基于法拉第磁光效應(yīng)的干式空心電抗器在線(xiàn)電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

奚晶亮，張猛，夏之慧，王國(guó)金，孫國(guó)華，劉雪峰

(北京電力設(shè)備總廠(chǎng)有限公司，北京102401)

0 引言

隨著超高壓電網(wǎng)的快速建設(shè)和發(fā)展，干式空心電抗器以其線(xiàn)性度好、重量輕、機(jī)械強(qiáng)度高、噪音低以及維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)在變電站得到了廣泛的使用。近年來(lái)，干式空心電抗器多次出現(xiàn)損毀事故[1 - 5]，經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析表明，當(dāng)干式空心電抗器出現(xiàn)匝間短路時(shí)，短路環(huán)在交變磁場(chǎng)的作用下迅速發(fā)熱，導(dǎo)致干式空心電抗器電絕緣性能下降并逐漸惡化，最終導(dǎo)致干式空心電抗器損毀。因此，在干式空心電抗器上加裝保護(hù)裝置，在匝間短路故障的早期階段發(fā)現(xiàn)并做出響應(yīng)可以改善干式空心電抗器無(wú)保護(hù)運(yùn)行現(xiàn)狀，降低因干式空心電抗器匝間短路事故帶來(lái)的損失。

針對(duì)干式空心電抗器匝間短路故障，國(guó)內(nèi)外在干式空心電抗器運(yùn)行狀態(tài)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)方面已經(jīng)做了大量的研究。文獻(xiàn)[6 - 8]提出了一種磁場(chǎng)探測(cè)法，在電抗器端部加裝探測(cè)線(xiàn)圈，通過(guò)采集到的差分信號(hào)反映電抗器的磁場(chǎng)變化以監(jiān)控電抗器的工作狀態(tài)。文獻(xiàn)[9 - 10]提出了一種光纖測(cè)溫法，在電抗器包封層內(nèi)加裝分布式傳感光纖，通過(guò)測(cè)量包封內(nèi)的溫度變化來(lái)判斷電抗器是否出現(xiàn)過(guò)熱性故障。文獻(xiàn)[11]提出了一種功率因數(shù)角測(cè)量法，通過(guò)監(jiān)測(cè)電抗器的功率因數(shù)變化來(lái)監(jiān)測(cè)電抗器的工作狀態(tài)。文獻(xiàn)[12 - 14]提出了一種阻抗測(cè)量法，通過(guò)監(jiān)測(cè)電抗器的阻抗變化量來(lái)監(jiān)控電抗器的工作狀態(tài)。文獻(xiàn)[15]提出了一種電流監(jiān)測(cè)法，通過(guò)在電抗器繞組導(dǎo)線(xiàn)上加裝電流傳感器監(jiān)測(cè)電抗器各個(gè)包封層的電流分布情況，從而判斷電抗器整體的工作狀態(tài)。上述文獻(xiàn)為干式空心電抗器在線(xiàn)監(jiān)測(cè)的發(fā)展進(jìn)行了大量的研究和嘗試，奠定了理論基礎(chǔ)。但仍存在無(wú)法定位發(fā)生匝間短路故障的包封層和受電抗器磁場(chǎng)影響而造成的監(jiān)測(cè)精度低等問(wèn)題。

本文針對(duì)干式空心電抗器匝間短路故障無(wú)法快速識(shí)別導(dǎo)致發(fā)生事故的問(wèn)題，采用理論、仿真與試驗(yàn)相結(jié)合的方式，研究基于法拉第磁光效應(yīng)的干式空心電抗器在線(xiàn)電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，開(kāi)展了干式空心電抗器樣機(jī)的電流分布測(cè)試，驗(yàn)證了干式空心電抗器在線(xiàn)電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在電抗器發(fā)生匝間短路故障工況下的監(jiān)測(cè)效果，為實(shí)際掛網(wǎng)運(yùn)行提供了一定的經(jīng)驗(yàn)。

