CN103323752B - 一种干式空心电抗器匝间绝缘缺陷的检测系统 - Google Patents

Abstract

一种干式空心电抗器匝间绝缘缺陷的检测系统，包括电源、限流电阻R、电容C、高压电子开关控制电路、高压电子开关D、电容分压器和波形检测装置，检测时，所述电源、限流电阻R、电容C和待测电抗器Lx串联组成闭合回路，电容分压器与待测电抗器Lx并联，波形检测装置与电容分压器的低压臂电容CL并联，高压电子开关D与所述电容C和待测电抗器Lx组成的串联支路并联；高压电子开关控制电路控制高压电子开关的通断使电容器C对待测电抗器Lx进行间歇放电，在待测电抗器Lx上产生高频脉冲振荡电压，波形检测装置检测待测电抗器Lx的输出波形，判断待测电抗器Lx是否存在匝间绝缘缺陷。本发明便于精确控制且电磁干扰小，能对干式空心电抗器匝间绝缘缺陷进行有效检测。

Description

一种干式空心电抗器匝间绝缘缺陷的检测系统

技术领域

本发明涉及一种干式空心电抗器匝间绝缘缺陷的检测系统。

背景技术

电抗器由多个同轴的并联绕组组成，各并联绕组在电气上并联。每个并联绕组又由多根并联的铜线或铝线根据设计需要绕制多层而成，每根导线上包有聚脂薄膜作为匝间绝缘。并联绕组外部用浸渍环氧树脂的玻璃纤维缠绕、严密包封，并经高温固化，形成一个具有很好整体性的包封3，如图1所示，各包封3间通过玻璃丝引拔条1分隔，形成散热气道。采用接线臂2作为并联绕组的出线连接端，并联绕组的上下接线臂2通过拉纱方式固定，形成一个整体。

电网统计表明，干式空心电抗器有90%事故是因匝间绝缘缺陷所致。干式空心电抗器匝间绝缘缺陷的检测主要通过脉冲震荡电压试验完成。然而，目前对干式空心电抗器匝间绝缘缺陷的检测，尚处于经验积累及完善的阶段。这是因为，之前的脉冲震荡电压试验设备，都是采用传统的球隙放电形式将脉冲震荡电压施加到电抗器上。而球隙放电无法精确控制，而且放电产生的电磁波对试验波形的采样干扰很大，会影响实验波形的采样和识别。如果采用普通的电子开关来完成试验回路的接通和截断以产生脉冲震荡电压，普通的电子开关很难承受电抗器脉冲震荡试验的高电压。

所以，要完成高电压脉冲震荡试验回路的接通和截断，必须研究出特殊的高压电子开关：要能够承受电抗器试验的高电压（10kV电抗器的试验电压等级为70kV，35kV电抗器的试验电压等级为160kV）；要能够承受达到500A的脉冲电流；同时要求高压电子开关的接通和截断必须同步，能被精确控制。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种干式空心电抗器匝间绝缘缺陷的检测系统，利用该系统能够对干式空心电抗器匝间绝缘缺陷进行有效检测。

为解决上述技术问题，本发明采取的技术方案如下：一种干式空心电抗器匝间绝缘缺陷的检测系统，包括电源、限流电阻R、电容C、高压电子开关控制电路、高压电子开关D、电容分压器和波形检测装置，高压电子开关控制电路与高压电子开关D相连，控制高压电子开关的通断，电容分压器具有高压臂电容CH和低压臂电容CL；

检测时，所述电源、限流电阻R、电容C和待测电抗器Lx串联组成闭合回路，电容分压器与待测电抗器Lx并联，波形检测装置与电容分压器的低压臂电容CL并联，高压电子开关D与所述电容C和待测电抗器Lx组成的串联支路并联；

高压电子开关D断开时，电源对电容C充电，高压电子开关D闭合后，电容C和待测电抗器Lx形成谐振回路；高压电子开关控制电路控制高压电子开关的通断使电容器C对待测电抗器Lx进行间歇放电，在待测电抗器Lx上产生高频脉冲振荡电压，波形检测装置检测待测电抗器Lx的输出波形，判断待测电抗器Lx是否存在匝间绝缘缺陷。

对于存在匝间绝缘缺陷的待测电抗器Lx，在高频脉冲振荡电压的作用下会使匝间形成击穿，检测电抗器Lx的输出波形可以判断匝间绝缘的状况。

所述电源为采用中频倍压方式输出的大容量直流高压发生器。

作为本发明推荐的实施方式，所述高压电子开关D由可控硅串联阀组构成，可控硅串联阀组由多个可控硅阀串联而成，每个可控硅阀由可控硅、续流二极管和均压电阻三者并联组成，且在所述可控硅阀中，所述可控硅和续流二极管反向相连；所述高压电子开关控制电路即为各所述可控硅阀的驱动电路。

