CN114167218A - 基于分布式检测的干式电抗器故障预警系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于分布式检测的干式电抗器故障预警系统，属于电抗器过热故障预警系统技术领域。一种基于分布式检测的干式电抗器故障预警系统，包括电抗器，设置在所述电抗器上的分布式温度测量系统，与所述分布式温度测量系统连接的多物理场耦合仿真系统，与所述多物理场耦合仿真系统连接的局放联合诊断预警算法，所述局放联合诊断预警算法与所述声阵列传感系统相连接。本项目的开发基于分布式测温系统，主要用于干式电抗器的分布式温度测量，多物理场耦合仿真系统模拟三维温度场的分布，结合预警算法进行热缺陷的精准排查与故障诊断工作，可应用于复杂环境下运行的电抗器。

Description

基于分布式检测的干式电抗器故障预警系统

技术领域

本发明属于电抗器过热故障预警系统技术领域，具体涉及一种基于分布式检测的干式电抗器故障预警系统。

背景技术

干式空心电抗器具有低损耗、低噪音、电抗值线性度好、设计寿命长、维护简单等优点，在电力系统中应用越来越广泛。该设备在系统中主要起限制合闸涌流、限制短路电流、补偿杂散容性电流、滤波等作用。

干式电抗器在运行过程中，往往会因为线圈导线含有杂质，或运行过程中包封的环氧树脂的无纬玻璃丝带的绝缘不好等原因，会使电抗器在运行过程中会产生局部温升过高、过热，最终导致电抗器的烧坏、报废，给国家和企业造成较大的损失。了解电抗器内部温度场的分布，对于电抗器的正常运行、故障预防等具有重大意义。干式电抗器在运行过程中，往往会因为线圈导线含有杂质，或运行过程中包封的环氧树脂的无纬玻璃丝带的绝缘不好等原因，会使电抗器在运行过程中会产生局部温升过高、过热，最终导致电抗器的烧坏、报废，给国家和企业造成较大的损失。了解电抗器内部温度场的分布，对于电抗器的正常运行、故障预防等具有重大意义。

干式电抗器属于免维修类设备，而其受监测方法较少，主要有采用红外成像仪对干式电抗器定期跟踪测温、在干式电抗器下方安装温度在线监测仪、将温度传感器直接贴于干式电抗器包封壁上、光纤光栅测温等方法，但是存在着有效监测面较窄、监测过程不连续、测量精度不高、需外接工作电源、不能在空间范围内连续测温等缺点，其实际应用效果较不理想，不能及时发现电抗器发热点，从而电抗器烧毁现象时有发生

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、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。其中，绝缘故障为主要的故障之一，其主要表现之一为绝缘层的异常发热目前对电抗器的检测方法主要分为外观检查、带电检测、在线检测和停电检测四类。其中，外观检查法主要用于检查投运前干式电抗器是否有外力撞击后的结构变形情况，是否有明显的外形变化和局部凹凸现象。对于运行中的电抗器则使用望远镜对每台电抗器的外表面进行检查，以裂纹、碳黑痕迹和烟雾为故障标志。这种方法不仅检测精度有很大问题，而且对于干式电抗器的内部绝缘故障没有预警的功能，一旦故障只能报废设备。

全国范围内因过热故障导致的干式空心电抗器起火烧损事故已发生多起，造成较大损失，不利于电网的安全运行。额定运行条件下35kV干式空心电抗器各包封的温升范围为40℃-90℃，当干式空心电抗器发生过热故障时，在自然对流条件下，电抗器包封整体温度上升，热点温度升至较高水平，而由环氧树脂浸渍包封绝缘层长期在较高温度下会出现绝缘粉化性能下降等现象。

干式空心并联电抗器作为远距离交流输电系统的主要辅助设备，并联在系统中起到补偿容性电流、维持系统电压水平、提高线路传输能力等作用。电抗器外绝缘采用的是环氧树脂固化成型工艺，在运行中容易发生局部放电导致绝缘材料过热，电抗器所用的B级绝缘材料，最高运行温度为130℃，最高温升为80℃，当超过最高允许运行度后温度每增加10℃，绝缘材料的使用寿命将减少一半。

电抗器在运行过程中，往往会因为一些外部环境、自身结构等原因，导致电抗器在运行过程中产生部温度过高、过热，并最终导致电抗器的局部烧坏。随着干式空心并联电抗器的广泛应用，电抗器烧毁事故时有发生。由于电抗器热点温度和电抗器的寿命直接相关，干式空心并联电抗器温度场分布的准确计算对设计人员和现场运维人员至关重要。目前国内对干式空心电抗器的温度场研究较多，主要有平均温升计算法、赋对流换热系数法和流体温度场耦合法。电抗器的温升试验过程、热点温升和平均温升的确定方法，平均温升无法反映出电抗器不同位置的温升分布情况大都用在工程上检验电抗器的热性能。

