基于振蕩波的干式空心電抗器絕緣檢測系統(tǒng)*

陳 凌， 王京保， 劉 睿， 劉 策， 向天堂

(1. 國網(wǎng)四川省電力公司 a. 電力科學研究院， b. 廣安供電局， 成都 610000； 2. 保定天威新域科技發(fā)展有限公司 技術中心， 河北 保定 071000； 3. 河北農(nóng)業(yè)大學 機電工程學院， 河北 保定 071001)

近年來電網(wǎng)迅速發(fā)展，電抗器也在電網(wǎng)中大量應用.電抗器在調節(jié)電網(wǎng)無功功率方面發(fā)揮了重要的作用，并且在電網(wǎng)中電抗器也常用于濾波、限流等場合.干式空心電抗器具有獨特的結構和優(yōu)良的電氣性能，其抗飽和能力強，能夠耐受大電流的沖擊，電抗值線性，質量輕，結構比較簡單，故能在眾多種類電抗器中脫穎而出[1-3].

與其他電器設備一樣，由于各種原因，干式空心電抗器在投運后每年都會有多起惡性事故發(fā)生，導致空心電抗器燒毀，甚至爆炸，威脅電網(wǎng)的安全運行.其中造成其燒毀的主要原因是電抗器局部過熱、散熱不良及絕緣熱老化等[4-6].若不能及時發(fā)現(xiàn)電抗器開始時便存在的微弱絕緣缺陷，絕緣問題會迅速擴大，造成更嚴重的事故，將會給電力系統(tǒng)帶來巨大的經(jīng)濟損失和惡劣的社會影響.因此，及時準確地檢測到電抗器初期的微小絕緣缺陷具有十分重要的意義.

針對干式空心電抗器在運行中常常發(fā)生的故障，干式空心電抗器保護與檢測方法的研究顯得尤為重要，但現(xiàn)階段國內研究較少，而且主要集中在電抗器匝間絕緣試驗上.文獻[7-8]基于電抗器匝間短路對電抗器整體電感值的影響規(guī)律，研制了利用脈沖電壓法測試電抗器絕緣故障的試驗裝置，能有效檢測電抗器的絕緣缺陷.但在試驗裝置中球隙擊穿后電弧不能馬上熄滅，而導致球隙擊穿瞬間變壓器輸出功率過大，使得變壓器也參與到諧振電路當中，振蕩頻率不能真實反應電感的變化.感應電壓、高頻振蕩能量吸收、直接施加工頻電壓等檢測方法都能對絕緣缺陷進行有效檢測[9]，但是這些方法大多靈敏度不高，而且試驗容量也相對較大.上述方法在研究上只是針對發(fā)生較大絕緣故障的電抗器而言，并不能很好地檢測出電抗器潛在的絕緣隱患.

為了更及時、有效地檢測到干式空心電抗器的絕緣故障，從而提高設備運行的可靠性，本文設計并實現(xiàn)了基于阻尼振蕩波的干式空心電抗器絕緣檢測系統(tǒng).首先通過在MATLAB/Simulink上搭建仿真模型，確定充電電容的參數(shù)，以滿足測試電抗器電壓振蕩波的頻率、衰減情況等技術指標，使該系統(tǒng)的檢測要求得到保證.之后研制試驗裝置并利用干式空心電抗器故障模型進行測試，通過試驗數(shù)據(jù)對比得到絕緣缺陷嚴重程度不同的電抗器試驗數(shù)據(jù)，驗證了本系統(tǒng)不僅可以檢測到發(fā)生絕緣故障的電抗器，還能檢測到電抗器潛在的微小絕緣缺陷，達到了設計目的.

1 振蕩波檢測系統(tǒng)

本文設計的振蕩波檢測系統(tǒng)原理圖如圖1所示.圖1中，試品干式空心電抗器由RX和LX組成，分壓器由RZ1和RZ2組成，局放檢測單元由Ck耦合電容和檢測阻抗組成，振蕩波系統(tǒng)由HVDC高壓直流電源、Cd充電電容、R1保護電阻及SW高壓電子開關組成.試驗以干式空心電抗器為試品，電抗器的高壓端連接充電電容末端，低壓端接地.充電電容首端連接高壓電子開關和保護電阻，保護電阻的另一端連接高壓直流電源正極，高壓直流電源負極接地.試驗開始時，高壓直流電源對充電電容進行充電，隨著高壓直流電源輸出電壓逐漸升高，充電電容兩端的電壓也隨之升高；當充電電容兩端電壓達到額定電壓時，高壓直流電源停止工作，同時高壓電子開關由分開狀態(tài)切換到閉合狀態(tài)；當高壓電子開關閉合后，充電電容和電抗器組成阻尼振蕩電路，系統(tǒng)主回路的充電電容和電抗器發(fā)生串聯(lián)諧振，形成阻尼振蕩波，同時在試品兩端產(chǎn)生振蕩電壓.

