干式空心電抗器故障監(jiān)測(cè)與預(yù)警技術(shù)研究現(xiàn)狀與展望

國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司隴南供電公司 茹秋實(shí)

干式空心電抗器作為重要的輸變電設(shè)備廣泛應(yīng)用于電網(wǎng)中，用以顯示短路電流和無功補(bǔ)償。由于干式空心電抗器具有損耗小、噪聲低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單及維護(hù)方便等特點(diǎn)，在66kV的電網(wǎng)中應(yīng)用比例超過70%。其運(yùn)行環(huán)境惡劣，因干式空心電抗器故障所引發(fā)的故障不僅會(huì)影響干式空心電抗器的正常使用，也會(huì)影響其他電氣設(shè)備的正常運(yùn)行[1]。

1 干式空心電抗器故障分析

1.1 干式空心電抗器結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)

干式空心電抗器是由線圈、金屬構(gòu)件及支柱絕緣子構(gòu)成的電氣設(shè)備，可用于電抗，限制電網(wǎng)系統(tǒng)的過電壓、限制短路電流，并為系統(tǒng)提供無功補(bǔ)償。干式空心電抗器主要是由圓筒式包封構(gòu)成，通過浸有環(huán)氧樹脂的長(zhǎng)玻璃絲進(jìn)行包繞，并由聚酯玻璃絲的包封之間形成散熱氣道。包封內(nèi)部由線圈組成，導(dǎo)線外表皮采用聚酯薄膜提升絕緣性能。為保證干式空心電抗器的絕緣性能，需在其外表面涂抹絕緣漆，同時(shí)涂抹憎水性涂料增加其抗老化、抗紫外線和絕緣性能。

干式空心電抗器結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，內(nèi)部采用空心結(jié)構(gòu)的方式，其具有良好的線性特性。干式空心電抗器采用無油結(jié)構(gòu)，可提升穩(wěn)定性，但由于其采用空氣散熱且運(yùn)行環(huán)境相對(duì)惡劣，外界環(huán)境會(huì)引發(fā)干式空心電抗器絕緣老化，影響其使用穩(wěn)定性。從當(dāng)前干式空心電抗器制作和運(yùn)行看，其制造門檻低，市場(chǎng)上的干式空心電抗器質(zhì)量參差不齊且監(jiān)督不夠，導(dǎo)致干式空心電抗器存在著故障風(fēng)險(xiǎn)。

1.2 干式空心電抗器故障案例

網(wǎng)內(nèi)干式空心電抗器故障。2015年以來筆者負(fù)責(zé)的電網(wǎng)臺(tái)區(qū)發(fā)生20起干式空心電抗器故障，主要是由于受損，短路高溫引燃干式空心電抗器故障，故障時(shí)間超過1h，造成了較大的損失；低壓電容器串聯(lián)干式空心電抗器故障。由于低壓電容器串聯(lián)干式空心電抗器所引發(fā)的故障，滴落的高溫材料引發(fā)干式空心電抗器短路，由于其長(zhǎng)久失修絕緣層被破壞，從而造成三相電流瞬間增加引發(fā)故障，干式空心電抗器燒毀嚴(yán)重；并聯(lián)干式空心電抗器故障。在電網(wǎng)運(yùn)行過程中干式空心電抗器B相著火，導(dǎo)致干式空心電抗器嚴(yán)重?zé)龤?，線圈損毀嚴(yán)重。分析其故障原因，是由于線圈匝間或?qū)娱g絕緣被擊穿而導(dǎo)致其線圈短路、引發(fā)燒毀。

1.3 干式空心電抗器故障分析

引發(fā)干式空心電抗器的故障原因包括：干式空心電抗器質(zhì)量問題。選購(gòu)的干式空心電抗器制造工藝不良，絕緣性能不佳，有些絕緣層甚至干裂滲水，在外界因素影響下引發(fā)短路；環(huán)境因素影響。如酸雨、污穢、鳥害、通風(fēng)不良等，在外界惡劣的環(huán)境因素下，由于長(zhǎng)久失修導(dǎo)致線圈以及匝間的絕緣性能被破壞，在過電壓的操作下導(dǎo)致其絕緣被擊穿，從而引發(fā)故障；干式空心電抗器維護(hù)以及管理不當(dāng)。在使用過程中缺乏定期檢修、運(yùn)行過程中過電壓分布不均勻都會(huì)影響干式空心電抗器使用，嚴(yán)重將會(huì)引發(fā)故障；過電壓。當(dāng)電壓超過干式空心電抗器的耐受電壓或電流時(shí)，容易引發(fā)故障。

2 干式空心電抗器故障監(jiān)測(cè)與預(yù)警技術(shù)現(xiàn)狀

2.1 故障監(jiān)測(cè)技術(shù)原理

正常運(yùn)行情況下干式空心電抗器有功損耗主要是電阻損耗和附加損耗。在頻率一定、干式空心電抗器正常運(yùn)行的情況下，附加損耗相對(duì)固定。在干式空心電抗器故障初期，由于短路會(huì)消耗大量能量，導(dǎo)致干式空心電抗器的有功損耗瞬間增大，從而引發(fā)干式空心電抗器功角發(fā)生變化。發(fā)生故障時(shí)，干式空心電抗器等效電阻變大，隨著故障的持續(xù)進(jìn)行，干式空心電抗器功角不斷減小、功率因數(shù)不斷增大。

