障[3-8]。

目前，對干式空心電抗器的保護大多都采用過流保護的方式[9-10]。此外，也有文獻采用溫度監(jiān)測的方法[11-13]。過流保護一般整定15～2倍額定電流，對外部相間短路和單相電抗器首末端短路可以有效的保護。由于電抗器匝間短路后電流小于過流保護的整定值，過流保護不能啟動，造成電抗器嚴重燒毀，甚至發(fā)生著火燃燒。干式空心電抗器線圈采用環(huán)氧玻璃絲纏繞，匝間短路后溫升變化緩慢，采用溫度監(jiān)測方法也不能及時發(fā)現(xiàn)故障。

本文解析了干式空心電抗器發(fā)生匝間短路故障時等值電阻與等值電抗的變化量，在此基礎上，設計了一種基于阻抗變化量的匝間短路在線監(jiān)測系統(tǒng)，并通過試驗驗證了可行性。

1匝間短路電抗器阻抗變化量

11等效電路與解析方法

干式空心電抗器是若干支路并聯(lián)的組合，各支路有直流電阻、自感和互感。假設N層并聯(lián)線圈的第m層發(fā)生匝間絕緣故障，在該處匝間絕緣故障還沒有將第m層繞組燒斷以前，其電路模型如圖1所示[5]。

12阻抗值及其變化量

本文以一臺型號為CKDGKL-25/10-1干式空心電抗器為樣品，其具體參數(shù)見表1：

當干式空心電抗器發(fā)生匝間短路故障時，分別計算了其不同位置（設電抗器高度為變量H，頂部、H/4處、H/2處）總電流、等值電阻與等值電抗的變化量，具體結(jié)果見表2。

從表2中可以看出，發(fā)生匝間短路故障時，干式空心電抗器總體電流變大，但變化量很??；等值電阻增加，增加范圍是261%～152%；在等值電抗減少，減少范圍是012%～043%。

2監(jiān)測方法的研究

21諧波分析方法

本文采用諧波分析方法計算電抗器的阻抗值，設被測干式空心電抗器的電壓、電流信號分別為：

22準同步算法

以上分析均是建立的完整周期采樣條件下進行的，但是在實際中，并不能保證采樣周期是完整的周期，這樣就會帶來很大的誤差，本文采用準同步算法減小誤差[14-15]。它是在周期偏差|Δ|不太大的情況下，通過適當增加采樣數(shù)據(jù)和采用新的數(shù)據(jù)處理方法來獲得某一周斯函數(shù)平均值的高準確度估計的算法。以求取周期信號函數(shù)f（t）的平均值為例。

常用的求積公式有復化矩形、復化梯形和復化辛普森求積公式三種，其中復化梯形求積公式收斂速度最快[16]。

以上就是準同步算法的基本原理。采樣值與對應的權(quán)系數(shù)的乘積的和便是所求的平均值。對于確定的數(shù)值求積公式、采樣周期和采樣個數(shù)，權(quán)系數(shù)可以預先計算出來。為了提高系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)的速率和確保系統(tǒng)的準確度，本文選用復化梯形求積公式，采樣周期的個數(shù)為3，每周期采樣點個數(shù)為100[17]。權(quán)系數(shù)如圖2所示。

3總體方案及硬件組成

對運行的電抗器，電力系統(tǒng)現(xiàn)場有電壓互感器和電流互感器獲得電抗器的電壓與電流信號。但獲取的信號不能直接滿足測量系統(tǒng)的要求，需要進行處理。電壓信號經(jīng)精密電壓互感器二次分壓，電流信號經(jīng)電流互感器二次分流，然后接入信號調(diào)理電路進行濾波、放大，調(diào)理后的信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器的進行兩路同步采集得到數(shù)字信號，以89C55單片機作為核心，控制A/D轉(zhuǎn)換器，進行數(shù)據(jù)采集，將采集數(shù)據(jù)放入數(shù)據(jù)存儲器里，利用諧波分析法和準同步算法對數(shù)據(jù)進行運算，最后將運算所得結(jié)果R與X通過串口通信的方式上傳至上位機進行顯示，存儲等處理。