各所述可控硅阀的驱动电路包括隔离驱动电源、可控硅驱动板和第一光纤传输部分，第一光纤传输部分包括依次相连的光纤发射器、光纤和光纤接收器，各所述可控硅阀驱动电路的光纤发射器由同一信号源触发，各所述可控硅阀驱动电路的光纤传输部分的同步时间差值在100nS以内，每个可控硅阀驱动电路的隔离驱动电源与其可控硅驱动板和光纤接收器相连，每个可控硅阀驱动电路的光纤接收器的信号输出端与其可控硅驱动板的信号输入端相连，可控硅驱动板接收光纤接收器发送的触发信号控制相应可控硅阀中的可控硅导通或截止。

所述检测系统还包括系统控制电路和过流保护电路，所述系统控制电路控制所述信号源信号的发生，所述过流保护电路包括电流互感器和第二光纤传输部分，电流互感器检测高压电子开关D低压端电流信号的变化并通过所述第二光纤传输部分反馈给所述系统控制电路，系统控制电路完成判断控制所述信号源输出保护信号使各可控硅阀中的可控硅截止。

作为本发明的优选实施例，所述检测系统还包括一高压多路输出隔离驱动电源,所述高压多路输出隔离驱动电源的一路输出构成一可控硅阀驱动电路的隔离驱动电源；所述高压多路输出隔离驱动电源包括依次相连的直流电源Uin、全桥逆变电路和滤波电路，还包括高压电缆和多个电流变压器，所述电流变压器具有环形磁芯，全桥逆变电路与所述系统控制电路相连，在系统控制电路控制下完成直流到交流的变换，滤波电路滤除谐波成份以获得需要的交流电，所述高压电缆将滤波电路的输出连成回路，所述电流变压器的环形磁芯作为电流变压器的初级线圈内部由所述高压电缆穿过，所述电流变压器的次级线圈的输出经整流、滤波、稳压后即构成可控硅阀驱动电路的隔离驱动电源。

作为本发明的优选实施方式，所述可控硅串联阀组中的可控硅阀呈层状布置，每层都水平设有用于改善可控硅阀散热的散热板，所述可控硅阀固定在散热板上。由于本发明的瞬间电流可达到数百安培，上述结构不仅能改善本发明的散热效果，而且有利于加强可控硅串联阀组结构的可靠性、牢固性。

本发明具有如下有益效果：

(1)本发明中利用高压电子开关来完成试验回路的接通和截断，以产生电抗器进行脉冲震荡电压试验所需要的高频脉冲振荡电压，一方面高压电子开关便于精确控制，有利于提高干式空心电抗器匝间绝缘缺陷检测系统的智能化程度（球隙放电电压具有分散性,高压电子开关的接通和截断可以精确控制,可以实现程序化控制），另一方面，由于本发明不是采用球隙放电形式将高频脉冲震荡电压施加到电抗器上，没有放电电弧，所以产生的电磁波大大减少，对实验波形的干扰也大大降低，可以在试验过程中记录匝间绝缘击穿的过程，有利于故障性质的分析和判断，对缺陷程度和性质的分析将有利于指导电抗器在结构方面的改进、设计方面的完善，从而降低干式空心电抗器的事故发生率，提高其运行可靠性，总之有利于推动干式空心电抗器的发展和进步；

(2)本发明采用串联的可控硅阀作为其高压电子开关，不仅能承受高压，而且串接使用方便，利于精确控制；本发明可控硅阀的驱动电路采用同步时间差值在100nS以内的光纤传输部分来传输驱动信号，且使光纤传输部分传输的驱动信号由同一信号源触发，有利于使可控硅串联阀组中的各可控硅阀的导通和关断保持良好的一致性，防止由于个别可控硅阀未导通或导通不一致而导致可控硅串联阀组中的其它可控硅阀承受过高电压而被击穿，从而导致整个可控硅串联阀组损坏，可控硅串联阀组中各可控硅阀保持良好的导通和关断一致性，有利于延长可控硅串联阀组的使用寿命；另外，本发明采用光纤传输部分传输驱动信号，绝缘性好、不易受干扰；本发明设置过流保护电路，在出现过电流故障时，能快速反馈到系统控制电路，从而切断所有可控硅阀的输出，更进一步的保护了本发明的可控硅串联阀组，从而保证检测系统安全可靠运行。

