本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)檢測技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種干式空心電抗器匝間短路故障在線檢測方法。

背景技術(shù)：

干式空心電抗器具有起始電壓分布均勻、線性度好、損耗小、噪聲低、安裝方便、維護簡單等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)中，起到補償無功功率、限制短路電流、濾除高次諧波等作用，是電力系統(tǒng)重要電力設(shè)備之一。

由于工況嚴劣，干式空心電抗器事故頻發(fā)。統(tǒng)計表明，匝間短路故障發(fā)生次數(shù)占據(jù)干式空心電抗器故障總發(fā)生次數(shù)的50％以上，如果得不到及時排除，短路電流產(chǎn)生的局部高溫會直接將電抗器燒毀并造成停電事故，嚴重影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。因此有效檢測匝間短路故障是保證干式空心電抗器穩(wěn)定運行的關(guān)鍵。

目前對干式空心電抗器匝間短路故障的診斷主要采用兩類方法，離線檢測方法和在線檢測方法。

離線檢測方法是從預(yù)防性試驗的角度出發(fā)，定期對電抗器進行匝間絕緣性能檢測，通過分析匝間絕緣性能及早發(fā)現(xiàn)匝間短路故障。離線檢測方法能夠保證設(shè)備在兩次試驗期間正常運行，但它存在以下主要問題：一是設(shè)備檢測期間由于停運帶來會帶來很大的經(jīng)濟損失；二是離線檢測不能準確反映設(shè)備運行時的狀況；三是離線檢測中有些是破壞性試驗，會縮短電抗器的使用壽命。

在線檢測方法主要有功率方向檢測法和磁場探測法。功率檢測法的主要原理是：干式空心電抗器正常運行時，三相電壓或三相電流對稱，只有正序分量，沒有負序分量和零序；發(fā)生匝間短路故障時，三相電壓(電流)出現(xiàn)不對稱現(xiàn)象，此時可分解出零序和負序分量。根據(jù)該特點，通過檢測電抗器序電壓和序電流實現(xiàn)干式空心電抗器匝間短路故障檢測的方法被稱為功率方向檢測法，功率方向檢測法是實現(xiàn)電抗器匝間保護的重要手段，但對于少數(shù)匝短路，即輕微匝間短路，無法檢測，其缺點是靈敏度不足。而磁場探測法的原理是：干式空心電抗器由于其結(jié)構(gòu)呈上下對稱，因此正常運行時其磁場分布也呈上下對稱的特性；當發(fā)生匝間短路故障時，由于短路環(huán)中會產(chǎn)生很大的短路電流，引起電抗器局部磁場發(fā)生顯著變化，破壞了原來磁場分布的對稱性。根據(jù)此特點，通過在干式空心電抗器各包封外表面對稱位置成對安裝磁場探測線圈，通過探測線圈感應(yīng)電壓，提取磁場變化信號，判斷電抗器運行狀態(tài)，達到匝間短路故障在線實時檢測的目的。該方法靈敏度高，在匝間短路故障的早期即可根據(jù)瞬態(tài)信號進行預(yù)警，但是由于該方法需要在電抗器外包封繞制對稱放置的成對探測線圈，而對正在運行中的電抗器，尤其是高壓端一側(cè)繞制探測線圈難度很大，可能會造成設(shè)備的不安全性隱患，因此，對現(xiàn)役電抗器該方法難以實施。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種干式空心電抗器匝間短路故障在線檢測方法，解決了現(xiàn)役干式空心電抗器匝間短路故障難以在線實時檢測的問題。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，一種干式空心電抗器匝間短路故障在線檢測方法，具體按以下步驟實施：

通過在線實時檢測運行中電抗器等效電阻值的變化，根據(jù)運行等效電阻的變化判斷電抗器是否發(fā)生匝間短路故障，并在發(fā)生匝間短路故障時給予報警。

本發(fā)明的特點還在于，

具體為：通過在線實時同步測量干式空心電抗器的端電壓和流過電抗器的電流，由對應(yīng)的電壓相量和電流相量的比值計算電抗器運行等效阻抗，進一步取等效阻抗的實部得到電抗器的運行等效電阻，根據(jù)等效電阻值的變化判斷電抗器運行狀態(tài)，并在發(fā)生匝間短路故障時給予報警。

