干式鐵芯電抗器匝間短路故障檢測(cè)與定位方法

馬志欽　王守明　楊賢　蔡玲瓏　朱東柏

摘 要：針對(duì)現(xiàn)有匝絕緣檢測(cè)方法無法解決鐵心電抗器匝間耐壓試驗(yàn)問題，提出了基于變頻諧振技術(shù)鐵心電抗器匝間絕緣檢測(cè)手段及匝間短路故障定位方法。該方法利用高壓補(bǔ)償電容器與試品電抗器串聯(lián)，通過調(diào)節(jié)變頻裝置輸出頻率使電抗器線圈發(fā)生諧振，提高電抗器匝間耐受電壓達(dá)到匝絕緣考核目的。通過仿真與理論推導(dǎo)對(duì)試驗(yàn)回路方案、匝間短路電流估算進(jìn)行詳細(xì)分析，得出匝間短路會(huì)導(dǎo)致回路幅頻特性出現(xiàn)明顯電壓失諧特征，并以此作為鐵芯電抗器匝絕緣缺陷檢測(cè)判據(jù)。同時(shí)，提出一種檢測(cè)鐵芯電抗器線圈周圍磁場(chǎng)變化量的匝絕緣缺陷位置檢測(cè)的方法，通過磁場(chǎng)分布仿真模型驗(yàn)證了缺陷定位可行性。

關(guān)鍵詞：鐵芯電抗器;匝絕緣;變頻諧振;缺陷定位

DOI：10.15938/j.jhust.2020.06.009

中圖分類號(hào)： TM47

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 1007-2683（2020）06-0063-07

Research on the Detection and Location Method of Turn Short

Circuit Fault of Dry-type Iron Core Reactor

MA Zhi-qin1， WANG Shou-ming2， YANG Xian1， CAI Ling-long1， ZHU Dong-bai2

（1.Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Corporation， Guangzhou 510600， China;

2.School of Electrical and Electronic Engineering， Harbin University of Science and Technology， Harbin 150080）

Abstract：To solve the problem of turn to turn withstand voltage test of existing iron core reactor， this paper proposes the turn to turn insulation detection method and short circuit fault location method based on frequency conversion resonance technology. In this method， the high-voltage compensation capacitor is connected in series with the reactor of the test object， and the resonance occurs in the reactor coil by adjusting the output frequency of the varied frequency converter， so as to improve the turn to turn withstand voltage of the reactor and achieve the purpose of turn insulation assessment. Through simulation and theoretical derivation， the test circuit scheme and the estimation of turn to turn short circuit current are analyzed in detail， and it is concluded that the turn to turn short circuit will cause obvious voltage detuning in the amplitude frequency characteristics of the circuit， which is used as the detection criterion of turn insulation defects in iron core reactors. At the same time， a method of detecting the defect position of turn insulation by detecting the magnetic field variation around the core reactor coil is proposed. The feasibility of defect location is verified by the simulation model of magnetic field distribution.

Keywords：iron core reactor; turn insulation; frequency tuned resonance; defect location

0 引 言

鐵芯電抗器由于具有體積小、漏磁少、損耗小、安全性高等特點(diǎn)在電網(wǎng)無功補(bǔ)償、抑制工頻過電壓、高壓電機(jī)啟動(dòng)等場(chǎng)合中得到越來越多的應(yīng)用。然而由于制造工藝、材料缺陷或運(yùn)行中的過電壓破壞等，會(huì)導(dǎo)致絕緣損壞[1-2]，燒毀電抗器線圈，許多故障的直接原因是由于匝絕緣擊穿短路造成的[3-4]，因而有必要找到一種鐵芯電抗器線圈匝絕緣缺陷定位的方法，事先通過試驗(yàn)定位匝絕緣缺陷，制定合理的運(yùn)維檢修策略，提高供電可靠性。

