CN111830426A - 一种电抗器匝间短路故障和匝数偏差检测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电抗器故障检测方法及系统。该方法包括：生成匝间短路电抗器等值电阻变化量‑频率关系图和生成匝数偏差电抗器等值电阻变化量‑频率关系图；根据第一运行频率和第二运行频率确定第一故障因数；分别确定故障因数阈值、故障区分频率以及故障区分频率对应的故障区分电阻变化量；根据第一故障因数和故障因数阈值的数值关系判断待检测电抗器是否发生故障；若待检测电抗器发生故障，则确定故障区分频率下待检测电抗器电阻变化量；比较故障区分频率下待检测电抗器电阻变化量与故障区分电阻变化量的大小，得到匝间短路故障或匝数偏差故障。采用本发明的方法及系统，能够同时进行电抗器匝间短路故障和匝数偏差检测。

Description

一种电抗器匝间短路故障和匝数偏差检测方法及系统

技术领域

本发明涉及电抗器故障检测技术领域，特别是涉及一种电抗器匝间短路故障和匝数偏差检测方法及系统。

背景技术

电抗器可以起到补偿无功功率、限制短路电流、滤除高次谐波等作用，在电网中应用十分广泛，66kV及以下电压等级的电抗器95％以上是干式空心电抗器。随着干式空心电抗器长时间的使用，不可避免的出现电抗器故障，导致干式空心电抗器烧毁的主要原因为匝间短路故障。

目前电力系统中对干式空心电抗器故障的检测方法主要是红外成像测温技术和直流电阻测量法。红外测温技术是对电抗器外表面的温升进行测量；直流电阻测量法只能对电抗器的电阻进行测量，无法测量电抗器的电抗，对于匝间短路故障和匝数偏差无法检测。因此，亟待提出一种电抗器故障检测方法，对干式空心电抗器进行匝间短路故障和匝数偏差检测。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够同时进行电抗器匝间短路故障和匝数偏差检测的方法及系统。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种电抗器匝间短路故障和匝数偏差检测方法，包括：

获取电抗器运行频率集合、正常电抗器参数、电抗器匝间短路故障位置、匝数偏差电抗器参数和电抗器匝数变化层；所述电抗器运行频率集合包括多个电抗器运行频率；

根据所述电抗器运行频率集合、所述正常电抗器参数和所述电抗器匝间短路故障位置生成匝间短路电抗器等值电阻变化量-频率关系图；根据所述电抗器运行频率集合、所述正常电抗器参数、所述匝数偏差电抗器参数和所述电抗器匝数变化层生成匝数偏差电抗器等值电阻变化量-频率关系图；

获取待检测电抗器的第一运行频率和第二运行频率；

根据所述第一运行频率和所述第二运行频率确定第一故障因数；

根据所述匝间短路电抗器等值电阻变化量-频率关系图和所述匝数偏差电抗器等值电阻变化量-频率关系图分别确定故障因数阈值、故障区分频率以及所述故障区分频率对应的故障区分电阻变化量；

根据所述第一故障因数和所述故障因数阈值的数值关系判断待检测电抗器是否发生故障；

若所述待检测电抗器发生故障，则确定所述故障区分频率下待检测电抗器电阻变化量；

比较所述故障区分频率下待检测电抗器电阻变化量与所述故障区分电阻变化量的大小；若所述故障区分频率下待检测电抗器电阻变化量大于所述故障区分电阻变化量，则为匝间短路故障；若所述故障区分频率下待检测电抗器电阻变化量小于或等于所述故障区分电阻变化量，则为匝数偏差故障。

可选的，生成匝间短路电抗器等值电阻变化量-频率关系图和生成匝数偏差电抗器等值电阻变化量-频率关系图的方法，具体包括：

根据所述正常电抗器参数计算集合中每一个电抗器运行频率下正常电抗器等值电阻；

根据所述电抗器匝间短路故障位置计算匝间短路电抗器等值电阻；

根据所述正常电抗器等值电阻和所述匝间短路电抗器等值电阻计算集合中每一个电抗器运行频率下匝间短路电抗器等值电阻变化量；

根据所述匝间短路电抗器等值电阻变化量和电抗器运行频率生成匝间短路电抗器等值电阻变化量-频率关系图；

根据所述匝数偏差电抗器参数和电抗器匝数变化层计算匝数偏差电抗器等值电阻；

根据所述正常电抗器等值电阻和所述匝数偏差电抗器等值电阻计算集合中每一个电抗器运行频率下匝数偏差电抗器等值电阻变化量；

根据所述匝数偏差电抗器等值电阻变化量和电抗器运行频率生成匝数偏差电抗器等值电阻变化量-频率关系图。

可选的，所述根据所述第一运行频率和所述第二运行频率确定第一故障因数，具体包括：

确定第一运行频率下待检测电抗器电阻以及第二运行频率下待检测电抗器电阻；所述第一运行频率小于所述第二运行频率；

根据所述正常电抗器等值电阻与所述第一运行频率下待检测电抗器电阻的差值确定待检测电抗器第一等值电阻变化量；

根据所述正常电抗器等值电阻与所述第二运行频率下待检测电抗器电阻的差值确定待检测电抗器第二等值电阻变化量；

将所述第一等值电阻变化量与所述第二等值电阻变化量差值的绝对值除以所述第一运行频率和所述第二运行频率差值的绝对值，得到第一故障因数。

可选的，所述根据所述第一故障因数和所述故障因数阈值的数值关系判断待检测电抗器是否发生故障，具体包括：

根据所述匝间短路电抗器等值电阻变化量-频率关系图和所述匝数偏差电抗器等值电阻变化量-频率关系图确定电阻变化量饱和阈值；

比较所述第一等值电阻变化量和所述第二等值电阻变化量差值与预设电阻变化量阈值的大小；

若所述第一等值电阻变化量和所述第二等值电阻变化量差值的绝对值大于所述预设电阻变化量阈值，判断所述第一故障因数是否小于所述故障因数阈值，若所述第一故障因数小于所述故障因数阈值，则待测电抗器正常，若所述第一故障因数大于或等于所述故障因数阈值，则待测电抗器故障；

