CN111693896A

CN111693896A - 干式空心电抗器匝间短路监测系统、监测方法及装置

Info

Publication number: CN111693896A
Application number: CN202010729399.2A
Authority: CN
Inventors: 汲胜昌; 高璐; 祝令瑜; 杜一鸣; 杨航; 左浩明
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2020-07-27
Filing date: 2020-07-27
Publication date: 2020-09-22

Abstract

本申请涉及一种干式空心电抗器匝间短路监测系统、监测方法及装置。所述干式空心电抗器匝间短路监测系统包括：电流传感器，设置于干式空心电抗器的接地端星型架接线臂的各层包封末端出线处，用于检测各层包封内的电流；控制单元，用于获取所述电流传感器反馈的各层包封的实时电流，计算各层包封的实时电流相对于正常运行电流的电流变化率，所述电流变化率大于预设的阈值的对应包封判定为发生匝间短路故障。本发明能够实现实时在线监测，并且能够判断出匝间短路故障发生的包封，精准定位故障处。

Description

干式空心电抗器匝间短路监测系统、监测方法及装置

技术领域

本申请涉及电力系统技术领域，特别是涉及一种干式空心电抗器匝间短路监测系统、监测方法及装置。

背景技术

干式空心电抗器电感值稳定，不随负载电流大小变化，同时具有结构简单、重量轻、体积小、损耗低、维护方便等优点，在限流、滤波及无功补偿等方面得到了广泛应用。从国内外干式空心电抗器的实际运行状况和大量统计资料来看，匝间短路故障已是干式空心电抗器的主要故障。而匝间短路故障一旦发生，短路匝中由于电磁感应的作用，将流过很大的环流，产生很大的电动力；同时温度急剧升高甚至会烧毁电抗器。

目前针对空心电抗器匝间短路的检测方法主要分为离线检测法和在线监测法两大类。目前的离线检测法以脉冲振荡电压法为主，由于短路匝的存在，干式空心电抗器的等效电感减小、等效电阻增加，当对干式空心电抗器施加高频重复脉冲时，脉冲的振荡频率将会增加、衰减速度将会加快。但该方法需停电使用，周期长、成本高，施加电压较高具有一定的破坏性，且不能及时发现故障。目前已有的空心电抗器匝间短路在线监测方法主要通过检测整个电抗器设备在运行过程中的电气变化量作为判断的依据，无法定位匝间短路所在包封位置，灵敏度不足，难以广泛应用。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够实时在线监测并且精准定位故障位置的干式空心电抗器匝间短路监测系统、监测方法及装置。

一种干式空心电抗器匝间短路监测系统，包括：

电流传感器，设置于干式空心电抗器的接地端星型架接线臂的各层包封末端出线处，用于检测各层包封内的电流；

控制单元，用于获取所述电流传感器反馈的各层包封的实时电流，计算各层包封的实时电流相对于正常运行电流的电流变化率，所述电流变化率大于预设的阈值的对应包封判定为发生匝间短路故障。