具體為：在電抗器下出線端設(shè)置電壓探測線圈，在電抗器下出線臂上設(shè)置電流探測線圈檢測實時的電抗器電壓和電流，電壓和電流信號傳輸至實時監(jiān)控處理模塊，通過實時監(jiān)控處理模塊得到運行等效電阻經(jīng)485協(xié)議的通訊電纜傳輸至計算機或上位機，計算機或上位機接收、存儲、顯示通訊數(shù)據(jù)，實時計算等效電阻值的變化判斷電抗器運行狀態(tài)，并進行預(yù)警。

實時監(jiān)控處理模塊內(nèi)設(shè)置有無線通信模塊，實時監(jiān)控處理模塊得到的數(shù)據(jù)信息依次通過ZigBee無線傳輸和485協(xié)議的通訊電纜傳輸至計算機或上位機。

電抗器上、下出線端均設(shè)置電壓探測線圈，電抗器上、下出線臂上均設(shè)置電流探測線圈檢測實時的電抗器電壓和電流。

具體按照以下步驟實施：

步驟1，對檢驗合格的干式空心電抗器加載工頻正弦電壓u₀(t)，測得流過電抗器的穩(wěn)態(tài)電流i₀(t)，根據(jù)對應(yīng)的電壓相量和電流相量的比值，得到電抗器的等效阻抗Z_eq0，即：對等效阻抗取實部得到電抗器的等效電阻R_eq0，即：R_eq0＝Re[Z_eq0]；將R_eq0作為基準值；

步驟2，在線實時同步測量運行中的干式空心電抗器端電壓u(t)和流過電抗器的電流i(t)，根據(jù)對應(yīng)的電壓相量和電流相量計算電抗器運行等效阻抗Z_eq，即然后對等效阻抗取實部得到電抗器的運行等效電阻R_eq，即R_eq＝Re[Z_eq]；

步驟3，比較運行等效電阻R_eq及等效電阻基準值R_eq0，計算得到運行等效電阻的變化值ΔR及其變化率e，即：ΔR＝R_eq-R_eq0，e＝ΔR/R_eq0；根據(jù)ΔR，e來判斷電抗器是否發(fā)生匝間短路故障；

步驟4，當運行等效電阻變化率e超出設(shè)定閾值時，進行預(yù)警。

等效電阻的變化率e的設(shè)定閾值介于10％～25％。

本發(fā)明的有益效果是，本發(fā)明方法通過在線實時同步測量干式空心電抗器的端電壓和流過電抗器的電流，由對應(yīng)的電壓相量和電流相量的比值計算電抗器運行等效阻抗，計算其與設(shè)定的基準值的變化率e，當發(fā)生e超過相應(yīng)設(shè)定閾值時，啟動電抗器匝間短路故障的預(yù)警、報警動作，同時通過485通訊協(xié)議傳遞數(shù)據(jù)到遠程計算機，進行遠程監(jiān)控和進一步診斷等操作。該方法可靠性、實時性高，對電抗器結(jié)構(gòu)和安全性能無損，適合高壓、超高壓工況下服役的干式空心電抗器運行健康狀態(tài)的在線監(jiān)控。

附圖說明

圖1是本發(fā)明方法的工作流程示意圖；

圖2是本發(fā)明所采用的在線監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是干式空心電抗器匝間短路位置示意圖；

圖4是本發(fā)明實施例2所采用的在線監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是本發(fā)明實施例3所采用的在線監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中，1.電抗器本體，2.電壓探測線圈，3.電流探測線圈，4.電抗器出線臂，5.計算機或上位機，6.485協(xié)議的通訊電纜，7.實時監(jiān)控處理模塊，8.無線信號發(fā)射器，9.無線信號接收器。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明進行詳細說明。

本發(fā)明提供了一種干式空心電抗器匝間短路故障在線檢測方法，通過在線實時同步測量干式空心電抗器的端電壓和流過電抗器的電流，由對應(yīng)的電壓相量和電流相量的比值計算電抗器運行等效阻抗，進一步取等效阻抗的實部得到電抗器的運行等效電阻，根據(jù)等效電阻值的變化判斷電抗器運行狀態(tài)，達到匝間短路故障在線實時檢測的目的。具體按照以下步驟實施：

步驟1，對檢驗合格的干式空心電抗器加載工頻正弦電壓u₀(t)，測得流過電抗器的穩(wěn)態(tài)電流i₀(t)，根據(jù)對應(yīng)的電壓相量和電流相量的比值，得到電抗器的等效阻抗Z_eq0，即：進一步，對等效阻抗取實部得到電抗器的等效電阻R_eq0，即：R_eq0＝Re[Z_eq0]；將R_eq0作為基準值。

