CN112946523A - 基于电感振荡特性的串联电抗器电弧性匝间短路故障识别方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于电感振荡特性的串联电抗器电弧性匝间短路故障识别方法及系统，数据采集模块：用于实时地采集串抗母线电压和串抗支路电流并进行降噪处理；数据处理模块：用于构建基于时变电感的串抗支路电路方程，基于降噪处理后的串抗母线电压和串抗支路电流，根据正常状态下的串抗电感值与电容器电容值，计算实时的串联电抗器的电感值序列；判断模块：用于构建串抗电弧性匝间短路故障识别判据，根据实时的串联电抗器的电感值序列是否满足电弧性匝间短路故障识别判据，来确定是否发生了匝间短路故障。本发明具有可靠性高、抗干扰能力强的优点，能够在串抗匝间短路故障早期及时的发现故障并发出预警信息，具有良好的应用前景。

Description

基于电感振荡特性的串联电抗器电弧性匝间短路故障识别方 法及系统

技术领域

本发明涉及电抗器领域，尤其涉及一种基于电感振荡特性的串联电抗器电弧性匝间短路故障识别方法及系统。

背景技术

干式空心电抗器的运行故障主要是由于线圈受潮、局部放电电弧、局部过热和绝缘烧损等导致线圈匝间绝缘击穿引起，其主要表现为外表面树枝放电、滑闪、局部击穿、匝间短路和烧损等。国内外大量资料和实际运行经验表明：匝间绝缘发生短路故障是造成干式空心电抗器烧毁的主要原因。长时间的放置在户外运行后，干式空心电抗器表面绝缘层会出现局部粉化，形成微小的局部放电电弧。随着时间的增长，电抗器表面的微小局部放电会逐渐演变成电弧放电，最终导致电抗器发生匝间短路，在放电过程中，电抗器的电感值也会产生一周期振荡的分量。在整个发展过程中，电抗器局部温度过高会加剧包封的绝缘老化速度，最终导致干式空心电抗器匝间短路进而引起着火燃烧。

同并联电抗器(以下简称并抗)一样，串抗电抗器(以下简称串抗)的匝间短路故障电流亦为匝间环流，并且由于串抗故障后其电抗值下降，导致并联电容器串联电抗器支路电流不增反降，因此用于检测电容器故障的继电保护根本无法检测到故障的存在。目前，国内外还没有专门针对串抗的匝间短路故障保护措施，绝大多数串抗均处在无保护运行状态。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于电感振荡特性的串联电抗器电弧性匝间短路故障识别方法及系统，以解决目前串联电抗器无法在故障早期及时预警，不能及时切除出现匝间短路故障的串联电抗器，导致事故扩大，影响电网安全运行的问题。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

基于电感振荡特性的串联电抗器电弧性匝间短路故障识别方法，包括如下过程：

实时地采集串抗母线电压和串抗支路电流并进行降噪处理；

构建基于时变电感的串抗支路电路方程，基于降噪处理后的串抗母线电压和串抗支路电流，根据正常状态下的串抗电感值与电容器电容值，计算实时的串联电抗器的电感值序列；

构建串抗电弧性匝间短路故障识别判据，根据实时的串联电抗器的电感值序列是否满足电弧性匝间短路故障识别判据，来确定是否发生了匝间短路故障。

优选的，串抗母线电压和串抗支路电流分别利用小波阈值降噪处理的方法进行降噪处理。

优选的，对采集到的串抗母线电压二次侧的数据乘上电压互感器的变比，得到一次侧的电压数据，对采集到的串抗支路电流二次侧的数据乘上电流互感器的变比，得到一次侧的电流数据，然后再进行降噪处理。

优选的，利用小波阈值降噪处理的方法进行降噪处理时，小波基函数选择为Db8，小波变换多尺度分解层数设置为3或者4。

优选的，基于时变电感的串抗支路电路方程如下：

式中，x代表电感的各相，电感的各相分别为A相、B相和C相，L'表示时变电感，C为正常工况下的并联电容器电容值，u_x为x相串抗支路相电压，i_x为x相串抗支路相电流，u₀为中性点电压，t为时间，R为串抗支路的等效电阻值。

优选的，计算实时的各相串抗电感值时，根据微分方程的数值算法，设置基于时变电感的串抗支路电路方程的计算初始值为正常工况下的串抗电感值，计算得到串联电抗器的电感值序列。

