CN109387734A - 干式空心电力电抗器匝间短路故障在线监测装置及其监测方法 - Google Patents

Abstract

干式空心电力电抗器匝间短路故障在线监测装置及其监测方法，涉及一种电抗器匝间短路故障在线监测装置及其监测方法。本发明针对现有的缺陷，提供了一种即使对小匝数故障依然可以准确测量、灵敏度高、工作量小的在线监测装置及其监测方法。本发明所涉及中，将采集到的数据传送至上位机进行存储，计算出被监测的电抗器系统的初始损耗因数；在线监测系统对电抗器系统的信号进行实时采样；计算出当前损耗因数；将当前损耗因数与初始损耗因数做商，若商小于预设阈值，则重复计算出当前损耗因数；若商大于预设阈值，则当前电抗器出现匝间短路故障，上位机存储并显示当前数据。本发明主要用于在线监测干式空心电力电抗器匝间短路故障。

Description

干式空心电力电抗器匝间短路故障在线监测装置及其监测 方法

技术领域

本发明具体涉及一种电抗器匝间短路故障在线监测装置及其监测方法。

背景技术

随着输电距离及容量的增大，越来越多的电力电抗器被安装与电力系统中。并联电力电抗器被安装在输电线路的首端，当输电线路处于空载或轻载状态时，将并联电力电抗器投入电网向输电线路提供感性无功，以改善输电线路末端的电压升高问题；串联电力电抗器被与电容器串联后安装在输电线路末端，当线路末端容性无功不足时，将电容器组投入电网向系统提供容性无功，以提高输电线路的送电效率及送变电设备的有效利用率，此时串联电力电抗器主要起到限制在电容器组投入电网瞬间的浪涌电流；此外，还有大量的滤波电力电抗器被安装在电力系统中，以吸收非线性负载导致的系统中出现的高次谐波，改善电能能质量。与其它形式的电抗器相比，干式空心电抗器具有电抗值线性等诸多优点。

自上世纪70年代末投运以来，无论国产还是进口的干式空心电抗器，异常和故障时有发生，甚至着火燃烧，造成较大的直接及间接经济损失。现场调查及解剖研究表明，匝间绝缘短路为干式空心电抗器的主要故障形式。近年来，围绕干式空心电抗器的匝间绝缘短路故障问题，国内外学者展开了大量的研究。其中包括故障现象描述及定性分析方面的成果若干；干式空心电抗器的温度场计算及热老化对干式空心电抗器匝间绝缘材料绝缘性能影响方面的成果若干；干式空心电抗器的磁场分布及各种电磁力、机械应力对匝间绝缘材料影响方面的研究成果如干；干式空心电抗器投切过电压及过电压防护措施方面的成果若干；各种过电压对匝间绝缘材料绝缘性能影响方面的研究成果若干；干式空心电抗器匝间绝缘检测方法及装置(离线定期普检)相关研究成果若干。以上研究主要可以概括为三个方面，一是针对干式空心电抗器匝间绝缘故障的成因及机理展开研究，二是针对某些干式空心电抗器匝间绝缘的破坏因素进行针对性防护，三是对运行一段时间的干式空心电抗器进行停电、离线检测(定期普检)。第一个方面的研究成果主要可以为电抗器生产厂家提供参考，企业可以根据该方面的研究成果更改设计及生产工艺，从而降低甚至消除干式空心电力电抗器的匝间绝缘短路故障及其可能导致的燃烧事故。第二个方面的研究成果可以为电力运行部门提供参考，采取一定的防护措施后可以延长干式空心电抗器的使用寿命，但是不能从根本上消除匝间绝缘短路故障及其可能导致的燃烧事故。第三个方面的研究成果——匝间绝缘检测装置可以被电力运行部门采用，查出带有预伏匝间绝缘故障的干式空心电力电抗器并更换新的电抗器，从而降低甚至消除电抗器的匝间绝缘短路故障及其可能导致的燃烧事故，但是使用匝间绝缘检测装置进行干式空心电力电抗器的定期普检耗时、费力、工作量巨大。研究科学有效在线监测方法并开发出相应的满足运行条件的干式空心电抗器匝间绝缘短路故障在线监测系统，用于电抗器运行状态的在线监测。使用匝间绝缘检测装置对被在线监测系统发现的疑似匝间绝缘短路故障干式空心电抗器进行检验，将确定出存在匝间绝缘短路故障的干式空心电抗器退出运行，可以在最大限度的减少电力运行部门员工工作量的前提下避免故障事态的扩大和不必要的损失。

