CN110531215A

CN110531215A - 铁心电抗器匝绝缘故障定位方法及在线监测系统

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Publication number: CN110531215A
Application number: CN201910809235.8A
Authority: CN
Inventors: 刘骥; 王守明; 马志钦; 朱东柏; 张明泽
Original assignee: Harbin University of Science and Technology
Current assignee: Harbin University of Science and Technology
Priority date: 2019-08-29
Filing date: 2019-08-29
Publication date: 2019-12-03

Abstract

铁心电抗器匝绝缘故障定位方法及在线监测系统。目前电抗器的在线监测装置多针对电抗器的电压、电流、损耗值及表面温度等参数，出现事故后对电抗器整体进行分解切割寻找匝绝缘故障部位，耗时耗力，定位效果并不明显。本发明包括如下步骤：（1）确定待测电抗器的系统电压等级及电抗器线圈的结构参数；（2）确定上下两端霍尔磁场强度监测单元的摆放位置以及相对电抗器线圈距离；（3）根据上下两端霍尔磁场强度监测单元监测的数据判断匝绝缘短路故障是否发生；（4）利用映射定位算法对匝绝缘短路故障点进行定位。本发明用于铁心电抗器匝绝缘故障的定位及在线监测。

Description

铁心电抗器匝绝缘故障定位方法及在线监测系统

技术领域：

本发明涉及电抗器监测技术领域，具体涉及一种铁心电抗器匝绝缘故障定位方法及在线监测系统。

背景技术：

铁心电抗器由于具有体积小、漏磁小和线圈不易开裂等优点在 10~35kV 配电网中得到日益广泛的应用。近年频繁发生的铁芯电抗器各类故障直接危及到电网的稳定安全运行，典型的故障有铁芯过热及绕组的匝绝缘问题，其中统计分析表明占比较大故障多为匝绝缘缺陷所导致的。匝绝缘短路后，形成环流会使线圈短路匝附近温升剧增，进一步发展会导致整个电抗器线圈烧毁。因而找到一种铁心电抗器匝绝缘故障定位方法及在线监测系统是十分必要的。

目前电抗器的在线监测装置多针对电抗器的电压、电流、损耗值及表面温度等参数，而对其铁心电抗器的匝绝缘短路故障的定位及在线监测国内仍是一片空白。往往都是出现事故后对电抗器整体进行分解切割寻找匝绝缘故障部位，耗时耗力，定位效果并不明显。因此，对匝绝缘短路故障进行实时监测并进行预判是十分必要的，发现匝绝缘短路故障后，对其进行精准定位，制定合理运维检修策略，进而提高电抗器运行定性及可靠性。

发明内容：

本发明的目的是解决匝绝缘故障定位方法及在线监测系统所存在的问题，提供一种可大大降低对硬件测试电路的高度依赖性，仅依靠采集后的上下两处监测点数据与相关映射坐标参数便可对待测电抗器匝绝缘故障进行精准定位的铁心电抗器匝绝缘故障定位方法及在线监测系统。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

一种铁心电抗器匝绝缘故障定位方法，该方法包括如下步骤：

（1）确定待测电抗器的系统电压等级及电抗器线圈的结构参数；

（2）确定上下两端霍尔磁场强度监测单元的摆放位置以及相对电抗器线圈距离；

（3）根据上下两端霍尔磁场强度监测单元监测的数据判断匝绝缘短路故障是否发生；

（4）利用映射定位算法对匝绝缘短路故障点进行定位。

所述的铁心电抗器匝绝缘故障定位方法，所述的步骤（2）的具体过程为：根据所述的待测电抗器的系统电压等级，参照最优水平距离参考表，确定上下两端霍尔磁场强度监测单元距离电抗器线圈外表面的水平摆放距离。根据电抗器高度H，确定上下两端霍尔磁场强度监测模块距离电抗器的垂直方向摆放距离，使上端霍尔磁场强度监测模块与电抗器顶端对齐，下端霍尔磁场强度传感器与电抗器底端对齐。

所述的铁心电抗器匝绝缘故障定位方法，所述的步骤（4）的具体过程包括：电抗器的未短路匝线圈和短路点的轴向映射；

映射后二维平面坐标系的建立；电抗器整体线圈与短路点处电压分布方程建立；上下两端监测点处的磁场强度方程建立；结合监测点处实测磁场强度数据逆向解析确定匝绝缘短路故障点坐标。

所述的铁心电抗器匝绝缘故障定位方法，所述的电抗器未短路匝线圈和短路点轴向映射是将短路匝线圈聚焦为一个短路点，电抗器线圈分为电抗器未短路匝线圈1，短路后短路点2，以铁心为轴向，进行一一映射，映射后可根据本算法中的映射关系得出映射互感。