目前的匝絕緣脈沖振蕩試驗(yàn)技術(shù)主要適用于空心電抗器檢測(cè)[5-8]，鐵芯電抗器由于繞組對(duì)地電容大，采用該試驗(yàn)技術(shù)會(huì)導(dǎo)致繞組電壓分布嚴(yán)重不均而損壞繞組，因此電抗器匝間絕緣脈沖振蕩試驗(yàn)技術(shù)無法適用于鐵芯電抗器。目前，鐵芯電抗器匝間缺陷檢測(cè)出廠試驗(yàn)中主要靠雷電沖擊試驗(yàn)[9]，但由于鐵心電抗器存在繞組線圈對(duì)鐵心電容分布、繞組線圈匝間電容分布、繞組線圈對(duì)地電容分布，采用該檢測(cè)方法會(huì)導(dǎo)致雷電沖擊波按照初始分布電容分壓，故只能對(duì)繞組的進(jìn)波端進(jìn)行嚴(yán)格考核，對(duì)繞組中部的考核目前缺乏有效的手段。此外雷電沖擊試驗(yàn)存在試驗(yàn)設(shè)備龐大、調(diào)波費(fèi)時(shí)等問題，不利于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。JB/T 5346-2014等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)雖規(guī)定了高頻法進(jìn)行匝間耐壓試驗(yàn)[10]，但尚無針對(duì)干式鐵芯電抗器繞組匝絕緣試驗(yàn)的設(shè)備，也未見相關(guān)研究報(bào)道。

絕緣缺陷定位方法分為非電氣量測(cè)定和電氣量測(cè)量方法，非電氣量測(cè)量方法包括超聲法、紅外法、紫外光法等，由于非電氣量的檢測(cè)需要足夠的靈敏度，但對(duì)于電力設(shè)備中的繞組匝間絕緣擊穿放電，往往由于線圈較大的衰減作用使得放電信號(hào)檢測(cè)非常困難[11-12]，此外高靈敏的非電量檢測(cè)設(shè)備又往往價(jià)格昂貴而難以實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。電氣量檢測(cè)有行波法、特高頻天線法、阻抗法等[13-20]，行波法由于采用測(cè)量脈沖波在導(dǎo)線中的脈沖時(shí)間差進(jìn)行定位，比較適合長距離傳輸線或電纜線路故障定位，對(duì)于含鐵芯電線圈往往不知道繞制方式而難以準(zhǔn)確定位;特高頻天線可以測(cè)量放電產(chǎn)生的GHz以上的特高頻信號(hào)，一般可用于檢測(cè)有無局放信號(hào)，但對(duì)于含鐵芯線圈匝絕緣缺陷檢測(cè)，尤其是定位仍無法實(shí)現(xiàn);阻抗法通過檢測(cè)線圈阻抗的變化來反映匝絕緣缺陷的變化狀態(tài)，一般由于不知道線圈繞制型式而無法實(shí)現(xiàn)定位。綜上所述，研究用于鐵芯電抗器線圈的匝絕緣缺陷定位方法是十分必要的。

本文提出了鐵芯電抗器匝絕緣缺陷檢測(cè)的變頻諧振方法，分析了匝間短路后試驗(yàn)回路幅頻電壓的失諧特性，同時(shí)給出一種探測(cè)鐵芯電抗器線圈漏磁通分布變化特征的匝間缺陷定位方法。

1 變頻諧振匝絕緣缺陷檢測(cè)電路原理

1.1 匝絕緣缺陷檢測(cè)電路原理

基于變頻諧振技術(shù)的干式鐵芯電抗器匝絕緣缺陷檢測(cè)系統(tǒng)原理如圖1所示，采取提高頻率方式可滿足鐵芯不發(fā)生飽和，解決無法進(jìn)行鐵芯電抗器匝間缺陷檢測(cè)的問題。首先，三相電源經(jīng)電源進(jìn)線端U1經(jīng)過三相整流橋電路U2給直流電容C2充電;為了減小直流電壓脈動(dòng)并達(dá)到調(diào)壓要求，采取U3降壓斬波調(diào)壓單元，使得輸出直流電壓脈動(dòng)減小并根據(jù)被試電抗器需要進(jìn)行調(diào)壓;然后經(jīng)單相逆變功率模塊U4調(diào)制出相應(yīng)頻率的脈寬調(diào)制波，并經(jīng)濾波電路U5使得輸出電壓成為正弦波，送至高頻升壓變壓器TH;為了降低電源及高頻變壓器輸出容量，采取被試電抗器LX諧振電容器C1串聯(lián)諧振。控制器可以根據(jù)被試電抗器的電感值，計(jì)算出相應(yīng)的諧振頻率，并根據(jù)該諧振頻率設(shè)定輸出電源頻率;被試品外施電壓值由阻容分壓器U6測(cè)得，若存在偏差，則由斬波電路進(jìn)行自動(dòng)調(diào)壓。逆變器輸出頻率初選為被試品電感與補(bǔ)償電容C1的諧振頻率，控制器根據(jù)逆變器的輸出電流及試品端電壓的采樣值進(jìn)行FFT算法解析，將解析值轉(zhuǎn)化為控制量反饋給驅(qū)動(dòng)單元，完成諧振頻率閉環(huán)自動(dòng)調(diào)節(jié)。