到目前为止，国内外相关学者提出的干式空心电抗器匝间绝缘故障在线监测方法主要有温度场监测、等效电感监测、等效阻抗监测及磁场监测。温度场监测方法的基本依据是过流导致干式空心电抗器故障短路匝及其附近包封温升过高，通过监测电抗器温度确定是否存在匝间绝缘故障，按监测方法分为以红外激光测量和光学辐射测量为手段的非接触测量及以分布式光纤为手段的接触式测量。当某点温度超过设定值时判定为电抗器出现故障。等效电感监测法只能应用在并联补偿装置中，其原理是利用对比电容器容抗ZC与电抗器感抗ZL比值的办法来反应匝间短路故障，正常运行时比值是一个恒定值，短路时电抗器的电感发生变化，当该比值大于某一设定值时判定为电抗器出现故障。等效阻抗分析法的原理是通过监测电抗器的阻抗值，通过算法得到其电阻值及电抗值并实时分析电阻变化量及电抗变化量，当变化量大于某数值时判定为电抗器器出现故障。磁场监测方法的基本原理是无短路故障时空心电抗器的上下两侧对称位置磁通对称，出现匝间绝缘短路故障后该对称被打破。通过在电力电抗器以横轴为中心的上下两侧放置探测线圈测量磁通，信号差作为磁通对称与否即是否存在匝间短路故障的判定条件。

以上检测方法中，真正达到可以在变电站现场应用的只有温度场监测法。现场监测运用的温度场测量方法主要是从外部运用红外或光学辐射进行测量，不能对发生小匝数故障的电力电抗器内部局部温度变化产生准确的测量，只有当能量积累到一定程度后，才能引起警报，而这时电力电抗器可能已经形成了起火冒烟等后果。综上需要寻找一种灵敏性及可靠性很高的电力电抗器短路故障在线监测方法。

因此，就需要一种即使对难以发现的电抗器包封内部发生的少匝数匝间绝缘故障依然能够准确测量、灵敏度高、可靠性高的在线监测装置及其监测方法。

发明内容

本发明针对现有在变电站现场进行干式空心电力电抗器在线监测方法不能对少匝数匝间绝缘故障准确测量、灵敏度差、可靠性差的缺陷，提供了一种即使对难以发现的电抗器包封内部发生的少匝数匝间绝缘故障依然能够准确测量、灵敏度高、可靠性高的在线监测装置及其监测方法。

本发明所涉及的干式空心电力电抗器匝间短路故障在线监测装置及其监测方法的技术方案如下：

本发明所涉及的干式空心电力电抗器匝间短路故障在线监测装置，它包括电抗器系统和在线监测系统，所述电抗器系统与在线监测系统连接，所述在线监测系统包括直流电源、上位机、信号调理电路、示波器和数据采集模块，所述直流电源与上位机连接，用于供电，所述上位机与数据采集模块的输入端连接，所述数据采集模块的输出端与信号调理电路连接，所述信号调理电路的输出端与示波器的输入端连接，所述上位机与示波器双向连接，所述数据采集模块与电抗器系统连接；所述数据采集模块包括多组电压采集模块和多组电流采集模块，所述每组电流采集模块包括一组一号继电器和三组一号运放单元，所述三组一号运放单元的输入端与电抗器系统连接，所述三组一号运放单元的输出端均与信号调理电路连接；所述每组电压采集模块包括一组二号继电器、三组二号运放单元和三只电阻分压器，所述三组二号运放单元的输入端分别与三只电阻分压器的输出端连接，所述三只电阻分压器的输入端均与电抗器系统连接，所述一号运放单元和二号运放单元的输出端均与信号调理电路连接；所述一号继电器和二号继电器的输入端均与上位机的输出端连接，所述一号继电器的控制端分别连接在一号运放单元和信号调理电路之间，所述二号继电器的控制端分别连接在一号运放单元和信号调理电路之间。

