CN105954633A - 损耗向量角度变化检测电抗器匝间故障的方法及其检测结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及损耗向量角度变化检测电抗器匝间故障的方法及其检测结构，该方法包括步骤一计算标准值，计算电抗器匝间绝缘未故障时，电抗器的向量角度；步骤二测量和计算实际向量角度，测量实际运行时，电抗器的工频交流电压；步骤三对比角度，将步骤一所得的向量角度与步骤二所得的实际向量角度进行对比，当步骤一所得的向量角度与步骤二所得的实际向量角度的存在偏差，表明抗器线圈存在匝间绝缘缺陷，偏差越大，匝间绝缘短路故障的程度越大。通过针电抗器施加工频额定电压、电流，测量和计算实际向量角度，测量其向量角度变化与理论计算的向量角进行对比，检测正常相与非正常相电抗器损耗角度变化，准确检测出电抗器是否有匝间短路故障，实用性强。

Description

损耗向量角度变化检测电抗器匝间故障的方法及其检测结构
技术领域
本发明涉及电力系统设备试验检测的技术领域，尤其是损耗向量角度变化检测电抗器匝间故障的方法及其检测结构。
背景技术
电抗器是电力系统不可或缺的电力设备，广泛应用于并联无功补偿，限流电抗器装置限制冲击电流或故障电流，滤波装置的谐振电抗器。随着我国电网建设的迅速发展，各种电压等级的高中压空心及铁心电抗器的应用也越来越普遍。
与其他电气设备一样，干式电抗器在实际运行中也存在很多事故。国内外干式电抗器的实际运行情况和大量资料表明：造成干式电抗器损坏的原因主要是线圈匝间绝缘存在缺陷及匝间绝缘发生损坏，导致匝间短路故障，而且这种事故往往会造成运行中的电抗器发生匝间短路，导致电抗器烧毁，对电力运行部门造成很大的损失。
干式电抗器发生匝间故障引起电感、电流、磁场等特征量的变化大小与安匝数及并联支路数密切相关，在故障发展初期，这些变化量很难被检测到。
目前，国内对匝间绝缘故障检测理论的研究进行不多，对匝间绝缘检测设备的研究也很少，基本处于软件模拟仿真阶段，未能开发实用产品。
因此有必要设计检测电抗器匝间绝缘故障的方法及检测结构，实现对电抗器匝间绝缘检测。
发明内容
本发明的目的在于提供损耗向量角度变化检测电抗器匝间故障的方法及其检测结构，旨在解决现有技术中，干式电抗器发生匝间故障引起电感、电流、磁场等特征量的变化大小与安匝数及并联支路数密切相关，在故障发展初期，这些变化量很难被检测到的问题。
本发明是这样实现的，损耗向量角度变化检测电抗器匝间故障的方法，包括以下具体步骤：
步骤一、计算标准值，计算电抗器匝间绝缘未故障时，电抗器的向量角度；
步骤二、测量和计算实际向量角度，测量实际运行时，电抗器的工频交流电压；
步骤三、对比角度，将步骤一所得的向量角度与步骤二所得的实际向量角度进行对比，当步骤一所得的向量角度与步骤二所得的实际向量角度的存在偏差，则表明抗器线圈存在匝间绝缘缺陷，并且偏差越大，匝间绝缘短路故障的程度越大。
进一步地，在所述步骤二中，对电抗器加入工频交流电流，测量功率损耗及功率损耗向量角。
进一步地，在步骤二中，计算实际向量角度的具体步骤如下：
步骤1、测量和计算等效电阻R增大值，建立故障模型，分析计算等效电阻R增大值；
步骤2、计算实际向量角度，根据等效电阻R增大值以及相关计算公式计算实际向量角度。
进一步地，在所述步骤1中，建立故障模型可以分为两种，一种是单相匝间故障模型，另外一种是多支路故障模型。
进一步地，在所述步骤1的故障模型中，等效等效电阻变大31%，短路一匝；等效等效电阻变大125%，短路三匝；等效等效电阻R变大286%，短路五匝。
进一步地，在所述步骤三中，正常运行状态下电抗器的工频交流电压下，其端电压及通过电流的相位一般为88°，当发生三到五匝的匝间故障后，其相位会偏移3°到7°左右。
进一步地，在所述步骤三中，随着短路匝的扩大，电抗器发展到五匝以后，电感变化不可忽略，且步骤一种的向量角度值与步骤二中的实际向量角度值的偏差越来越大。
进一步地，在所述步骤三中，短路匝的故障匝为大于三匝时，偏差越大。
损耗向量角度变化检测电抗器匝间故障的检测结构，包括控制器、连接在电抗器两端的测量功率损耗的功率损耗检测模块以及用于检测功率损耗向量角的功率损耗向量角检测模块，所述功率损耗检测模块以及所述功率损耗向量角检测模块分别与所述控制器连接。
进一步地，所述损耗向量角度变化检测电抗器匝间故障的检测结构还包括提醒模块，所述提醒模块与所述控制器连接。