1.2 匝間短路環(huán)流估算

以一臺(tái)鐵芯串聯(lián)電抗器為例，計(jì)算參數(shù)如下：額定電壓11/3kV，額定容量480kVar，電抗率6%?？梢詫⒃撾娍蛊鞲鶕?jù)基本參數(shù)建立諧振法等效電路，將其中短路一匝與其余部分電抗分別等效。為便于分析，假設(shè)不考慮漏抗影響，電源電壓設(shè)為參照基準(zhǔn)值1V，逆變器輸出的變頻信號(hào)由受控電壓源fs等效替代，諧振電容為8.581μF，仿真模型如圖2所示。將鐵芯電抗器的短路匝等效為1匝的等值阻感元件，與剩余W-1匝阻感元件串聯(lián)，如圖2所示。

圖2中與鐵芯電抗并聯(lián)支路含有開關(guān)BRK，該支路用于等效匝間短路，將短路匝參數(shù)按照匝數(shù)比平方關(guān)系歸算到未短路側(cè)，即有等值電感2.954mH，等值電阻0.497Ω。

設(shè)電抗器端電壓UL，匝數(shù)W，為便于估算僅考慮線圈電阻R，則有短路電流Id：

Id=UL/WR/W=ULR

短路發(fā)生后，由于鐵芯具有激磁磁勢(shì)，短路匝與未短路匝存在強(qiáng)電磁耦合，根據(jù)安匝平衡關(guān)系，可估算短路電流歸算到未短路側(cè)電流I′：

I′·W=Id·1=ULR

即 I′=ULR·W=ωL·IR·W=QIW

式中：L為電抗器電感值;Q電抗器品質(zhì)因數(shù)。通常對(duì)于串聯(lián)電抗器一般Q小于100;對(duì)于并聯(lián)電抗器一般Q小于200。為評(píng)估短路匝引起電流變化情況，不妨設(shè)為Q=150，即有

I′I=QW

如果按照電抗器匝數(shù)一般也在100～200匝，則I′≈I?？紤]本例表2參數(shù)，Q≈100，W=54，則短路一匝引起的電流變化為：

I′2+I2=（10054I）2+I2=2.1I

短路匝類似自耦線圈，除流過額定電流外還要額外增加電流，對(duì)于Q≈W，電流也要增加40%左右（2I），鐵芯電抗匝間短路必然會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的電抗器燒毀。

2 匝間絕緣短路缺陷定位方法

存在匝絕緣缺陷的含鐵芯線圈布置如圖3（a）所示，A1為鐵磁材料鐵芯，其中位于線圈中部的鐵芯為分段不連續(xù)式結(jié)構(gòu);A2為線圈，整體套在鐵芯A1外側(cè);A3為線圈線匝，纏繞在線圈A2內(nèi)部;B1和B2為位于線圈A2外側(cè)的磁場(chǎng)測(cè)量點(diǎn)，S為線圈匝間短路點(diǎn)。

首先測(cè)試線圈外磁感應(yīng)強(qiáng)度，判斷沿平行線圈軸向的線圈外磁感應(yīng)強(qiáng)度-位置曲線是否存在峰值，如果存在峰值，則說明對(duì)應(yīng)位置處匝絕緣短路;如果曲線沒有峰值，則匝絕緣沒有短路發(fā)生。