若所述第一等值电阻变化量和所述第二等值电阻变化量差值的绝对值小于或等于所述预设电阻变化量阈值，判断所述第一等值电阻变化量或所述第二等值电阻变化量是否大于电阻变化量饱和阈值，若所述第一等值电阻变化量或所述第二等值电阻变化量大于电阻变化量饱和阈值，则待测电抗器故障，若所述第一等值电阻变化量和所述第二等值电阻变化量均小于或等于电阻变化量饱和阈值，则获取待检测电抗器的第三运行频率；

确定第三运行频率下待检测电抗器电阻；根据所述正常电抗器等值电阻与所述第三运行频率下待检测电抗器电阻的差值确定待检测电抗器第三等值电阻变化量；所述第二运行频率小于所述第三运行频率；所述第一等值电阻变化量和所述第三等值电阻变化量差值的绝对值大于所述预设电阻变化量阈值；

将所述第一等值电阻变化量与所述第三等值电阻变化量差值的绝对值除以所述第一运行频率和所述第三运行频率差值的绝对值，得到第二故障因数；

判断所述第二故障因数是否小于所述故障因数阈值，若所述第二故障因数小于所述故障因数阈值，则待测电抗器正常，若所述第二故障因数大于或等于所述故障因数阈值，则待测电抗器故障。

本发明还提供一种电抗器匝间短路故障和匝数偏差检测系统，包括：

参数获取模块，用于获取电抗器运行频率集合、正常电抗器参数、电抗器匝间短路故障位置、匝数偏差电抗器参数和电抗器匝数变化层；所述电抗器运行频率集合包括多个电抗器运行频率；

关系图生成模块，用于根据所述电抗器运行频率集合、所述正常电抗器参数和所述电抗器匝间短路故障位置生成匝间短路电抗器等值电阻变化量-频率关系图；根据所述电抗器运行频率集合、所述正常电抗器参数、所述匝数偏差电抗器参数和所述电抗器匝数变化层生成匝数偏差电抗器等值电阻变化量-频率关系图；

运行频率获取模块，用于获取待检测电抗器的第一运行频率和第二运行频率；

第一故障因数确定模块，用于根据所述第一运行频率和所述第二运行频率确定第一故障因数；

阈值确定模块，用于根据所述匝间短路电抗器等值电阻变化量-频率关系图和所述匝数偏差电抗器等值电阻变化量-频率关系图分别确定故障因数阈值、故障区分频率以及所述故障区分频率对应的故障区分电阻变化量；

故障判断模块，用于根据所述第一故障因数和所述故障因数阈值的数值关系判断待检测电抗器是否发生故障；

待检测电抗器电阻变化量确定模块，用于在所述待检测电抗器发生故障时，确定所述故障区分频率下待检测电抗器电阻变化量；

故障区分模块，用于比较所述故障区分频率下待检测电抗器电阻变化量与所述故障区分电阻变化量的大小；若所述故障区分频率下待检测电抗器电阻变化量大于所述故障区分电阻变化量，则为匝间短路故障；若所述故障区分频率下待检测电抗器电阻变化量小于或等于所述故障区分电阻变化量，则为匝数偏差故障。

可选的，所述关系图生成模块，具体包括：

正常电抗器等值电阻计算单元，用于根据所述正常电抗器参数计算集合中每一个电抗器运行频率下正常电抗器等值电阻；

匝间短路电抗器等值电阻计算单元，用于根据所述电抗器匝间短路故障位置计算匝间短路电抗器等值电阻；

匝间短路电抗器等值电阻变化量计算单元，用于根据所述正常电抗器等值电阻和所述匝间短路电抗器等值电阻计算集合中每一个电抗器运行频率下匝间短路电抗器等值电阻变化量；

第一关系图生成单元，用于根据所述匝间短路电抗器等值电阻变化量和电抗器运行频率生成匝间短路电抗器等值电阻变化量-频率关系图；

匝数偏差电抗器等值电阻计算单元，用于根据所述匝数偏差电抗器参数和电抗器匝数变化层计算匝数偏差电抗器等值电阻；

匝数偏差电抗器等值电阻变化量计算单元，用于根据所述正常电抗器等值电阻和所述匝数偏差电抗器等值电阻计算集合中每一个电抗器运行频率下匝数偏差电抗器等值电阻变化量；

第二关系图生成单元，用于根据所述匝数偏差电抗器等值电阻变化量和电抗器运行频率生成匝数偏差电抗器等值电阻变化量-频率关系图。

可选的，所述第一故障因数确定模块，具体包括：

待检测电抗器电阻确定单元，用于确定第一运行频率下待检测电抗器电阻以及第二运行频率下待检测电抗器电阻；所述第一运行频率小于所述第二运行频率；

第一等值电阻变化量确定单元，用于根据所述正常电抗器等值电阻与所述第一运行频率下待检测电抗器电阻的差值确定待检测电抗器第一等值电阻变化量；

第二等值电阻变化量确定单元，用于根据所述正常电抗器等值电阻与所述第二运行频率下待检测电抗器电阻的差值确定待检测电抗器第二等值电阻变化量；

第一故障因数确定单元，用于将所述第一等值电阻变化量与所述第二等值电阻变化量差值的绝对值除以所述第一运行频率和所述第二运行频率差值的绝对值，得到第一故障因数。

可选的，所述故障判断模块，具体包括：

电阻变化量饱和阈值确定单元，用于根据所述匝间短路电抗器等值电阻变化量-频率关系图和所述匝数偏差电抗器等值电阻变化量-频率关系图确定电阻变化量饱和阈值；

比较单元，用于比较所述第一等值电阻变化量和所述第二等值电阻变化量差值与预设电阻变化量阈值的大小；

第一判断单元，用于在所述第一等值电阻变化量和所述第二等值电阻变化量差值的绝对值大于所述预设电阻变化量阈值时，判断所述第一故障因数是否小于所述故障因数阈值，若所述第一故障因数小于所述故障因数阈值，则待测电抗器正常，若所述第一故障因数大于或等于所述故障因数阈值，则待测电抗器故障；

