CN107132441A - 一种用于干式空心电抗器现场故障的诊断系统及方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于干式空心电抗器现场故障的诊断系统及方法，涉及电抗器故障诊断技术领域。本发明是为了解决现有电抗器现场故障诊断方法在设备上会产生较强的工频感应干扰且检测效率低的问题。本发明所述的一种用于干式空心电抗器现场故障的诊断方法及系统，基于分频电源与谐波分析技术检测分布电流，利用LC串联谐振电路把邻近运行电抗器产生的工频信号短路，避免了工频感应对测量的影响。同时，本发明采用先测星形架电流，再测支路电流的方式，现场检测时间从原来的30分钟缩短到了10分钟，使工作效率提高了60％。本发明适用于现场检测干式空心电抗器是否存在匝间绝缘故障。

Description

一种用于干式空心电抗器现场故障的诊断系统及方法
技术领域
本发明属于电抗器故障诊断技术领域，尤其涉及用于干式空心电抗器现场故障的诊断。
背景技术
电抗器在电力系统中起到提供无功功率补偿，提高电能输送质量，减少线路损耗，限制系统的工频过电压和操作过电压等作用。干式空心电抗器采用多包封并绕结构型式，与比传统的铁心电抗器相比，干式空心电抗器具有结构简单、重量轻、体积小、线性好、损耗低、维护方便等优点，在电力系统中运用日益广泛。随着干式空心电抗器投运数量及投运时间的增加，事故也逐步增多，并经常着火燃烧，给电力系统安全运行带来了很大影响。
传统电抗器现场故障诊断的方法采用的是：直流电阻测量和红外测温技术。普遍的直流电阻测量仪是在内部工频源下进行测量的，电源会含有一些交流分量，而现场空间磁场环境复杂，工频环境会对测量设备造成很大的干扰，在设备上会产生较强的工频感应电压，严重时会造成设备的损毁。采用红外测温技术对电抗器温升的测量存在一些局限性，它只能对电抗器的最外层包封表面进行测温，一旦电抗器内部包封发生绝缘故障，红外测温很难进行有效检测。
此外，干式空心电抗器总体电气参数变化小，在现场强磁场的环境下，无法对其进行准确的测量。因此，探究一种抗干扰能力强，准确度高的干式空心电抗器故障现场诊断方法是十分必要的。
发明内容
本发明是为了解决现有电抗器现场故障诊断方法在设备上会产生较强的工频感应干扰且检测效率低的问题，现提供一种用于干式空心电抗器现场故障的诊断方法及系统。
一种用于干式空心电抗器现场故障的诊断系统，电抗器包封导线的两端分别与星形架电气连接，所述诊断系统包括：分频试验电源1、LC串联谐振电路、多个电流传感器201、信号调理电路202、A/D转换电路203、单片机204、光耦隔离电路205、上位机207和存储器208；
分频试验电源1和LC串联谐振电路均与待测电抗器的两端并联，
多个电流传感器201分别用于采集各个星形架上的电流，还用于采集星形架上电抗器的支路电流，
多个电流传感器201的电流信号输出端同时连接信号调理电路202的电流信号输入端，信号调理电路202的调理信号输出端连接A/D转换电路203的调理信号输入端，A/D转换电路203的数字信号输出端连接单片机204的数字信号输入端，单片机204的数字信号输出端连接存储器208的数字信号输入端，存储器208的存储信号输出端连接单片机204的存储信号输入端，单片机204的基波电流有效值输出端连接光耦隔离电路205的基波电流有效值输入端，光耦隔离电路205的隔离信号输出端连接上位机207的隔离信号输入端，
基波电流有效值为星形架基波电流有效值或支路基波电流有效值，上位机207中存有正常情况下的星形架基波电流值和电抗器支路基波电流值；
上位机207包括以下单元：
用于利用星形架基波电流有效值获得星形架电流变化量的单元，
用于判断星形架电流变化量是否大于3％，是则当前星形架出现故障的单元；