所述的铁心电抗器匝绝缘故障定位方法，所述的映射后二维平面坐标系的建立是以电抗器中心点为原点，将线圈1和短路匝线圈短路点2及其映射用相对坐标表示，并结合所述电抗器线圈电压分布及监测点处的磁场强度数值进行匝绝缘短路故障点定位解析，从而进行精准定位。

所述的铁心电抗器匝绝缘故障定位方法，所述的步骤（3）的具体过程为：同步获取上下两端霍尔磁场强度传感器的监测数据，判断是否发生明显突变；若不是，证明匝绝缘短路故障并未发生，继续获取上下两端霍尔磁场强度监测数据；若是，则发生匝绝缘短路故障。

一种铁心电抗器匝绝缘故障在线监测系统，其组成包括：霍尔磁场强度传感器监测单元、高速AD信号采集单元、信号采样窗滤波单元、信号比例还原调理单元、CPU主控单元及数据无线传输单元，所述的霍尔磁场强度传感器监测单元、所述的高速AD信号采集单元、所述的信号采样窗滤波单元、所述的信号比例还原调理单元和所述的CPU主控单元及数据无线传输单元依次连接。

所述的铁心电抗器匝绝缘故障在线监测系统，所述的信号采样窗滤波单元用于对信号连续多点采样并进行窗内滤波，在一个采样窗内连续高速采样不少于5个数据点，判断是否由于电容耦合将噪声干扰误采入，将采样窗内干扰点删除，将有效数据点进行均值处理，从而得到初步处理后模拟量输出值。

所述的铁心电抗器匝绝缘故障在线监测系统，所述的信号比例还原调理单元用于将初步处理后模拟量输出值按比例还原为磁场强度数值，设采样后的模拟量均值为V_i，还原比例系数为K₁，偏置参考常量为α，系统固有误差为δ，监测点处磁场强度为B_i，则。解析后的用于后期判断是否有匝绝缘短路故障发生并进行匝绝缘短路故障点定位。

有益效果：

1.本发明可大大降低对硬件测试电路的高度依赖性，仅依靠采集后的上下两处监测点数据与相关映射坐标参数便可对待测电抗器匝绝缘故障进行精准定位。

本发明可根据铁心电抗器线圈外部的两个参考点处磁场强度数值变化实时在线监测其匝绝缘故障是否发生，若发生匝绝缘故障，根据映射定位算法准确定位匝绝缘缺陷位置，对铁心电抗器运维测试与设备安全运行具有重要意义。

附图说明：

图1铁心电抗器匝绝缘故障定位方法及在线监测系统流程图；

图2存在匝绝缘故障的铁心电抗器剖面示意图；

图3铁心电抗器匝绝缘故障映射定位示意图；

图4铁心电抗器二维平面投影坐标转化示意图；

图5匝绝缘故障在线监测系统结构框图；

图6 匝间短路故障位于电抗器顶端H处时本系统测试运行结果；

图7 匝间短路故障位于电抗器顶端H处时本系统测试运行结果。

具体实施方式：

实施例1：

（4）利用映射定位算法对匝绝缘短路故障点进行定位。

实施例2：

根据实施例1所述的铁心电抗器匝绝缘故障定位方法，所述的步骤（2）的具体过程为：根据所述的待测电抗器的系统电压等级，参照最优水平距离参考表，确定上下两端霍尔磁场强度监测单元距离电抗器线圈外表面的水平摆放距离。根据电抗器高度H，确定上下两端霍尔磁场强度监测模块距离电抗器的垂直方向摆放距离，使上端霍尔磁场强度监测模块与电抗器顶端对齐，下端霍尔磁场强度传感器与电抗器底端对齐。

实施例3：

根据实施例1或2所述的铁心电抗器匝绝缘故障定位方法，所述的步骤（4）的具体过程包括：电抗器的未短路匝线圈和短路点的轴向映射；映射后二维平面坐标系的建立；电抗器整体线圈与短路点处电压分布方程建立；上下两端监测点处的磁场强度方程建立；结合监测点处实测磁场强度数据逆向解析确定匝绝缘短路故障点坐标。

实施例4：

根据实施例1或2或3所述的铁心电抗器匝绝缘故障定位方法，所述的电抗器未短路匝线圈和短路点轴向映射是将短路匝线圈聚焦为一个短路点，电抗器线圈分为电抗器未短路匝线圈1，短路后短路点2，以铁心为轴向，进行一一映射，映射后可根据本算法中的映射关系得出映射互感，映射后的电抗器线圈和短路点分别为3和4；1和3为映射组；2和4为映射组；图3所示为铁心电抗器匝绝缘故障映射定位示意图。