附图说明

图1为现有干式空心电抗器的结构示意图；

图2为本发明的电路原理图；

图3为本发明较佳实施例的高压电子开关及其驱动电路和保护电路的主要电路结构示意图；

图4为本发明较佳实施例的高压多路输出隔离驱动电源主回路的电路原理图；

图5为本发明较佳实施例的高压多路输出隔离驱动电源、光纤驱动、保护等整体原理框图；

图6为本发明较佳实施例的光纤发射器由同一信号源触发的触发电路的电路原理图；

图7表示在干式空心电抗器不存在匝间绝缘缺陷时，电抗器输出的电流振荡波形；

图8表示在干式空心电抗器匝间绝缘有缺陷时，电抗器输出的电流振荡波形。

具体实施方式

下面结合本发明的具体实施例和附图对本发明作进一步描述。

如图2所示，本发明的干式空心电抗器匝间绝缘缺陷的检测系统包括电源、限流电阻R、电容C、高压电子开关控制电路（未画出）、高压电子开关D、具有高压臂电容CH和低压臂电容CL的电容分压器和波形检测装置（未画出）。本实施例中，电源为采用中频倍压方式输出的大容量直流高压发生器DC。检测时，大容量直流高压发生器DC、限流电阻R、电容C和待测电抗器Lx串联组成闭合回路，电容分压器与待测电抗器Lx并联，波形检测装置与电容分压器的低压臂电容CL并联，高压电子开关D与电容C和待测电抗器Lx组成的串联支路并联。

本发明所展示的电路所实现的功能是将高频脉冲振荡电压施加到待测的干式空心电抗器Lx上，施加在待测的干式空心电抗器Lx上的高频脉冲振荡电压频率应在100kHz以下，电压幅值按照相关要求规定（GBT1094.6-2011电力变压器第6部分：电抗器）设置即可。

高压电子开关控制电路与高压电子开关D相连，控制高压电子开关的通断，高压电子开关D断开时，大容量直流高压发生器DC对电容C充电，高压电子开关D闭合后，电容C和待测电抗器Lx形成谐振回路，高压电子开关控制电路通过控制高压电子开关通断，使电容器C对待测电抗器Lx进行间歇放电，从而在待测电抗器Lx上产生高频脉冲振荡电压。利用波形检测装置检测待测电抗器Lx的输出波形，即可判断待测电抗器Lx是否存在匝间绝缘缺陷。

具体如下：

在干式空心电抗器不存在匝间绝缘缺陷，输出的电流振荡波形如图7所示；在匝间绝缘有缺陷时，输出的电流振荡波形如图8所示。

通过比较可以看出，电抗器在无匝间绝缘缺陷时其电流振荡波形衰减比较慢，幅值衰减到5%时约为0.6s；当有匝间绝缘缺陷时，衰减很快，幅值衰减到5%时约为20ms。结果还表明，存在匝间绝缘缺陷的包封的电流振荡频率明显比无匝间绝缘缺陷的大。这些差别，也正是对试验过程中匝间绝缘击穿过程的记录中分析得出的。

上述电抗器匝间绝缘缺陷是在假定绝缘缺陷匝完全短路的情况下进行的，在实际中，绝缘缺陷匝在很多情况下并没有完全短路，只有当电抗器的匝电势超过缺陷绝缘所能承受的电压时，才能引起缺陷处绝缘的击穿而形成短路环，所以在实际的匝间绝缘缺陷检测时，电抗器上所施加的电压的幅值必须达到一定要求，而且检测系统的检测装置的检测频率至少要大于100MS/S，才能判别微小的频率变化。

如图3所示，高压电子开关D由可控硅串联阀组构成，可控硅串联阀组由多个可控硅阀串联而成，每个可控硅阀由可控硅SCR、续流二极管和均压电阻三者并联组成，且在可控硅阀中，可控硅SCR和续流二极管反向相连。因为可控硅串联阀组中每个可控硅阀的耐压在6500V左右，10kV电抗器的脉冲震荡电压试验的试验电压等级为70kV，考虑到安全性，我们按每个可控硅阀耐压为6000V计算，选择12个可控硅阀串联。均压电阻的作用是保证可控硅串联阀组中每个可控硅阀上的电压一致。

本发明采用可控硅来构成本发明的高压电子开关，一方面因为其控制方便，有较宽广范围的电流、电压控制能力，其额定电流可以从几毫安到5000A以上，额定电压可以超过10000V。虽然IGBT等其它元件的工作电压目前也可做到6000V，但其不利于串接使用。