用于在星形架出现故障时，利用支路基波电流有效值获得电抗器支路电流变化量的单元，
用于根据电抗器支路电流变化量是否大于10％的单元，是则当前电抗器支路出现故障的单元。
一种用于干式空心电抗器现场故障的诊断方法，电抗器包封导线的两端分别与星形架电气连接，所述诊断方法基于以下装置实现所述装置包括：分频试验电源1和LC串联谐振电路，分频试验电源和LC串联谐振电路均与待测电抗器的两端并联；
所述诊断方法包括以下步骤：
步骤一：实时采集星形架上的电流信号，然后将对星形架上的电流信号进行信号调理和A/D转换，
步骤二：对星形架上的电流值进行离散傅里叶级数变换，获得星形架基波电流有效值，
步骤三：根据星形架基波电流有效值获得星形架电流变化量，
步骤四：判断星形架电流变化量是否大于3％，是则星形架上的电抗器出现故障，然后执行步骤五，否则星形架上的电抗器正常，
步骤五：实时采集星形架上电抗器的支路电流信号，然后将支路电流信号进行信号调理和A/D转换，
步骤六：对支路电流值进行离散傅里叶级数变换，获得支路基波电流有效值，
步骤七：根据支路基波电流有效值获得支路电流变化量，
步骤八：判断支路电流变化量是否大于10％，是则支路出现故障，否则支路正常，完成故障诊断。
本发明所述的一种用于干式空心电抗器现场故障的诊断方法及系统，基于分频电源与谐波分析技术检测分布电流，利用LC串联谐振电路把邻近运行电抗器产生的工频信号短路，避免了工频感应对测量的影响。同时，本发明采用先测星形架电流，再测支路电流的方式，现场检测时间从原来的30分钟缩短到了10分钟，使工作效率提高了60％。本发明适用于现场检测干式空心电抗器是否存在匝间绝缘故障。
附图说明
图1为干式空心电抗器在正常情况下的等值电路图；
图2为干式空心电抗器出现匝间短路故障时的等值电路图；
图3为干式空心电抗器出现断股故障时的等值电路图；
图4为运行电抗器与被测电抗器的分布示意图；
图5为工频短路等值电路图；
图6为测量星形架电流的原理图；
图7为测量支路电流的原理图。
具体实施方式
在低频电压下，干式空心电抗器由自感、互感和导线电阻构成。根据电磁学Neumann公式和积分原理，两线圈间互感M，各层线圈自感L可根据电抗器线圈匝数、直径、高度等自身结构参数预先计算求出。
互感M＝μ0n1n2r1r2[F(r1,r2,z1)-F(r1,r2,z2)+F(r1,r2,z3)-F(r1,r2,z4)]，
自感L＝2μ0n2r2[F(r,r,h)-F(r,r,0)]。
各线圈由铝导线绕制，导线存在导体电阻，由铝导线的电导率和几何尺寸求取，任一线圈电阻
以层为单位，正常情况下n层线圈电抗器等值电路如图1所示。当施加的交流电压为时，各个支路电流为电压矩阵方程可表示为：
假设电抗器第m层发生匝间短路故障，故障绕组尚未烧断时的等值电路如图2所示。此时，电压矩阵方程可表示为：
假设电抗器第m层绕组中的某根导线从绕组中脱落断开，可知该根金属导线两端电压为零，该绕组的金属导线并联根数减少，等值电路如图3所示。此时，电压方程与正常情况的电压方程一致。
通过求解方程组可解析出电抗器分布电流求和得总电流
通过解析结果发现，干式空心电抗器发生故障后，总体电流变化量小于2％，而分布电流变化量为较大，其中匝间短路故障变化量为19.25％～145.60％，断股故障变化量为-23.67％～-62.26％。因此，采用检测分布电流的方法可以有效地对干式空心电抗器进行故障诊断。
当对被测电抗器进行故障诊断时，现场相邻电抗器组仍在投入运行，运行电抗器与被测电抗器分布示意图如图4所示。运行相电抗器由于存在磁场与被测电抗器之间产生互感，由于互感存在，运行电抗器产生的强磁作用会产生很大的工频感应，被测电抗器工频短路等值电路如图5所示。被测电抗器感应电压短路电流经计算得出运行电抗器产生的工频感应电流较大，约占运行电流的14.1％。若不采取抗干扰措施，对测量仪器产生很大的干扰，严重影响测量结果。