实施例5：

根据实施例1或2或3或4所述的铁心电抗器匝绝缘故障定位方法，所述的映射后二维平面坐标系的建立是以电抗器中心点为原点，将线圈1和短路匝线圈短路点2及其映射用相对坐标表示，并结合所述电抗器线圈电压分布及监测点处的磁场强度数值进行匝绝缘短路故障点定位解析，从而进行精准定位。

实施例6：

根据实施例1或2或3或4或5所述的铁心电抗器匝绝缘故障定位方法，所述的步骤（3）的具体过程为：同步获取上下两端霍尔磁场强度传感器的监测数据，判断是否发生明显突变；若不是，证明匝绝缘短路故障并未发生，继续获取上下两端霍尔磁场强度监测数据；若是，则发生匝绝缘短路故障。图2为存在匝绝缘故障的铁心电抗器剖面示意图，A1为铁磁材料铁芯，其中位于线圈中部的铁芯为分段不连续式结构；A2为线圈，整体套在铁芯A1外侧；A3为线圈线匝，缠绕在线圈A2内部；H1和H2为位于线圈A2外侧的霍尔磁场强度传感器监测点，Q为线圈匝间短路故障点。

实施例7：

实施例8：

根据实施例7所述的铁心电抗器匝绝缘故障在线监测系统，所述的信号采样窗滤波单元用于对信号连续多点采样并进行窗内滤波，在一个采样窗内连续高速采样不少于5个数据点，判断是否由于电容耦合将噪声干扰误采入，将采样窗内干扰点删除，将有效数据点进行均值处理，从而得到初步处理后模拟量输出值。

实施例9：

根据实施例7所述的铁心电抗器匝绝缘故障在线监测系统，所述的信号比例还原调理单元用于将初步处理后模拟量输出值按比例还原为磁场强度数值，设采样后的模拟量均值为V_i，还原比例系数为K₁，偏置参考常量为α，系统固有误差为δ，监测点处磁场强度为B_i，则。解析后的用于后期判断是否有匝绝缘短路故障发生并进行匝绝缘短路故障点定位。

具体试验：

选取一台系统电压等级为10kV的树脂绝缘干式铁心串联电抗器，其电抗器线圈高度H为71cm，外径D为50cm,内径d为35cm，根据表一所示的水平距离最优参照表确定出上下两个参考点处的霍尔磁场强度传感器距离电抗器的水平距离为15cm，上端霍尔磁场强度传感器H1与电抗器线圈顶端位于同一水平线上，下端霍尔磁场强度传感器H1与电抗器线圈底端位于同一水平线上。如图4所示，将以上尺寸及距离关系转化为图中的相应坐标。

在距顶端1/3H（约23.6cm）处，缠绕一匝线圈，模拟匝间短路故障，根据上下两处霍尔磁场强度传感器的监测数据，结合具体的尺寸坐标，利用本发明中的映射定位算法对短路故障点进行定位。定位后上位机测试运行结果如图6所示。

在距顶端2/3H（约47.2cm）处，缠绕一匝线圈，模拟匝间短路故障，根据上下两处霍尔磁场强度传感器的监测数据，结合具体的尺寸坐标，利用本系统中的映射定位算法对短路故障点进行定位。定位后上位机测试运行结果如图7所示。

实施例10：

根据实施例1所述的铁心电抗器匝绝缘故障定位方法，所述的确定待测电抗器的系统电压等级及电抗器线圈的结构参数包括：确定所述待测电抗器的线圈高度H，电抗器线圈内径d，外径D，以及待测电抗器系统电压等级。

实施例11：

根据实施例3所述的铁心电抗器匝绝缘故障定位方法，所述映射后二维平面坐标系的建立的步骤包括：将所述待测电抗器向二维平面投影，以电抗器中心点为原点，建立二维平面坐标系，线圈1为铁心轴向右半部分线圈，其四个顶点坐标可由电抗器的具体型号参数确定，短路后短路点2的位置为最终求解目标，因此，设短路点2的坐标为（X₂₁,Y₂₁），根据对称关系，映射后的线圈1和4的坐标也可推导得出。图4所示为铁心电抗器二维平面投影坐标转化示意图。

实施例12：

根据实施例3所述的铁心电抗器匝绝缘故障定位方法，所述电抗器整体线圈与短路点处电压分布方程建立的步骤包括：

根据电抗器整体电压值及短路匝电压值可列出如下公式：

其中：

M为两匝导线间的互感。根据以上算法公式，可将I1、I2解出。解出的I₁、I₂含有短路点2的坐标（X₂₁,Y₂₁）。

实施例13：

根据实施例3所述的铁心电抗器匝绝缘故障定位方法，所述上下两端监测点处的磁场强度方程建立的步骤:包括；

以上端霍尔传感器和下端霍尔传感器所在位置为两个参考点，可求出参考点磁场分布，即：

其中：

(7-5)