如专利CN204241402U，其中红外温度检测法目前应用较为广泛，但是由于电抗器结构限制，包封内气道间隙狭小，红外温度传感器无法安装在电抗器温度较高的内层包封，只能对温度较低的外层包封进行检测，检测结果不够精确；公开号为CN105698959A的专利文献公开了基于TVOC和温度检验的干式空心电抗器过热故障预警系统，其中两个或两个以上的无线TVOC气体传感器分别布置在干式空心电抗器包封外表面，两个或两个以上的无线温度传感器分别布置在干式空心电抗器包封外表面，两个或两个以上的无线TVOC气体传感器分别与无线气体数据采集装置通过无线网络相连接，两个或两个以上的无线温度传感器分别与无线温度数据采集装置通过无线网络相连接，无线气体数据采集装置和无线温度数据采集装置分别与远程客户端相连接，远程客户端与报警系统相连接，能够进行实时在线自动化监测干式空心电抗器的过热故障情况，具有更高的准确性和精确性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种基于多点数据源三维坐标及相关数据，通过工况模拟热扩散现象进行技术分析、评估、预警的一种基于分布式检测的干式电抗器故障预警系统。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种基于分布式检测的干式电抗器故障预警系统，包括电抗器，所述电抗器包括铁芯、线匝，设置在所述电抗器上的分布式温度测量系统，与所述分布式温度测量系统连接的多物理场耦合仿真系统，与所述多物理场耦合仿真系统连接的局放联合诊断预警算法，所述局放联合诊断预警算法与所述声阵列传感系统相连接，所述局放联合诊断预警算法与所述数据库连接，所述分布式温度测量系统与所述多物理场耦合仿真系统间采用防干扰金属屏蔽线路连接，所述多物理场耦合仿真系统、所述局放联合诊断预警算法设置在所述PLC程控板内。

所述分布式温度测量系统包括三维温度场测量模块，所述三维温度场测量模块具备对所述电抗器内部的有限元进行高精准度热点三维坐标定位的同时进行实时温度检测的功能，所述三维温度场测量模块包括传感光纤、红外热成像仪、温敏传感器，所述传感光纤粘贴在所述电抗器包层表面，所述传感光纤采用斯托克斯散射光及温度解调原理进行温度检测，所述红外热成像仪对电抗器表面的金属部件及出风口进行温度检测，所述温敏传感器设置在所述电抗器连接接口上，所述传感光纤绕所述线匝内部进行缠绕，所述传感光纤上浇筑环氧树脂。

所述多物理场耦合仿真系统从所述分布式温度测量系统接收所述三维坐标及对应的所述实时温度，所述多物理场耦合仿真系统包括所述电抗器的温度扩散运动趋势数学模型，所述多物理场耦合仿真系统通过所述温度扩散运动趋势数学模型对有限元式所述三维坐标及对应的所述实时温度进行逆计算输出所述电抗器内部的实时温度模拟图像。

所述声阵列传感系统包括音频采集单元、滤波降噪器，所述音频采集单元包括分贝检测仪、录音机，所述滤波降噪器为音频处理器，所述滤波降噪器对所述音频采集单元中的低分贝、重复无序杂音进行过流滤筛除。

所述局放联合诊断预警算法基于所述多物理场耦合仿真系统反馈的实时温度模拟图像、所述声阵列传感系统检测到的音频数据建立运行工况数据模型。

所述数据库上存储所述电抗器的运行时的相关数据。

所述局放联合诊断预警算法连接变电站控制平台，所述局放联合诊断预警算法连接所述电抗器的断电保护装置，所述断电保护装置包括熔断器、磁吸式开关。

进一步的，电抗器在运行过程中，往往会因为一些外部环境、自身结构等原因，导致电抗器在运行过程中产生部温度过高、过热，并最终导致电抗器的局部烧坏。随着干式空心并联电抗器的广泛应用，电抗器烧毁事故时有发生。由于电抗器热点温度和电抗器的寿命直接相关，干式空心并联电抗器温度场分布的准确计算对设计人员和现场运维人员至关重要。

进一步的，目前国内对干式空心电抗器的温度场研究较多，主要有平均温升计算法、赋对流换热系数法和流体温度场耦合法。电抗器的温升试验过程、热点温升和平均温升的确定方法，平均温升无法反映出电抗器不同位置的温升分布情况大都用在工程上检验电抗器的热性能。