进一步地：所述电抗器系统包括多组并联电抗器系统和多组串联电抗器系统，所述每组并联电抗器系统包括一号三相母线、一号三相干式空心电抗器、三只一号电流检测装置CT和一号计量或继电保护系统，所述一号计量或继电保护系统内设有三只一号电压测量装置PT，所述一号三相干式空心电抗器的一端分别与一号三相母线连接，所述一号三相干式空心电抗器的另一端星接，中性点不接地，所述一号电流检测装置CT的输入端分别位于一号三相干式空心电抗器与中性点之间的电线周围，用于检测电线内的电流信号，所述一号电流检测装置CT的输出端分别与每组一号电流采集模块中三组一号运放单元的输入端连接，所述三只一号电压测量装置PT的输入端分别与一号三相母线连接，用于检测一号三相母线的电压信号，所述三只一号电压测量装置PT的输出端分别三只电阻分压器的输入端连接。

进一步地：所述每组串联电抗器系统包括二号三相母线、二号三相干式空心电抗器、二号三相电容、三只二号电流检测装置CT和二号计量或继电保护系统，所述二号计量或继电保护系统内设有三只二号电压测量装置PT，所述二号三相干式空心电抗器的一端分别与二号三相母线连接，所述二号三相干式空心电抗器的另一端分别与二号三相电容的一端连接，所述二号三相电容的另一端星接，中性点接地，所述二号电流检测装置CT的输入端分别位于二号三相干式空心电抗器与中性点之间的电线周围，用于检测电线内的电流信号，所述二号电流检测装置CT的输出端分别与每组电流采集模块中三组二号运放单元的输入端连接，所述三只二号电压测量装置PT的输入端分别与二号三相母线连接，用于检测二号三相母线的电压信号，所述三只二号电压测量装置PT的输出端分别三只电阻分压器的输入端连接。

基于所述干式空心电力电抗器匝间短路故障在线监测装置的监测方法，它包括以下步骤：

步骤一、在线监测系统接收到电站操作人员的指令，闭合内部的测量信号通道，在线监测系统内对电抗器系统的信号进行采样；

步骤二、采样结束后，数据采集系统自动将采集到的数据传送至上位机进行存储，并按照预设计算方法对采样数据进行处理，分别计算出被监测的电抗器系统的初始损耗因数；

步骤三、在线监测系统对电抗器系统的信号进行实时采样；并根据当前采样数据按照预设计算方法计算出当前损耗因数；

步骤四、将当前损耗因数与初始损耗因数做商，若商小于预设阈值，则重复步骤三；若商大于预设阈值，则当前干式空心电力电抗器出现匝间短路故障，上位机存储并显示当前数据。

进一步地：在步骤三中，所述电抗器系统的损耗因数k_p的计算方法包括并联电抗器损耗因数的计算方法与串联电抗器损耗因数的计算方式。

进一步地：所述并联电抗器损耗因数的计算方法依靠单相并联电抗器等效电路及向量分析得：

电抗器的损耗因数公式为：

其中，θ为电压与电流之间的相位差，θ与δ互为余角。

进一步地：所述串联电抗器损耗因数的计算方法分为以下步骤：

步骤三一、设定电容器额定容量为S_n，电容器的介质损耗角正切值为tgδ₀，补偿装置的电抗率为k₀，电抗器的品质因数为Q₀；

步骤三二、将上述参数分别带入电抗器容量公式、电抗器的有功损耗公式、电容器的有功损耗公式、总有功损耗公式和总无功损耗公式，分别求出电抗器容量、电抗器的有功损耗、电容器的有功损耗、总有功损耗和总无功损耗；

所述电抗器容量公式为S_Ln≈k₀S_n；

所述电抗器的有功损耗公式为

所述电容器的有功损耗公式为

所述总有功损耗公式为

所述总无功损耗公式为

步骤三三、将所述总有功损耗、总无功损耗带入总损耗因数公式，求出总损耗因数；所述总损耗因数公式为

进一步地：所述电抗器品质因数的定义公式为：

把整个补偿装置中的并联电容和串联电抗器作整体，则总功率损耗因数取决于电抗器品质因数Q₀、介质损耗角正切值tgδ₀和补偿装置的电抗率k₀，根据所述总损耗因数公式(2)和所述电抗器品质因数的定义公式(3)可知，总损耗因数和电抗器品质因数互为倒数，

