干式電抗器自取能早期放電監(jiān)測預警技術研究與應用

馬江濤　謝超　丁宏

摘要：干式空心電抗器因其結構簡單，電感線性度好、重量輕、機械強度高、噪聲低等優(yōu)點被電力系統(tǒng)廣泛應用。本文通過對干式空心電抗器的在線監(jiān)測系統(tǒng)和運維策略進行研究與實踐，并通過“磁場探測法”，實時監(jiān)測電抗器的工作狀態(tài)，在匝間短路故障發(fā)展早期就可檢測到故障，及時發(fā)出預警信息，以保障干式空心電抗器的穩(wěn)定運行，達到保障電力系統(tǒng)的安全運行的目的。

關鍵詞：干式電抗器;自取能;匝間短路;在線監(jiān)測

隨著新技術、新工藝、新材料在其中的廣泛應用，不僅可以有效彌補這些缺陷和不足，還可以促進的電力設備的完善和進一步發(fā)展。干式電抗器自取能早期放電監(jiān)測預警技術的研發(fā)順應了我國智能電網(wǎng)的發(fā)展需求。

1干式電抗器局部放電概述

局部部放電是指設備絕緣系統(tǒng)中部分被擊穿的電氣放電，這種放電可以發(fā)生在導體（電極）附近，也可發(fā)生在其它位置。

1.1局部放電的種類：

①絕緣材料內部放電（固體-空穴;液體-氣泡）;②表面放電;③高壓電極尖端放電。

1.2局部放電的產(chǎn)生：

設備絕緣內部存在弱點或生產(chǎn)過程中造成的缺陷，在高壓電場作用下發(fā)生重復擊穿和熄滅現(xiàn)象-局部放電。局部放電可產(chǎn)生光學現(xiàn)象（光信號）、壓力波（聲音信號）、介質損耗、高頻波信號、化學產(chǎn)物、發(fā)熱現(xiàn)象等。局部放電既是設備故障的征兆，也是造成絕緣劣化的重要原因，局部放電檢測和監(jiān)測是實現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測的重要技術手段。

2干抗器常規(guī)檢測方法

目前為止，常規(guī)的干式電抗器檢測手段主要有：直流電阻測試、電抗器值測試、絕緣電阻測試、有功損耗測試、耐壓測試等。其中直阻、電抗器值、絕緣電阻測試都不能有效檢測干式電抗器的絕緣問題。

干式電抗器一般安裝在主變壓器低壓側，現(xiàn)場電場、磁場干擾大，而有功損耗測試儀容量小，對其測試結果有一定影響，每次測試數(shù)據(jù)變化非常大，干擾過強時還會燒損測試儀器，測試效果不理想，不能作為判斷依據(jù)。

由于耐壓測試設備沒有便攜式，不能運輸?shù)浆F(xiàn)場，而且在耐壓測試過程中，施加的電壓高于運行電壓6-7倍，對設備良好絕緣也有影響，所以也不能作為絕緣測試的判斷依據(jù)。

3干式電抗器在線監(jiān)測系統(tǒng)的研究

研究干式空心電抗器從正常運行狀態(tài)到匝間短路故障時電磁特性的變化規(guī)律，根據(jù)干式空心電抗器從正常工作到匝間短路故障狀態(tài)的物理過程，按照匝間短路初期的電擊穿放電模型和短路故障發(fā)展期線圈短路模型，采用場路耦合法，建立電抗器在不同包封、不同高度位置發(fā)生匝間短路故障時，各工作階段的數(shù)學模型，仿真分析電抗器各階段的電磁特性及參數(shù)（如層電流分布、磁場分布及電抗器電感值）的變化，并對比研究在電抗器不同包封、不同高度位置設置的探測線圈的感應信號強弱及其數(shù)值計算特征，驗證磁場探測法的可行性。