1 在線(xiàn)電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作原理

干式空心電抗器漏磁較大，一般的測(cè)量設(shè)備受磁場(chǎng)影響較大，無(wú)法正常工作，本文擬采用基于法拉第磁光效應(yīng)的光纖電流傳感器對(duì)電抗器各包封層的電流分布進(jìn)行在線(xiàn)監(jiān)測(cè)。文獻(xiàn)[16]指出了法拉第磁光效應(yīng)的基本原理是如果沿光軸方向存在磁場(chǎng)，則使沿光軸方向傳播的線(xiàn)偏振光的振動(dòng)面會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)。結(jié)合干式空心電抗器磁場(chǎng)分布特點(diǎn)，本文提到的光纖電流傳感器不受傳感器外部磁場(chǎng)大小的影響。

由于干式空心電抗器繞組導(dǎo)線(xiàn)較細(xì)，而光纖曲率半徑較大。因此，光纖無(wú)法纏繞到各包封層導(dǎo)線(xiàn)上。結(jié)合干式空心電抗器結(jié)構(gòu)特征，在匯流排上布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)可達(dá)到監(jiān)測(cè)包封層電流分布狀態(tài)的目的，無(wú)需在繞組導(dǎo)線(xiàn)上加裝傳感器。本文選用的光纖電流傳感器采用特殊螺旋高雙折射保橢圓偏振光纖，測(cè)量精度可達(dá)到0.2級(jí)，靈敏度可達(dá)到0.1 A。該傳感器信號(hào)通過(guò)與電抗器支撐絕緣子相同絕緣水平的光纖絕緣子傳輸，不影響電抗器絕緣水平。

基于法拉第磁光效應(yīng)的干式空心電抗器在線(xiàn)電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)在電抗器匯流排上布置的光纖電流傳感器[17]，測(cè)量流經(jīng)匯流排的電流磁場(chǎng)引起的光纖中傳播光的相位變化，經(jīng)過(guò)信號(hào)處理單元信號(hào)調(diào)制解調(diào)得到被測(cè)匯流排上流過(guò)的電流值，再傳輸至上位機(jī)顯示出電流波形，同時(shí)保存數(shù)據(jù)。整個(gè)工作過(guò)程采用光信號(hào)傳輸數(shù)據(jù)，不受電抗器磁場(chǎng)影響，工作過(guò)程示意圖如圖1所示。

由于電抗器每個(gè)包封層的繞組導(dǎo)線(xiàn)出頭焊接在不同的匯流排上(見(jiàn)圖1)，當(dāng)某個(gè)包封層的電流分布發(fā)生變化時(shí)，流過(guò)匯流排的電流也會(huì)隨之發(fā)生變化。因此，在每一個(gè)有導(dǎo)線(xiàn)焊接的匯流排上布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，可以同時(shí)監(jiān)測(cè)所有包封層的電流分布情況。當(dāng)流過(guò)包封層的電流分布由于匝間短路故障發(fā)生變化時(shí)，通過(guò)在線(xiàn)電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在匯流排上設(shè)置的電流監(jiān)測(cè)點(diǎn)可以定位到具體的故障包封層。

圖1 系統(tǒng)工作過(guò)程示意圖Fig.1 Schematic diagram of system working process

2 發(fā)生匝間短路時(shí)的電流分布有限元解析

電抗器發(fā)生匝間短路故障是一個(gè)動(dòng)態(tài)的物理過(guò)程[18 - 19]，當(dāng)電抗器匝間絕緣發(fā)生故障時(shí)，電抗器各個(gè)包封層的電流分布也隨之發(fā)生變化，對(duì)電抗器實(shí)施在線(xiàn)電流監(jiān)測(cè)，在匝間短路故障早期及時(shí)發(fā)現(xiàn)電抗器電流分布的異常問(wèn)題。同時(shí)，通過(guò)數(shù)據(jù)分析及后處理，定位干式空心電抗器故障包封層，避免故障進(jìn)一步惡化。

2.1 電抗器基本參數(shù)

選定的試品電抗器為6個(gè)包封層結(jié)構(gòu)，電氣參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1和表2所示。

表1 電抗器額定電氣參數(shù)Tab.1 Rated electrical parameters of reactor

表2 電抗器結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.2 Structure parameters of reactor