即总损耗因数公式为：

其中，k_Σ为总损耗因数，k_p为串联电抗器损耗因数；

正常运行条件下，式(4)中，介质损耗角正切值tgδ₀、补偿装置的电抗率k₀均为常数。

本发明所涉及的干式空心电力电抗器匝间短路故障在线监测装置及其监测方法的有益效果是：

本发明涉及的干式空心电力电抗器匝间短路故障在线监测装置及其监测方法，可以用于监测运行中干式空心电力电抗器的匝间绝缘状态，帮助电力系统维护人员迅速发现运行中干式空心电力电抗器匝间绝缘短路故障，有针对性的进行过电压匝间绝缘检测，降低运维工作量，节省人力、物力。

附图说明

图1为干式空心并联电力电抗器匝间绝缘在线监测装置示意图；

图2为干式空心串联电力电抗器匝间绝缘在线监测系统示意图；

图3为在线监测系统电路连接示意图；

图4为电抗器的等效电路图；

图5为图4的向量图；

图6为串联电抗器电容器组补偿装置等效电路图；

图中：1-1、1-2、1-3分别为A、B、C相母线，2-1、2-2、2-3分别为A、B、C相电抗器，3-1、3-2、3-3分别为A、B、C相电流互感器。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的技术方案做进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

实施例1

结合图1-图3说明本实施例，在本实施例中，本发明所涉及的干式空心电力电抗器匝间短路故障在线监测装置，它包括电抗器系统和在线监测系统，所述电抗器系统与在线监测系统连接，所述在线监测系统包括直流电源、上位机、信号调理电路、示波器和数据采集模块，所述直流电源与上位机连接，用于供电，所述上位机与数据采集模块的输入端连接，所述数据采集模块的输出端与信号调理电路连接，所述信号调理电路的输出端与示波器的输入端连接，所述上位机与示波器双向连接，所述数据采集模块与电抗器系统连接；所述数据采集模块包括多组电压采集模块和多组电流采集模块，所述每组电流采集模块包括一组一号继电器和三组一号运放单元，所述三组一号运放单元的输入端与电抗器系统连接，所述三组一号运放单元的输出端均与信号调理电路连接；所述每组电压采集模块包括一组二号继电器、三组二号运放单元和三只电阻分压器，所述三组二号运放单元的输入端分别与三只电阻分压器的输出端连接，所述三只电阻分压器的输入端均与电抗器系统连接，所述一号运放单元和二号运放单元的输出端均与信号调理电路连接；所述一号继电器和二号继电器的输入端均与上位机的输出端连接，所述一号继电器的控制端分别连接在一号运放单元和信号调理电路之间，所述二号继电器的控制端分别连接在一号运放单元和信号调理电路之间。

更为具体地：所述电抗器系统包括多组并联电抗器系统和多组串联电抗器系统，所述每组并联电抗器系统包括一号三相母线、一号三相干式空心电抗器、三只一号电流检测装置CT和一号计量或继电保护系统，所述一号计量或继电保护系统内设有三只一号电压测量装置PT，所述一号三相干式空心电抗器的一端分别与一号三相母线连接，所述一号三相干式空心电抗器的另一端星接，中性点不接地，所述一号电流检测装置CT的输入端分别位于一号三相干式空心电抗器与中性点之间的电线周围，用于检测电线内的电流信号，所述一号电流检测装置CT的输出端分别与每组一号电流采集模块中三组一号运放单元的输入端连接，所述三只一号电压测量装置PT的输入端分别与一号三相母线连接，用于检测一号三相母线的电压信号，所述三只一号电压测量装置PT的输出端分别三只电阻分压器的输入端连接。