圖3（b）為含鐵芯線圈匝絕緣缺陷的定位方法原理圖，P1為含鐵芯線圈匝絕緣缺陷檢測(cè)高壓電源，與串聯(lián)補(bǔ)償電容器C和測(cè)定匝絕緣缺陷的含鐵芯線圈Lx相連接。B1、B2為線圈外磁場(chǎng)測(cè)量上部和下部的霍爾傳感器，傳感器測(cè)得的磁場(chǎng)值經(jīng)過差分運(yùn)算放大器P2送入數(shù)字信號(hào)處理器P3，實(shí)現(xiàn)鐵芯線圈匝絕緣缺陷的定位計(jì)算。磁場(chǎng)測(cè)量采用差分技術(shù)，利用匝間短路環(huán)在B1、B2兩霍爾傳感器所測(cè)得的磁場(chǎng)量值的不同，經(jīng)過差分放大器P2后，可放大差模信號(hào)，抑制共模干擾信號(hào)，提高磁場(chǎng)檢測(cè)靈敏度。

掌握鐵芯電抗器線圈磁場(chǎng)分布特點(diǎn)是其匝間短路定位的關(guān)鍵，圖4為一匝載流導(dǎo)線在直角坐標(biāo)系下空間任一點(diǎn)產(chǎn)生磁場(chǎng)示意圖，圖中a為載流圓環(huán)導(dǎo)線的半徑，I為導(dǎo)線流過電流，P為空間XZ平面上任一點(diǎn)，坐標(biāo)分別為x、y、z，R為載流圓環(huán)導(dǎo)線圓心距空間任一點(diǎn)P的距離。空間XZ平面上任一點(diǎn)產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度分量分別為：

Bx=μ0I2π·zxz2+（x+a）2[-K+z2+x2+a2z2+（x-a）2E]

Bz=μ0I2π·1z2+（x+a）2[K+a2-z2-x2z2+（x-a）2E]

點(diǎn)P（x，y，z）的總合成磁感應(yīng)強(qiáng)度：

Bp=Bx2+Bz2

式中，

K=π2[1+k24+964k2+…]

E=π2[1-k24-364k2-…]

k2=4RasinθR2+a2+2Rasinθ

3 仿真結(jié)果分析

3.1 鐵芯電抗器匝間絕緣短路試驗(yàn)幅頻特性

根據(jù)高頻諧振法匝絕緣檢測(cè)等值電路，仿真結(jié)果如圖5（a）所示，起始部分試驗(yàn)檢測(cè)電路處于高頻諧振狀態(tài)，電壓幅值約達(dá)到原來的150倍。當(dāng)t=0.25s時(shí)，匝間短路發(fā)生，此時(shí)從仿真電路明顯看出回路失諧，電抗器端電壓開始迅速下降，如圖5（b） 失諧電抗器端電壓變化，試驗(yàn)回路進(jìn)入脫諧狀態(tài)。

短路發(fā)生后，試驗(yàn)回路幅頻特性如圖5（c）所示，經(jīng)過阻抗分析，回路匝間短路前，阻抗特性為正常的1000Hz諧振點(diǎn)，此時(shí)阻抗最小。鐵芯電抗器匝間短路后將在諧振頻率1000Hz出現(xiàn)明顯的電壓跌落，諧振頻率也明顯提高。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，短路前后諧振點(diǎn)發(fā)生明顯變化，阻抗發(fā)生較大變化，導(dǎo)致回路脫諧，因此可以利用變頻諧振法測(cè)試鐵芯電抗器匝間絕緣短路故障。

3.2 鐵芯電抗器匝間絕緣短路定位分析

設(shè)短路匝電流I=100A，線圈半徑a=0.4m，線圈高度H=1.2m，磁場(chǎng)測(cè)量位于線圈表面0.1m處，短路匝線圈分別位于線圈高度方向z=0，0.25H，0.5H，0.75H處，短路匝電流環(huán)與磁場(chǎng)傳感器相對(duì)位置示意圖如圖6（a）所示。漏磁場(chǎng)傳感器測(cè)量的信息包含正常情況下的漏磁與匝間短路環(huán)引起的漏磁，正常情況下單位長度下的漏磁變化量是固定的，但出現(xiàn)短路環(huán)時(shí)其周圍的漏磁將發(fā)生明顯變化，此處采用B1和B2測(cè)量，根據(jù)其差模信號(hào)結(jié)果判斷是否存在匝間缺陷。弱磁場(chǎng)傳感器B1和B2位置可以在0～H間變化，兩個(gè)傳感器間距離為h，短路匝線圈位置可以在0～H間變化。

