干式空心电抗器匝间短路在线监测方法研究

2018-12-18南方电网玉溪供电局罗康顺王庸道史玉清何鹏张学敏

电力设备管理 2018年11期

南方电网玉溪供电局罗康顺王庸道史玉清何鹏张学敏

0 引言

在电力系统中，电抗器能够对无功功率进行补偿，对短路电流起到限制作用以及滤除高次谐波，是电力系统的重要电力设备之一。干式空心电抗器具有起始电压分布均匀、线性度好、损耗小、噪声低、安装方便、维护简单等优点，因此，从20世纪80年代开始，国内就开始使用进口干式空心电抗器，1990年左右国内厂家也陆续研制出国产的干式空心电抗器产品。

鉴于干式空心电抗器匝间短路故障的高发性和危害性，90年代左右国内外就开展了针对电抗器匝间短路故障的研究。与相同电压等级的其他设备相比较，其出现故障的概率远远高出，并且60%以上的故障是由于匝间短路所导致的。一般的电抗器保护措施对于匝间短路故障存在灵敏度低等问题，因此探究一种灵敏度较高的空心电抗器匝间短路故障监测方法，在电抗器发生匝间短路故障初期及时报警、及时从系统中切除十分必要。

1 电抗器匝间短路动态物理过程分析

干式空心电抗器从正常工作到匝间短路故障形成可分为三个阶段：正常工作期、匝间短路故障早期以及匝间短路故障期。

在正常工作期，电抗器每层线圈匝与匝之间为串联连接，电流同向，如图1(a)所示，第k匝与第k+1匝中的电流方向相同。根据安培力定律，匝与匝呈相互吸引状态[1]，良好的匝间绝缘保障匝间不会出现匝间短路故障。

当匝间绝缘出现破损的时候，在电磁力的作用下，绝缘破损处的金属导线将会发生相互接触，进而形成短路环，由电磁感应定律不难得出，短路环中会产生与原线圈电流方向相反且幅值远大于原线圈电流的感应电流，如图1(b)所示。发生匝间短路后，第k匝成为短路环，此时，电磁力作用会使短路环与其相邻线匝相互排斥。因此，在匝间短路最初，短路点处的相邻线匝会出现碰撞、分离的重复过程，称之为匝间短路故障早期。

相邻匝触碰时形成的短路环中感应电流会使短路点附近出现局部高温，致使匝间绝缘损伤加重，一般情况下该过程会持续相当长的一段时间。随着故障的恶化，短路点形成和分离的频次逐渐增加，最终金属导线熔化黏结到一起，此时进入匝间短路故障期，形成稳定的短路环，其中的感应大电流持续产生热量，加速绝缘老化，致使匝间短路范围迅速扩大，乃至烧毁电抗器。

图1 干式空心电抗器的线圈匝电流

2 匝间短路下干式空心电抗器的模型

综合分析各种研究，不难得出这样的结论，引起干式电抗器事故的主要因素，是匝间短路。为了实现对干式空心电抗器匝间短路状态的在线监测，需对其匝间故障状态下的电气参数进行分析。

在工频电压下，干式空心并联电抗器可以由各线圈的自感、互感和导线电阻等效。干式空心并联电抗器为多包封多层线圈并绕结构，以层为单位，建立的等值电路如图2所示。干式空心电抗器匝间绝缘在高场、高温的作用下会发生绝缘老化，随着匝间绝缘的老化，线圈内部会形成短路环，这里称为匝间短路故障[2]。由此可见，干式空心电抗器在发生匝间绝缘老化时，故障层线圈可以分成两部分：短路匝构成第n+1个支路，剩余匝构成第i个支路。

图2 干式空心并联电抗器等值电路

3 匝间短路电抗器阻抗变化量

等效电路与解析方法：干式空心电抗器是若干支路并联的组合，各支路有直流电阻、自感和互感。假设N层并联线圈的第层发生匝间绝缘故障，在该处匝间绝缘故障还没有将第m层绕组烧断以前，其电路模型如图3所示[3]。

图3 干式空心电抗器匝间短路故障的等效电路

与正常情况的计算模型相比，除了第层匝数减少并分为两段串联绕组外，电路上还增加了一个由电阻RN+1和电感LN+1形成的闭合回路，此闭合回路通过互感Mi,N+1与其他各并联电感发生联系。各支路电压组成的电压方程组如下：

式(1)和式(2)化为n+1个方程的方程组，有n+1个电流变量，利用Matlab软件可以求解出干式空心电抗器外施电压为时，电抗器各支路电流将各个支路的电流代数求和，可以得到流经电抗器的整体电流根据欧姆定律可以得出等值电阻R与等值电抗x。

4 匝间短路监测的原理

从磁场的角度着手研究干式空心电抗器匝间短路故障在线监测方法。首先，对干式空心电抗器匝间短路故障后磁场进行研究，观察分析其分布的变化特性，并研究磁场的监测方法，然后在数据采集设备从实验模型上采集真实监测信号的基础上，分析监测信号的基本特性，并建立监测信号的数学模型，最后对监测信号的处理方法进行研究探讨。干式空心电抗器发生匝间短路故障后，电抗器产生的磁场较正常状态会发生变化，如图4所示。