在其中一个实施例中，所述正常运行电流为在所述干式空心电抗器在正常工作状态，且干式空心电抗器被施加额定电压或额定电流时各层包封内的电流。

在其中一个实施例中，干式空心电抗器匝间短路监测系统还包括：

数据采集卡，用于采集所述电流传感器反馈的模拟信号电流，并进行模数转换后输出数字信号电流至所述控制单元。

一种干式空心电抗器匝间短路监测方法，应用于如上述任一项实施例的干式空心电抗器匝间短路监测系统，所述方法包括：

获取电流传感器反馈的各层包封的实时电流；

计算各层包封的实时电流相对于正常运行电流的电流变化率；

若所述电流变化率大于预设的阈值，则判定所述电流变化率对应的包封发生匝间短路故障。

在其中一个实施例中，干式空心电抗器匝间短路监测方法还包括：

在干式空心电抗器处于正常工作状态时，输出额定参数施加信号至电源，所述额定参数施加信号用于控制所述电源向干式空心电抗器施加额定电压或额定电流；

获取所述电流传感器反馈的各层包封内的电流作为所述正常运行电流。

在其中一个实施例中，所述计算各层包封的实时电流相对于正常运行电流的电流变化率的步骤包括：

对所述实时电流进行傅里叶变换分析，提取额定频率的电流分量；

计算各包封内的电流分量相对于所述正常运行电流的电流变化率。

在其中一个实施例中，所述对所述实时电流进行傅里叶变换分析，提取额定频率的电流分量的步骤包括：

若所述干式空心电抗器未在额定电压下运行，将所述实时电流乘以预设的线性系数得到修正电流；

对所述修正电流进行傅里叶变换分析，提取额定频率的电流分量。

一种干式空心电抗器匝间短路监测装置，包括：

实时电流获取模块，用于获取电流传感器反馈的各层包封的实时电流；

电流变化率计算模块，用于计算各层包封的实时电流相对于正常运行电流的电流变化率；

故障判定模块，用于在所述电流变化率大于预设的阈值时，判定所述电流变化率对应的包封发生匝间短路故障。

一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤：

获取电流传感器反馈的各层包封的实时电流；

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：

获取电流传感器反馈的各层包封的实时电流；

上述干式空心电抗器匝间短路监测系统、监测方法及装置，通过在干式空心电抗器的接地端星型架接线臂的各层包封末端出线处电流传感器，能够检测各层包封流过的电流，控制单元通过获取电流传感器反馈的各层包封的实时电流，计算出实时电流相对于正常运行电流的电流变化率，根据预设的阈值对电流变化率进行判断，若电流变化率大于阈值，则对应包封判定为发生匝间短路故障，能够实现实时在线监测，并且能够判断出匝间短路故障发生的包封，精准定位故障处。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例或传统技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为一个实施例中干式空心电抗器匝间短路监测系统的结构示意图；

图2为一个实施例中干式空心电抗器匝间短路监测方法的流程示意图；

图3为另一个实施例中干式空心电抗器匝间短路监测方法的流程示意图；

图4为一个实施例中计算各层包封的实时电流相对于正常运行电流的电流变化率步骤的流程示意图；

图5为一个实施例中对实时电流进行傅里叶变换分析，提取额定频率的电流分量步骤的流程示意图；

图6为一个实施例中干式空心电抗器匝间短路监测装置的结构框图；

图7为一个实施例中计算机设备的内部结构图。

具体实施方式

为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使本申请的公开内容更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。

可以理解，本申请所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个元件与另一个元件区分。

需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件时，它可以是直接连接到另一个元件，或者通过居中元件连接另一个元件。此外，以下实施例中的“连接”，如果被连接的对象之间具有电信号或数据的传递，则应理解为“电连接”、“通信连接”等。

在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。同时，在本说明书中使用的术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。

正如背景技术所述，现有技术中的在线监测方法存在无法定位匝间短路所在包封位置，灵敏度不足的问题，经发明人研究发现，常见的在线监测方法出现这种问题的原因在于：

测温法：干式空心电抗器匝间短路位置由于流过巨大的短路电流，会产生局部过热，通过无线测温的方式获得电抗器包封表面的温度，即可对故障进行检测。然而这种方法无法对内层包封故障导致的温升进行检测，且容易受到环境温度、太阳直射角度的影响。

磁场测量法：干式空心电抗器发生匝间短路故障时，短路环中流过巨大的短路电流，会对电抗器原本的磁场分布产生影响，在电抗器的不同位置安装磁场探测线圈，通过检测磁场强度的变化情况对故障进行检测。该方法容易受现场复杂的电磁环境干扰，且在电抗器高压端安装磁场探测线圈可能会造成不安全隐患。

测功率因数角、有功功率、等效电阻或等效阻抗等：干式空心电抗器发生匝间短路故障时，短路环中流过的短路电流会消耗巨大的有功功率，从而导致功率因数角、有功功率或等效电阻等参数发生改变。通过测量电压、电流及其相位差信号，计算得到功率因数角或有功功率，即可对故障进行检测。该方法设备复杂，灵敏度低，对于匝数较少的匝间短路故障检测效果较差。