圖6（b）為鐵芯電抗器線圈周圍磁場(chǎng)分布示意圖，圖中可見磁通主要流經(jīng)鐵芯柱中，線圈外側(cè)磁場(chǎng)很弱，基本在10-4T數(shù)量級(jí)。

為驗(yàn)證本文鐵芯電抗器匝間短路定位方法的有效性，現(xiàn)分析依據(jù)上述結(jié)構(gòu)尺寸的鐵芯電抗器線圈不同位置出現(xiàn)短路匝時(shí)，在位于線圈表面0.1m處測(cè)量沿線圈軸向磁場(chǎng)的變化規(guī)律。

短路匝線圈分別位于線圈高度方向z=0，0.25H，0.5H，0.75H處，測(cè)量線圈表面軸向磁感應(yīng)強(qiáng)度變化曲線如圖7（a）、圖7（d）所示。各圖的曲線差異是線圈短路匝位置不同造成的，圖中曲線上各點(diǎn)為沿線圈高度不同位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度，磁場(chǎng)傳感器測(cè)量B1和B2點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度數(shù)值按照B1、B2位置對(duì)應(yīng)各圖曲線上的值，B1、B2沿軸向方向（z軸）相距一定距離，當(dāng)B1、B2移動(dòng)到短路匝位置，并沿Z軸距短路匝距離相等時(shí)，分別測(cè)量的是曲線峰值兩側(cè)對(duì)稱點(diǎn)，測(cè)量數(shù)值相同，如圖7（b）所示，二者經(jīng)過差分放大器后差模信號(hào)為0;在其他沿Z軸方向時(shí)，B1、B2點(diǎn)測(cè)量值經(jīng)過差分放大器后，差模信號(hào)值均不為0，因此可以準(zhǔn)確短路匝位置。圖7（a）在線圈端部測(cè)量時(shí)，B1、B2沿H=0高度位置也會(huì)呈現(xiàn)上下對(duì)稱，也可判斷短路匝位置在H=0處。

4 結(jié) 論

針對(duì)鐵芯電抗器匝間絕緣短路缺陷的檢測(cè)與定位方法展開研究，得出以下結(jié)論：

1）對(duì)于鐵心電抗器匝絕緣檢測(cè)不能采用連續(xù)脈沖振蕩試驗(yàn)方法，沖擊電壓起始分布的不均勻性與沖擊電壓作用的瞬時(shí)性制約了雷電沖擊試驗(yàn)方法進(jìn)行匝間絕緣檢測(cè)的準(zhǔn)確性;研究發(fā)現(xiàn)變頻諧振法更適合于鐵心電抗器匝絕緣缺陷檢測(cè)。

2）對(duì)于鐵芯電抗器，可采用固定調(diào)諧電容改變頻率的檢測(cè)手段。通過控制器對(duì)測(cè)試諧振頻率的自主調(diào)節(jié)，可將試品試驗(yàn)電壓逐步提升，保障試驗(yàn)安全性，降低裝置容量輸出。

3）變頻諧振匝絕緣缺陷檢測(cè)中，回路幅頻特性變化、電壓值跌落等試驗(yàn)回路失諧特征，可作為鐵芯電抗器匝絕緣短路缺陷檢測(cè)判據(jù)。失諧后試品端電壓與檢測(cè)回路電流自動(dòng)跌落。

4）研究表明，鐵芯電抗器匝間絕緣短路位置定位可以采用線圈表面軸向磁場(chǎng)測(cè)量實(shí)現(xiàn)，采用差分磁場(chǎng)測(cè)試技術(shù)可以提高測(cè)試抗干擾能力。

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（編輯：溫澤宇）

收稿日期： 2019-03-18

基金項(xiàng)目： 國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2017YFB0902705）; 廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司項(xiàng)目（GDKJXM20162143）.

作者簡介：

馬志欽（1986—），男，碩士，高級(jí)工程師;

朱東柏（1964—），男，碩士，碩士研究生導(dǎo)師.

通信作者：

王守明（1994—），男，碩士，E-mail：850102444@qq.com.