第二判断单元，用于在所述第一等值电阻变化量和所述第二等值电阻变化量差值的绝对值小于或等于所述预设电阻变化量阈值时，判断所述第一等值电阻变化量或所述第二等值电阻变化量是否大于电阻变化量饱和阈值，若所述第一等值电阻变化量或所述第二等值电阻变化量大于电阻变化量饱和阈值，则待测电抗器故障，若所述第一等值电阻变化量和所述第二等值电阻变化量均小于或等于电阻变化量饱和阈值，则获取待检测电抗器的第三运行频率；

第三等值电阻变化量确定单元，用于确定第三运行频率下待检测电抗器电阻；根据所述正常电抗器等值电阻与所述第三运行频率下待检测电抗器电阻的差值确定待检测电抗器第三等值电阻变化量；所述第二运行频率小于所述第三运行频率；所述第一等值电阻变化量和所述第三等值电阻变化量差值的绝对值大于所述预设电阻变化量阈值；

第二故障因数计算单元，用于将所述第一等值电阻变化量与所述第三等值电阻变化量差值的绝对值除以所述第一运行频率和所述第三运行频率差值的绝对值，得到第二故障因数；

第三判断单元，用于判断所述第二故障因数是否小于所述故障因数阈值，若所述第二故障因数小于所述故障因数阈值，则待测电抗器正常，若所述第二故障因数大于或等于所述故障因数阈值，则待测电抗器故障。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提出了一种电抗器匝间短路故障和匝数偏差检测方法及系统，根据电抗器运行频率集合、正常电抗器参数和电抗器匝间短路故障位置生成匝间短路电抗器等值电阻变化量-频率关系图；根据电抗器运行频率集合、正常电抗器参数、匝数偏差电抗器参数和电抗器匝数变化层生成匝数偏差电抗器等值电阻变化量-频率关系图；根据两个关系图确定故障因数阈值、故障区分频率以及故障区分频率对应的故障区分电阻变化量；根据第一运行频率和第二运行频率确定第一故障因数；根据第一故障因数和故障因数阈值的数值关系判断待检测电抗器是否发生故障；通过比较故障区分频率下待检测电抗器电阻变化量与故障区分电阻变化量的大小判断能够区分匝间短路故障与匝数偏差故障。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中电抗器匝间短路故障和匝数偏差检测方法流程图；

图2为本发明实施例中匝间短路故障电路模型示意图；

图3为本发明实施例中匝间短路电抗器等值电阻变化量-频率关系图；

图4为本发明实施例中匝数偏差电抗器等值电阻变化量-频率关系图；

图5为本发明实施例中电抗器阻抗测量等效图；

图6为本发明实施例中电抗器匝间短路故障和匝数偏差检测系统结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种能够同时进行电抗器匝间短路故障和匝数偏差检测的方法及系统。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例

图1为本发明实施例中电抗器匝间短路故障和匝数偏差检测方法流程图，如图1所示，本实施例提供了一种基于干式空心电抗器的匝间短路故障和匝数偏差检测方法，包括：

步骤101：获取电抗器运行频率集合、正常电抗器参数、电抗器匝间短路故障位置、匝数偏差电抗器参数和电抗器匝数变化层；电抗器运行频率集合包括多个电抗器运行频率。

图2为本发明实施例中匝间短路故障电路模型示意图，如图2所示，干式空心电抗器共有n层线圈，若第i层线圈发生匝间短路故障，将其分成短路匝和剩余匝两部分。剩余匝仍为第i层，短路匝定义成第n+1层。图2中R_i为第i层线圈导线的直流电阻，L_i为第i层线圈的自感，e_i为第i层线圈与其它线圈之间互感产生的感应电势，

为外施电压，

为流过第i层线圈的电流，

为流过第i层线圈的电压，

为流过电抗器的总电流。

由此，令ω为运行时的角频率，M_i,j为第i层线圈与第j层线圈间的互感，建立匝间短路故障电路模型的电压方程为：

短路层(n+1支路)去掉，即可得到正常情况下的电抗器的电压方程为：

利用Matlab软件求解上述公式，得出n个支路电流，进而求得流经电抗器的总电流。根据如下公式可求得发生匝间短路故障时，电抗器的等值电阻R和等值电感L：

选定基准量R₀，L₀，即可分别求得等值电阻R和等值电感L的变化量ΔR，ΔL。具有匝数偏差的电抗器的电压矩阵方程与正常电抗器矩阵方程形式相同，只是计算参数发生改变。

步骤102：根据电抗器运行频率集合、正常电抗器参数和电抗器匝间短路故障位置生成匝间短路电抗器等值电阻变化量-频率关系图；根据电抗器运行频率集合、正常电抗器参数、匝数偏差电抗器参数和电抗器匝数变化层生成匝数偏差电抗器等值电阻变化量-频率关系图。