基于以上原因，本发明提供了一种能够精准定位故障点的在线监测方案，

在其中一个实施例中，如图1所示，提供了一种干式空心电抗器匝间短路监测系统，包括：

电流传感器100，设置于干式空心电抗器的接地端星型架接线臂的各层包封末端出线处，用于检测各层包封内的电流；

控制单元200，用于获取电流传感器100反馈的各层包封的实时电流，计算各层包封的实时电流相对于正常运行电流的电流变化率，电流变化率大于预设的阈值的对应包封判定为发生匝间短路故障。

干式空心电抗器为多层包封并联结构，中间用撑条隔开方便散热。为了减小损耗、避免电抗器各层线圈之间产生环流，各层线圈都是按照一定的规则设计的，例如等电流法、等电密法、等温升法及等电阻电压法等等。当干式空心电抗器发生匝间短路时，在包封的线圈内部会形成短路匝，故障绕组被短路匝分为两部分，这两部分为串联结构；而短路匝形成了独立的短路环，端电压为零，但内部由于电磁感应会流过很大的环流。由于短路匝的存在，除了故障线圈的匝数减小之外，线圈之间的互感也会发生改变，导致干式空心电抗器各层线圈中的电流分配关系发生变化。经发明人研究发现通过检测各层包封内线圈的电流变化情况，即可对匝间短路故障进行检测及定位。

电流传感器100，是一种检测装置，能感受到被测电流的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为符合一定标准需要的电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。根据干式空心电抗器的包封层数，设置对应数量的电流传感器100，并将电流传感器100设置于干式空心电抗器的接地端星型架接线臂的各层包封末端出线处，分别对每层包封内的电流进行检测，控制单元200根据电流传感器100检测的各层包封内的实时电流，计算出相对于正常运行电流的电流变化率，根据电流变化率进行分析，若某层包封的电流变化率大于预设的阈值，则判定该层包封发生匝间短路故障。匝间短路故障所在包封的电流变化率相比整个电抗器的电流、电压或磁场等电气信号的变化率更为明显，提高了在线监测的灵敏度。此外，所有的监测设备和操作均在干式空心电抗器的低压端，安全性更高。

上述干式空心电抗器匝间短路监测系统，通过在干式空心电抗器的接地端星型架接线臂的各层包封末端出线处电流传感器100，能够检测各层包封流过的电流，控制单元200通过获取电流传感器100反馈的各层包封的实时电流，计算出实时电流相对于正常运行电流的电流变化率，根据预设的阈值对电流变化率进行判断，若电流变化率大于阈值，则对应包封判定为发生匝间短路故障，能够实现实时在线监测，并且能够判断出匝间短路故障发生的包封，精准定位故障处。

在其中一个实施例中，正常运行电流为干式空心电抗器在正常工作状态时，各层包封内的电流。

在其中一个实施例中，正常运行电流为在干式空心电抗器在正常工作状态，且干式空心电抗器被施加额定电压或额定电流时各层包封内的电流。

每层包封的正常工作电流可以是相同的，也可以是不同的，根据干式空心电抗器各层包封内线圈的特性决定，正常运行电流为实测测得。

数据采集卡，用于采集电流传感器100反馈的模拟信号电流，并进行模数转换后输出数字信号电流至控制单元200。

数据采集是指对设备被测的模拟或数字信号，自动采集并送到上位机中进行分析、处理。数据采集卡，即实现数据采集功能的计算机扩展卡，可以通过USB、PXI、PCI、PCIExpress、火线(1394)、PCMCIA、ISA、Compact Flash、485、232、以太网、各种无线网络等总线接入控制单元200的计算机设备。数据采集卡能够采集电流传感器100反馈的模拟信号的电流数据，并转换为数字信号的电流数据，将数字信号的电流数据输出至控制单元200，以供控制单元200进行处理分析。