電抗器等效電阻基準值R_eq0為對電抗器生產(chǎn)廠家出廠檢驗合格的電抗器加載工頻正弦電壓，在電路達到穩(wěn)態(tài)時，根據(jù)電抗器電壓相量和電流相量計算的電抗器等效電阻。

步驟2，在線實時同步測量運行中的干式空心電抗器端電壓u(t)和流過電抗器的電流i(t)，根據(jù)對應(yīng)的電壓相量和電流相量計算電抗器運行等效阻抗Z_eq，即然后對等效阻抗取實部得到電抗器的運行等效電阻R_eq，即R_eq＝Re[Z_eq]。

電抗器電壓相量為電壓有效值相量，其大小為電抗器端電壓u(t)的有效值，角度為電抗器端電壓u(t)的初相角，若以端電壓為參考相量，則初相角取為0°。

電抗器電流相量為電流有效值相量，其大小為流過電抗器電流i(t)的有效值，角度為流過電抗器電流i(t)的初相角，以端電壓為參考相量時，該電流初相角可以反映電抗器阻抗的阻抗角。

電抗器運行等效電阻R_eq為運行中的電抗器，在線測得電抗器端電壓和流過電抗器的電流，根據(jù)對應(yīng)的電壓相量和電流相量計算的電抗器等效電阻。

步驟3，比較運行等效電阻R_eq及等效電阻基準值R_eq0，計算得到運行等效電阻的變化值ΔR及其變化率e，即：ΔR＝R_eq-R_eq0，e＝ΔR/R_eq0；根據(jù)ΔR，e來判斷電抗器是否發(fā)生匝間短路故障。

本發(fā)明的方法的工作原理，如圖1所示，通過在線同步測量干式空心電抗器端電壓和流過電抗器的電流，根據(jù)對應(yīng)的電壓相量和電流相量計算電抗器的運行等效電阻R_eq，以電抗器等效電阻R_eq0為基準，根據(jù)運行等效電阻的變化ΔR及其變化率e來判斷電抗器運行狀態(tài)和匝間短路故障出現(xiàn)的特征位置，達到匝間短路故障在線實時監(jiān)測目的，是一種有效且易于實施的電抗器匝間短路故障在線監(jiān)測方法。

等效電阻的變化率e的設(shè)定閾值通常介于10％～25％，當發(fā)生e超過相應(yīng)設(shè)定閾值時，啟動預(yù)警、報警動作，也可根據(jù)實際服役環(huán)境和靈敏度要求對e調(diào)整修正。也可通過485通訊協(xié)議傳遞數(shù)據(jù)到遠程計算機，通過計算機進行遠程監(jiān)控和操作。

本發(fā)明所采用的在線監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，如圖2所示，工作過程如下：

1)電抗器電壓波形信號及其波形采用電壓互感器原理通過電壓探測線圈2結(jié)構(gòu)獲取，通常設(shè)置于電抗器下部的接地出線端附近。

2)電抗器電流信號及其波形的采用CT電流互感器原理通過電流探測線圈3結(jié)構(gòu)獲取，通常設(shè)置于電抗器下部的接地出線端臂(即電抗器出線臂4)上。

3)電抗器的電壓信號、電流信號同時接入實時監(jiān)控處理模塊7中，通過實時監(jiān)控處理模塊7中的DSP單片機采樣和波形對比計算，得到實時的電抗器電壓u(t)和流過的電流i(t)，計算對應(yīng)的電壓相量和電流相量得到電抗器運行等效阻抗Z_eq，即然后將實時數(shù)據(jù)阻抗Z_eq通過485協(xié)議通訊電纜6傳送到遠程計算機或上位機5。

4)485協(xié)議的通訊電纜6主要配合實時監(jiān)控處理模塊7進行實時數(shù)據(jù)的可靠傳送，通常根據(jù)使用條件，可以采用485協(xié)議的電纜傳輸或者ZigBee無線傳輸+電纜傳輸。

5)計算機或上位機5用于接收、存儲、顯示通訊數(shù)據(jù)，同時根據(jù)等效電阻基準值R_eq0實時計算等效電阻的變化值ΔR及其變化率e，根據(jù)e來判斷電抗器是否發(fā)生匝間短路故障?；跀?shù)據(jù)庫的統(tǒng)計分析給出設(shè)備工作正常的信息或者設(shè)備發(fā)生匝間短路前期進行預(yù)警動作。