2.2 電抗器匝間短路數(shù)學(xué)模型

干式空心電抗器由多個(gè)繞組包封層并聯(lián)組成，每個(gè)繞組包封層支路有直流電阻、自感和互感。與正常情況的電路模型相比，當(dāng)電抗器第n個(gè)包封層發(fā)生匝間短路故障時(shí)，第n層繞組包封層被分為兩段串聯(lián)繞組，而且電路中增加了一個(gè)閉合回路，此閉合回路也有直流電阻Rn+1和電感Ln+1，同時(shí)還存在互感Mi,n+1與其他并聯(lián)繞組包封層發(fā)生聯(lián)系，此時(shí)各支路組成的方程組如式(1)所示。

(1)

式中：Ri為各包封層的直流電阻；Li為各包封層的自感；Mi,j為各包封層之間的互感；Ij為流過(guò)各包封層的電流；U為電抗器的端電壓。

2.3 電抗器匝間短路仿真模型

采用ANSOFT Maxwell仿真軟件，根據(jù)電抗器匝間短路數(shù)學(xué)模型以及電抗器基本結(jié)構(gòu)參數(shù)，建立有限元仿真計(jì)算模型(模型如圖2所示)，模擬電抗器匝間短路的動(dòng)態(tài)過(guò)程[20]。

圖2 干式空心電抗器有限元模型Fig.2 Finite element model of dry-type air-core reactor

圖2中I1為電抗器兩端的電流源，L1—L6為電抗器1—6層繞組的電感，R1—R6為1—6層的電阻，L7為模擬電抗器最外層出現(xiàn)單匝匝間短路故障時(shí)短路環(huán)的電感，R7為短路環(huán)電阻。通過(guò)受控開(kāi)關(guān)S_7來(lái)控制電抗器在正常運(yùn)行一段時(shí)間后，最外層出現(xiàn)單匝匝間短路故障的暫態(tài)過(guò)程。其中，Model1為S_7的開(kāi)關(guān)模型。

在電抗器外表面加繞線(xiàn)圈模擬電抗器匝間短路故障[21]，有限元模型中每層線(xiàn)圈與電路模型中對(duì)應(yīng)的線(xiàn)圈相耦合，各層線(xiàn)圈并聯(lián)后，施加電流源作為激勵(lì)，對(duì)電抗器匝間短路進(jìn)行模擬仿真分析。當(dāng)電抗器發(fā)生匝間短路時(shí)，各層繞組及短路環(huán)之間的自感和互感將重新進(jìn)行分配，采用Ansoft外部電路編輯器，將短路后的各層繞組及短路環(huán)的繞組通過(guò)端口與外部電路進(jìn)行磁場(chǎng)-電路耦合計(jì)算。由于有限元模型空氣域?yàn)闊o(wú)窮大，故將求解域的邊界設(shè)置為氣球邊界條件進(jìn)行邊界加載。

2.4 仿真結(jié)果及分析

以激勵(lì)電流為500 A為例，當(dāng)受控開(kāi)關(guān)S_7合上時(shí)，最外層出現(xiàn)單匝匝間短路故障，受匝間短路故障影響，匝間短路故障出現(xiàn)時(shí)刻點(diǎn)前后各包封層的電流分布發(fā)生了變化，波形圖如圖3所示，電流分布如表3所示。

圖3 干式空心電抗器匝間短路故障的暫態(tài)過(guò)程Fig.3 Transient process of turn-to-turn short circuit fault of dry-type air-core reactor

表3 電流分布仿真解析結(jié)果Tab.3 Current distribution simulation analysis results

由仿真計(jì)算結(jié)果可知，出現(xiàn)匝間短路故障的包封層電流分布變化最大，相鄰包封層次之，距離匝間短路故障層越遠(yuǎn)的包封層，其電流分布變化越不明顯。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)平臺(tái)

在試品電抗器最外包封層設(shè)置短路環(huán)，通過(guò)接觸器開(kāi)關(guān)的分合閘，模擬第6包封層突然出現(xiàn)的匝間短路故障。在各包封層導(dǎo)線(xiàn)焊頭所在匯流排上加裝光纖電流傳感器，監(jiān)測(cè)流過(guò)匯流排的電流。試驗(yàn)回路如圖4所示，試驗(yàn)平臺(tái)如圖5所示。