在其中一个实施例中，干式空心电抗器匝间短路监测系统还包括：报警装置，用于根据所述控制中心的指示发出报警提示；

控制中心还用于在判定任意一层或多层包封发生匝间短路故障时控制所述报警装置发出报警提示。

在其中一个实施例中，电流传感器100可以是电流钳。

在其中一个实施例中，如图2所示，提供了一种干式空心电抗器匝间短路监测方法，应用于如上述任一项实施例中的干式空心电抗器匝间短路监测系统，所述方法包括：

步骤S100，获取电流传感器100反馈的各层包封的实时电流。

各层包封的实时电流是指干式空心电抗器在当前运行过程中的电流，每一层包封对应有一个实时电流。

步骤S200，计算各层包封的实时电流相对于正常运行电流的电流变化率。

根据每层包封的实时电流和正常运行电流计算出每层包封的电流变化率

步骤S300，若电流变化率大于预设的阈值，则判定电流变化率对应的包封发生匝间短路故障。

将每层包封的电流变化率与阈值进行比较，若大于阈值，则判定该层包封发生匝间断路故障。阈值可以是每层包封对应有一个预设的阈值，也可以采用同一个预设的阈值。

在其中一个实施例中，如图3所示，干式空心电抗器匝间短路监测方法还包括：

步骤S400，在干式空心电抗器处于正常工作状态时，输出额定参数施加信号至电源，额定参数施加信号用于控制电源向干式空心电抗器施加额定电压或额定电流。

步骤S500，获取电流传感器100采反馈的各层包封内的电流作为正常运行电流。

在进行监测前需要获取正常运行电流，作为监测过程中用于计算各包层实时电流变化率的参照。为了提高参照的精准度，可以采用干式空心电抗器处于正常工作状态，且被施加额定电压或额定电流时各包层内的电流。

在其中一个实施例中，如图4所示，计算各层包封的实时电流相对于正常运行电流的电流变化率的步骤包括：

步骤S210，对实时电流进行傅里叶变换分析，提取额定频率的电流分量。

步骤S220，计算各包封内的电流分量相对于正常运行电流的电流变化率。

对实时电流进行傅里叶变换分析后提取额定频率的电流分量进行电流变化率的计算，能够避免谐波电流产生的干扰，提高监测结果的准确性。

在其中一个实施例中，如图5所示，对实时电流进行傅里叶变换分析，提取额定频率的电流分量的步骤包括：

步骤S211，若干式空心电抗器未在额定电压下运行，将实时电流乘以预设的线性系数得到修正电流。

步骤S212，对修正电流进行傅里叶变换分析，提取额定频率的电流分量。

由于干式空心电抗器作为线性系统，随着总电压增大，各层包封内线圈流过的电流也会线性增大，为了提高电流变化率的准确性，在干式空心电抗器未在额定电压下运行时，利用干式空心电抗器的线性系数对实时电流进行修正，得到修正电流，对修正电流进行傅里叶变换分析，提取出额定频率的电流分量，计算出相对于正常运行电流。线性系数根据干式空心电抗器的实际参数确定，可以通过试验测得。

应该理解的是，虽然图2-图5的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图2-图5中的至少一部分步骤可以包括多个步骤或者多个阶段，这些步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤中的步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

在一个实施例中，如图6所示，提供了一种干式空心电抗器匝间短路监测装置，包括：实时电流获取模块310、电流变化率计算模块320和故障判定模块330，其中：

实时电流获取模块310，用于获取电流传感器100反馈的各层包封的实时电流；

电流变化率计算模块320，用于计算各层包封的实时电流相对于正常运行电流的电流变化率；

故障判定模块330，用于在所述电流变化率大于预设的阈值时，判定所述电流变化率对应的包封发生匝间短路故障。

在其中一个实施例中，干式空心电抗器匝间短路监测装置还包括：

额定参数施加信号输出模块，用于在干式空心电抗器处于正常工作状态时，输出额定参数施加信号至电源，所述额定参数施加信号用于控制所述电源向干式空心电抗器施加额定电压或额定电流；

