干式空心電抗器故障監(jiān)測(cè)方法

國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司隴南供電公司 茹秋實(shí) 成都工百利自動(dòng)化設(shè)備有限公司 程加強(qiáng)

電力是經(jīng)濟(jì)建設(shè)的先行官，是人民生活的必需品，也是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要支柱產(chǎn)業(yè)。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，電力已經(jīng)涉及到生產(chǎn)制造、居民生活以及社會(huì)活動(dòng)等方面，各行各業(yè)對(duì)電力的需求也在不斷增大?，F(xiàn)今我國(guó)電力系統(tǒng)朝著大容量發(fā)電、特高壓以及遠(yuǎn)距離輸電的方向邁進(jìn)。然而隨著電力系統(tǒng)中不同用電設(shè)備類型的廣泛應(yīng)用，常引起輸電電網(wǎng)出現(xiàn)無功功率的增加、高次諧波、工頻暫態(tài)過電壓等問題，對(duì)電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行和電能質(zhì)量帶來了不可忽視的影響。因此需大量無功補(bǔ)償設(shè)備來改善電力系統(tǒng)中無功功率分布情況，從而保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

作為感性元件，電抗器在電力系統(tǒng)中起到補(bǔ)償容性無功、抑制高次諧波、限制短路電流、保護(hù)電容器、提高電能質(zhì)量等作用，是維持無功功率平衡、穩(wěn)定穩(wěn)態(tài)電壓的重要設(shè)備，廣泛應(yīng)用于35kV及以上電壓等級(jí)變電站。

1 電抗器故障原因

隨著電力系統(tǒng)容量的不斷增加和跨區(qū)電網(wǎng)的快速發(fā)展，大容量干式空心并聯(lián)電抗器以其優(yōu)越的線性特性和穩(wěn)定的參數(shù)等特點(diǎn)，已納入各大區(qū)電網(wǎng)變電站設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中。干式空心電抗器經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，出現(xiàn)較多的故障是線圈匝間絕緣擊穿。線圈匝間絕緣擊穿大多由線圈受潮局部放電電弧、局部過熱、絕緣燒損等原因引起[1]。電抗器故障一般是兩方面原因:一方面是產(chǎn)品本身的缺陷（電抗器制造、電抗器設(shè)計(jì)）引起的，另一方面是環(huán)境或系統(tǒng)運(yùn)行引起（沿面放電、溫升、漏磁、振動(dòng)噪聲、操作過電壓、過負(fù)荷電壓）的。

1.1 電抗器本身的缺陷引起的故障

電抗器制造方面的問題。電抗器生產(chǎn)過程中對(duì)制造材料、制造工藝等把控不嚴(yán),會(huì)使匝間絕緣強(qiáng)度達(dá)不到要求,導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)行中匝間絕緣劣化,最終引起絕緣擊穿；電抗器設(shè)計(jì)方面的問題。電抗器設(shè)計(jì)不當(dāng),運(yùn)行時(shí)導(dǎo)線電流偏差較大,溫度分布不均,局部熱點(diǎn)溫度過高,引起絕緣損壞。為防范電抗器運(yùn)行故障的發(fā)生,設(shè)計(jì)中應(yīng)合理選擇電抗率、電密磁密、散熱面積,以及重視絕緣結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)等具體措施。

1.2 電抗器環(huán)境和系統(tǒng)引起的故障

1.2.1 沿面放電

電抗器在戶外大氣條件下運(yùn)行一段時(shí)間后表面會(huì)有污物沉積，在大霧或雨天表面污層受潮導(dǎo)致表面泄漏電流增大、產(chǎn)生熱量。由于水分蒸發(fā)速度快慢不一、表面局部出現(xiàn)干區(qū)，引起局部表面電阻改變，電流在該中斷處形成局部電弧。隨著時(shí)間延長(zhǎng)電弧將發(fā)生合并，形成沿面樹枝狀放電。而匝間短路是樹枝狀放電的進(jìn)一步發(fā)展，即短路線匝中電流劇增，溫度升高使線匝絕緣損壞。