實施例1：

干式空心電抗器，容量4.4kVar、額定電壓110V、額定電流40A以及額定電感8.76mH，工作頻率為50Hz。探測線圈的設(shè)置同圖2所示。

在電抗器1靠近接地端的底部設(shè)置電壓探測線圈2、出線臂上設(shè)置電流探測線圈3，采用實時監(jiān)控處理模塊7中的電壓-電流采樣單片機進行采樣，計算得到的實時數(shù)據(jù)阻抗Z_eq通過485協(xié)議的通訊電纜6傳送到遠程計算機5。

首先在電抗器正常運行狀態(tài)下，實時監(jiān)控測得電抗器在工頻下的等效電阻為：0.225Ω＝225mΩ，即將該值作為電抗器等效電阻的基準值。

在電抗器中出線匝間短路故障時，即內(nèi)部有一個或若干個自行閉和的短路環(huán)生成，短路層匝數(shù)也隨之改變，由于電抗器由多層線圈并聯(lián)構(gòu)成，因此，當發(fā)生小匝數(shù)短路時其等效電感值變化微小，而電抗器的等效電阻卻變化顯著。

在本實施例中，如圖3所示，當單匝匝間短路位置在距離電抗器中部分別為0、2H/10、3H/10、4H/10、5H/10時，相應(yīng)的不同位置發(fā)生匝間短路時的等效電阻監(jiān)測值如表1所示。

表1不同位置發(fā)生匝間短路故障時電抗器的等效電阻Z_eq及其變化率

表1所示，電抗器正常狀態(tài)下，等效電阻值為225mΩ，電抗器不同部位發(fā)生單匝匝間短路故障時，其等效電阻Z_eq變化率發(fā)生顯著變化，減小了23％～40％，越靠近電抗器中部，這種變化率越顯著。

設(shè)定等效電阻Z_eq變化率閾值為20％，一旦其變化率超越該閾值Z_eq即可判斷電抗器正在發(fā)生匝間短路故障，并準確予以報警。

實施例2：

干式空心電抗器，容量1000kVar、額定電壓10kV、額定電流173A、額定電感106mH，工作頻率為50Hz。探測線圈的設(shè)置同圖4所示。

在電抗器1靠近接地端的底部設(shè)置電壓探測線圈2、出線臂上設(shè)置電流探測線圈3，采用實時監(jiān)控處理模塊7中的電壓-電流采樣單片機進行采樣，實時監(jiān)控處理模塊7內(nèi)設(shè)置有無線通信模塊，計算得到的實時數(shù)據(jù)阻抗Z_eq通過ZigBee協(xié)議由無線信號發(fā)射器8傳輸?shù)綗o線信號接收器9，其中無線信號發(fā)射器8到無線信號接收器9的距離不超過50m。然后由無線信號接收器9通過485協(xié)議的通訊電纜6遠距離傳送到遠程計算機5進行進一步存儲處理，從而在電抗器工作側(cè)實現(xiàn)高電壓隔離。

在本實例中，標準狀態(tài)下電抗器的等效電阻為27Ω，設(shè)定等效電阻Z_eq的變化率報警閾值為20％，一旦其變化率超越該閾值Z_eq即可判斷電抗器正在發(fā)生匝間短路故障。

實施例3：

干式空心電抗器，額定電壓35kV、額定容量5000kVA、額定電流247A、額定電感260mH，工作頻率為50Hz。探測線圈的設(shè)置同圖5所示。

在電抗器1上、下接線臂附近位置各自設(shè)置電壓探測線圈2的雙探測模塊(雙回路并行工作，用于提高在線監(jiān)控的可靠性)，采用實時監(jiān)控處理模塊7中的DSP單片機進行各自的電壓-電流信號采樣，各自計算得到的2路實時數(shù)據(jù)阻抗Z_eq通過ZigBee協(xié)議由無線信號發(fā)射器8傳輸?shù)綗o線信號接收器9。然后由無線信號接收器9通過485協(xié)議的通訊電纜6遠距離傳送到遠程計算機5進行進一步存儲處理，從而在電抗器工作側(cè)實現(xiàn)高電壓隔離。

在本實例中，標準狀態(tài)下電抗器的等效電阻為76Ω，設(shè)定等效電阻Z_eq的變化率報警閾值為15％，一旦其變化率超越該閾值Z_eq即可判斷電抗器正在發(fā)生匝間短路故障。