圖4 干式空心電抗器電流分布試驗(yàn)回路Fig.4 Current distribution test circuit of dry-type air-core reactor

1-試品電抗器；2-接觸器開(kāi)關(guān)；3-光纖電流傳感器；4-計(jì)算機(jī)；5-信號(hào)采集處理單元。圖5 匝間短路試驗(yàn)平臺(tái)Fig.5 Turn-to-turn short-circuittest platform

試驗(yàn)開(kāi)始前，接觸器開(kāi)關(guān)處于分閘位置，試品電抗器處于正常工作狀態(tài)。當(dāng)接觸器開(kāi)關(guān)合閘時(shí)，在試品電抗器外表面加裝的導(dǎo)線(xiàn)形成金屬閉合回路，以此模擬電抗器最外包封層出現(xiàn)匝間短路故障，通過(guò)設(shè)置在匯流排上的光纖電流傳感器，測(cè)量接觸器開(kāi)關(guān)合閘時(shí)刻前后的電流分布變化。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

當(dāng)匝間短路故障出現(xiàn)時(shí)，不同試驗(yàn)電流下故障時(shí)刻點(diǎn)前后電流分布變化如表4所示。500 A試驗(yàn)電流下匝間短路故障引起的第6包封層電流分布變化波形如圖6所示。

由表4可知，在模擬第6包封層出現(xiàn)匝間短路故障時(shí)，在不同的試驗(yàn)電流下，第6包封層電流增大了約26%，電流變化最大，主要原因是第6包封層出現(xiàn)的短路環(huán)在磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生與原繞組電流方向相反的感應(yīng)電流，由此產(chǎn)生與原電抗器磁場(chǎng)方向相反的磁場(chǎng)。距離發(fā)生匝間短路故障越近的包封層磁場(chǎng)抵消越多，包封層之間的互感越小，由于電抗器端電壓是定值，所以電流越大。通過(guò)表3與表4數(shù)據(jù)對(duì)比可知，試驗(yàn)結(jié)果與仿真計(jì)算得出的電抗器匝間短路故障的暫態(tài)過(guò)程一致。

表4 電流分布試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Current distribution test results

圖6 匝間短路故障引起的電流變化Fig.6 Current changes caused by turn-to-turn short circuit fault

同理，當(dāng)電抗器其他包封層出現(xiàn)匝間短路故障時(shí)，故障包封層的電流變化較大，非故障層的電流變化較小。

在時(shí)效方面，該在線(xiàn)電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在20 ms(圖中20～40 ms時(shí)間段)時(shí)間內(nèi)監(jiān)測(cè)到各個(gè)包封層的電流分布變化。考慮到電力系統(tǒng)波動(dòng)和監(jiān)測(cè)軟件采集誤差導(dǎo)致出現(xiàn)某個(gè)跳點(diǎn)數(shù)據(jù)的情況，系統(tǒng)設(shè)置“采三取二”原則：在60 ms內(nèi)每20 ms采集一組數(shù)據(jù)，當(dāng)出現(xiàn)兩組數(shù)據(jù)增大的情況，判斷電抗器出現(xiàn)匝間短路故障，向上位機(jī)報(bào)警。

4 結(jié)論

本文提出了一個(gè)干式空心電抗器在線(xiàn)電流監(jiān)測(cè)的方案，給出了方案的理論基礎(chǔ)(法拉第磁光效應(yīng))和應(yīng)用創(chuàng)新(在匯流排上布置監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)3個(gè)周波內(nèi)確定故障)，結(jié)合仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證，證明本方案的有效性。方案的特點(diǎn)如下。

1)數(shù)據(jù)傳輸采用光信號(hào)，可有效避免空心電抗器高強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懀?/p>

2)通過(guò)監(jiān)測(cè)匯流排電流可在3個(gè)周波(0.06 s)內(nèi)檢測(cè)確定匝間故障，避免事故擴(kuò)大；

3)通過(guò)數(shù)據(jù)分析后處理，可以定位干式空心電抗器故障包封層。