步骤102，具体包括：

根据正常电抗器参数计算集合中每一个电抗器运行频率下正常电抗器等值电阻。

根据电抗器匝间短路故障位置计算匝间短路电抗器等值电阻。

根据正常电抗器等值电阻和匝间短路电抗器等值电阻计算集合中每一个电抗器运行频率下匝间短路电抗器等值电阻变化量。

根据匝间短路电抗器等值电阻变化量和电抗器运行频率生成匝间短路电抗器等值电阻变化量-频率关系图。

根据匝数偏差电抗器参数和电抗器匝数变化层计算匝数偏差电抗器等值电阻。

根据正常电抗器等值电阻和匝数偏差电抗器等值电阻计算集合中每一个电抗器运行频率下匝数偏差电抗器等值电阻变化量。

根据匝数偏差电抗器等值电阻变化量和电抗器运行频率生成匝数偏差电抗器等值电阻变化量-频率关系图。

阻抗频率特性分析方法步骤：

(a)选定任意型号的正常电抗器的参数，作为匝间短路故障电抗器，匝数偏差电抗器两类计算模型。

建立匝间短路故障电抗器计算模型时，研究电抗器不同层间的频率特性，对正常干式空心电抗器内，中，外三层的同一位置进行匝间短路计算；研究同一层，不同的轴向短路位置的频率特性时，要求在正常电抗器同一层绕组的不同位置，取轴向上，1/4，中处，进行匝间短路计算。

选取BKDK-20000/35型电抗器：

选择第1层(最内层)、第21层(中间层)和第41层(最外层)作为研究对象。

研究同一层匝间短路故障位置时，轴向位置分别在每层绕组的0％(上)、25％(1/4)、50％(中)高度处。

对于匝数偏差计算模型，幅向仍以第1层(最内层)、第21层(中间层)和第41层(最外层)绕组为研究对象，每层匝数变化为-2、-1、+1和+2匝。

(b)选取多个电抗器运行频率，要求各频率值相差较大，选取的频率是50Hz、500Hz、1000Hz、5000Hz、10000Hz及50000Hz；根据(1)(2)(3)式，对正常电抗器、匝间短路故障及匝数偏差电抗器计算模型的等效电阻与等效电感进行解析计算。

(c)以50Hz工频下的正常电抗器的等值电阻与等值电感为基准量，再根据式(4)、(5)计算不同频率下的正常电抗器、匝间短路故障和匝数偏差电抗器的等值电阻、等值电感的相对变化量。

经实例分析计算结果可发现：在不同频率下，对于不同的具有缺陷的电抗器计算模型，它们的阻抗频率特性具有相同的规律，且与同一层轴向匝间短路不同位置无关，都是随着频率的增大，其等值电阻增加，等值电感减小，二者的相对变化量先增加，随后趋于饱和，即在频率达到一定值时，二者相对变化量不再随频率增大而变化。且变化量值远大于正常电抗器。生成的匝间短路电抗器等值电阻变化量-频率关系图如图3所示，生成的匝数偏差电抗器等值电阻变化量-频率关系图如图4所示。

步骤103：获取待检测电抗器的第一运行频率和第二运行频率。

步骤104：根据第一运行频率和第二运行频率确定第一故障因数。

步骤104，具体包括：

确定第一运行频率下待检测电抗器电阻以及第二运行频率下待检测电抗器电阻；第一运行频率小于第二运行频率。图5为本发明实施例中电抗器阻抗测量等效图，如图5所示，L’和R’分别为待检测电抗器等效电感和等效电阻；电抗器测量时，外施检测电路中，电源频率为f’，采集在电抗器上产生电压信号

和电流信号

即可求得待检测电抗器的等值电阻R’。

根据正常电抗器等值电阻与第一运行频率下待检测电抗器电阻的差值确定待检测电抗器第一等值电阻变化量。

根据正常电抗器等值电阻与第二运行频率下待检测电抗器电阻的差值确定待检测电抗器第二等值电阻变化量。

将第一等值电阻变化量与第二等值电阻变化量差值的绝对值除以第一运行频率和第二运行频率差值的绝对值，得到第一故障因数。

利用上述频率特性，本发明提出利用电抗器等值电阻相对变化量的频率特性，实现对干式空心电抗器故障的检测。

检测信号中至少选择的两点测量频率，利用以下公式(6)求得K作为故障因数，用于判断空心电抗器的故障：

式中，检测信号选择的两点测量频率分别为第一运行频率f_a、第二运行频率f_b，ΔR_a为频率f_a下测得的相对变化量，ΔR_b为频率f_b下测得的相对变化量，K即为f和△R关系曲线中，划分成线性的小段对应的斜率。

步骤105：根据匝间短路电抗器等值电阻变化量-频率关系图和匝数偏差电抗器等值电阻变化量-频率关系图分别确定故障因数阈值、故障区分频率以及故障区分频率对应的故障区分电阻变化量。

步骤106：根据第一故障因数和故障因数阈值的数值关系判断待检测电抗器是否发生故障。若未发生故障，则执行步骤107；若待检测电抗器发生故障，则执行步骤108。

步骤106，具体包括：

根据匝间短路电抗器等值电阻变化量-频率关系图和匝数偏差电抗器等值电阻变化量-频率关系图确定电阻变化量饱和阈值。

比较第一等值电阻变化量和第二等值电阻变化量差值与预设电阻变化量阈值的大小。

若第一等值电阻变化量和第二等值电阻变化量差值的绝对值大于预设电阻变化量阈值，判断第一故障因数是否小于故障因数阈值，若第一故障因数小于故障因数阈值，则待测电抗器正常，若第一故障因数大于或等于故障因数阈值，则待测电抗器故障。