圖1 振蕩波檢測系統(tǒng)原理圖Fig.1 Principle diagram of oscillation wave detection system

由上述檢測原理可以得知，干式空心電抗器中的RX、LX和充電電容Cd組成一個串聯(lián)二階諧振回路，串聯(lián)二階諧振回路工作過程可分為充電和放電兩個階段，充電過程相當于串聯(lián)諧振回路的零狀態(tài)響應.當充電電容充電完成時，充電電容達到額定電壓，充電電容放電，系統(tǒng)處于放電過程，放電過程相當于串聯(lián)諧振回路的零輸入響應.檢測系統(tǒng)主要監(jiān)測電抗器兩端電壓，系統(tǒng)放電過程是本文研究的重點，因此主要分析放電過程.

在放電過程中，電感繞組上的過電壓[10]為

(1)

(2)

轉換到復頻域為

LCs2+RCs+1=0

(3)

求解可得

(4)

(5)

根據(jù)ω0和δ的大小，串聯(lián)諧振回路分為4種情況，ω0>δ時，為欠阻尼；ω0<δ時，為過阻尼；ω0=δ時，為臨界阻尼；ω0?δ時，為無阻尼.在放電過程中需要確保電路為欠阻尼放電狀態(tài).

當δ足夠小時，ω=ω0，此時電抗器上的電壓可近似為

(6)

振蕩波形仍為衰減振蕩波，且包絡線按指數(shù)衰減，此時電路的振蕩頻率為

(7)

根據(jù)式(7)得知，主回路參數(shù)的確定首先要獲取干式空心電抗器的電感量范圍，然后根據(jù)設計要求，例如振蕩的頻率范圍、振蕩電壓的幅值來確定充電電容的電容量及功率，其干式空心電抗器的內阻和電感量決定振蕩波檢測系統(tǒng)的衰減系數(shù).

2 主回路參數(shù)確定

在振蕩波檢測系統(tǒng)中，電抗器試品的電感量和內阻已經(jīng)確定，主回路需要確定的參數(shù)為充電電容的參數(shù)，其使電抗器兩端的電壓振蕩波滿足該系統(tǒng)電抗器試驗的技術指標.

2.1 基于不同頻率的同種電抗器仿真

本文以不同規(guī)格型號的10 kV空心電抗器為試品，根據(jù)設計參數(shù)、振蕩波仿真系統(tǒng)模擬不同型號的電抗器，根據(jù)其基本參數(shù)進行調節(jié)，進而對其他型號的電抗器振蕩過程進行仿真.

本文參照的技術指標為：振蕩頻率為0.2～2 kHz；輸出電壓振蕩持續(xù)時間在1 000 ms以內；輸出電壓波形的第一個和第二個振蕩波峰值的衰減速度要滿足設計要求；充電電容的充電時間小于3 s.

選擇型號為CKGKL-33.4/10-5W的10 kV電抗器作為仿真和現(xiàn)場試驗的主要依據(jù)，該型號電抗器的內部參數(shù)如表1所示.基于MATLAB/Simulink的系統(tǒng)主回路的仿真模型如圖2所示.

表1 干式空心電抗器參數(shù)Tab.1 Parameters of dry-type air-core reactor

圖2 主回路仿真模型Fig.2 Simulation model for main circuit

圖2中，系統(tǒng)額定電壓設置為30 kV，高壓直流電源0～50 kV連續(xù)可調，保護電阻參數(shù)為10 kΩ，高壓開關為階躍信號控制的理想開關，幾乎沒有延時，其控制信號設置為0時表示高壓開關為分開狀態(tài)；設置為1時表示高壓開關為閉合狀態(tài).電抗器等效成R和L，R參數(shù)為3.025 Ω，L為等效電感，參數(shù)為9.628 mH.R2和R3組成分壓器，分壓比為1 000∶1，R2為分壓器高壓臂，參數(shù)為50 MΩ，R3為分壓器低壓臂，參數(shù)為50 kΩ，系統(tǒng)中只有充電電容為待確定值.