与现有技术相比，本发明提供的损耗向量角度变化检测电抗器匝间故障的方法，通过针对单相电抗器个体，施加工频额定电压、电流，测量和计算实际向量角度，测量其向量角度变化与理论计算的向量角进行对比，检测正常相与非正常相电抗器损耗角度变化，可以准确检测出电抗器是否有匝间短路故障隐患，实用性强。
附图说明
图1是本发明实施例提供的单相匝间故障模型；
图2是本发明实施例提供的单相匝间故障等效电路图；
图3是本发明实施例提供的单相匝间故障二端口网络图；
图4是本发明实施例提供的多支路模型；
图5是本发明实施例提供的功损耗变化录波曲线图；
图6是本发明实施例提供的功率损耗角变化录波曲线图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
以下结合具体实施例对本发明的实现进行详细的描述。
参照图1~6，为本发明提供的较佳实施例。
本实施例提供的损耗向量角度变化检测电抗器匝间故障的方法及检测结构，可以运用在变电站现场已在户外运行一定年限的电抗器，准确检测出电抗器是否存在匝间短路故障隐患或已经发生匝间短路。
损耗向量角度变化检测电抗器匝间故障的方法，包括以下具体步骤：
步骤一、计算标准值，计算电抗器匝间绝缘未故障时，电抗器的向量角度；
步骤二、测量和计算实际向量角度，测量实际运行时，电抗器的工频交流电压；
步骤三、对比角度，将步骤一所得的向量角度与步骤二所得的实际向量角度进行对比，当步骤一所得的向量角度与步骤二所得的实际向量角度的存在偏差，则表明抗器线圈存在匝间绝缘缺陷，并且偏差越大，匝间绝缘短路故障的程度越大。
上述的损耗向量角度变化检测电抗器匝间故障的方法，通过针对单相电抗器个体，施加工频额定电压、电流，测量和计算实际向量角度，测量其向量角度变化与理论计算的向量角进行对比，检测正常相与非正常相电抗器损耗角度变化，可以准确检测出电抗器是否有匝间短路故障隐患，实用性强。
更进一步的，在所述步骤二中，对电抗器加入工频交流电流，测量功率损耗及功率损耗向量角。
另外，上述的步骤二中，计算实际向量角度的具体步骤如下：
步骤1、测量和计算等效电阻R增大值，建立故障模型，分析计算等效电阻R增大值；
步骤2、计算实际向量角度，根据等效电阻R增大值以及相关计算公式计算实际向量角度。
更进一步的，上述的步骤1，建立故障模型可以分为两种，一种是单相匝间故障模型，另外一种是多支路故障模型。
具体地，如图1至图3所示，对于单相匝间故障模型而言，电抗器两端看成一个二端口网络，正常情况下其有功损耗为：
+= R+ （公式1）
当电抗器发生内部故障初期时，电感L变化很小，特别是并联电抗器，理论计算一般小于0.1%，因而|i|几乎没变化。
但是，电抗器故障短路环瞬时消耗了大量能量，从公式1可以看出，P急剧增大，其等效等效电阻R在急剧增大。
为准确计算等效等效电阻R故障前后变化量，需建模计算故障电流与支路电流的比值K= 。若电抗器是单层线（小容量电抗器），以安匝数70匝，电感L3.21mH电抗器为例，通过计算，故障一匝后其匝等值等效电阻RR变大倍。
通过该匝间故障等效电路图计算统计表明，电抗器短路一匝的电感L变化很小，一般小于5%。如型号为CKGKL-100/10-5电抗器短路1匝电感L变小0.72%、型号为BKGKL-4000/35电抗器短路1匝电感L变小0.1%。
另外，如图4所示，对于多支路故障模型而言，由KCL定律得第m条支路的电压平衡关系式：
U= + + + （公式2）
短路环电压平衡关系式：
0=+ + （公式3）
上述各支路自感及互感可根据平均安匝法计算出来，令 ，代入（公式2）及（公式3），分离根部及虚部，通过矩阵方程可求得各支路电流及短路环电流，则故障后：
= += + （公式4）
空心电抗器，特别是并联电抗器，在故障初期支路总电流变化极小，可认为不变，此时
= （公式5）
以CKGKL-100/10-5为例，短路1匝，电感L变小0.72%；短路3匝，电感L变小2.19%；
实测短路一匝，等效等效电阻R变大31%，录波显示功率因数角从87.25°下降到86.4°。
实测短路三匝，等效等效电阻R变大137%，录波显示功率因数角从87.1°下降到83.1°。
实测短路五匝，等效等效电阻R变大265%，录波显示功率因数角从87.3°下降到80.1°。
上述的录波显示功率因数角为向量角度。
事实上，短路三匝可看成是三个短路一匝的三个短路环金属连接，如果短路1匝，等效等效电阻R增大设为K，则短路n匝的等效等效电阻R增大近似：
（公式6）