若第一等值电阻变化量和第二等值电阻变化量差值的绝对值小于或等于预设电阻变化量阈值，判断第一等值电阻变化量或第二等值电阻变化量是否大于电阻变化量饱和阈值，若第一等值电阻变化量或第二等值电阻变化量大于电阻变化量饱和阈值，则待测电抗器故障，若第一等值电阻变化量和第二等值电阻变化量均小于或等于电阻变化量饱和阈值，则获取待检测电抗器的第三运行频率。

确定第三运行频率下待检测电抗器电阻；根据正常电抗器等值电阻与第三运行频率下待检测电抗器电阻的差值确定待检测电抗器第三等值电阻变化量；第二运行频率小于第三运行频率。第一等值电阻变化量和第三等值电阻变化量差值的绝对值大于预设电阻变化量阈值。

将第一等值电阻变化量与第三等值电阻变化量差值的绝对值除以第一运行频率和第三运行频率差值的绝对值，得到第二故障因数。

判断第二故障因数是否小于故障因数阈值，若第二故障因数小于故障因数阈值，则待测电抗器正常，若第二故障因数大于或等于故障因数阈值，则待测电抗器故障。

步骤107：电抗器未故障。

步骤108：确定故障区分频率下待检测电抗器电阻变化量。

步骤109：比较故障区分频率下待检测电抗器电阻变化量与故障区分电阻变化量的大小。若故障区分频率下待检测电抗器电阻变化量大于故障区分电阻变化量，则为匝间短路故障；若故障区分频率下待检测电抗器电阻变化量小于或等于故障区分电阻变化量，则为匝数偏差故障。

图3-4中，对于具有匝间短路故障和匝数偏差的电抗器，令f₀为△R的饱和频率，即f<f₀时，△R随着f的增大而增大。f>f₀时，△R趋于电阻变化量饱和值△R_max，且该点的值远大于1。正常电抗器对应的K的取值在0.1以内，有缺陷的电抗器对应的K大于0.1，二者相差10倍，令k₀为故障因数阈值，k₀为K能取的最小值，可算得实例中计算的k₀为0.1。

根据f—△R关系图，随着频率的增大，△R趋于稳定不变时，可以得出△R_max，令电阻变化量饱和阈值△R₀为△R_max的取得最小阈值，可通过对比正常电抗器和有缺陷电抗器的计算结果确定。如实例计算中可以发现有缺陷的电抗器对应△R_max远大于1，正常电抗器的△R_max在1以内，确定△R₀取值可为1。

为了进一步区分匝间短路和匝数偏差缺陷，单独选取故障区分频率F，计算出的故障区分频率对应的故障区分电阻变化量的值以1为界限。选择F为200Hz计算，得出具有匝间短路故障的电抗器的故障区分电阻变化量已经远大于1，而具有匝数偏差的电抗器算得的故障区分电阻变化量仍然在1以内，即F可取200Hz。

利用上述分析的干式空心电抗器阻抗具有的频率特性，提出故障判别方法如下：

1.选定该型号正常电抗器工频下的基准量R₀。

2.利用△R与f的关系，检测电路至少选择两点频率测量电抗器的△R，设△R_a，△R_b分别对应频率f_a和频率f_b检测信号下的等值电阻相对变化量，根据公式(6)求得故障因数K。

3.结合图3、图4进行故障判断，选择的频率点中任意取两点频率，f_a<f_b：

(a)如果△R_a<△R_b，K≥k₀，则认为电抗器发生故障。

(b)若△R_a与△R_b相近(△R_a与△R_b差值的绝对值小于或等于预设电阻变化量阈值)，△R_a大于△R₀或△R_b大于△R₀。则认为电抗器发生故障。

(c)选择的频率点可能都出现饱和频率在左侧，△R_a与△R_b相近时，△R_a与△R_b值均不大于△R₀，需要进一步判断，此时再选第三运行频率f_c，要求f_a<f_b<f_c，且对应的相对变化量△R_c与△R_a有明显的差别(△R_a与△R_c差值的绝对值大于预设电阻变化量阈值)，△R_a<△R_c,，将△R_a，△R_c与f_a，f_c代入(6)中，若算得K≥k₀，认为电抗器发生故障。

(d)经上述(a)(b)(c)的判断，若已经判断出电抗器发生故障，以阈值F为测量频率作为进一步故障判断，如F取200H_Z，算出故障电抗器的△R，若△R大于1，则认为具有匝间短路故障，否则匝数具有偏差。

(e)以上(a)(b)(c)条件都不满足时，认为电抗器正常。

对于不同电压等级的空心电抗器，上述判断方法对应阈值k₀，△R₀、F的值可能会取不同的值。

图6为本发明实施例中电抗器匝间短路故障和匝数偏差检测系统结构图，如图6所示，本实施例提供了一种电抗器匝间短路故障和匝数偏差检测系统，包括：

参数获取模块201，用于获取电抗器运行频率集合、正常电抗器参数、电抗器匝间短路故障位置、匝数偏差电抗器参数和电抗器匝数变化层；电抗器运行频率集合包括多个电抗器运行频率。

关系图生成模块202，用于根据电抗器运行频率集合、正常电抗器参数和电抗器匝间短路故障位置生成匝间短路电抗器等值电阻变化量-频率关系图；根据电抗器运行频率集合、正常电抗器参数、匝数偏差电抗器参数和电抗器匝数变化层生成匝数偏差电抗器等值电阻变化量-频率关系图。