为避免这种工频感应对测量的影响，采用以下实施方式。
具体实施方式一：参照图6和图7具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种用于干式空心电抗器现场故障的诊断系统，电抗器包封导线的两端分别与星形架电气连接，所述诊断系统包括：分频试验电源1、LC串联谐振电路、多个电流传感器201、信号调理电路202、A/D转换电路203、单片机204、光耦隔离电路205、上位机207和存储器208；
分频试验电源1和LC串联谐振电路均与待测电抗器的两端并联，
多个电流传感器201分别用于采集各个星形架上的电流，还用于采集星形架上电抗器的支路电流，
多个电流传感器201的电流信号输出端同时连接信号调理电路202的电流信号输入端，信号调理电路202的调理信号输出端连接A/D转换电路203的调理信号输入端，A/D转换电路203的数字信号输出端连接单片机204的数字信号输入端，单片机204的A/D驱动信号输出端连接A/D转换电路203的A/D驱动信号输入端，单片机204的数字信号输出端连接存储器208的数字信号输入端，存储器208的存储信号输出端连接单片机204的存储信号输入端，单片机204的基波电流有效值输出端连接光耦隔离电路205的基波电流有效值输入端，光耦隔离电路205的隔离信号输出端连接上位机207的隔离信号输入端，
基波电流有效值为星形架基波电流有效值或支路基波电流有效值，上位机207中存有正常情况下的星形架基波电流值和电抗器支路基波电流值；
上位机207包括以下单元：
用于利用星形架基波电流有效值获得星形架电流变化量的单元，
用于判断星形架电流变化量是否大于3％，是则当前星形架出现故障的单元；
用于在星形架出现故障时，利用支路基波电流有效值获得电抗器支路电流变化量的单元，
用于根据电抗器支路电流变化量是否大于10％的单元，是则当前电抗器支路出现故障的单元。
为避免工频感应对测量的影响，本实施方式采用分频电源和谐波分析技术对电抗器分布电流进行测量。所述LC串联谐振电路包括电感L和电容C，电感L和电容C相互串联，然后同时并联在电抗器两端，LC串联谐振电路把邻近运行电抗器产生的工频信号短路。
因为干式空心电抗器支路很多，若要对每个支路电流进行测量，会浪费大量的时间。根据干式空心电抗器结构，各包封导线的首末两端分别焊在了铝制星形架上，星形架起到了电气连接作用。因此，首先把电流传感器安装在各星形架上，测得每个星形架的电流，如附图6所示。若测得星形架电流变化量大于3％，那么可以判断与星形架相连接的电抗器出现故障。再把电流传感器安装在异常状况星形架中电抗器每个支路的导线上，测得支路电流，如附图7所示。若测得支路电流变化量大于10％，那么可以判断出此支路发生故障。这样便在最短的时间内，准确诊断出故障位置。
具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种用于干式空心电抗器现场故障的诊断系统作进一步说明，本实施方式中，利用隔离变压器T对分频试验电源1进行保护。
具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种用于干式空心电抗器现场故障的诊断系统作进一步说明，本实施方式中，在LC串联谐振电路与电抗器之间串联有保护电阻R。
具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种用于干式空心电抗器现场故障的诊断系统作进一步说明，本实施方式中，利用串口通信206实现光耦隔离电路205与上位机207之间的信号传输。