如实测，在所述步骤1的故障模型中，短路一匝，等效等效电阻R变大31%，则短路三匝的等效等效电阻R变大约为：1.31^3=2.25，即变大125%；短路五匝的等效等效电阻R变大约为：1.31^5=3.86，即变大286%。
在所述步骤2中的计算等效电阻R的增大值的公式为
= 。
在所述步骤三中，正常运行状态下电抗器的工频交流电压下，其端电压及通过电流的相位一般为88°，当发生三到五匝的匝间故障后，其相位会偏移3°到7°左右。
在所述步骤三中，随着短路匝的扩大，电抗器发展到五匝以后，电感变化不可忽略，且步骤一种的向量角度值与步骤二中的实际向量角度值的偏差越来越大。
具体地，在所述步骤三中，短路匝的故障匝为大于三匝时，偏差越大。
本发明还提供了损耗向量角度变化检测电抗器匝间故障的检测结构，包括控制器、连接在电抗器两端的测量功率损耗的功率损耗检测模块以及用于检测功率损耗向量角的功率损耗向量角检测模块，所述功率损耗检测模块以及功率损耗向量角检测模块分别与控制器连接。
另外，损耗向量角度变化检测电抗器匝间故障的检测结构还包括提醒模块，所述提醒模块与控制器连接，这样，当功率损耗检测模块以及功率损耗向量角检测模块检测到电抗器实际运行过程中的参数后，发送给控制器，控制器将这些参数与计算的参数值对比后，若电抗器发生匝间故障时，则发送信号给提醒模块，提醒用户。
检测结构接入电抗器两端后，自动加入工频交流电流，测量功率损耗及功率损耗向量角，通过检测人员对比历史数据及三相之间对比，就可以判断电抗器发生匝间故障的有无及程度。
在本实施例中，上述的电抗器可以为空心电抗器，也可以是铁心电抗器。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种损耗向量角度变化检测电抗器匝间故障的方法，其特征在于，包括以下具体步骤：
步骤一、计算标准值，计算电抗器匝间绝缘未故障时，电抗器的向量角度；
步骤二、测量和计算实际向量角度，测量实际运行时，电抗器的工频交流电压；
步骤三、对比角度，将步骤一所得的向量角度与步骤二所得的实际向量角度进行对比，当步骤一所得的向量角度与步骤二所得的实际向量角度的存在偏差，则表明抗器线圈存在匝间绝缘缺陷，并且偏差越大，匝间绝缘短路故障的程度越大。
2.如权利要求1所述的损耗向量角度变化检测电抗器匝间故障的方法，其特征在于，在所述步骤二中，对电抗器加入工频交流电流，测量功率损耗及功率损耗向量角。
3.如权利要求2所述的损耗向量角度变化检测电抗器匝间故障的方法，其特征在于，在步骤二中，计算实际向量角度的具体步骤如下：
步骤1、测量和计算等效电阻R增大值，建立故障模型，分析计算等效电阻R增大值；
步骤2、计算实际向量角度，根据等效电阻R增大值以及相关计算公式计算实际向量角度。
4.如权利要求3所述的损耗向量角度变化检测电抗器匝间故障的方法，其特征在于，在所述步骤1中，建立故障模型可以分为两种，一种是单相匝间故障模型，另外一种是多支路故障模型。
5.如权利要求4所述的损耗向量角度变化检测电抗器匝间故障的方法，其特征在于，在所述步骤1的故障模型中，等效等效电阻变大31%，短路一匝；等效等效电阻变大125%，短路三匝；等效等效电阻R变大286%，短路五匝。
6.如权利要求1所述的损耗向量角度变化检测电抗器匝间故障的方法，其特征在于，在所述步骤三中，正常运行状态下电抗器的工频交流电压下，其端电压及通过电流的相位一般为88°，当发生三到五匝的匝间故障后，其相位会偏移3°到7°左右。
7.如权利要求1所述的损耗向量角度变化检测电抗器匝间故障的方法，其特征在于，在所述步骤三中，随着短路匝的扩大，电抗器发展到五匝以后，电感变化不可忽略，且步骤一种的向量角度值与步骤二中的实际向量角度值的偏差越来越大。
8.如权利要求7所述的损耗向量角度变化检测电抗器匝间故障的方法，其特征在于，在所述步骤三中，短路匝的故障匝为大于三匝时，偏差越大。
9.损耗向量角度变化检测电抗器匝间故障的检测结构，其特征在于，包括控制器、连接在电抗器两端的测量功率损耗的功率损耗检测模块以及用于检测功率损耗向量角的功率损耗向量角检测模块，所述功率损耗检测模块以及所述功率损耗向量角检测模块分别与所述控制器连接。
10.如权利要求9所述的损耗向量角度变化检测电抗器匝间故障的检测结构，其特征在于，所述损耗向量角度变化检测电抗器匝间故障的检测结构还包括提醒模块，所述提醒模块与所述控制器连接。
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