关系图生成模块202，具体包括：

正常电抗器等值电阻计算单元，用于根据正常电抗器参数计算集合中每一个电抗器运行频率下正常电抗器等值电阻。

匝间短路电抗器等值电阻计算单元，用于根据电抗器匝间短路故障位置计算匝间短路电抗器等值电阻。

匝间短路电抗器等值电阻变化量计算单元，用于根据正常电抗器等值电阻和匝间短路电抗器等值电阻计算集合中每一个电抗器运行频率下匝间短路电抗器等值电阻变化量。

第一关系图生成单元，用于根据匝间短路电抗器等值电阻变化量和电抗器运行频率生成匝间短路电抗器等值电阻变化量-频率关系图。

匝数偏差电抗器等值电阻计算单元，用于根据匝数偏差电抗器参数和电抗器匝数变化层计算匝数偏差电抗器等值电阻。

匝数偏差电抗器等值电阻变化量计算单元，用于根据正常电抗器等值电阻和匝数偏差电抗器等值电阻计算集合中每一个电抗器运行频率下匝数偏差电抗器等值电阻变化量。

第二关系图生成单元，用于根据匝数偏差电抗器等值电阻变化量和电抗器运行频率生成匝数偏差电抗器等值电阻变化量-频率关系图。

运行频率获取模块203，用于获取待检测电抗器的第一运行频率和第二运行频率。

第一故障因数确定模块204，用于根据第一运行频率和第二运行频率确定第一故障因数。

第一故障因数确定模块204，具体包括：

待检测电抗器电阻确定单元，用于确定第一运行频率下待检测电抗器电阻以及第二运行频率下待检测电抗器电阻；第一运行频率小于第二运行频率。

第一等值电阻变化量确定单元，用于根据正常电抗器等值电阻与第一运行频率下待检测电抗器电阻的差值确定待检测电抗器第一等值电阻变化量。

第二等值电阻变化量确定单元，用于根据正常电抗器等值电阻与第二运行频率下待检测电抗器电阻的差值确定待检测电抗器第二等值电阻变化量。

第一故障因数确定单元，用于将第一等值电阻变化量与第二等值电阻变化量差值的绝对值除以第一运行频率和第二运行频率差值的绝对值，得到第一故障因数。

阈值确定模块205，用于根据匝间短路电抗器等值电阻变化量-频率关系图和匝数偏差电抗器等值电阻变化量-频率关系图分别确定故障因数阈值、故障区分频率以及故障区分频率对应的故障区分电阻变化量。

故障判断模块206，用于根据第一故障因数和故障因数阈值的数值关系判断待检测电抗器是否发生故障。若未发生故障，则执行电抗器未故障模块207；若待检测电抗器发生故障，则执行待检测电抗器电阻变化量确定模块208。

故障判断模块206，具体包括：

电阻变化量饱和阈值确定单元，用于根据匝间短路电抗器等值电阻变化量-频率关系图和匝数偏差电抗器等值电阻变化量-频率关系图确定电阻变化量饱和阈值。

比较单元，用于比较第一等值电阻变化量和第二等值电阻变化量差值与预设电阻变化量阈值的大小。

第一判断单元，用于在第一等值电阻变化量和第二等值电阻变化量差值的绝对值大于预设电阻变化量阈值时，判断第一故障因数是否小于故障因数阈值，若第一故障因数小于故障因数阈值，则待测电抗器正常，若第一故障因数大于或等于故障因数阈值，则待测电抗器故障。

第二判断单元，用于在第一等值电阻变化量和第二等值电阻变化量差值的绝对值小于或等于预设电阻变化量阈值时，判断第一等值电阻变化量或第二等值电阻变化量是否大于电阻变化量饱和阈值，若第一等值电阻变化量或第二等值电阻变化量大于电阻变化量饱和阈值，则待测电抗器故障，若第一等值电阻变化量和第二等值电阻变化量均小于或等于电阻变化量饱和阈值，则获取待检测电抗器的第三运行频率。

第三等值电阻变化量确定单元，用于确定第三运行频率下待检测电抗器电阻；根据正常电抗器等值电阻与第三运行频率下待检测电抗器电阻的差值确定待检测电抗器第三等值电阻变化量；第二运行频率小于第三运行频率，第一等值电阻变化量和第三等值电阻变化量差值的绝对值大于预设电阻变化量阈值。

第二故障因数计算单元，用于将第一等值电阻变化量与第三等值电阻变化量差值的绝对值除以第一运行频率和第三运行频率差值的绝对值，得到第二故障因数。

第三判断单元，用于判断第二故障因数是否小于故障因数阈值，若第二故障因数小于故障因数阈值，则待测电抗器正常，若第二故障因数大于或等于故障因数阈值，则待测电抗器故障。

电抗器未故障模块207，电抗器未故障。

待检测电抗器电阻变化量确定模块208，用于在待检测电抗器发生故障时，确定故障区分频率下待检测电抗器电阻变化量。

故障区分模块209，用于比较故障区分频率下待检测电抗器电阻变化量与故障区分电阻变化量的大小；若故障区分频率下待检测电抗器电阻变化量大于故障区分电阻变化量，则为匝间短路故障；若故障区分频率下待检测电抗器电阻变化量小于或等于故障区分电阻变化量，则为匝数偏差故障。

对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本发明给出了计算电抗器模型的频率特性分析方法和实例，分析了空心电抗器的阻抗的频率特性，提出了电抗器故障检测方法，并给出了相应的判据。解决了现有电抗器阻抗测量方法无法准确检测干式空心电抗器的匝数偏差和匝间短路故障问题。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种电抗器故障检测方法，其特征在于，包括：

获取电抗器运行频率集合、正常电抗器参数、电抗器匝间短路故障位置、匝数偏差电抗器参数和电抗器匝数变化层；所述电抗器运行频率集合包括多个电抗器运行频率；

根据所述电抗器运行频率集合、所述正常电抗器参数和所述电抗器匝间短路故障位置生成匝间短路电抗器等值电阻变化量-频率关系图；根据所述电抗器运行频率集合、所述正常电抗器参数、所述匝数偏差电抗器参数和所述电抗器匝数变化层生成匝数偏差电抗器等值电阻变化量-频率关系图；