設計三個不同的振蕩頻率參數(shù)，分別為0.5、1.0、1.5 kHz，由式(7)可計算出相應充電電容如表2所示.

表2 充電電容數(shù)值Tab.2 Charging capacitance values

根據(jù)設計參數(shù)要求，振蕩波要保證一定的持續(xù)時間，不能衰減過快，至少要保證5個周期，如果振蕩波持續(xù)時間短就不能正確地模擬電抗器在正常工況下的耐壓狀況.根據(jù)已知參數(shù)和式(6)可以計算電抗器兩端上的振蕩波電壓為

(8)

試品的參數(shù)確定以后，將不同參數(shù)的充電電容輸入仿真系統(tǒng)中，對振蕩波主電路進行仿真，得到不同頻率對應的電抗器電壓波形如圖3所示.

圖3 電壓波形Fig.3 Voltage waveform

由圖3a可知，高壓開關在0～1 s內為斷開狀態(tài)，保證充電電容的充分充電.1 s時開關閉合，充電電容和電抗器發(fā)生串聯(lián)諧振，在電抗器兩側產(chǎn)生振蕩波.由圖3b可知，振蕩波起始位置電壓值為-30 kV，證明充電電容的充電時間小于1 s，振蕩波在1 025 ms振蕩完畢，振蕩時間即電壓保持時間為25 ms.振蕩波經(jīng)過12個周期衰減完畢，前兩個波從25.26 kV衰減為19.03 kV，衰減速率為20.77%，電壓衰減速率過快.由圖3c可知，由于頻率增大，振蕩周期數(shù)增多.充電時間依然小于1 s，振蕩波在1.027 5 s振蕩完畢，即電壓保持時間為27.5 ms，電壓峰值從27.85 kV衰減為24.51 kV，衰減速率為11.13%，電壓衰減速率有所減緩.由圖3d可知，頻率為1.5 kHz時，充電時間小于1 s，電壓保持時間為30 ms，電壓峰值從28.93 kV衰減為26.21 kV，衰減速率為9.07%，衰減的速率再次減小.

根據(jù)設計的技術指標，對仿真數(shù)據(jù)及其結果進行分析發(fā)現(xiàn)：3個不同參數(shù)的充電電容在干式空心電抗器參數(shù)確定的前提下，振蕩頻率有3種不同的結果，振蕩電壓持續(xù)時間基本相同.由于主電路的衰減系數(shù)由干式空心電抗器參數(shù)確定，系統(tǒng)振蕩頻率不同，輸出電壓衰減速率不同，振蕩電壓頻率與輸出電壓衰減速率成反比.

2.2 主回路充電電容參數(shù)確定

根據(jù)現(xiàn)場實際需求，振蕩波電壓頻率盡量接近試品實際工作的頻率，但是這會增加充電電容的容量，增大充電電容的體積.考慮既能保證現(xiàn)場應用方便，又能達到良好的試驗效果，將此次試驗的振蕩波頻率確定在1 000 Hz左右；再結合表2中計算結果，將充電電容設計為固定值3 μF.

在圖2的仿真模型中，分別選取規(guī)格編號為a、b、c、d的4種電抗器進行仿真，得到波形結果如表3所示.

表3 振蕩波形分析Tab.3 Analysis of oscillation waveform

由表3可知，a、b、c、d電抗器振蕩波的頻率在200～2 000 Hz之間，同樣振蕩波輸出電壓保持時間為25 ms，第一個峰值在27～29 kV之間，第二個峰值在23～27 kV之間，衰減百分比都在10%左右，衰減速率足夠小，以上數(shù)據(jù)均達到了技術指標的要求.

截取參與試驗的4種電抗器充電電容的充電情況，電壓波形如圖4所示.由圖4可知，4種電抗器試驗情況下的充電波形基本重疊，可見電抗器的不同對充電時間影響較小.波形中電容充電時間均為0.15 s，小于3 s，滿足技術指標要求.

