干式空心電抗器匝間短路在線監(jiān)測方法研究

南方電網(wǎng)玉溪供電局 羅康順 王庸道 史玉清 何鵬 張學(xué)敏

0 引言

在電力系統(tǒng)中，電抗器能夠?qū)o功功率進(jìn)行補(bǔ)償，對(duì)短路電流起到限制作用以及濾除高次諧波，是電力系統(tǒng)的重要電力設(shè)備之一。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)，因此，從20世紀(jì)80年代開始，國內(nèi)就開始使用進(jìn)口干式空心電抗器，1990年左右國內(nèi)廠家也陸續(xù)研制出國產(chǎn)的干式空心電抗器產(chǎn)品。

鑒于干式空心電抗器匝間短路故障的高發(fā)性和危害性，90年代左右國內(nèi)外就開展了針對(duì)電抗器匝間短路故障的研究。與相同電壓等級(jí)的其他設(shè)備相比較，其出現(xiàn)故障的概率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出，并且60%以上的故障是由于匝間短路所導(dǎo)致的。一般的電抗器保護(hù)措施對(duì)于匝間短路故障存在靈敏度低等問題，因此探究一種靈敏度較高的空心電抗器匝間短路故障監(jiān)測方法，在電抗器發(fā)生匝間短路故障初期及時(shí)報(bào)警、及時(shí)從系統(tǒng)中切除十分必要。

1 電抗器匝間短路動(dòng)態(tài)物理過程分析

干式空心電抗器從正常工作到匝間短路故障形成可分為三個(gè)階段：正常工作期、匝間短路故障早期以及匝間短路故障期。

在正常工作期，電抗器每層線圈匝與匝之間為串聯(lián)連接，電流同向，如圖1(a)所示，第k匝與第k+1匝中的電流方向相同。根據(jù)安培力定律，匝與匝呈相互吸引狀態(tài)[1]，良好的匝間絕緣保障匝間不會(huì)出現(xiàn)匝間短路故障。

當(dāng)匝間絕緣出現(xiàn)破損的時(shí)候，在電磁力的作用下，絕緣破損處的金屬導(dǎo)線將會(huì)發(fā)生相互接觸，進(jìn)而形成短路環(huán)，由電磁感應(yīng)定律不難得出，短路環(huán)中會(huì)產(chǎn)生與原線圈電流方向相反且幅值遠(yuǎn)大于原線圈電流的感應(yīng)電流，如圖1(b)所示。發(fā)生匝間短路后，第k匝成為短路環(huán)，此時(shí)，電磁力作用會(huì)使短路環(huán)與其相鄰線匝相互排斥。因此，在匝間短路最初，短路點(diǎn)處的相鄰線匝會(huì)出現(xiàn)碰撞、分離的重復(fù)過程，稱之為匝間短路故障早期。

相鄰匝觸碰時(shí)形成的短路環(huán)中感應(yīng)電流會(huì)使短路點(diǎn)附近出現(xiàn)局部高溫，致使匝間絕緣損傷加重，一般情況下該過程會(huì)持續(xù)相當(dāng)長的一段時(shí)間。隨著故障的惡化，短路點(diǎn)形成和分離的頻次逐漸增加，最終金屬導(dǎo)線熔化黏結(jié)到一起，此時(shí)進(jìn)入匝間短路故障期，形成穩(wěn)定的短路環(huán)，其中的感應(yīng)大電流持續(xù)產(chǎn)生熱量，加速絕緣老化，致使匝間短路范圍迅速擴(kuò)大，乃至燒毀電抗器。

圖1 干式空心電抗器的線圈匝電流

2 匝間短路下干式空心電抗器的模型

綜合分析各種研究，不難得出這樣的結(jié)論，引起干式電抗器事故的主要因素，是匝間短路。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)干式空心電抗器匝間短路狀態(tài)的在線監(jiān)測，需對(duì)其匝間故障狀態(tài)下的電氣參數(shù)進(jìn)行分析。