1.2.2 溫升

近年來隨著干式空心電抗器在電網(wǎng)中應(yīng)用的增加，由其故障引起的事故也逐漸增多，其中由干溫度或溫升異常導(dǎo)致的電抗器燒損事故時(shí)有發(fā)生[2]。在一定溫度下,絕緣材料不產(chǎn)生熱損壞的時(shí)間稱為絕緣材料的使用壽命。電抗器在運(yùn)行時(shí)溫度過高、加速聚酯薄膜老化，當(dāng)引入線或橫面環(huán)氧開裂處雨水滲入后加速老化，會(huì)喪失機(jī)械強(qiáng)度，造成匝間短路引起著火燃燒。造成電抗器溫升原因有焊接質(zhì)量問題，接線端子與繞組焊接處焊接電阻產(chǎn)生附加電阻而發(fā)熱。另外由于溫升的設(shè)計(jì)裕度很小，使設(shè)計(jì)值與國(guó)標(biāo)規(guī)定的溫升限值很接近。除設(shè)計(jì)制造原因外，在運(yùn)行時(shí)如電抗器的氣道被異物堵塞造成散熱不良，也會(huì)引起局部溫度過高引起著火。

在一定溫度下,絕緣材料不產(chǎn)生熱損壞的時(shí)間稱為絕緣材料的使用壽命。大型電抗器的電流在幾千安以上。這樣大的電流流過電抗器，即使電抗器的電阻很小(毫歐級(jí))，功率也在千瓦以上。電器產(chǎn)品的損耗越大、運(yùn)行中產(chǎn)生的熱量就越大，在一定的條件下，電抗器的損耗越大運(yùn)行中產(chǎn)生的熱量就越大、溫升也就越高，而溫升增高會(huì)加速絕緣材料的老化，使其失去絕緣性能，從而也會(huì)縮短電抗器的使用壽命。這說明電抗器溫升的高低是保證其質(zhì)量和使用壽命的重要指標(biāo)。

1.2.3 漏磁

漏磁產(chǎn)生的原因及危害：在電抗器軸向位置有接地網(wǎng)，經(jīng)向位置有設(shè)備、遮攔、構(gòu)架等，都可能因金屬體構(gòu)成閉環(huán)造成較嚴(yán)重的漏磁問題，對(duì)周圍環(huán)境造成較嚴(yán)重的影響，若在磁場(chǎng)范圍內(nèi)有較大鐵磁物質(zhì)，若有閉環(huán)回路如地網(wǎng)、金屬遮攔、構(gòu)架等，其漏磁將感應(yīng)環(huán)流達(dá)數(shù)百安培，這不僅增大損耗，更因其建立的反向磁場(chǎng)同電抗器的部分繞組耦合產(chǎn)生嚴(yán)重問題，如經(jīng)向位置有閉環(huán)將使電抗器繞組過熱或局部過熱，如同變壓器二次側(cè)短路情況，如軸向位置有閉環(huán)將使電抗器的電流增大和電位分布改變，故漏磁問題并不能簡(jiǎn)單地認(rèn)為發(fā)熱或增加損耗。

1.2.4 振動(dòng)噪聲

有時(shí)會(huì)遇到空心電抗器在投運(yùn)后交流噪聲(基頻為100Hz)很大，并伴隨著有節(jié)奏的一陣陣的拍頻，地基發(fā)熱。這是因?yàn)榭招碾娍蛊鬟\(yùn)行的強(qiáng)大交變磁通，給周圍的鋼鐵構(gòu)件尤其是基礎(chǔ)預(yù)埋件，帶來交變電磁力所引起的共振和渦流并發(fā)熱。這是基建設(shè)計(jì)安裝的根本問題，只能停運(yùn)進(jìn)行徹底改造。

1.2.5 斷路器操作過電壓

由于電抗器為感性負(fù)載,當(dāng)斷路器在投切電抗器時(shí)會(huì)使線圈對(duì)地產(chǎn)生截流過電壓。感性負(fù)載側(cè)的電壓幅值和頻率都很高,會(huì)產(chǎn)生多次重燃過電壓，有可能給感性負(fù)載的絕緣帶來?yè)p壞。電抗器投切頻繁,開關(guān)設(shè)備關(guān)合次數(shù)過多,斷路器分閘引起的過電壓對(duì)電抗器匝間絕緣影響較大,進(jìn)而影響電抗器使用壽命。

1.2.6 過負(fù)荷電壓下運(yùn)行

國(guó)家電網(wǎng)公司《預(yù)防10kV～66kV干式電抗器事故措施》規(guī)定：電抗器的額定電壓要與安裝地點(diǎn)的電壓水平保持一致,嚴(yán)禁在額定電壓低于安裝點(diǎn)的電壓水平條件下運(yùn)行,當(dāng)運(yùn)行電壓高于電抗器額定電壓時(shí)應(yīng)采取降壓措施。同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)電抗器巡視與測(cè)溫。電抗器如果長(zhǎng)期運(yùn)行在過負(fù)荷電壓條件下,再加上操作過電壓對(duì)電抗器造成累積損傷效應(yīng)及系統(tǒng)電能質(zhì)量的影響,使得設(shè)備絕緣劣化速度加劇,電抗器導(dǎo)線絕緣性能下降,從而導(dǎo)致絕緣層薄弱環(huán)節(jié)匝間短路。

