干式铁芯电抗器匝间短路故障检测与定位方法

马志钦　王守明　杨贤　蔡玲珑　朱东柏

摘 要：针对现有匝绝缘检测方法无法解决铁心电抗器匝间耐压试验问题，提出了基于变频谐振技术铁心电抗器匝间绝缘检测手段及匝间短路故障定位方法。该方法利用高压补偿电容器与试品电抗器串联，通过调节变频装置输出频率使电抗器线圈发生谐振，提高电抗器匝间耐受电压达到匝绝缘考核目的。通过仿真与理论推导对试验回路方案、匝间短路电流估算进行详细分析，得出匝间短路会导致回路幅频特性出现明显电压失谐特征，并以此作为铁芯电抗器匝绝缘缺陷检测判据。同时，提出一种检测铁芯电抗器线圈周围磁场变化量的匝绝缘缺陷位置检测的方法，通过磁场分布仿真模型验证了缺陷定位可行性。

关键词：铁芯电抗器;匝绝缘;变频谐振;缺陷定位

DOI：10.15938/j.jhust.2020.06.009

中图分类号： TM47

文献标志码： A

文章编号： 1007-2683（2020）06-0063-07

Research on the Detection and Location Method of Turn Short

Circuit Fault of Dry-type Iron Core Reactor

MA Zhi-qin1， WANG Shou-ming2， YANG Xian1， CAI Ling-long1， ZHU Dong-bai2

（1.Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Corporation， Guangzhou 510600， China;

2.School of Electrical and Electronic Engineering， Harbin University of Science and Technology， Harbin 150080）

Abstract：To solve the problem of turn to turn withstand voltage test of existing iron core reactor， this paper proposes the turn to turn insulation detection method and short circuit fault location method based on frequency conversion resonance technology. In this method， the high-voltage compensation capacitor is connected in series with the reactor of the test object， and the resonance occurs in the reactor coil by adjusting the output frequency of the varied frequency converter， so as to improve the turn to turn withstand voltage of the reactor and achieve the purpose of turn insulation assessment. Through simulation and theoretical derivation， the test circuit scheme and the estimation of turn to turn short circuit current are analyzed in detail， and it is concluded that the turn to turn short circuit will cause obvious voltage detuning in the amplitude frequency characteristics of the circuit， which is used as the detection criterion of turn insulation defects in iron core reactors. At the same time， a method of detecting the defect position of turn insulation by detecting the magnetic field variation around the core reactor coil is proposed. The feasibility of defect location is verified by the simulation model of magnetic field distribution.

Keywords：iron core reactor; turn insulation; frequency tuned resonance; defect location

0 引 言

铁芯电抗器由于具有体积小、漏磁少、损耗小、安全性高等特点在电网无功补偿、抑制工频过电压、高压电机启动等场合中得到越来越多的应用。然而由于制造工艺、材料缺陷或运行中的過电压破坏等，会导致绝缘损坏[1-2]，烧毁电抗器线圈，许多故障的直接原因是由于匝绝缘击穿短路造成的[3-4]，因而有必要找到一种铁芯电抗器线圈匝绝缘缺陷定位的方法，事先通过试验定位匝绝缘缺陷，制定合理的运维检修策略，提高供电可靠性。

目前的匝绝缘脉冲振荡试验技术主要适用于空心电抗器检测[5-8]，铁芯电抗器由于绕组对地电容大，采用该试验技术会导致绕组电压分布严重不均而损坏绕组，因此电抗器匝间绝缘脉冲振荡试验技术无法适用于铁芯电抗器。目前，铁芯电抗器匝间缺陷检测出厂试验中主要靠雷电冲击试验[9]，但由于铁心电抗器存在绕组线圈对铁心电容分布、绕组线圈匝间电容分布、绕组线圈对地电容分布，采用该检测方法会导致雷电冲击波按照初始分布电容分压，故只能对绕组的进波端进行严格考核，对绕组中部的考核目前缺乏有效的手段。此外雷电冲击试验存在试验设备庞大、调波费时等问题，不利于现场试验。JB/T 5346-2014等行业标准虽规定了高频法进行匝间耐压试验[10]，但尚无针对干式铁芯电抗器绕组匝绝缘试验的设备，也未见相关研究报道。