根據(jù)干式空心電抗器故障下功角以及功率因素的變化情況，可采用干式空心電抗器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要是由電抗器監(jiān)測(cè)裝置構(gòu)成，通過采集干式空心電抗器相關(guān)信號(hào)并對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，通過以太網(wǎng)將信號(hào)傳輸?shù)皆诰€監(jiān)測(cè)電子設(shè)備，對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析，從而能夠了解干式空心電抗器的運(yùn)行情況，及時(shí)進(jìn)行預(yù)警并為后續(xù)的故障診斷和處理提供依據(jù)[2]。

2.2 故障監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)

干式空心電抗器在線監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)主要分為軟件設(shè)計(jì)及硬件設(shè)計(jì)：軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。主要是下達(dá)指令，同步采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析及邏輯判斷，完成故障分析及預(yù)警處理。在干式空心電抗器出現(xiàn)故障的瞬間，軟件系統(tǒng)能夠得到信號(hào)并完成故障類型的初步判斷，通過以太網(wǎng)將故障信息傳送給監(jiān)控中心并發(fā)送故障預(yù)警信號(hào)，監(jiān)控中心做出故障處理的決策；硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。硬件系統(tǒng)主要是采集干式空心電抗器的運(yùn)行信號(hào)，收集總電流、等值電流、等值電抗、功角以及功率因素等參數(shù)，通過將信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)较到y(tǒng)中，經(jīng)過濾波和放大作用采用芯片進(jìn)行處理，以便進(jìn)行邏輯判斷。

2.3 故障監(jiān)測(cè)影響因素

從干式空心電抗器的故障監(jiān)測(cè)以及預(yù)警的情況來看，影響測(cè)量結(jié)果的因素包括電磁干擾、互感器、硬件抗干擾設(shè)計(jì)等因素：

電磁干擾。干式空心電抗器工作的環(huán)境相對(duì)惡劣，電磁環(huán)境影響復(fù)雜，處于變電站環(huán)境中的干式空心電抗器會(huì)受到嚴(yán)重的電磁干擾，在測(cè)量過程中，在強(qiáng)電磁干擾因素下可能會(huì)導(dǎo)致監(jiān)測(cè)誤差，產(chǎn)生誤報(bào)；互感器。互感器由于存在負(fù)載阻抗變化、磁芯損耗以及生產(chǎn)工藝等問題，可能會(huì)導(dǎo)致監(jiān)測(cè)過程中出現(xiàn)角差，從而影響監(jiān)測(cè)信號(hào)，最終影響監(jiān)測(cè)結(jié)果，對(duì)于后續(xù)的故障診斷處理也會(huì)產(chǎn)生影響；硬件設(shè)計(jì)影響。干式空心電抗器監(jiān)測(cè)裝置的硬件包括數(shù)據(jù)采集模塊、互感器模塊、電源模塊以及控制管理模塊等構(gòu)成，還包括抗干擾設(shè)計(jì)，在干式空心電抗器在線監(jiān)測(cè)過程中，如器件選型不合理、設(shè)備間輻射干擾嚴(yán)重可能會(huì)影響測(cè)量準(zhǔn)確度，因此需全面考慮干式空心電抗器在線監(jiān)測(cè)硬件設(shè)備的多種干擾因素，采用屏蔽技術(shù)和隔離技術(shù)減少干擾源的影響，提升監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性。

2.4 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝與運(yùn)行

將干式空心電抗器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與干式空心電抗器相連，三相電抗器的端電壓和線電流通過電纜流入變電站保護(hù)室監(jiān)測(cè)裝置。在線監(jiān)測(cè)裝置能夠采集得到干式空心電抗器的實(shí)時(shí)信號(hào)、得到電氣參數(shù)，并將電氣參數(shù)傳送到專家軟件。由站控層主機(jī)上的專家軟件對(duì)上傳數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，顯示傳輸?shù)臄?shù)據(jù)并繪制功率因素曲線，用以干式空心電抗器在線評(píng)估。通過驗(yàn)證可知，該系統(tǒng)能夠?qū)Ω墒娇招碾娍蛊鬟\(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，及時(shí)發(fā)出故障預(yù)警，具備實(shí)時(shí)監(jiān)控以及故障預(yù)警功能[3]。

3 干式空心電抗器故障監(jiān)測(cè)展望

從干式空心電抗器故障在線監(jiān)測(cè)和預(yù)警系統(tǒng)的情況來看，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控干式空心電抗器的運(yùn)行狀態(tài)并發(fā)出預(yù)警。隨著電氣技術(shù)的發(fā)展，干式空心電抗器逐漸朝著智能化方向發(fā)展，干式空心電抗器故障監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)也將會(huì)朝著智能化方向發(fā)展，通過提升監(jiān)測(cè)裝置測(cè)量精度、可靠性能夠?qū)崿F(xiàn)無人值班，確保干式空心電抗器穩(wěn)定運(yùn)行。為了提升干式空心電抗器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定，一是要選擇針對(duì)性強(qiáng)的互感器，二是需要減輕外界干擾的影響，采用相關(guān)技術(shù)濾除噪聲獲得有效信號(hào)。