参考点处合成磁场强度为：

（7-6）

（x,y）为参考点相对坐标，m为线圈区域划分最大数量。

实施例14：

根据实施例3所述的铁心电抗器匝绝缘故障定位方法，所述结合监测点处实测磁场强度数据逆向解析确定匝绝缘短路故障点坐标的步骤包括：

推导出的上下两个监测点处的磁场强度包含两个位置参数，即短路点2的坐标（X₂₁,Y₂₁）。将实测的上下两端监测点处的霍尔磁场强度传感器的监测数据B1、B2与与推导所求出的B1、B2进行方程联立，从而逆向解析出匝绝缘短路故障点坐标，定位结束。

实施例15：

根据实施例所述的铁心电抗器匝绝缘故障在线监测系统，所述的CPU主控单元及数据无线传输单元用于将还原调理后的监测点处的磁场强度Bi进行实时汇总，并无线发送到匝绝缘在线监测系统上位机软件端处，用于后期判断是否有匝绝缘短路故障发生并进行匝绝缘短路故障点定位。

Claims

1.一种铁心电抗器匝绝缘故障定位方法，其特征是：该方法包括如下步骤：

（4）利用映射定位算法对匝绝缘短路故障点进行定位。

2.根据权利要求1所述的铁心电抗器匝绝缘故障定位方法，其特征是：所述的步骤（2）的具体过程为：根据所述的待测电抗器的系统电压等级，参照最优水平距离参考表，确定上下两端霍尔磁场强度监测单元距离电抗器线圈外表面的水平摆放距离。根据电抗器高度H，确定上下两端霍尔磁场强度监测模块距离电抗器的垂直方向摆放距离，使上端霍尔磁场强度监测模块与电抗器顶端对齐，下端霍尔磁场强度传感器与电抗器底端对齐。

3.根据权利要求1所述的铁心电抗器匝绝缘故障定位方法，其特征是：所述的步骤（4）的具体过程包括：电抗器的未短路匝线圈和短路点的轴向映射；

4.根据权利要求3所述的铁心电抗器匝绝缘故障定位方法，其特征是：所述的电抗器未短路匝线圈和短路点轴向映射是将短路匝线圈聚焦为一个短路点，电抗器线圈分为电抗器未短路匝线圈1，短路后短路点2，以铁心为轴向，进行一一映射，映射后可根据本算法中的映射关系得出映射互感。

5.根据权利要求3所述的铁心电抗器匝绝缘故障定位方法，其特征是：所述的映射后二维平面坐标系的建立是以电抗器中心点为原点，将线圈1和短路匝线圈短路点2及其映射用相对坐标表示，并结合所述电抗器线圈电压分布及监测点处的磁场强度数值进行匝绝缘短路故障点定位解析，从而进行精准定位。

6.根据权利要求1所述的铁心电抗器匝绝缘故障定位方法，其特征是：所述的步骤（3）的具体过程为：同步获取上下两端霍尔磁场强度传感器的监测数据，判断是否发生明显突变；若不是，证明匝绝缘短路故障并未发生，继续获取上下两端霍尔磁场强度监测数据；若是，则发生匝绝缘短路故障。

7.一种铁心电抗器匝绝缘故障在线监测系统，其组成包括：霍尔磁场强度传感器监测单元、高速AD信号采集单元、信号采样窗滤波单元、信号比例还原调理单元、CPU主控单元及数据无线传输单元，其特征是：所述的霍尔磁场强度传感器监测单元、所述的高速AD信号采集单元、所述的信号采样窗滤波单元、所述的信号比例还原调理单元和所述的CPU主控单元及数据无线传输单元依次连接。

8.根据权利要求7所述的铁心电抗器匝绝缘故障在线监测系统，其特征是：所述的信号采样窗滤波单元用于对信号连续多点采样并进行窗内滤波，在一个采样窗内连续高速采样不少于5个数据点，判断是否由于电容耦合将噪声干扰误采入，将采样窗内干扰点删除，将有效数据点进行均值处理，从而得到初步处理后模拟量输出值。

9.根据权利要求7所述的铁心电抗器匝绝缘故障在线监测系统，其特征是：所述的信号比例还原调理单元用于将初步处理后模拟量输出值按比例还原为磁场强度数值，设采样后的模拟量均值为V_i，还原比例系数为K₁，偏置参考常量为α，系统固有误差为δ，监测点处磁场强度为B_i，则。解析后的用于后期判断是否有匝绝缘短路故障发生并进行匝绝缘短路故障点定位。