获取待检测电抗器的第一运行频率和第二运行频率；

根据所述第一运行频率和所述第二运行频率确定第一故障因数；

根据所述匝间短路电抗器等值电阻变化量-频率关系图和所述匝数偏差电抗器等值电阻变化量-频率关系图分别确定故障因数阈值、故障区分频率以及所述故障区分频率对应的故障区分电阻变化量；

根据所述第一故障因数和所述故障因数阈值的数值关系判断待检测电抗器是否发生故障；

若所述待检测电抗器发生故障，则确定所述故障区分频率下待检测电抗器电阻变化量；

比较所述故障区分频率下待检测电抗器电阻变化量与所述故障区分电阻变化量的大小；若所述故障区分频率下待检测电抗器电阻变化量大于所述故障区分电阻变化量，则为匝间短路故障；若所述故障区分频率下待检测电抗器电阻变化量小于或等于所述故障区分电阻变化量，则为匝数偏差故障。

2.根据权利要求1所述的电抗器故障检测方法，其特征在于，生成匝间短路电抗器等值电阻变化量-频率关系图和生成匝数偏差电抗器等值电阻变化量-频率关系图的方法，具体包括：

根据所述正常电抗器参数计算集合中每一个电抗器运行频率下正常电抗器等值电阻；

根据所述电抗器匝间短路故障位置计算匝间短路电抗器等值电阻；

根据所述正常电抗器等值电阻和所述匝间短路电抗器等值电阻计算集合中每一个电抗器运行频率下匝间短路电抗器等值电阻变化量；

根据所述匝间短路电抗器等值电阻变化量和电抗器运行频率生成匝间短路电抗器等值电阻变化量-频率关系图；

根据所述匝数偏差电抗器参数和电抗器匝数变化层计算匝数偏差电抗器等值电阻；

根据所述正常电抗器等值电阻和所述匝数偏差电抗器等值电阻计算集合中每一个电抗器运行频率下匝数偏差电抗器等值电阻变化量；

根据所述匝数偏差电抗器等值电阻变化量和电抗器运行频率生成匝数偏差电抗器等值电阻变化量-频率关系图。

3.根据权利要求2所述的电抗器故障检测方法，其特征在于，所述根据所述第一运行频率和所述第二运行频率确定第一故障因数，具体包括：

确定第一运行频率下待检测电抗器电阻以及第二运行频率下待检测电抗器电阻；所述第一运行频率小于所述第二运行频率；

根据所述正常电抗器等值电阻与所述第一运行频率下待检测电抗器电阻的差值确定待检测电抗器第一等值电阻变化量；

根据所述正常电抗器等值电阻与所述第二运行频率下待检测电抗器电阻的差值确定待检测电抗器第二等值电阻变化量；

将所述第一等值电阻变化量与所述第二等值电阻变化量差值的绝对值除以所述第一运行频率和所述第二运行频率差值的绝对值，得到第一故障因数。

4.根据权利要求3所述的电抗器故障检测方法，其特征在于，所述根据所述第一故障因数和所述故障因数阈值的数值关系判断待检测电抗器是否发生故障，具体包括：

根据所述匝间短路电抗器等值电阻变化量-频率关系图和所述匝数偏差电抗器等值电阻变化量-频率关系图确定电阻变化量饱和阈值；

比较所述第一等值电阻变化量和所述第二等值电阻变化量差值与预设电阻变化量阈值的大小；

若所述第一等值电阻变化量和所述第二等值电阻变化量差值的绝对值大于所述预设电阻变化量阈值，判断所述第一故障因数是否小于所述故障因数阈值，若所述第一故障因数小于所述故障因数阈值，则待测电抗器正常，若所述第一故障因数大于或等于所述故障因数阈值，则待测电抗器故障；

若所述第一等值电阻变化量和所述第二等值电阻变化量差值的绝对值小于或等于所述预设电阻变化量阈值，判断所述第一等值电阻变化量或所述第二等值电阻变化量是否大于电阻变化量饱和阈值，若所述第一等值电阻变化量或所述第二等值电阻变化量大于电阻变化量饱和阈值，则待测电抗器故障，若所述第一等值电阻变化量和所述第二等值电阻变化量均小于或等于电阻变化量饱和阈值，则获取待检测电抗器的第三运行频率；

确定第三运行频率下待检测电抗器电阻；根据所述正常电抗器等值电阻与所述第三运行频率下待检测电抗器电阻的差值确定待检测电抗器第三等值电阻变化量；所述第二运行频率小于所述第三运行频率；所述第一等值电阻变化量和所述第三等值电阻变化量差值的绝对值大于所述预设电阻变化量阈值；

将所述第一等值电阻变化量与所述第三等值电阻变化量差值的绝对值除以所述第一运行频率和所述第三运行频率差值的绝对值，得到第二故障因数；

判断所述第二故障因数是否小于所述故障因数阈值，若所述第二故障因数小于所述故障因数阈值，则待测电抗器正常，若所述第二故障因数大于或等于所述故障因数阈值，则待测电抗器故障。

5.一种电抗器故障检测系统，其特征在于，包括：

参数获取模块，用于获取电抗器运行频率集合、正常电抗器参数、电抗器匝间短路故障位置、匝数偏差电抗器参数和电抗器匝数变化层；所述电抗器运行频率集合包括多个电抗器运行频率；

关系图生成模块，用于根据所述电抗器运行频率集合、所述正常电抗器参数和所述电抗器匝间短路故障位置生成匝间短路电抗器等值电阻变化量-频率关系图；根据所述电抗器运行频率集合、所述正常电抗器参数、所述匝数偏差电抗器参数和所述电抗器匝数变化层生成匝数偏差电抗器等值电阻变化量-频率关系图；