圖4 充電電容充電過程Fig.4 Charging process of charging capacitor

綜上可知，當主電路中充電電容設置為3 μF固定值時，對于各種電抗器產(chǎn)生的振蕩波均能滿足技術指標的要求.

本文設計的振蕩波檢測模型參數(shù)確定過程中，首先假定了幾個特定的電路振蕩頻率，根據(jù)這幾個頻率確定其他參數(shù)，然后進行具體的仿真驗證，這樣能比較直觀準確地說明問題，并驗證該模型的可行性.而在實際測試過程中，無需要求振蕩頻率必須為某個確定的數(shù)值，只需要根據(jù)所測試的不同電抗器的具體電感值來設計多個具有不同電容值的電容器，即可保證主電路產(chǎn)生的振蕩波的技術指標滿足要求.

3 振蕩波測試系統(tǒng)的現(xiàn)場應用

選取某變電站三個運行5年的10 kV串聯(lián)干式空心電抗器進行試驗，分別標注為1#電抗器、2#電抗器和3#電抗器.其中1#電抗器存在明顯絕緣擊穿的痕跡；2#電抗器外觀與完好電抗器沒有任何區(qū)別，但是經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)電抗器局部存在尖端毛刺；3#電抗器為完好電抗器，沒有任何絕緣缺陷.分別將1#、2#、3#電抗器接入現(xiàn)場試驗系統(tǒng)進行測試，測試現(xiàn)場如圖5所示.

①高壓直流電源 ②高壓電子開關 ③試品電抗器 ④局部放電耦合電容器 ⑤局部放電綜合檢測儀 ⑥局部放電超聲波傳感器 ⑦局部放電特高頻傳感器 ⑧局部放電高頻傳感器

試驗在振蕩電壓初始值為30 kV時所得的電抗器振蕩電壓的波形如圖6所示.縱向比較系統(tǒng)振蕩電壓波形數(shù)據(jù)可以明顯看出：電抗器存在明顯匝間絕緣故障時，1#電抗器兩端的振蕩電壓波形的衰減率要高于完好的3#電抗器，同時振蕩波形的周期縮短，振蕩頻率增加.但是，對比2#電抗器、3#電抗器波形數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)振蕩波并無明顯變化.

圖6 試驗電抗器電壓波形Fig.6 Voltage waveform of test reactor

進一步對各電抗器的電壓波形進行分析，取5～30 kV不同的振蕩電壓等級對三個電抗器進行試驗，得到不同電抗器兩側的振蕩波頻率變化如表4所示.

表4 試驗電壓波形分析Tab.4 Analysis of test voltage waveform

由表4數(shù)據(jù)可知，以完好3#電抗器的振蕩頻率為基準，存在明顯缺陷1#電抗器的振蕩頻率明顯增大，而存在尖端毛刺的2#電抗器頻率的變化并不明顯.為解決此問題，引入局部放電檢測策略對電抗器局部放電進行檢測，得到檢測結果如表5所示.

通過表5數(shù)據(jù)對比可以清晰看到，當電抗器存在微小的尖端毛刺時，局部放電檢測數(shù)值明顯增大，能直觀清晰地判斷2#電抗器存在微小絕緣缺陷.

表5 局部放電數(shù)值分析Tab.5 Numerical analysis of partial discharge

4 結 論

針對電抗器存在的不同程度的匝間絕緣缺陷現(xiàn)象，本文設計基于阻尼振蕩波的干式空心電抗器絕緣檢測系統(tǒng).在MATLAB/Simulink中搭建模型并進行仿真，確定充電電容的參數(shù)后在現(xiàn)場進行了試驗驗證，得到了如下結論：

1) 主電路中待確定充電電容值設置為3μF時，對任意規(guī)格的電抗器進行測試，所產(chǎn)生的振蕩波都能達到技術指標的要求.

2) 電抗器存在匝間絕緣故障進行試驗時，由于電感量的變化，短路匝內的環(huán)流增加了電抗器的損耗，故加快了振蕩電壓衰減速度，同時振蕩波的振蕩周期減小，振蕩頻率增大.

3) 本文所設計的振蕩波測試系統(tǒng)引入局部放電的檢測手段能清晰直觀地檢測到干式空心電抗器潛在的絕緣缺陷，從而能有效避免絕緣故障的進一步擴大，防患于未然.