优选的，构建串抗电弧性匝间短路故障识别判据，根据计算出的实时的串联电抗器的电感值序列是否满足电弧性匝间短路故障识别判据，来确定是否发生了匝间短路故障的过程包括：

对计算出的实时的串联电抗器的电感值序列进行FFT变换，获得电感的频谱信息；

所述电感的频谱信息包含100Hz含量，当串抗电感值频谱中的100Hz含量超过预设值时，判断发生了匝间短路故障，否则判断未发生匝间短路故障。

优选的，当串抗电感值频谱中的100Hz含量超过5％时，判断发生了匝间短路故障；当串抗电感值频谱中的100Hz含量不超过5％时，判断未发生匝间短路故障。

优选的，对计算出的实时的串联电抗器的电感值序列进行FFT变换时，为了避免频谱泄漏，对计算出的实时的串联电抗器的电感值序列进行整数周期截断。

优选的，当确定发生了匝间短路故障，则发出预警信息，否则不发出预警信息。

本发明还提供了基于电感振荡特性的串联电抗器电弧性匝间短路故障识别系统，该系统用于实现本发明如上所述基于电感振荡特性的串联电抗器电弧性匝间短路故障识别方法，包括：

数据采集模块：用于实时地采集串抗母线电压和串抗支路电流并进行降噪处理；

数据处理模块：用于构建基于时变电感的串抗支路电路方程，基于降噪处理后的串抗母线电压和串抗支路电流，根据正常状态下的串抗电感值与电容器电容值，计算实时的串联电抗器的电感值序列；

判断模块：用于构建串抗电弧性匝间短路故障识别判据，根据实时的串联电抗器的电感值序列是否满足电弧性匝间短路故障识别判据，来确定是否发生了匝间短路故障。

本发明具有如下有益效果：

本发明基于电感振荡特性的串联电抗器电弧性匝间短路故障识别方法，构建串抗的电感参数表达式，利用串抗母线电压、串抗支路电流及正常工况下的电容器与电抗器参数反推计算出的运行中的实时的串抗参数。构建串抗电弧性匝间短路故障识别依据。本发明具有可靠性高、抗干扰能力强的优点，能够在串抗匝间短路故障早期及时的发现故障并发出预警信息，具有良好的应用前景。

附图说明

图1为本发明基于电感振荡特性的串联电抗器电弧性匝间短路故障识别方法的流程图。

图2为本发明中并联电容器串联电抗器主接线示意图。

图3为本发明中步骤(1)算法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的具体实施例进行详细说明。

并联电容器串联电抗器主接线如图2所示，并联电容器串联电抗器首端的电流互感器、电压互感器分别为CT、PT。

参照图1和图3，本发明提出的基于电感振荡特性的串联电抗器电弧性匝间短路故障识别方法，用于干式空心串联电抗器匝间短路故障诊断，包括以下步骤：

步骤(1)，实时采集串抗母线电压和串抗支路电流数据，并对电流、电压数据进行降噪处理；

步骤(2)，构建基于时变电感的串抗支路电路方程，基于串抗母线电压和串抗支路电流数据，根据正常状态下的串抗电感值与电容器电容值，计算实时的各相电感参数，即串抗的电感值序列；

步骤(3)，构建串抗电弧性匝间短路故障识别判据，判断计算出的串抗的电感值序列是否满足电弧性匝间短路故障识别判据，分析后判断是否发生了匝间短路故障。

其中，所述步骤(1)包括如下步骤：

1-1)，实时采集串抗母线电压和串抗支路电流数据；

1-2)，对步骤1-1)采集的电流与电压数据分别进行步骤1-3)至步骤1-6)的小波阈值降噪处理，去除数据中的噪声；

1-3)，选择小波函数；

1-4)，小波变换多尺度分解；

1-5)，对各尺度上的小波系数做阈值量化处理；

1-6)，小波逆变换重构信号。

其中，S1-1中，对采集到的电压互感器和电流互感器二次侧的数据分别乘上各自的变比，得到一次侧的电压电流数据。S1-3中，小波基函数选择Db8。S1-4中，小波变换多尺度分解层数设置为4。

其中，所述步骤(2)包括如下步骤：

2-1)，以A相为例，基于时变电感的串抗支路电路方程如下：

式中，L为正常工况下串抗电感值，L'表示时变电感，C为正常工况下的并联电容器电容值，u_a为A相串抗支路相电压，t为时间，R为串抗支路的等效电阻值，i_a为A相串抗支路相电流，u₀为中性点电压，可通过B相或C相求出，如下式所示。上式中仅A相电感待求，BC相电感的求解过程同理。

2-2)，根据微分方程的数值算法，设置计算初始值为正常工况下的串抗电感值，计算串联电抗器的电感值序列。

S2-1中，时变电感的表达式如下：

L′＝L(t)

时变电感元件的电流电压关系为：

ψ＝L(t)i

式中，L(t)为电感值随时间变化的电感，ψ为磁链。其中，所述步骤(3)包括如下步骤：

3-1)，对求解得到的电感值序列进行FFT变换，获得电感的频谱信息。在对离散数据进行FFT变换时，为了避免频谱泄漏，需要对求得的电感值序列进行整数周期截断。

3-2)，串抗在正常运行时，电感值为一常数，频谱信息中仅包含直流分量，当串抗发生电弧性匝间短路时，其电感值除了包含直流分量外，频域信息还中包含了100Hz含量。当串抗电感频谱中的100Hz含量超过5％，则有故障，发出预警信息。当电感波形的频谱中100Hz含量低于5％，则不执行其他操作，继续运行。