正常运行电流获取模块，用于获取所述电流传感器100采反馈的各层包封内的电流作为所述正常运行电流。

在其中一个实施例中，电流变化率计算模块包括：

电流分量提取单元，用于对所述实时电流进行傅里叶变换分析，提取额定频率的电流分量；

计算单元，计算各包封内的电流分量相对于所述正常运行电流的电流变化率。

在其中一个实施例中，电流分量提取单元包括：

电流修正单元，用于在干式空心电抗器未在额定电压下运行时，将所述实时电流乘以预设的线性系数得到修正电流；

修正电流分量提取单元，用于对所述修正电流进行傅里叶变换分析，提取额定频率的电流分量。

关于干式空心电抗器匝间短路监测装置的具体限定可以参见上文中对于干式空心电抗器匝间短路监测方法的限定，在此不再赘述。上述干式空心电抗器匝间短路监测装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。需要说明的是，本申请实施例中对模块的划分是示意性的，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式。

在一个实施例中，提供了一种计算机设备，该计算机设备可以是终端，其内部结构图可以如图7所示。该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器、通信接口、显示屏和输入装置。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统和计算机程序。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的通信接口用于与外部的终端进行有线或无线方式的通信，无线方式可通过WIFI、运营商网络、NFC(近场通信)或其他技术实现。该计算机程序被处理器执行时以实现一种干式空心电抗器匝间短路监测方法。该计算机设备的显示屏可以是液晶显示屏或者电子墨水显示屏，该计算机设备的输入装置可以是显示屏上覆盖的触摸层，也可以是计算机设备外壳上设置的按键、轨迹球或触控板，还可以是外接的键盘、触控板或鼠标等。

在一个实施例中，提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，存储器中存储有计算机程序，该处理器执行计算机程序时实现以下步骤：

获取电流传感器100反馈的各层包封的实时电流；

在一个实施例中，处理器执行计算机程序时还实现以下步骤：

获取所述电流传感器100采反馈的各层包封内的电流作为所述正常运行电流。

在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：

获取电流传感器100反馈的各层包封的实时电流；

在一个实施例中，计算机程序被处理器执行时还实现以下步骤：

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和易失性存储器中的至少一种。非易失性存储器可包括只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、磁带、软盘、闪存或光存储器等。易失性存储器可包括随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)或外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM可以是多种形式，比如静态随机存取存储器(Static Random Access Memory，SRAM)或动态随机存取存储器(Dynamic Random Access Memory，DRAM)等。

在本说明书的描述中，参考术语“有些实施例”、“其他实施例”、“理想实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特征包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性描述不一定指的是相同的实施例或示例。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种干式空心电抗器匝间短路监测系统，其特征在于，包括：

控制单元，用于获取所述电流传感器反馈的各层包封内的实时电流，计算各层包封内的实时电流相对于正常运行电流的电流变化率，所述电流变化率大于预设的阈值的对应包封判定为发生匝间短路故障。

2.根据权利要求1所述的干式空心电抗器匝间短路监测系统，其特征在于，所述正常运行电流为在所述干式空心电抗器在正常工作状态，且干式空心电抗器被施加额定电压或额定电流时各层包封内的电流。

3.根据权利要求1或2所述的干式空心电抗器匝间短路监测系统，其特征在于，还包括：

4.一种干式空心电抗器匝间短路监测方法，其特征在于，应用于如权利要求1至3任一项所述的干式空心电抗器匝间短路监测系统，所述方法包括：

获取电流传感器反馈的各层包封的实时电流；

5.根据权利要求4所述的干式空心电抗器匝间短路监测方法，其特征在于，还包括：

获取所述电流传感器采反馈的各层包封内的电流作为所述正常运行电流。

6.根据权利要求4或5所述的干式空心电抗器匝间短路监测方法，其特征在于，所述计算各层包封的实时电流相对于正常运行电流的电流变化率的步骤包括：

7.根据权利要求6所述的干式空心电抗器匝间短路监测方法，其特征在于，所述对所述实时电流进行傅里叶变换分析，提取额定频率的电流分量的步骤包括：

8.一种干式空心电抗器匝间短路监测装置，其特征在于，包括：

9.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求4至7中任一项所述的方法的步骤。

10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求4至7中任一项所述的方法的步骤。