更为具体地：所述每组串联电抗器系统包括二号三相母线、二号三相干式空心电抗器、二号三相电容、三只二号电流检测装置CT和二号计量或继电保护系统，所述二号计量或继电保护系统内设有三只二号电压测量装置PT，所述二号三相干式空心电抗器的一端分别与二号三相母线连接，所述二号三相干式空心电抗器的另一端分别与二号三相电容的一端连接，所述二号三相电容的另一端星接，中性点接地，所述二号电流检测装置CT的输入端分别位于二号三相干式空心电抗器与中性点之间的电线周围，用于检测电线内的电流信号，所述二号电流检测装置CT的输出端分别与每组电流采集模块中三组二号运放单元的输入端连接，所述三只二号电压测量装置PT的输入端分别与二号三相母线连接，用于检测二号三相母线的电压信号，所述三只二号电压测量装置PT的输出端分别三只电阻分压器的输入端连接。

基于所述干式空心电力电抗器匝间短路故障在线监测装置的监测方法，它包括以下步骤：

步骤一、在线监测系统接收变电站工作人员的指令，闭合内部的测量信号通道，在线监测系统内对电抗器系统的信号进行采样和存储；

步骤二、采样结束后，数据采集系统自动将采集到的数据传送至上位机进行存储，并按照预设计算方法对采样数据进行处理，分别计算出被监测的电抗器系统的初始损耗因数；

步骤三、设定阈值，在线监测系统对电抗器系统的信号进行实时采样和存储；并根据当前采样数据按照预设计算方法计算出当前损耗因数；

步骤四、将当前损耗因数与初始损耗因数做商，若商小于阈值，则重复步骤三；若商大于阈值，则当前干式空心电力电抗器出现匝间短路故障，上位机存储并显示当前数据。

更为具体地：在步骤三中，所述电抗器系统的损耗因数k_p的计算方法包括并联电抗器损耗因数的计算方法与串联电抗器损耗因数的计算方式。

更为具体地：所述并联电抗器损耗因数的计算方法依靠单相并联电抗器等效电路及向量分析得：

电抗器的损耗因数公式为：

更为具体地：所述串联电抗器损耗因数的计算方法分为以下步骤：

步骤三一、设定电容器额定容量为S_n，电容器的介质损耗角正切值为tgδ₀，补偿装置的电抗率为k₀，电抗器的品质因数为Q₀；

步骤三二、将上述参数分别带入电抗器容量公式、电抗器的有功损耗公式、电容器的有功损耗公式、总有功损耗公式和总无功损耗公式，分别求出电抗器容量、电抗器的有功损耗、电容器的有功损耗、总有功损耗和总无功损耗；

所述电抗器容量公式为S_Ln≈k₀S_n；

所述电抗器的有功损耗公式为

所述电容器的有功损耗公式为

所述总有功损耗公式为

所述总无功损耗公式为

步骤三三、将所述总有功损耗、总无功损耗带入总损耗因数公式，求出总损耗因数；所述总损耗因数公式为

更为具体地：所述电抗器品质因数的定义公式为：

把整个补偿装置中的并联电容和串联电抗器作整体，则总功率损耗因数取决于电抗器品质因数Q₀、介质损耗角正切值tgδ₀和补偿装置的电抗率k₀，根据所述总损耗因数公式(2)和所述电抗器品质因数的定义公式(3)可知，总损耗因数和电抗器品质因数互为倒数，

即总损耗因数公式为：

正常运行条件下，式(4)中，介质损耗角正切值tgδ₀、补偿装置的电抗率k₀均为常数，即总损耗因数k_Σ随着串联电抗器损耗因数k_p的变化而线性变化。

根据干式空心电抗器匝间绝缘故障位置与电抗器外电气特性参数之间的关系的研究结果，工频下发生短路故障前后干式空心电抗器的等效电抗几乎不变，但损耗大幅度的增加。因此，选定损耗因数，即回路的有功功率与无功功率的比值作为检测物理量，无匝间短路时该值为一个几乎恒定的数值，电抗器出现匝间绝缘短路故障时该值大幅增加，当该值超过某一设定的阈值时判定为电抗器出现匝间绝缘故障。由于损耗因数不是一个可以进行直接测量的物理量，需要通过间接测量法进行检测。本发明所采用的方法是通过检测回路的电压和流过电抗器的电流之间的相位差，经过上位机计算求得干式空心电抗器的损耗因数。