本发明基于电感振荡特性的串联电抗器电弧性匝间短路故障识别系统包括：

数据采集模块：用于实时地采集串抗母线电压和串抗支路电流并进行降噪处理；即数据采集模块用于执行上述步骤(1)。

数据处理模块：用于构建基于时变电感的串抗支路电路方程，基于降噪处理后的串抗母线电压和串抗支路电流，根据正常状态下的串抗电感值与电容器电容值，计算实时的串联电抗器的电感值序列；即数据处理模块用于执行上述步骤(2)。

判断模块：用于构建串抗电弧性匝间短路故障识别判据，根据实时的串联电抗器的电感值序列是否满足电弧性匝间短路故障识别判据，来确定是否发生了匝间短路故障。即判断模块用于执行上述步骤(3)。

Claims (10)

1.基于电感振荡特性的串联电抗器电弧性匝间短路故障识别方法，其特征在于，包括如下过程：

实时地采集串抗母线电压和串抗支路电流并进行降噪处理；

构建基于时变电感的串抗支路电路方程，基于降噪处理后的串抗母线电压和串抗支路电流，根据正常状态下的串抗电感值与电容器电容值，计算实时的串联电抗器的电感值序列；

构建串抗电弧性匝间短路故障识别判据，根据实时的串联电抗器的电感值序列是否满足电弧性匝间短路故障识别判据，来确定是否发生了匝间短路故障。

2.根据权利要求1所述的基于电感振荡特性的串联电抗器电弧性匝间短路故障识别方法，其特征在于，串抗母线电压和串抗支路电流分别利用小波阈值降噪处理的方法进行降噪处理。

3.根据权利要求1或2所述的基于电感振荡特性的串联电抗器电弧性匝间短路故障识别方法，其特征在于，对采集到的串抗母线电压二次侧的数据乘上电压互感器的变比，得到一次侧的电压数据，对采集到的串抗支路电流二次侧的数据乘上电流互感器的变比，得到一次侧的电流数据，然后再进行降噪处理。

4.根据权利要求2所述的基于电感振荡特性的串联电抗器电弧性匝间短路故障识别方法，其特征在于，进行降噪处理时，小波基函数选择为Db8，小波变换多尺度分解层数设置为3或者4。

5.根据权利要求1所述的基于电感振荡特性的串联电抗器电弧性匝间短路故障识别方法，其特征在于，基于时变电感的串抗支路电路方程如下：

式中，x代表电感的各相，电感的各相分别为A相、B相和C相，L'表示时变电感，C为正常工况下的并联电容器电容值，u_x为x相串抗支路相电压，i_x为x相串抗支路相电流，u₀为中性点电压，t为时间，R为串抗支路的等效电阻值。

6.根据权利要求5所述的基于电感振荡特性的串联电抗器电弧性匝间短路故障识别方法，其特征在于，计算实时的各相串抗电感值时，根据微分方程的数值算法，设置基于时变电感的串抗支路电路方程的计算初始值为正常工况下的串抗电感值，计算得到串联电抗器的电感值序列。

7.根据权利要求1所述的基于电感振荡特性的串联电抗器电弧性匝间短路故障识别方法，其特征在于，构建串抗电弧性匝间短路故障识别判据，根据计算出的实时的串联电抗器的电感值序列是否满足电弧性匝间短路故障识别判据，来确定是否发生了匝间短路故障的过程包括：

对计算出的实时的串联电抗器的电感值序列进行FFT变换，获得电感的频谱信息；

所述电感的频谱信息包含100Hz含量，当串抗电感值频谱中的100Hz含量超过预设值时，判断发生了匝间短路故障，否则判断未发生匝间短路故障。

8.根据权利要求7所述的基于电感振荡特性的串联电抗器电弧性匝间短路故障识别方法，其特征在于，当串抗电感值频谱中的100Hz含量超过5％时，判断发生了匝间短路故障；当串抗电感值频谱中的100Hz含量不超过5％时，判断未发生匝间短路故障。

9.根据权利要求7所述的基于电感振荡特性的串联电抗器电弧性匝间短路故障识别方法，其特征在于，对计算出的实时的串联电抗器的电感值序列进行FFT变换时，对计算出的实时的串联电抗器的电感值序列进行整数周期截断。

10.用于实现权利要求1-9任意一项所述基于电感振荡特性的串联电抗器电弧性匝间短路故障识别方法的系统，其特征在于，包括：

数据采集模块：用于实时地采集串抗母线电压和串抗支路电流并进行降噪处理；

数据处理模块：用于构建基于时变电感的串抗支路电路方程，基于降噪处理后的串抗母线电压和串抗支路电流，根据正常状态下的串抗电感值与电容器电容值，计算实时的串联电抗器的电感值序列；

判断模块：用于构建串抗电弧性匝间短路故障识别判据，根据实时的串联电抗器的电感值序列是否满足电弧性匝间短路故障识别判据，来确定是否发生了匝间短路故障。

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