3.1在線監(jiān)測系統(tǒng)原理

針對干式電抗器在線監(jiān)測技術的需求，在深入研究干式電抗器故障原理與檢測方法的基礎上，我們研制了一套利用“干式電抗器自取能早期放電監(jiān)測預警裝置”，該裝置是一套專門針對干式電抗器匝間短路在線監(jiān)測裝置。通過0.2ms級在線高速采樣，實時監(jiān)控電抗器服役過程中的電磁場變化，構建診斷模型，檢測匝間短路發(fā)生期、發(fā)展期的特征信號，對電網(wǎng)運行中的電抗器可能發(fā)生的匝間短路故障、運行異常發(fā)出實時預警、報警信息，以供電網(wǎng)運行人員及時處理和預防事故。系統(tǒng)構成原理圖3-1。

3.2磁場探測法原理

由于干式空心電抗器為對稱結構，故其在正常工作狀態(tài)下會在其周圍產(chǎn)生對稱分布的磁場。電抗器發(fā)生匝間短路故障，短路環(huán)線圈中將會有很大的感應電流通過，從而破壞電抗器磁場的對稱性。為了探測磁場的變化，在電抗器的最內層包封內表面或最外層包封外表面安裝對稱放置的探測線圈，通過實時監(jiān)測探測線圈產(chǎn)生的差分電壓信號來實時判斷電抗器周圍磁場是否異常，從而實現(xiàn)對干式空心電抗器匝間短路故障的實時在線檢測。

基于法拉第電磁感應原理：

通過檢測感應電壓u來間接檢測電抗器中磁通的變化，因此，感應電壓和單位時間內的磁通B改變成正比，對于正常的工況50Hz而言，該u值不大且比較穩(wěn)定，但對于匝間短路瞬態(tài)的磁通變化而言，因為作用時間很短，會產(chǎn)生瞬態(tài)的u的變化會提高101～103倍以上，形成脈沖性質的電壓信號變化，基于u變化異常的信號辨識，可以可靠評價和確定電抗器內部是否發(fā)生了匝間短路。

3.3自取能裝置

自取能裝置的作用是通過電流的隔離變換實現(xiàn)部分電能從導線到感應電源模塊的轉移，如圖3-3，其設計需要綜合考慮喚醒電流、最小工作電流、輸出功率、安裝結構尺寸、短時耐受電流等多種因素，不同的應用往往需要專門的設計，感應電源模塊的作用是將來自取能裝置的電流進行控制，使之轉換成目標應用所需的可控穩(wěn)定輸出，它是電流感應電源的核心，其控制原理、制造工藝、器件選型直接關系到產(chǎn)品的可靠性，取電功率低、穩(wěn)定性差、易于損壞都是非專業(yè)感應電源模塊常見的現(xiàn)象，限流器的作用是在導線承受短時大故障電流時，控制感應電源模塊的輸入電流在安全許可的范圍內，特別是在超高壓及特高壓電網(wǎng)應用時，短路故障電流可能達40kA以上并持續(xù)數(shù)秒，如不安裝專用配套限流器，常規(guī)電流感應電源很容易被損壞。

3.4監(jiān)測系統(tǒng)配置

動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)包括自取能裝置、磁場探測模塊、高速采樣處理器、屏蔽裝置，后臺軟件分析系統(tǒng)五部分組成，可應用于500kV及以下電壓等級的各類型干式空心電抗器。后臺軟件運行分析模塊，圖形方式直觀分析處理歷史采樣數(shù)據(jù)的預警報警記錄和實時數(shù)據(jù)，用以診斷分析當前系統(tǒng)的穩(wěn)定性可靠性，以及報警信號、預警信號的可信度。

4結束語：

本文基于設計的硬件和軟件系統(tǒng)，在實驗室中搭建實驗平臺，對整個系統(tǒng)的功能進行驗證。該項技術適合于6～500kV電壓等級干式并聯(lián)電抗器、串聯(lián)電抗器，其中采樣速率為5k/sec，防護等級按照IP65設計符合電網(wǎng)要求，系統(tǒng)供電方式采用自取能（取能CT通電電流≥20A），在電磁兼容性方面完全符合DLZ713-2000《500kV變電所保護和控制設備抗擾度要求》。

干式空心電抗器匝間短路在線監(jiān)測系統(tǒng)可以實時監(jiān)測電抗器的工作狀態(tài)，在匝間短路故障發(fā)展早期就能檢測到故障，在故障實際發(fā)生之前，及時發(fā)出預警信息，從而更有效地防止故障擴大，保障電力系統(tǒng)的安全運行。

參考文獻：

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