结合图4和图5对本实施例作进一步说明，图4为单相电抗器等效电路图，图5为图4的向量图；对于干式空心并联电力电抗器，可得：

因此，只要测算出电压与电流之间的相位差θ，就可以求得电抗器的损耗因数k_p。实际的干式空心并联电力电抗器采用三相星接中性点不接地系统，在每相电抗器的母线上装有电压测量装置PT，但电流测量装置CT的安装方式存在三相电抗器安装两相或相近的两组电抗器两台同相电抗器共用一台CT等多种形式。综合考虑加装新的测量装置对原电力系统产生影响及经济性等因素，电抗器上的电压信号取自变电站计量用的原电压互感器，但设计的信号采集系统的输入阻抗足够高，以避免对原计量系统或继电保护系统产生不良影响。电抗器上的电流信号通过额外加设的电流互感器来获得，所设计的电流互感器具备两个特点：一是采用现场可拆装式结构，使其在安装时不用改动现场接线；二是采用响应速度较快的瞬时值输出型电流传感器，以满足在线监测系统对待测信号的要求。

结合图6说明本实施例，图6为串联电抗器电容器组补偿装置等效电路图；对于干式空心串联电力电抗器，实际起到补偿作用的是电容器，电抗器与电容器串联起到限制合闸涌流及无源滤波的作用，串联电抗器、电容器组单相补偿装置等效电路如图6。设电容器额定容量为Sn，介质损耗角正切值为tgδ₀，补偿装置的电抗率为k₀，电抗器的品质因数为Q₀。则：

电抗器容量为S_Ln≈k₀S_n；

电抗器的有功损耗为

电容器的有功损耗为

总有功损耗为

总无功损耗为

整个补偿装置的总损耗因数为

把整个补偿装置中的并联电容和串联电抗器看作整体，则总功率损耗因数取决于Q₀、tgδ₀和k₀三个量。根据电抗器品质因数的定义：

结合电抗器损耗因数的定义式(1)可以看出，前文所定义的电抗器损耗因数与其品质因数互为倒数，则式(3)可以变为：

正常运行条件下，式(4)中电容器的介质损耗角正切tgδ₀、补偿装置的电抗器率k₀为常数，即总损耗因数k_Σ随着串联电抗器损耗因数k_p的变化而线性变化。串联电抗器损耗因数k_p的计算方法同式(1)。实际的干式空心串联电力电抗器采用三相星接中性点接

地系统，PT、CT的配置方式与并联电抗器相似，干式空心串联电力电抗器匝间绝缘故障在线监测方法的实施方案如图1。

结合图1和图2说明本实施例，本实施例所提出的方法对干式空心并联(串联)电力电抗器进行匝间状态在线监测的具体实施方案。当需要监测A、B、C三相电抗器2-1、2-2、2-3的状态时，接线方式如下：

首先在A、B、C三相并联电抗器2-1、2-2、2-3(A、B、C三相串联电抗器2-1、2-2、2-3及电容器7-1、7-2、7-3)的中性点侧安装电流测量装置3-1、3-2、3-3，并将流过每相并联电抗器(串联电抗器与电容器)的电流参数通过传输线连接至电抗器匝间绝缘在线监测系统，然后将计量或继电保护系统所测得的A、B、C三相的母线1-1、1-2、1-3电压参数通过传输线连接至电抗器匝间绝缘在线监测系统，然后将直流电源连接至电抗器匝间绝缘在线监测系统。

监测过程如下：

电站工作人员通过含有上位机计算软件的电抗器匝间绝缘在线监测系统发出指令，闭合测量信号通道，将计量或继电保护系统所测得的被监测电抗组母线1-1、1-2、1-3上的电压信号、流过每相电抗器2-1、2-2、2-3(A、B、C三相串联电抗器2-1、2-2、2-3及电容器7-1、7-2、7-3)的电流信号与在线监测系统中的数据采集系统接通，然后由数据采集系统对六路信号进行多周期采样和存储，采样过程结束后，数据采集系统自动将采集到的数据传送至上位计算机的内存中，由数据处理软件按照事先设计好的数据处理流程对采样数据进行处理，分别求得被监测三相并联电抗器2-1、2-2、2-3(三相串联电抗器2-1、2-2、2-3及电容器7-1、7-2、7-3)的损耗因数，并计算当前结果与初始值的比值，若比值小于阈值，则重复监测，若比值大于阈值，则显示该结果并存储，最终根据判定结果对该组电抗器的匝间绝缘状态做出结论，提供给电站运维人员。

