CN106771840A - 一种干式空心电抗器匝间短路故障在线检测方法 - Google Patents

一种干式空心电抗器匝间短路故障在线检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种干式空心电抗器匝间短路故障在线检测方法,具体为：通过在线实时检测运行中电抗器等效电阻值的变化，根据运行等效电阻的变化判断电抗器是否发生匝间短路故障，并在发生匝间短路故障时给予报警。该方法可靠性、实时性高，对电抗器结构和安全性能无损，适合高压、超高压工况下服役的干式空心电抗器运行健康状态的在线监控。

Description

一种干式空心电抗器匝间短路故障在线检测方法
技术领域
本发明属于电力系统检测技术领域，涉及一种干式空心电抗器匝间短路故障在线检测方法。
背景技术
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，广泛应用于电力系统中，起到补偿无功功率、限制短路电流、滤除高次谐波等作用，是电力系统重要电力设备之一。
由于工况严劣，干式空心电抗器事故频发。统计表明，匝间短路故障发生次数占据干式空心电抗器故障总发生次数的50％以上，如果得不到及时排除，短路电流产生的局部高温会直接将电抗器烧毁并造成停电事故，严重影响电力系统的稳定运行。因此有效检测匝间短路故障是保证干式空心电抗器稳定运行的关键。
目前对干式空心电抗器匝间短路故障的诊断主要采用两类方法，离线检测方法和在线检测方法。
离线检测方法是从预防性试验的角度出发，定期对电抗器进行匝间绝缘性能检测，通过分析匝间绝缘性能及早发现匝间短路故障。离线检测方法能够保证设备在两次试验期间正常运行，但它存在以下主要问题：一是设备检测期间由于停运带来会带来很大的经济损失；二是离线检测不能准确反映设备运行时的状况；三是离线检测中有些是破坏性试验，会缩短电抗器的使用寿命。
在线检测方法主要有功率方向检测法和磁场探测法。功率检测法的主要原理是：干式空心电抗器正常运行时，三相电压或三相电流对称，只有正序分量，没有负序分量和零序；发生匝间短路故障时，三相电压(电流)出现不对称现象，此时可分解出零序和负序分量。根据该特点，通过检测电抗器序电压和序电流实现干式空心电抗器匝间短路故障检测的方法被称为功率方向检测法，功率方向检测法是实现电抗器匝间保护的重要手段，但对于少数匝短路，即轻微匝间短路，无法检测，其缺点是灵敏度不足。而磁场探测法的原理是：干式空心电抗器由于其结构呈上下对称，因此正常运行时其磁场分布也呈上下对称的特性；当发生匝间短路故障时，由于短路环中会产生很大的短路电流，引起电抗器局部磁场发生显著变化，破坏了原来磁场分布的对称性。根据此特点，通过在干式空心电抗器各包封外表面对称位置成对安装磁场探测线圈，通过探测线圈感应电压，提取磁场变化信号，判断电抗器运行状态，达到匝间短路故障在线实时检测的目的。该方法灵敏度高，在匝间短路故障的早期即可根据瞬态信号进行预警，但是由于该方法需要在电抗器外包封绕制对称放置的成对探测线圈，而对正在运行中的电抗器，尤其是高压端一侧绕制探测线圈难度很大，可能会造成设备的不安全性隐患，因此，对现役电抗器该方法难以实施。
发明内容
本发明的目的是提供一种干式空心电抗器匝间短路故障在线检测方法，解决了现役干式空心电抗器匝间短路故障难以在线实时检测的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种干式空心电抗器匝间短路故障在线检测方法，具体按以下步骤实施：
通过在线实时检测运行中电抗器等效电阻值的变化，根据运行等效电阻的变化判断电抗器是否发生匝间短路故障，并在发生匝间短路故障时给予报警。
本发明的特点还在于，
具体为：通过在线实时同步测量干式空心电抗器的端电压和流过电抗器的电流，由对应的电压相量和电流相量的比值计算电抗器运行等效阻抗，进一步取等效阻抗的实部得到电抗器的运行等效电阻，根据等效电阻值的变化判断电抗器运行状态，并在发生匝间短路故障时给予报警。