运行频率获取模块，用于获取待检测电抗器的第一运行频率和第二运行频率；

第一故障因数确定模块，用于根据所述第一运行频率和所述第二运行频率确定第一故障因数；

阈值确定模块，用于根据所述匝间短路电抗器等值电阻变化量-频率关系图和所述匝数偏差电抗器等值电阻变化量-频率关系图分别确定故障因数阈值、故障区分频率以及所述故障区分频率对应的故障区分电阻变化量；

故障判断模块，用于根据所述第一故障因数和所述故障因数阈值的数值关系判断待检测电抗器是否发生故障；

待检测电抗器电阻变化量确定模块，用于在所述待检测电抗器发生故障时，确定所述故障区分频率下待检测电抗器电阻变化量；

故障区分模块，用于比较所述故障区分频率下待检测电抗器电阻变化量与所述故障区分电阻变化量的大小；若所述故障区分频率下待检测电抗器电阻变化量大于所述故障区分电阻变化量，则为匝间短路故障；若所述故障区分频率下待检测电抗器电阻变化量小于或等于所述故障区分电阻变化量，则为匝数偏差故障。

6.根据权利要求5所述的电抗器故障检测系统，其特征在于，所述关系图生成模块，具体包括：

正常电抗器等值电阻计算单元，用于根据所述正常电抗器参数计算集合中每一个电抗器运行频率下正常电抗器等值电阻；

匝间短路电抗器等值电阻计算单元，用于根据所述电抗器匝间短路故障位置计算匝间短路电抗器等值电阻；

匝间短路电抗器等值电阻变化量计算单元，用于根据所述正常电抗器等值电阻和所述匝间短路电抗器等值电阻计算集合中每一个电抗器运行频率下匝间短路电抗器等值电阻变化量；

第一关系图生成单元，用于根据所述匝间短路电抗器等值电阻变化量和电抗器运行频率生成匝间短路电抗器等值电阻变化量-频率关系图；

匝数偏差电抗器等值电阻计算单元，用于根据所述匝数偏差电抗器参数和电抗器匝数变化层计算匝数偏差电抗器等值电阻；

匝数偏差电抗器等值电阻变化量计算单元，用于根据所述正常电抗器等值电阻和所述匝数偏差电抗器等值电阻计算集合中每一个电抗器运行频率下匝数偏差电抗器等值电阻变化量；

第二关系图生成单元，用于根据所述匝数偏差电抗器等值电阻变化量和电抗器运行频率生成匝数偏差电抗器等值电阻变化量-频率关系图。

7.根据权利要求6所述的电抗器故障检测系统，其特征在于，所述第一故障因数确定模块，具体包括：

待检测电抗器电阻确定单元，用于确定第一运行频率下待检测电抗器电阻以及第二运行频率下待检测电抗器电阻；所述第一运行频率小于所述第二运行频率；

第一等值电阻变化量确定单元，用于根据所述正常电抗器等值电阻与所述第一运行频率下待检测电抗器电阻的差值确定待检测电抗器第一等值电阻变化量；

第二等值电阻变化量确定单元，用于根据所述正常电抗器等值电阻与所述第二运行频率下待检测电抗器电阻的差值确定待检测电抗器第二等值电阻变化量；

第一故障因数确定单元，用于将所述第一等值电阻变化量与所述第二等值电阻变化量差值的绝对值除以所述第一运行频率和所述第二运行频率差值的绝对值，得到第一故障因数。

8.根据权利要求7所述的电抗器故障检测系统，其特征在于，所述故障判断模块，具体包括：

电阻变化量饱和阈值确定单元，用于根据所述匝间短路电抗器等值电阻变化量-频率关系图和所述匝数偏差电抗器等值电阻变化量-频率关系图确定电阻变化量饱和阈值；

比较单元，用于比较所述第一等值电阻变化量和所述第二等值电阻变化量差值与预设电阻变化量阈值的大小；

第一判断单元，用于在所述第一等值电阻变化量和所述第二等值电阻变化量差值的绝对值大于所述预设电阻变化量阈值时，判断所述第一故障因数是否小于所述故障因数阈值，若所述第一故障因数小于所述故障因数阈值，则待测电抗器正常，若所述第一故障因数大于或等于所述故障因数阈值，则待测电抗器故障；

第二判断单元，用于在所述第一等值电阻变化量和所述第二等值电阻变化量差值的绝对值小于或等于所述预设电阻变化量阈值时，判断所述第一等值电阻变化量或所述第二等值电阻变化量是否大于电阻变化量饱和阈值，若所述第一等值电阻变化量或所述第二等值电阻变化量大于电阻变化量饱和阈值，则待测电抗器故障，若所述第一等值电阻变化量和所述第二等值电阻变化量均小于或等于电阻变化量饱和阈值，则获取待检测电抗器的第三运行频率；

第三等值电阻变化量确定单元，用于确定第三运行频率下待检测电抗器电阻；根据所述正常电抗器等值电阻与所述第三运行频率下待检测电抗器电阻的差值确定待检测电抗器第三等值电阻变化量；所述第二运行频率小于所述第三运行频率；所述第一等值电阻变化量和所述第三等值电阻变化量差值的绝对值大于所述预设电阻变化量阈值；

第二故障因数计算单元，用于将所述第一等值电阻变化量与所述第三等值电阻变化量差值的绝对值除以所述第一运行频率和所述第三运行频率差值的绝对值，得到第二故障因数；

第三判断单元，用于判断所述第二故障因数是否小于所述故障因数阈值，若所述第二故障因数小于所述故障因数阈值，则待测电抗器正常，若所述第二故障因数大于或等于所述故障因数阈值，则待测电抗器故障。

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