考虑到一般电站都会有多组干式空心电抗器，干式空心电抗器匝间绝缘故障在线监测系统的硬件设计要面向整个电站，不能仅针对一组电抗器。也就是说，对于整个电站而言，只需要使用一套干式空心电抗器匝间绝缘故障在线监测系统，就可以实现对全电站内所有干式空心电抗器匝间绝缘故障的在线监测。

考虑到对每组电抗器的监测至少需要检测六路信号，多组电抗器的情况下如果来自被监测电抗器的信号不采用总线式结构，整个监测系统的接线将会很多。所以，为了使整个监测系统的结构尽可能简洁、清晰，连接线尽可能少，来自被监测电抗器的电压、电流信号需要采用总线式结构。与此同时，控制被监测电抗器电压、电流信号接入信号总线的控制信号以及相应的硬件电路直流供电都需要采用总线形式。

图3为在线监测系统电路连接示意图；在这个系统中，电站中的所有干式空心电抗器按组进行排序，检测对象的选择按组依次进行。需要检测某一组电抗器时，首先通过上位计算机软件发出的四路数字信号将该组电抗器的母线相电压信号、地线电流信号分别与母线相电压信号总线、地线电流信号总线接通，然后，上位计算机软件通过指令控制数据采集系统PicoScope 4842对六路信号进行多周期采样和存储，采样过程结束后，由上位机通过USB口将采样数据读取到上位计算机内存中，按照事先设计好的数据处理流程对采样数据进行处理，求得被监测电抗器组的三个电抗器的损耗因数，并将结构进行显示、存储和判定，最终根据判定结构对该组电抗器的匝间绝缘状态做出结论，提供给电站运维人员。

Claims (8)

1.干式空心电力电抗器匝间短路故障在线监测装置，其特征在于，它包括电抗器系统和在线监测系统，所述电抗器系统与在线监测系统连接，所述在线监测系统包括直流电源、上位机、信号调理电路、示波器和数据采集模块，所述直流电源与上位机连接，用于供电，所述上位机与数据采集模块的输入端连接，所述数据采集模块的输出端与信号调理电路连接，所述信号调理电路的输出端与示波器的输入端连接，所述上位机与示波器双向连接，所述数据采集模块与电抗器系统连接；所述数据采集模块包括多组电压采集模块和多组电流采集模块，所述每组电流采集模块包括一组一号继电器和三组一号运放单元，所述三组一号运放单元的输入端与电抗器系统连接，所述三组一号运放单元的输出端均与信号调理电路连接；所述每组电压采集模块包括一组二号继电器、三组二号运放单元和三只电阻分压器，所述三组二号运放单元的输入端分别与三只电阻分压器的输出端连接，所述三只电阻分压器的输入端均与电抗器系统连接，所述一号运放单元和二号运放单元的输出端均与信号调理电路连接；所述一号继电器和二号继电器的输入端均与上位机的输出端连接，所述一号继电器的控制端分别连接在一号运放单元和信号调理电路之间，所述二号继电器的控制端分别连接在一号运放单元和信号调理电路之间。

2.根据权利要求1所述的干式空心电力电抗器匝间短路故障在线监测装置，其特征在于，所述电抗器系统包括多组并联电抗器系统和多组串联电抗器系统，所述每组并联电抗器系统包括一号三相母线、一号三相干式空心电抗器、三只一号电流检测装置CT和一号计量或继电保护系统，所述一号计量或继电保护系统内设有三只一号电压测量装置PT，所述一号三相干式空心电抗器的一端分别与一号三相母线连接，所述一号三相干式空心电抗器的另一端星接，中性点不接地，所述一号电流检测装置CT的输入端分别位于一号三相干式空心电抗器与中性点之间的电线周围，用于检测电线内的电流信号，所述一号电流检测装置CT的输出端分别与每组一号电流采集模块中三组一号运放单元的输入端连接，所述三只一号电压测量装置PT的输入端分别与一号三相母线连接，用于检测一号三相母线的电压信号，所述三只一号电压测量装置PT的输出端分别三只电阻分压器的输入端连接。