在工頻電壓下，干式空心并聯(lián)電抗器可以由各線圈的自感、互感和導(dǎo)線電阻等效。干式空心并聯(lián)電抗器為多包封多層線圈并繞結(jié)構(gòu)，以層為單位，建立的等值電路如圖2所示。干式空心電抗器匝間絕緣在高場、高溫的作用下會(huì)發(fā)生絕緣老化，隨著匝間絕緣的老化，線圈內(nèi)部會(huì)形成短路環(huán)，這里稱為匝間短路故障[2]。由此可見，干式空心電抗器在發(fā)生匝間絕緣老化時(shí)，故障層線圈可以分成兩部分：短路匝構(gòu)成第n+1個(gè)支路，剩余匝構(gòu)成第i個(gè)支路。

圖2 干式空心并聯(lián)電抗器等值電路

3 匝間短路電抗器阻抗變化量

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(shè)N層并聯(lián)線圈的第 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3所示[3]。

圖3 干式空心電抗器匝間短路故障的等效電路

與正常情況的計(jì)算模型相比，除了第 層匝數(shù)減少并分為兩段串聯(lián)繞組外，電路上還增加了一個(gè)由電阻RN+1和電感LN+1形成的閉合回路，此閉合回路通過互感Mi,N+1與其他各并聯(lián)電感發(fā)生聯(lián)系。各支路電壓組成的電壓方程組如下：

式(1)和式(2)化為n+1個(gè)方程的方程組，有n+1個(gè)電流變量，利用Matlab軟件可以求解出干式空心電抗器外施電壓為時(shí)，電抗器各支路電流將各個(gè)支路的電流代數(shù)求和，可以得到流經(jīng)電抗器的整體電流根據(jù)歐姆定律可以得出等值電阻R與等值電抗x。

4 匝間短路監(jiān)測的原理

從磁場的角度著手研究干式空心電抗器匝間短路故障在線監(jiān)測方法。首先，對(duì)干式空心電抗器匝間短路故障后磁場進(jìn)行研究，觀察分析其分布的變化特性，并研究磁場的監(jiān)測方法，然后在數(shù)據(jù)采集設(shè)備從實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕喜杉鎸?shí)監(jiān)測信號(hào)的基礎(chǔ)上，分析監(jiān)測信號(hào)的基本特性，并建立監(jiān)測信號(hào)的數(shù)學(xué)模型，最后對(duì)監(jiān)測信號(hào)的處理方法進(jìn)行研究探討。干式空心電抗器發(fā)生匝間短路故障后，電抗器產(chǎn)生的磁場較正常狀態(tài)會(huì)發(fā)生變化，如圖4所示。

圖4 正常態(tài)和故障態(tài)下干式空心電抗器的磁場分布

圖4中(a)、(b)分別表示在橫縱坐標(biāo)系下，同一個(gè)通電線圈正常狀態(tài)和匝間短路狀態(tài)下磁場的分布情況。正常狀態(tài)下，線圈的磁場分布關(guān)于橫軸對(duì)稱[4]，如圖4(a)所示。發(fā)生匝間短路故障時(shí)，磁場分布關(guān)于橫軸不再對(duì)稱，即磁場分布發(fā)生畸變，如圖4(b)所示。

磁場發(fā)生畸變的原因在于匝間短路狀態(tài)下，短路環(huán)反向電流產(chǎn)生的磁場會(huì)削弱原有的磁場，匝間短路故障使干式空心電抗器磁場分布出現(xiàn)了關(guān)于橫軸不對(duì)稱的現(xiàn)象。因此，判斷干式空心電抗器是否發(fā)生匝間短路故障的問題就轉(zhuǎn)化為判斷電抗器磁場在空間上分布是否對(duì)稱的問題，磁場測量方法是判斷磁場空間分布是否對(duì)稱的關(guān)鍵。

要測量磁場，首先是要選擇磁敏元件[5]，然后用一定的數(shù)學(xué)關(guān)系將磁場信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)（如電壓），最后通過儀器顯示出來。

5 結(jié)語

文中對(duì)電抗器匝間短路動(dòng)態(tài)物理過程、匝間短路下干式空心電抗器的模型、匝間短路電抗器阻抗變化量、匝間短路監(jiān)測的原理進(jìn)行分析，為干式空心電抗器匝間短路在線檢測系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供實(shí)際依據(jù)。