图4为本实施例的高压多路输出隔离驱动电源主回路的电路原理图，如图所示，高压多路输出隔离驱动电源包括直流电源Uin、全桥逆变电路和滤波电路，本实施例的直流电源Uin可由22OV交流电经直流变换得到，滤波电路采用LC串联谐振电路，电容C的两端作为LC串联谐振电路的输出。高压多路输出隔离驱动电源还包括高压电缆和多个具有的环形磁芯的电流变压器TC。全桥逆变电路完成直流到交流的变换，LC串联谐振电路滤除谐波成份，使输出的交流电具有接近正弦波的波形。高压电缆line将LC串联谐振电路的输出连成回路，电流变压器TC的环形磁芯作为电流变压器TC的初级线圈，内部由高压电缆line穿过，电流变压器的次级线圈的输出经整流、滤波、稳压后作为可控硅串联阀组中一个可控硅阀的驱动电路的隔离驱动电源。图4中电流变压器的初级线圈套在母线上取得所需电流的取电方式同时也起到了隔离作用。

为了使电流变压器TC的环形磁芯和其次级的稳压部分小型化，要求全桥逆变电路的工作频率尽量高，所以本实施例中选用高频MOSFET晶体管作为其全桥逆变电路中的开关管，其控制端——栅极与系统控制电路（将在后文中讲述）相连，其输出频率为60kHz。

高压电子开关控制电路即为各可控硅阀的驱动电路，各可控硅阀的驱动电路的输出端与各可控硅阀中的可控硅的控制端相连。如图3、5所示，可控硅阀的驱动电路包括隔离驱动电源（如前所述）、可控硅驱动板和第一光纤传输部分，第一光纤传输部分包括依次相连的光纤发射器、光纤Fibre1和光纤接收器。本实施例中采用发光二极管LED作为其光纤发射器。每个可控硅阀驱动电路的隔离驱动电源与其可控硅驱动板和光纤接收器相连，为所述可控硅驱动板和光纤接收器供电，每个可控硅阀驱动电路的光纤接收器的信号输出端与其可控硅驱动板的信号输入端相连，可控硅驱动板接收光纤接收器发送的触发信号控制相应可控硅阀中的可控硅导通或截止。

各可控硅阀驱动电路的光纤传输部分的同步时间差值要求在100nS以内，具体可通过如下方式来挑选光纤传输部分的各个组件。

采用同一个光纤发射器，同一根光纤，来挑选光纤接收器，保证每个信号接收的延迟时间小于500ns，挑选同步时间小于50ns的光纤接收器。再用同样的方法来挑选光纤发射器和光纤，保证每根光纤的长度一致，本实施例的光纤选择Agilent的HFBR-0400。挑选好光纤传输部分的各组件后，将其接入可控硅阀的驱动电路，可用多通道示波器检测光纤传输部分的同步性，使每个可控硅阀的驱动同步时间差值小于50ns。

各可控硅阀驱动电路的光纤发射器由同一信号源触发，其触发电路如图7所示。由于本实施例的可控硅串联阀组由12个可控硅阀串联组成，所以对应有12个发光二极管LED，如图编号1~12。12个发光二极管LED组成两条串联支路，每条串联支路由6个导通方向相同的发光二极管LED串联组成。两串联支路的正极都与+15的电源相连，负极分别通过两阻值相同的电阻R9和R22与晶体管Q1的漏极相连，晶体管Q1的源极接地，晶体管Q1的栅极通过电阻R8接地，同时通过电阻R7与信号源的输出端相连。该信号源为脉冲信号源。

如图5所示，检测系统还包括系统控制电路和过流保护电路，系统控制电路控制上述脉冲信号源信号的发生。如图3所示，过流保护电路包括电流互感器CT和第二光纤传输部分OFT，第二光纤传输部分OFT与上述第一光纤传输部分结构相同。电流互感器CT检测高压电子开关D低压端L电流信号的变化并通过第二光纤传输部分OFT反馈给系统控制电路，系统控制电路完成判断控制信号源输出保护信号使各可控硅阀中的可控硅截止。

本发明可控硅串联阀组中的可控硅阀呈层状布置，每层都水平设有用于改善可控硅阀散热的散热板，可控硅阀固定在散热板上。由于本发明的瞬间电流可达到数百安培，上述结构不仅能改善本发明的散热效果，而且有利于改善可控硅串联阀组结构的可靠性、牢固性。均压电阻都采用大功率高压电阻，保证实际功率在电阻额定功率的20%以下。