绝缘缺陷定位方法分为非电气量测定和电气量测量方法，非电气量测量方法包括超声法、红外法、紫外光法等，由于非电气量的检测需要足够的灵敏度，但对于电力设备中的绕组匝间绝缘击穿放电，往往由于线圈较大的衰减作用使得放电信号检测非常困难[11-12]，此外高灵敏的非电量检测设备又往往价格昂贵而难以实现应用。电气量检测有行波法、特高频天线法、阻抗法等[13-20]，行波法由于采用测量脉冲波在导线中的脉冲时间差进行定位，比较适合长距离传输线或电缆线路故障定位，对于含铁芯电线圈往往不知道绕制方式而难以准确定位;特高频天线可以测量放电产生的GHz以上的特高频信号，一般可用于检测有无局放信号，但对于含铁芯线圈匝绝缘缺陷检测，尤其是定位仍无法实现;阻抗法通过检测线圈阻抗的变化来反映匝绝缘缺陷的变化状态，一般由于不知道线圈绕制型式而无法实现定位。综上所述，研究用于铁芯电抗器线圈的匝绝缘缺陷定位方法是十分必要的。

本文提出了铁芯电抗器匝绝缘缺陷检测的变频谐振方法，分析了匝间短路后试验回路幅频电压的失谐特性，同时给出一种探测铁芯电抗器线圈漏磁通分布变化特征的匝间缺陷定位方法。

1 变频谐振匝绝缘缺陷检测电路原理

1.1 匝绝缘缺陷检测电路原理

基于变频谐振技术的干式铁芯电抗器匝绝缘缺陷检测系统原理如图1所示，采取提高频率方式可满足铁芯不发生饱和，解决无法进行铁芯电抗器匝间缺陷检测的问题。首先，三相电源经电源进线端U1经过三相整流桥电路U2给直流电容C2充电;为了减小直流电压脉动并达到调压要求，采取U3降压斩波调压单元，使得输出直流电压脉动减小并根据被试电抗器需要进行调压;然后经单相逆变功率模块U4调制出相应频率的脉宽调制波，并经滤波电路U5使得输出电压成为正弦波，送至高频升压变压器TH;为了降低电源及高频变压器输出容量，采取被试电抗器LX谐振电容器C1串联谐振。控制器可以根据被试电抗器的电感值，计算出相应的谐振频率，并根据该谐振频率设定输出电源频率;被试品外施电压值由阻容分压器U6测得，若存在偏差，则由斩波电路进行自动调压。逆变器输出频率初选为被试品电感与补偿电容C1的谐振频率，控制器根据逆变器的输出电流及试品端电压的采样值进行FFT算法解析，将解析值转化为控制量反馈给驱动单元，完成谐振频率闭环自动调节。

1.2 匝间短路环流估算

以一台铁芯串联电抗器为例，计算参数如下：额定电压11/3kV，额定容量480kVar，电抗率6%。可以将该电抗器根据基本参数建立谐振法等效电路，将其中短路一匝与其余部分电抗分别等效。为便于分析，假设不考虑漏抗影响，电源电压设为参照基准值1V，逆变器输出的变频信号由受控电压源fs等效替代，谐振电容为8.581μF，仿真模型如图2所示。将铁芯电抗器的短路匝等效为1匝的等值阻感元件，與剩余W-1匝阻感元件串联，如图2所示。