2 電抗器故障監(jiān)測(cè)方法

目前針對(duì)干式電抗器匝間短路問題有許多不同檢測(cè)方法，主要包括脈沖電壓法、煙感法、溫感法及探測(cè)線圈法等。脈沖電壓法是一種離線檢測(cè)方法，通過不少于7200次脈沖沖擊試驗(yàn)將匝間絕緣故障徹底暴露出來，是一種破壞性的試驗(yàn)，這種方法雖能有效檢測(cè)出電抗器匝間絕緣缺陷，但成本高、縮短了電抗器的使用壽命、降低了電抗器的使用效率；煙感法利用煙感探測(cè)器檢測(cè)電抗器過熱時(shí)產(chǎn)生的煙氣來達(dá)到檢測(cè)的目的，僅適用于干式電抗器，但由于電抗器一般應(yīng)用于戶外，因故障而造成的煙氣擴(kuò)散很快，濃度達(dá)不到一定閾值很難準(zhǔn)確檢測(cè)到。

目前干式電抗器溫感法主要采用探點(diǎn)式無線溫度傳感器和光纖光柵傳感器，無線測(cè)溫傳感器抗干擾性能差、無法用于監(jiān)測(cè)電抗器內(nèi)部溫度，光柵傳感器尺寸大安裝不變、不適用于扎（層）間溫度監(jiān)測(cè)，這兩類傳感器還都無法獲得完整的內(nèi)部溫度場(chǎng)分布特性；油浸式電抗器可以內(nèi)置溫度傳感器和油溫監(jiān)測(cè)來發(fā)現(xiàn)異常，但靈敏度不足，而采用油色譜分析的效果較好；探測(cè)線圈檢測(cè)法通過監(jiān)測(cè)匝間短路故障產(chǎn)生渦流造成的設(shè)備內(nèi)部總磁通量變化發(fā)現(xiàn)故障，其存在以下缺陷：僅適用于干式空心電抗器。若電抗器內(nèi)部發(fā)生匝間短路，因其故障匝數(shù)相對(duì)少、故磁通量不會(huì)產(chǎn)生顯著變化。若在電抗器橫軸附近發(fā)生故障，則兩側(cè)磁通量不會(huì)產(chǎn)生差值，故探測(cè)線圈檢測(cè)存在盲區(qū)。探測(cè)線圈的安裝可能會(huì)影響到電抗器的正常工作。

為及時(shí)發(fā)現(xiàn)和消除影響電抗器安全穩(wěn)定運(yùn)行的隱患，克服單一監(jiān)測(cè)或保護(hù)手段的局限性，采用一種簡(jiǎn)單、安全、性價(jià)比高的狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法（電流特征信息、阻抗特征信息、溫感特征信息、振動(dòng)特征信息）。該方法能提取電抗器電流特征信息、阻抗特征信息以及物理特征信息（包括內(nèi)部溫度場(chǎng)、振動(dòng)特征信息），通過高頻采樣和小波分析技術(shù)獲取電抗器電氣暫態(tài)及機(jī)械振動(dòng)特征信號(hào)；采用分布式光纖測(cè)溫技術(shù)為干式空心電抗器建立內(nèi)部溫度場(chǎng)，采用紅外熱像技術(shù)獲取電抗器的表面溫度場(chǎng)；采用多維度狀態(tài)參數(shù)故障分析與預(yù)警技術(shù)，以及不同相、不同設(shè)備、不同類型電抗器在不同時(shí)期的橫、縱向?qū)Ρ确治龅?，及時(shí)發(fā)現(xiàn)電抗器特性異常變遷信息、發(fā)出預(yù)警信號(hào)，可為電抗器實(shí)現(xiàn)狀態(tài)檢修提供重要決策依據(jù)，降低運(yùn)維成本、提高設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性。

2.1 電流特征信息監(jiān)測(cè)

目前電抗器電流采樣采用多個(gè)電流互感器安裝于電抗器匯流排的方式，雖測(cè)量準(zhǔn)確、精度高，但存在工程應(yīng)用難度大、易產(chǎn)生電氣安全事故、成本高、難于推廣的問題。研究一種基于高頻電流采樣的電抗器電流波形分析方法，并采用小波分析技術(shù)有效提取電抗器故障電流突變量、特征量，提供電抗器特征分析可靠的數(shù)據(jù)支持，及時(shí)發(fā)現(xiàn)電抗器異常隱患，按月和年統(tǒng)計(jì)因電流判定電抗器異常的次數(shù)，給出聲光預(yù)警信號(hào)，提醒運(yùn)維人員及時(shí)查看處理。