具体为：在电抗器下出线端设置电压探测线圈，在电抗器下出线臂上设置电流探测线圈检测实时的电抗器电压和电流，电压和电流信号传输至实时监控处理模块，通过实时监控处理模块得到运行等效电阻经485协议的通讯电缆传输至计算机或上位机，计算机或上位机接收、存储、显示通讯数据，实时计算等效电阻值的变化判断电抗器运行状态，并进行预警。
实时监控处理模块内设置有无线通信模块，实时监控处理模块得到的数据信息依次通过ZigBee无线传输和485协议的通讯电缆传输至计算机或上位机。
电抗器上、下出线端均设置电压探测线圈，电抗器上、下出线臂上均设置电流探测线圈检测实时的电抗器电压和电流。
具体按照以下步骤实施：
步骤1，对检验合格的干式空心电抗器加载工频正弦电压u0(t)，测得流过电抗器的稳态电流i0(t)，根据对应的电压相量和电流相量的比值，得到电抗器的等效阻抗Zeq0，即：对等效阻抗取实部得到电抗器的等效电阻Req0，即：Req0＝Re[Zeq0]；将Req0作为基准值；
步骤2，在线实时同步测量运行中的干式空心电抗器端电压u(t)和流过电抗器的电流i(t)，根据对应的电压相量和电流相量计算电抗器运行等效阻抗Zeq，即然后对等效阻抗取实部得到电抗器的运行等效电阻Req，即Req＝Re[Zeq]；
步骤3，比较运行等效电阻Req及等效电阻基准值Req0，计算得到运行等效电阻的变化值ΔR及其变化率e，即：ΔR＝Req-Req0，e＝ΔR/Req0；根据ΔR，e来判断电抗器是否发生匝间短路故障；
步骤4，当运行等效电阻变化率e超出设定阈值时，进行预警。
等效电阻的变化率e的设定阈值介于10％～25％。
本发明的有益效果是，本发明方法通过在线实时同步测量干式空心电抗器的端电压和流过电抗器的电流，由对应的电压相量和电流相量的比值计算电抗器运行等效阻抗，计算其与设定的基准值的变化率e，当发生e超过相应设定阈值时，启动电抗器匝间短路故障的预警、报警动作，同时通过485通讯协议传递数据到远程计算机，进行远程监控和进一步诊断等操作。该方法可靠性、实时性高，对电抗器结构和安全性能无损，适合高压、超高压工况下服役的干式空心电抗器运行健康状态的在线监控。
附图说明
图1是本发明方法的工作流程示意图；
图2是本发明所采用的在线监测监控系统结构示意图；
图3是干式空心电抗器匝间短路位置示意图；
图4是本发明实施例2所采用的在线监测监控系统结构示意图；
图5是本发明实施例3所采用的在线监测监控系统结构示意图。
图中，1.电抗器本体，2.电压探测线圈，3.电流探测线圈，4.电抗器出线臂，5.计算机或上位机，6.485协议的通讯电缆，7.实时监控处理模块，8.无线信号发射器，9.无线信号接收器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明提供了一种干式空心电抗器匝间短路故障在线检测方法，通过在线实时同步测量干式空心电抗器的端电压和流过电抗器的电流，由对应的电压相量和电流相量的比值计算电抗器运行等效阻抗，进一步取等效阻抗的实部得到电抗器的运行等效电阻，根据等效电阻值的变化判断电抗器运行状态，达到匝间短路故障在线实时检测的目的。具体按照以下步骤实施：
步骤1，对检验合格的干式空心电抗器加载工频正弦电压u0(t)，测得流过电抗器的稳态电流i0(t)，根据对应的电压相量和电流相量的比值，得到电抗器的等效阻抗Zeq0，即：进一步，对等效阻抗取实部得到电抗器的等效电阻Req0，即：Req0＝Re[Zeq0]；将Req0作为基准值。
电抗器等效电阻基准值Req0为对电抗器生产厂家出厂检验合格的电抗器加载工频正弦电压，在电路达到稳态时，根据电抗器电压相量和电流相量计算的电抗器等效电阻。
步骤2，在线实时同步测量运行中的干式空心电抗器端电压u(t)和流过电抗器的电流i(t)，根据对应的电压相量和电流相量计算电抗器运行等效阻抗Zeq，即然后对等效阻抗取实部得到电抗器的运行等效电阻Req，即Req＝Re[Zeq]。
电抗器电压相量为电压有效值相量，其大小为电抗器端电压u(t)的有效值，角度为电抗器端电压u(t)的初相角，若以端电压为参考相量，则初相角取为0°。
电抗器电流相量为电流有效值相量，其大小为流过电抗器电流i(t)的有效值，角度为流过电抗器电流i(t)的初相角，以端电压为参考相量时，该电流初相角可以反映电抗器阻抗的阻抗角。