图2中与铁芯电抗并联支路含有开关BRK，该支路用于等效匝间短路，将短路匝参数按照匝数比平方关系归算到未短路侧，即有等值电感2.954mH，等值电阻0.497Ω。

设电抗器端电压UL，匝数W，为便于估算仅考虑线圈电阻R，则有短路电流Id：

Id=UL/WR/W=ULR

短路发生后，由于铁芯具有激磁磁势，短路匝与未短路匝存在强电磁耦合，根据安匝平衡关系，可估算短路电流归算到未短路侧电流I′：

I′·W=Id·1=ULR

即 I′=ULR·W=ωL·IR·W=QIW

式中：L为电抗器电感值;Q电抗器品质因数。通常对于串联电抗器一般Q小于100;对于并联电抗器一般Q小于200。为评估短路匝引起电流变化情况，不妨设为Q=150，即有

I′I=QW

如果按照电抗器匝数一般也在100～200匝，则I′≈I。考虑本例表2参数，Q≈100，W=54，则短路一匝引起的电流变化为：

I′2+I2=（10054I）2+I2=2.1I

短路匝类似自耦线圈，除流过额定电流外还要额外增加电流，对于Q≈W，电流也要增加40%左右（2I），铁芯电抗匝间短路必然会导致严重的电抗器烧毁。

2 匝间绝缘短路缺陷定位方法

存在匝绝缘缺陷的含铁芯线圈布置如图3（a）所示，A1为铁磁材料铁芯，其中位于线圈中部的铁芯为分段不连续式结构;A2为线圈，整体套在铁芯A1外侧;A3为线圈线匝，缠绕在线圈A2内部;B1和B2为位于线圈A2外侧的磁场测量点，S为线圈匝间短路点。

首先测试线圈外磁感应强度，判断沿平行线圈轴向的线圈外磁感应强度-位置曲线是否存在峰值，如果存在峰值，则说明对应位置处匝绝缘短路;如果曲线没有峰值，则匝绝缘没有短路发生。

图3（b）为含铁芯线圈匝绝缘缺陷的定位方法原理图，P1为含铁芯线圈匝绝缘缺陷检测高压电源，与串联补偿电容器C和测定匝绝缘缺陷的含铁芯线圈Lx相连接。B1、B2为线圈外磁场测量上部和下部的霍尔传感器，传感器测得的磁场值经过差分运算放大器P2送入数字信号处理器P3，实现铁芯线圈匝绝缘缺陷的定位计算。磁场测量采用差分技术，利用匝间短路环在B1、B2两霍尔传感器所测得的磁场量值的不同，经过差分放大器P2后，可放大差模信号，抑制共模干扰信号，提高磁场检测灵敏度。

掌握铁芯电抗器线圈磁场分布特点是其匝间短路定位的关键，图4为一匝载流导线在直角坐标系下空间任一点产生磁场示意图，图中a为载流圆环导线的半径，I为导线流过电流，P为空间XZ平面上任一点，坐标分别为x、y、z，R为载流圆环导线圆心距空间任一点P的距离。空间XZ平面上任一点产生的磁感应强度分量分别为：

Bx=μ0I2π·zxz2+（x+a）2[-K+z2+x2+a2z2+（x-a）2E]

Bz=μ0I2π·1z2+（x+a）2[K+a2-z2-x2z2+（x-a）2E]

点P（x，y，z）的总合成磁感应强度：

Bp=Bx2+Bz2

式中，

K=π2[1+k24+964k2+…]

E=π2[1-k24-364k2-…]

k2=4RasinθR2+a2+2Rasinθ

3 仿真结果分析

3.1 铁芯电抗器匝间绝缘短路试验幅频特性

根据高频谐振法匝绝缘检测等值电路，仿真结果如图5（a）所示，起始部分试验检测电路处于高频谐振状态，电压幅值约达到原来的150倍。当t=0.25s时，匝间短路发生，此时从仿真电路明显看出回路失谐，电抗器端电压开始迅速下降，如图5（b） 失谐电抗器端电压变化，试验回路进入脱谐状态。

短路发生后，试验回路幅频特性如图5（c）所示，经过阻抗分析，回路匝间短路前，阻抗特性为正常的1000Hz谐振点，此时阻抗最小。铁芯电抗器匝间短路后将在谐振频率1000Hz出现明显的电压跌落，谐振频率也明显提高。对比发现，短路前后谐振点发生明显变化，阻抗发生较大变化，导致回路脱谐，因此可以利用变频谐振法测试铁芯电抗器匝间绝缘短路故障。