具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种用于干式空心电抗器现场故障的诊断系统作进一步说明，本实施方式中，单片机204中利用下式获得基波电流有效值Irms：
其中，I(t)为t时刻的电流值，ai0为I(t)的直流分量，Aik为I(t)的k次谐波幅值，为I(t)的k次谐波初相位，f0为基波频率，aik与bik分别是I(t)的k次谐波分量的虚部和实部，ai1和bi1分别是I(t)的基波分量的虚部和实部，Im为基波电流信号的幅值，T为基波周期。
具体实施方式六：参照图6和图7具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种用于干式空心电抗器现场故障的诊断方法，电抗器包封导线的两端分别与星形架电气连接，所述诊断方法基于以下装置实现所述装置包括：分频试验电源1和LC串联谐振电路，分频试验电源1和LC串联谐振电路均与待测电抗器的两端并联；
所述诊断方法包括以下步骤：
步骤一：实时采集星形架上的电流信号，然后将对星形架上的电流信号进行信号调理和A/D转换，
步骤二：对星形架上的电流值进行离散傅里叶级数变换，获得星形架基波电流有效值，
步骤三：根据星形架基波电流有效值获得星形架电流变化量，
步骤四：判断星形架电流变化量是否大于3％，是则星形架上的电抗器出现故障，然后执行步骤五，否则星形架上的电抗器正常，
步骤五：实时采集星形架上电抗器的支路电流信号，然后将支路电流信号进行信号调理和A/D转换，
步骤六：对支路电流值进行离散傅里叶级数变换，获得支路基波电流有效值，
步骤七：根据支路基波电流有效值获得支路电流变化量，
步骤八：判断支路电流变化量是否大于10％，是则支路出现故障，否则支路正常，完成故障诊断。
具体实施方式七：本实施方式是对具体实施方式六所述的一种用于干式空心电抗器现场故障的诊断方法作进一步说明，本实施方式中，利用隔离变压器T对分频试验电源1进行保护。
具体实施方式八：本实施方式是对具体实施方式六所述的一种用于干式空心电抗器现场故障的诊断方法作进一步说明，本实施方式中，在LC串联谐振电路与电抗器之间串联有保护电阻R。
具体实施方式九：本实施方式是对具体实施方式六所述的一种用于干式空心电抗器现场故障的诊断方法作进一步说明，本实施方式中，利用下式获得基波电流有效值Irms，基波电流有效值Irms为星形架基波电流有效值或支路基波电流有效值，
其中，I(t)为t时刻的电流值，ai0为I(t)的直流分量，Aik为I(t)的k次谐波幅值，为I(t)的k次谐波初相位，f0为基波频率，aik与bik分别是I(t)的k次谐波分量的虚部和实部，ai1和bi1分别是I(t)的基波分量的虚部和实部，Im为基波电流信号的幅值，T为基波周期。

Claims (9)

1.一种用于干式空心电抗器现场故障的诊断系统，电抗器包封导线的两端分别与星形架电气连接，其特征在于，所述诊断系统包括：分频试验电源(1)、LC串联谐振电路、多个电流传感器(201)、信号调理电路(202)、A/D转换电路(203)、单片机(204)、光耦隔离电路(205)、上位机(207)和存储器(208)；
分频试验电源(1)和LC串联谐振电路均与待测电抗器的两端并联，
多个电流传感器(201)分别用于采集各个星形架上的电流，还用于采集星形架上电抗器的支路电流，
多个电流传感器(201)的电流信号输出端同时连接信号调理电路(202)的电流信号输入端，信号调理电路(202)的调理信号输出端连接A/D转换电路(203)的调理信号输入端，A/D转换电路(203)的数字信号输出端连接单片机(204)的数字信号输入端，单片机(204)的数字信号输出端连接存储器(208)的数字信号输入端，存储器(208)的存储信号输出端连接单片机(204)的存储信号输入端，单片机(204)的基波电流有效值输出端连接光耦隔离电路(205)的基波电流有效值输入端，光耦隔离电路(205)的隔离信号输出端连接上位机(207)的隔离信号输入端，