本发明高压电子开关D的设计，有以下注意事项：1）高压电子开关D需要承受2*160kV的高电压冲击，其耐压性能必须足够：本发明采用多个可控硅串联分压解决上述问题；2）高压电子开关D由多个元件串联而成，每个元件承受的电压分布必须均衡，否则会出现逐个击穿现象：本发明通过设置均压电阻、使所有可控硅的驱动信号由同一信号源触发、控制各光纤传输部分的同步性等手段来解决上述问题；3）高压电子开关D必须有足够的通流容量，良好的散热性能：本发明此处利用了可控硅具有较大的额定电流的特性来解决高压电子开关D通流容量的问题，同时通过设置散热板解决高压电子开关D的散热需求。

Claims (4)

1.一种干式空心电抗器匝间绝缘缺陷的检测系统，其特征在于，包括电源、限流电阻R、电容C、高压电子开关控制电路、高压电子开关D、电容分压器和波形检测装置，高压电子开关控制电路与高压电子开关D相连，控制高压电子开关的通断，电容分压器具有高压臂电容CH和低压臂电容CL；

检测时，所述电源、限流电阻R、电容C和待测电抗器Lx串联组成闭合回路，电容分压器与待测电抗器Lx并联，波形检测装置与电容分压器的低压臂电容CL并联，高压电子开关D与所述电容C和待测电抗器Lx组成的串联支路并联；

高压电子开关D断开时，电源对电容C充电，高压电子开关D闭合后，电容C和待测电抗器Lx形成谐振回路；高压电子开关控制电路控制高压电子开关的通断使电容器C对待测电抗器Lx进行间歇放电，在待测电抗器Lx上产生高频脉冲振荡电压，波形检测装置检测待测电抗器Lx的输出波形，判断待测电抗器Lx是否存在匝间绝缘缺陷；

所述电源为采用中频倍压方式输出的大容量直流高压发生器；

所述高压电子开关D由可控硅串联阀组构成，可控硅串联阀组由多个可控硅阀串联而成，每个可控硅阀由可控硅、续流二极管和均压电阻三者并联组成，且在所述可控硅阀中，所述可控硅和续流二极管反向相连；所述高压电子开关控制电路即为各所述可控硅阀的驱动电路；

各所述可控硅阀的驱动电路包括隔离驱动电源、可控硅驱动板和第一光纤传输部分，第一光纤传输部分包括依次相连的光纤发射器、光纤和光纤接收器，各所述可控硅阀驱动电路的光纤发射器由同一信号源触发，各所述可控硅阀驱动电路的光纤传输部分的同步时间差值在100ns以内，每个可控硅阀驱动电路的隔离驱动电源与其可控硅驱动板和光纤接收器相连，每个可控硅阀驱动电路的光纤接收器的信号输出端与其可控硅驱动板的信号输入端相连，可控硅驱动板接收光纤接收器发送的触发信号控制相应可控硅阀中的可控硅导通或截止。

2.根据权利要求1所述的干式空心电抗器匝间绝缘缺陷的检测系统，其特征在于，所述检测系统还包括系统控制电路和过流保护电路，所述系统控制电路控制所述信号源信号的发生，所述过流保护电路包括电流互感器和第二光纤传输部分，电流互感器检测高压电子开关D低压端电流信号的变化并通过所述第二光纤传输部分反馈给所述系统控制电路，系统控制电路完成判断控制所述信号源输出保护信号使各可控硅阀中的可控硅截止。

3.根据权利要求2所述的干式空心电抗器匝间绝缘缺陷的检测系统，其特征在于，所述检测系统还包括一高压多路输出隔离驱动电源,所述高压多路输出隔离驱动电源的一路输出构成一可控硅阀驱动电路的隔离驱动电源；所述高压多路输出隔离驱动电源包括依次相连的直流电源Uin、全桥逆变电路和滤波电路，还包括高压电缆和多个电流变压器，所述电流变压器具有环形磁芯，全桥逆变电路与所述系统控制电路相连，在系统控制电路控制下完成直流到交流的变换，滤波电路滤除谐波成份以获得需要的交流电，所述高压电缆将滤波电路的输出连成回路，所述电流变压器的环形磁芯作为电流变压器的初级线圈内部由所述高压电缆穿过，所述电流变压器的次级线圈的输出经整流、滤波、稳压后即构成可控硅阀驱动电路的隔离驱动电源。

4.根据权利要求3所述的干式空心电抗器匝间绝缘缺陷的检测系统，其特征在于，所述可控硅串联阀组中的可控硅阀呈层状布置，每层都水平设有用于改善可控硅阀散热的散热板，所述可控硅阀固定在散热板上。