針對(duì)并聯(lián)電抗器，只需在進(jìn)線處每相安裝一只高頻電流傳感就可實(shí)現(xiàn)電抗器的電流分析，成本低、工程實(shí)施簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)可靠。若并聯(lián)電抗器進(jìn)線具有保護(hù)CT，考慮保護(hù)CT頻率的動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍較大，也可直接應(yīng)用小波分析對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，減少建設(shè)成本，但相對(duì)于高頻電流CT采樣精度略低；針對(duì)串聯(lián)電抗器，需在串聯(lián)電抗器首尾各加裝一只高頻電流傳感器，分析其波形特征變化，實(shí)現(xiàn)串聯(lián)電抗器的電流特征分析。

2.2 阻抗特征信息監(jiān)測(cè)

電氣參數(shù)作為電力設(shè)備的基本特性能準(zhǔn)確地反映設(shè)備的運(yùn)行狀況。通過分析干式空心電抗器在不同工作狀態(tài)、不同位置發(fā)生故障前后電氣參數(shù)的變化規(guī)律，可以有效地對(duì)電抗器的工作狀態(tài)進(jìn)行判斷。目前，用于干式空心電抗器故障診斷的電氣參數(shù)主要包括損耗、電感、阻抗、功角特性等，其中基于阻抗變化的故障監(jiān)測(cè)方法應(yīng)用廣泛。研究電抗器在不同工作條件及異常狀態(tài)下的阻抗變化特征，建立專家模型庫(kù)。通過采集母線PT電壓，并結(jié)合并聯(lián)電抗器的電流特征參數(shù)，實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)獲取的電抗器阻抗變化，生成并聯(lián)電抗器阻抗特征分析結(jié)果，分析電抗器異常原因及損壞程度，按月和年統(tǒng)計(jì)因阻抗判定電抗器異常的次數(shù)，給出聲光預(yù)警信號(hào)，提醒運(yùn)維人員及時(shí)查看處。

2.3 溫感特征信息監(jiān)測(cè)

作為輸變電系統(tǒng)的重要組成部分，干式空心電抗器的溫度監(jiān)測(cè)方式跟隨變電站經(jīng)歷了由傳統(tǒng)到數(shù)字化，再到智能化的轉(zhuǎn)變。由于干式空心電抗器大多數(shù)的運(yùn)行故障最終都表現(xiàn)為溫度或溫升的異常，因此，基于設(shè)備溫度監(jiān)測(cè)的干式空心電抗器故障診斷是目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的重點(diǎn)。熱點(diǎn)溫升和溫度場(chǎng)的分布情況是評(píng)估干式空心電抗器運(yùn)行狀態(tài)的重要指標(biāo)，針對(duì)電抗器電磁場(chǎng)強(qiáng)高、測(cè)溫難度大、無法監(jiān)測(cè)到核心區(qū)域的溫度的問題，研究一種電抗器內(nèi)部溫度場(chǎng)監(jiān)測(cè)技術(shù)。

研究分布式光纖測(cè)溫在電抗器的應(yīng)用，光纖分布于電抗器匝間、匯流排接觸點(diǎn)、電抗器內(nèi)壁、電抗器頂端，獲取電抗器內(nèi)部完整的溫度分布場(chǎng)，以及電抗器頂端空氣溫度，分析電抗器絕對(duì)溫度差以及相對(duì)溫度差，建立電抗器溫度場(chǎng)分布3D模型，從而分析電抗器的狀態(tài)信息，全面監(jiān)測(cè)電抗器的溫度差分布，預(yù)防電抗器故障，尤其是匝間短路故障引起的燃燒事故。按月和年統(tǒng)計(jì)因溫度值判定電抗器異常的次數(shù)，給出聲光預(yù)警信號(hào)，提醒運(yùn)維人員及時(shí)查看處理。

2.4 振動(dòng)特征信息監(jiān)測(cè)

研究電抗器振動(dòng)特征分析技術(shù)，通過加裝振動(dòng)傳感器，分析電抗器振動(dòng)特征數(shù)據(jù)，提取振動(dòng)特征指紋，為電抗器特性綜合分析提供多源的數(shù)據(jù)支持。按月和年統(tǒng)計(jì)因振動(dòng)瞬時(shí)值判定電抗器異常的次數(shù)，給出聲光預(yù)警信號(hào)，提醒運(yùn)維人員及時(shí)查看處理。

綜上，本文提出干式空心電抗器故障監(jiān)測(cè)方法，該方法可有效為故障預(yù)警提供可靠保障，具有推廣價(jià)值。