3.根据权利要求2所述的干式空心电力电抗器匝间短路故障在线监测装置，其特征在于，所述每组串联电抗器系统包括二号三相母线、二号三相干式空心电抗器、二号三相电容、三只二号电流检测装置CT和二号计量或继电保护系统，所述二号计量或继电保护系统内设有三只二号电压测量装置PT，所述二号三相干式空心电抗器的一端分别与二号三相母线连接，所述二号三相干式空心电抗器的另一端分别与二号三相电容的一端连接，所述二号三相电容的另一端星接，中性点接地，所述二号电流检测装置CT的输入端分别位于二号三相干式空心电抗器与中性点之间的电线周围，用于检测电线内的电流信号，所述二号电流检测装置CT的输出端分别与每组电流采集模块中三组二号运放单元的输入端连接，所述三只二号电压测量装置PT的输入端分别与二号三相母线连接，用于检测二号三相母线的电压信号，所述三只二号电压测量装置PT的输出端分别三只电阻分压器的输入端连接。

4.基于权利要求1所述的干式空心电力电抗器匝间短路故障在线监测装置的监测方法，其特征在于，它包括以下步骤：

步骤一、在线监测系统接收电站操作人员指令，闭合内部的测量信号通道，在线监测系统对电抗器系统的信号进行采样；

步骤二、采样结束后，数据采集系统自动将采集到的数据传送至上位机进行存储，并按照预设计算方法对采样数据进行处理，分别计算出被监测的电抗器系统的初始损耗因数；

步骤三、在线监测系统对电抗器系统的信号进行实时采样；并根据当前采样数据按照预设计算方法计算出当前损耗因数；

步骤四、将当前损耗因数与初始损耗因数做商，若商小于预设阈值，则重复步骤三；若商大于预设阈值，则当前干式空心电力电抗器出现匝间短路故障，上位机存储并显示当前数据。

5.根据权利要求4所述的干式空心电力电抗器匝间短路故障在线监测方法，其特征在于，在步骤三中，所述电抗器系统的损耗因数k_p的计算方法包括并联电抗器损耗因数的计算方法与串联电抗器损耗因数的计算方式。

6.根据权利要求5所述的干式空心电力电抗器匝间短路故障在线监测方法，其特征在于，所述并联电抗器损耗因数的计算方法依靠单相并联电抗器等效电路及向量分析得：

电抗器的损耗因数公式为：

其中，θ为电压与电流之间的相位差，θ与δ互为余角。

7.根据权利要求6所述的干式空心电力电抗器匝间短路故障在线监测方法，其特征在于，所述串联电抗器损耗因数的计算方法分为以下步骤：

步骤三一、设定电容器额定容量为S_n，电容器的介质损耗角正切值为tgδ₀，补偿装置的电抗率为k₀，电抗器的品质因数为Q₀；

步骤三二、将上述参数分别带入电抗器容量公式、电抗器的有功损耗公式、电容器的有功损耗公式、总有功损耗公式和总无功损耗公式，分别求出电抗器容量、电抗器的有功损耗、电容器的有功损耗、总有功损耗和总无功损耗；

所述电抗器容量公式为S_Ln≈k₀S_n；

所述电抗器的有功损耗公式为

所述电容器的有功损耗公式为

所述总有功损耗公式为

所述总无功损耗公式为

步骤三三、将所述总有功损耗、总无功损耗带入总损耗因数公式，求出总损耗因数；所述总损耗因数公式为

。

8.根据权利要求7所述的干式空心电力电抗器匝间短路故障在线监测方法，其特征在于，所述电抗器品质因数的定义公式为：

把整个补偿装置中的并联电容和串联电抗器作整体，则总功率损耗因数取决于电抗器品质因数Q₀、介质损耗角正切值tgδ₀和补偿装置的电抗率k₀，根据所述总损耗因数公式(2)和所述电抗器品质因数的定义公式(3)可知，

总损耗因数公式为：

其中，k_Σ为总损耗因数，k_p为串联电抗器损耗因数；

正常运行条件下，式(4)中，介质损耗角正切值tgδ₀、补偿装置的电抗率k₀均为常数。