3.2 铁芯电抗器匝间绝缘短路定位分析

设短路匝电流I=100A，线圈半径a=0.4m，线圈高度H=1.2m，磁场测量位于线圈表面0.1m处，短路匝线圈分别位于线圈高度方向z=0，0.25H，0.5H，0.75H处，短路匝电流环与磁场传感器相对位置示意图如图6（a）所示。漏磁场传感器测量的信息包含正常情况下的漏磁与匝间短路环引起的漏磁，正常情况下单位长度下的漏磁变化量是固定的，但出现短路环时其周围的漏磁将发生明显变化，此处采用B1和B2测量，根据其差模信号结果判断是否存在匝间缺陷。弱磁场传感器B1和B2位置可以在0～H间变化，两个传感器间距离为h，短路匝线圈位置可以在0～H间变化。

图6（b）为铁芯电抗器线圈周围磁场分布示意图，图中可见磁通主要流经铁芯柱中，线圈外侧磁场很弱，基本在10-4T数量级。

为验证本文铁芯电抗器匝间短路定位方法的有效性，现分析依据上述结构尺寸的铁芯电抗器线圈不同位置出现短路匝时，在位于线圈表面0.1m处测量沿线圈轴向磁场的变化规律。

短路匝线圈分别位于线圈高度方向z=0，0.25H，0.5H，0.75H处，测量线圈表面轴向磁感应强度变化曲线如图7（a）、图7（d）所示。各图的曲线差异是线圈短路匝位置不同造成的，图中曲线上各点为沿线圈高度不同位置的磁感应强度，磁场传感器测量B1和B2点的磁感应强度数值按照B1、B2位置对应各图曲线上的值，B1、B2沿轴向方向（z轴）相距一定距离，当B1、B2移动到短路匝位置，并沿Z轴距短路匝距离相等時，分别测量的是曲线峰值两侧对称点，测量数值相同，如图7（b）所示，二者经过差分放大器后差模信号为0;在其他沿Z轴方向时，B1、B2点测量值经过差分放大器后，差模信号值均不为0，因此可以准确短路匝位置。图7（a）在线圈端部测量时，B1、B2沿H=0高度位置也会呈现上下对称，也可判断短路匝位置在H=0处。

4 结 论

针对铁芯电抗器匝间绝缘短路缺陷的检测与定位方法展开研究，得出以下结论：

1）对于铁心电抗器匝绝缘检测不能采用连续脉冲振荡试验方法，冲击电压起始分布的不均匀性与冲击电压作用的瞬时性制约了雷电冲击试验方法进行匝间绝缘检测的准确性;研究发现变频谐振法更适合于铁心电抗器匝绝缘缺陷检测。

2）对于铁芯电抗器，可采用固定调谐电容改变频率的检测手段。通过控制器对测试谐振频率的自主调节，可将试品试验电压逐步提升，保障试验安全性，降低装置容量输出。

3）变频谐振匝绝缘缺陷检测中，回路幅频特性变化、电压值跌落等试验回路失谐特征，可作为铁芯电抗器匝绝缘短路缺陷检测判据。失谐后试品端电压与检测回路电流自动跌落。

4）研究表明，铁芯电抗器匝间绝缘短路位置定位可以采用线圈表面轴向磁场测量实现，采用差分磁场测试技术可以提高测试抗干扰能力。

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（编辑：温泽宇）

收稿日期： 2019-03-18

基金项目： 国家重点研发计划项目（2017YFB0902705）; 广东电网有限责任公司项目（GDKJXM20162143）.

作者简介：

马志钦（1986—），男，硕士，高级工程师;

朱东柏（1964—），男，硕士，硕士研究生导师.

通信作者：

王守明（1994—），男，硕士，E-mail：850102444@qq.com.