电抗器运行等效电阻Req为运行中的电抗器，在线测得电抗器端电压和流过电抗器的电流，根据对应的电压相量和电流相量计算的电抗器等效电阻。
步骤3，比较运行等效电阻Req及等效电阻基准值Req0，计算得到运行等效电阻的变化值ΔR及其变化率e，即：ΔR＝Req-Req0，e＝ΔR/Req0；根据ΔR，e来判断电抗器是否发生匝间短路故障。
本发明的方法的工作原理，如图1所示，通过在线同步测量干式空心电抗器端电压和流过电抗器的电流，根据对应的电压相量和电流相量计算电抗器的运行等效电阻Req，以电抗器等效电阻Req0为基准，根据运行等效电阻的变化ΔR及其变化率e来判断电抗器运行状态和匝间短路故障出现的特征位置，达到匝间短路故障在线实时监测目的，是一种有效且易于实施的电抗器匝间短路故障在线监测方法。
等效电阻的变化率e的设定阈值通常介于10％～25％，当发生e超过相应设定阈值时，启动预警、报警动作，也可根据实际服役环境和灵敏度要求对e调整修正。也可通过485通讯协议传递数据到远程计算机，通过计算机进行远程监控和操作。
本发明所采用的在线监测监控系统结构示意图，如图2所示，工作过程如下：
1)电抗器电压波形信号及其波形采用电压互感器原理通过电压探测线圈2结构获取，通常设置于电抗器下部的接地出线端附近。
2)电抗器电流信号及其波形的采用CT电流互感器原理通过电流探测线圈3结构获取，通常设置于电抗器下部的接地出线端臂(即电抗器出线臂4)上。
3)电抗器的电压信号、电流信号同时接入实时监控处理模块7中，通过实时监控处理模块7中的DSP单片机采样和波形对比计算，得到实时的电抗器电压u(t)和流过的电流i(t)，计算对应的电压相量和电流相量得到电抗器运行等效阻抗Zeq，即然后将实时数据阻抗Zeq通过485协议通讯电缆6传送到远程计算机或上位机5。
4)485协议的通讯电缆6主要配合实时监控处理模块7进行实时数据的可靠传送，通常根据使用条件，可以采用485协议的电缆传输或者ZigBee无线传输+电缆传输。
5)计算机或上位机5用于接收、存储、显示通讯数据，同时根据等效电阻基准值Req0实时计算等效电阻的变化值ΔR及其变化率e，根据e来判断电抗器是否发生匝间短路故障。基于数据库的统计分析给出设备工作正常的信息或者设备发生匝间短路前期进行预警动作。
实施例1：
干式空心电抗器，容量4.4kVar、额定电压110V、额定电流40A以及额定电感8.76mH，工作频率为50Hz。探测线圈的设置同图2所示。
在电抗器1靠近接地端的底部设置电压探测线圈2、出线臂上设置电流探测线圈3，采用实时监控处理模块7中的电压-电流采样单片机进行采样，计算得到的实时数据阻抗Zeq通过485协议的通讯电缆6传送到远程计算机5。
首先在电抗器正常运行状态下，实时监控测得电抗器在工频下的等效电阻为：0.225Ω＝225mΩ，即将该值作为电抗器等效电阻的基准值。
在电抗器中出线匝间短路故障时，即内部有一个或若干个自行闭和的短路环生成，短路层匝数也随之改变，由于电抗器由多层线圈并联构成，因此，当发生小匝数短路时其等效电感值变化微小，而电抗器的等效电阻却变化显著。
在本实施例中，如图3所示，当单匝匝间短路位置在距离电抗器中部分别为0、2H/10、3H/10、4H/10、5H/10时，相应的不同位置发生匝间短路时的等效电阻监测值如表1所示。
表1不同位置发生匝间短路故障时电抗器的等效电阻Zeq及其变化率
表1所示，电抗器正常状态下，等效电阻值为225mΩ，电抗器不同部位发生单匝匝间短路故障时，其等效电阻Zeq变化率发生显著变化，减小了23％～40％，越靠近电抗器中部，这种变化率越显著。
设定等效电阻Zeq变化率阈值为20％，一旦其变化率超越该阈值Zeq即可判断电抗器正在发生匝间短路故障，并准确予以报警。
实施例2：
干式空心电抗器，容量1000kVar、额定电压10kV、额定电流173A、额定电感106mH，工作频率为50Hz。探测线圈的设置同图4所示。
在电抗器1靠近接地端的底部设置电压探测线圈2、出线臂上设置电流探测线圈3，采用实时监控处理模块7中的电压-电流采样单片机进行采样，实时监控处理模块7内设置有无线通信模块，计算得到的实时数据阻抗Zeq通过ZigBee协议由无线信号发射器8传输到无线信号接收器9，其中无线信号发射器8到无线信号接收器9的距离不超过50m。然后由无线信号接收器9通过485协议的通讯电缆6远距离传送到远程计算机5进行进一步存储处理，从而在电抗器工作侧实现高电压隔离。