基波电流有效值为星形架基波电流有效值或支路基波电流有效值，上位机(207)中存有正常情况下的星形架基波电流值和电抗器支路基波电流值；
上位机(207)包括以下单元：
用于利用星形架基波电流有效值获得星形架电流变化量的单元，
用于判断星形架电流变化量是否大于3％，是则当前星形架出现故障的单元；
用于在星形架出现故障时，利用支路基波电流有效值获得电抗器支路电流变化量的单元，
用于根据电抗器支路电流变化量是否大于10％的单元，是则当前电抗器支路出现故障的单元。
2.根据权利要求1所述的一种用于干式空心电抗器现场故障的诊断系统，其特征在于，利用隔离变压器T对分频试验电源(1)进行保护。
3.根据权利要求1所述的一种用于干式空心电抗器现场故障的诊断系统，其特征在于，在LC串联谐振电路与电抗器之间串联有保护电阻R。
4.根据权利要求1所述的一种用于干式空心电抗器现场故障的诊断系统，其特征在于，利用串口通信(206)实现光耦隔离电路(205)与上位机(207)之间的信号传输。
5.根据权利要求1所述的一种用于干式空心电抗器现场故障的诊断系统，其特征在于，单片机(204)中利用下式获得基波电流有效值Irms：
其中，I(t)为t时刻的电流值，ai0为I(t)的直流分量，Aik为I(t)的k次谐波幅值，为I(t)的k次谐波初相位，f0为基波频率，aik与bik分别是I(t)的k次谐波分量的虚部和实部，ai1和bi1分别是I(t)的基波分量的虚部和实部，Im为基波电流信号的幅值，T为基波周期。
6.一种用于干式空心电抗器现场故障的诊断方法，电抗器包封导线的两端分别与星形架电气连接，其特征在于，所述诊断方法基于以下装置实现所述装置包括：分频试验电源(1)和LC串联谐振电路，分频试验电源(1)和LC串联谐振电路均与待测电抗器的两端并联；
所述诊断方法包括以下步骤：
步骤一：实时采集星形架上的电流信号，然后将对星形架上的电流信号进行信号调理和A/D转换，
步骤二：对星形架上的电流值进行离散傅里叶级数变换，获得星形架基波电流有效值，
步骤三：根据星形架基波电流有效值获得星形架电流变化量，
步骤四：判断星形架电流变化量是否大于3％，是则星形架上的电抗器出现故障，然后执行步骤五，否则星形架上的电抗器正常，
步骤五：实时采集星形架上电抗器的支路电流信号，然后将支路电流信号进行信号调理和A/D转换，
步骤六：对支路电流值进行离散傅里叶级数变换，获得支路基波电流有效值，
步骤七：根据支路基波电流有效值获得支路电流变化量，
步骤八：判断支路电流变化量是否大于10％，是则支路出现故障，否则支路正常，完成故障诊断。
7.根据权利要求6所述的一种用于干式空心电抗器现场故障的诊断方法，其特征在于，利用隔离变压器T对分频试验电源(1)进行保护。
8.根据权利要求6所述的一种用于干式空心电抗器现场故障的诊断方法，其特征在于，在LC串联谐振电路与电抗器之间串联有保护电阻R。
9.根据权利要求6所述的一种用于干式空心电抗器现场故障的诊断方法，其特征在于，利用下式获得基波电流有效值Irms，基波电流有效值Irms为星形架基波电流有效值或支路基波电流有效值，
其中，I(t)为t时刻的电流值，ai0为I(t)的直流分量，Aik为I(t)的k次谐波幅值，为I(t)的k次谐波初相位，f0为基波频率，aik与bik分别是I(t)的k次谐波分量的虚部和实部，ai1和bi1分别是I(t)的基波分量的虚部和实部，Im为基波电流信号的幅值，T为基波周期。
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