根據(jù)總體方案，整體硬件框圖如圖3所示。二次分壓與分流選用型號為HPT205ATN電壓互感器和HCT204ATN電流互感器，兩者精密等級均為01%[18]。模/數(shù)轉(zhuǎn)換器選用了MAXIN公司生產(chǎn)的同步數(shù)據(jù)采集芯片MAX125，它是一款高速、多通道數(shù)據(jù)采集芯片。內(nèi)部帶有一個14位，轉(zhuǎn)換時間為3μs的逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，同時還有4個采樣/保持電路，一共可以有8路輸入信號，最多可以對4路信號進行同步采集[19-20]

4軟件設計

41單片機程序

在線監(jiān)測系統(tǒng)選用C語言對單片機程序進行編寫，程序流程圖如圖4所示。包括初始化、數(shù)據(jù)采集與存儲、數(shù)值計算、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋?/p>

系統(tǒng)通電，對單片機定時器與串行口進行初始化，打開中斷，進行采集數(shù)據(jù)，把采集數(shù)據(jù)寫入片外RAM里的數(shù)據(jù)，并對采集數(shù)據(jù)進行運算，得到電抗器的等值電阻與等值電抗，將電抗器的阻抗值發(fā)送至上位機，進行顯示等進一步處理。

42上位機程序

在線監(jiān)測系統(tǒng)選用Visual Studio是為開發(fā)環(huán)境，MFC為開發(fā)工具對上位機程序進行了編寫，匝間短路在線監(jiān)測系統(tǒng)界面如圖5所示。

系統(tǒng)采用了模塊化思想，包括連接、初始化、故障監(jiān)測、電阻監(jiān)測值、電阻變化量、電抗監(jiān)測值和電抗變化量等部分。分別實現(xiàn)了串口通信、電抗器理論計算阻抗值寫入、報警閾值和報警次數(shù)設定，對運行電抗器監(jiān)測值及阻抗變化量的顯示，以及監(jiān)測數(shù)據(jù)的存儲等功能。

5試驗研究

試驗使用文中所述電抗器，將電抗器最外層包封環(huán)氧玻璃絲剝開直至露出第7層線圈鋁導線，然后把導線外包繞的聚酯薄膜剔除，將裸露的兩匝導線之間塞進細銅絲來模擬實際的匝間短路故障進行試驗。試驗電路如圖6所示。

由于電抗器額定電壓為61 V，與電力系統(tǒng)現(xiàn)場電壓互感器額定電壓值100/〖KF（〗3〖KF）〗 V基本一致，因此可以省略電壓互感器，采用調(diào)壓器升壓方式的便可以得到試驗允許電壓；而電抗器電流為42 A，遠大于電力系統(tǒng)現(xiàn)場電流互感器額定電流值5 A，所以需外加一級電流互感器才能得到試驗允許電流。試驗所用調(diào)壓器參數(shù)見表3，電流互感器參數(shù)見表4。

根據(jù)所選電抗器和試驗設備，搭建試驗平臺。在電抗器工作在額定電壓的情況下進行了試驗，測得電抗器的等值電阻與等值電抗，試驗結(jié)果見5。

從表5中可以看出，電抗器在不同位置發(fā)生匝間短路時，阻抗值與理論分析的變化規(guī)律一致且變化量大小也基本相同，進而驗證了監(jiān)測方法的正確性，以及在線監(jiān)測系統(tǒng)具有較高的準確度。

6結(jié)論

本文對匝間短路干式空心電抗器阻抗變化量及其在線監(jiān)測系統(tǒng)進行了研究，得到如下結(jié)論：

干式空心電抗器發(fā)生匝間短路后等值電阻增加，等值電抗減小，其中等值電阻變化更明顯；試驗結(jié)果表明阻抗變化量理論計算值與監(jiān)測值相一致，論證了在線監(jiān)測方法的正確性，以及在線監(jiān)測系統(tǒng)具有較高的準確度。

參 考 文 獻：

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（編輯：王萍）