在本实例中，标准状态下电抗器的等效电阻为27Ω，设定等效电阻Zeq的变化率报警阈值为20％，一旦其变化率超越该阈值Zeq即可判断电抗器正在发生匝间短路故障。
实施例3：
干式空心电抗器，额定电压35kV、额定容量5000kVA、额定电流247A、额定电感260mH，工作频率为50Hz。探测线圈的设置同图5所示。
在电抗器1上、下接线臂附近位置各自设置电压探测线圈2的双探测模块(双回路并行工作，用于提高在线监控的可靠性)，采用实时监控处理模块7中的DSP单片机进行各自的电压-电流信号采样，各自计算得到的2路实时数据阻抗Zeq通过ZigBee协议由无线信号发射器8传输到无线信号接收器9。然后由无线信号接收器9通过485协议的通讯电缆6远距离传送到远程计算机5进行进一步存储处理，从而在电抗器工作侧实现高电压隔离。
在本实例中，标准状态下电抗器的等效电阻为76Ω，设定等效电阻Zeq的变化率报警阈值为15％，一旦其变化率超越该阈值Zeq即可判断电抗器正在发生匝间短路故障。

Claims (7)

1.一种干式空心电抗器匝间短路故障在线检测方法，其特征在于，通过在线实时检测运行中电抗器等效电阻值的变化，根据运行等效电阻的变化判断电抗器是否发生匝间短路故障，并在发生匝间短路故障时给予报警。
2.根据权利要求1所述的一种干式空心电抗器匝间短路故障在线检测方法，其特征在于，具体为：通过在线实时同步测量干式空心电抗器的端电压和流过电抗器的电流，由对应的电压相量和电流相量的比值计算电抗器运行等效阻抗，进一步取等效阻抗的实部得到电抗器的运行等效电阻，根据等效电阻值的变化判断电抗器运行状态，并在发生匝间短路故障时给予报警。
3.根据权利要求1所述的一种干式空心电抗器匝间短路故障在线检测方法，其特征在于，具体为：在电抗器下出线端设置电压探测线圈，在电抗器下出线臂上设置电流探测线圈检测实时的电抗器电压和电流，电压和电流信号传输至实时监控处理模块，通过实时监控处理模块得到运行等效电阻经485协议的通讯电缆传输至计算机或上位机，计算机或上位机接收、存储、显示通讯数据，实时计算等效电阻值的变化判断电抗器运行状态，并进行预警。
4.根据权利要求3所述的一种干式空心电抗器匝间短路故障在线检测方法，其特征在于，所述实时监控处理模块内设置有无线通信模块，实时监控处理模块得到数据信息依次通过ZigBee无线传输和485协议的通讯电缆传输至计算机或上位机。
5.根据权利要求3所述的一种干式空心电抗器匝间短路故障在线检测方法，其特征在于，所述电抗器上、下出线端均设置电压探测线圈，电抗器上、下出线臂上均设置电流探测线圈检测实时的电抗器电压和电流。
6.根据权利要求1-5任一项所述的一种干式空心电抗器匝间短路故障在线检测方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1，对检验合格的干式空心电抗器加载工频正弦电压u0(t)，测得流过电抗器的稳态电流i0(t)，根据对应的电压相量和电流相量的比值，得到电抗器的等效阻抗Zeq0，即：对等效阻抗取实部得到电抗器的等效电阻Req0，即：Req0＝Re[Zeq0]；将Req0作为基准值；
步骤2，在线实时同步测量运行中的干式空心电抗器端电压u(t)和流过电抗器的电流i(t)，根据对应的电压相量和电流相量计算电抗器运行等效阻抗Zeq，即然后对等效阻抗取实部得到电抗器的运行等效电阻Req，即Req＝Re[Zeq]；
步骤3，比较运行等效电阻Req及等效电阻基准值Req0，计算得到运行等效电阻的变化值ΔR及其变化率e，即：ΔR＝Req-Req0，e＝ΔR/Req0；根据ΔR，e来判断电抗器是否发生匝间短路故障；
步骤4，当运行等效电阻变化率e超出设定阈值时，进行预警。
7.根据权利要求6所述的一种干式空心电抗器匝间短路故障在线检测方法，其特征在于，所述等效电阻的变化率e的设定阈值介于10％～25％。
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