进一步的，基于多场耦合方法在流体温度场中计算电抗器的温度场分布，优化采用三维热点坐标及相关实时数据为基础，利用多场耦合有限元理论，建立三维电抗器流体–温度场耦合计算模型，分析了电抗器温度场和流场，计算了串联电抗器线匝内的电阻性损耗和涡流损耗以及接线臂上的损耗，建立和分析了电抗器的三维模型，并对电抗器进行了多物理场仿真。

进一步的，在正常工作期，电抗器每层线圈匝与匝之间为串联连接，根据安培力定律，匝与匝呈相互吸引状态，良好的匝间绝缘保障匝间不会出现匝间短路故障。当匝间绝缘出现破损的时候，在电磁力的作用下，绝缘破损处的金属导线将会发生相互接触，进而形成短路环，环中会产生与原线圈电流方向相反且幅值远大于原线圈电流的感应电流，此时，电磁力作用会使短路环与其相邻线匝相互排斥。因此，在匝间短路最初，短路点处的相邻线匝会出现碰撞、分离的重复过程，称之为匝间短路故障早期。

进一步的，相邻匝触碰时形成的短路环中感应电流会使短路点附近出现局部高温，致使匝间绝缘损伤加重，一般情况下该过程会持续相当长的一段时间。随着故障的恶化，短路点形成和分离的频次逐渐增加，最终金属导线熔化黏结到一起，此时进入匝间短路故障期，形成稳定的短路环，其中的感应大电流持续产生热量，加速绝缘老化，致使匝间短路范围迅速扩大，乃至烧毁电抗器。

进一步的，根据以上分析，对电抗器温度场分布进行监测可以在早期发现局部短路故障，及时处理以避免更大的危害。使用红外线非接触式测温一般只能测到电抗器下部温度，而根据实测数据及仿真结果，通常最热点一般出现在线匝上部，采用与电抗器上的传感光纤、温敏传感器相结合的方法对其进行检测。

进一步的，对电抗器进行检测通常分为带电检测、停电检测，带电检测包括红外热像检测、噪声检测和磁感应强度检测，国内外学者对红外热像检测、电抗器振动与噪声、磁感应强度计算研究较多，这些检测手段准确性较好，但对设备成本和人力要求过高，对数据的实时处理及作业状态建模仍存在较大的局限性。停电检测法包括测量直流电阻和电抗值、测量接地导通、匝间绝缘试验、交流耐压试验、瓷瓶探伤和RTV料憎水性试验等检测手段，停电检测法精度高，国内外均有相关检测标准，但是检测周期长，不适用于正在运行的电抗器的主要故障检测手段。

进一步的，基于拉曼散射的分布式光纤传感技术成为了光纤传感领域中的研究热门和前沿课题。传感光纤信号包括一根可连续的光纤，可同时获得被测物随时间和空间变化的分布信息，具有全分布式、长距离、高测量精度等优点，是监测温度的最有效方法。

进一步的，1985年首次实现了对光纤沿线温度的分布式测量，由此揭开了对分布式光纤拉曼测温系统进一步的研究和探索。1987年推出了商用化的分布式光纤拉曼测温产品。

进一步的，中国计量大学、浙江大学和中电集团等众多院校和科研单位相继开展了研究。中国计量大学在1993年对分布式光纤温度传感器的若干问题进行了深入研究，并于第二年成功研制了FGC_W1分布式光纤拉曼测温系统样机，经过逐步的发展现已实现30km的测量距离和0.1℃的温度分辨率。电子科学技术大学主要是在解调算法上对分布式光纤拉曼测温系统进行了系列研究，提出了利用最近测量后向瑞利散射光解调反斯托克斯光的循环解调方法，将测量温度范围进行划分、判断、再解调的区域标定法，利用瑞利散射光时域反射信号解调反斯托克斯散射光时域反射信号的对称解调方法以及带光放大器、光纤环的拉曼测温系统，并通过实验实现了±0.03℃的测量误差和1m的空间分辨率。清华大学在数据处理方法和光源上做了相关探索，提出了利用反卷积算法进行数据处理从而获得高空间分辨率的解调算法和利用可变脉宽光源实现高空间分辨率或高温度分辨率的拉曼测温系统。国内的公司主要有宁波振东光电、杭州欧忆光电、南京业祥科技等，相关产品的探测距离在15km以下，空间分辨率为1m，温度分辨率为0.1℃。

进一步的，利用有限元法，通过对电抗器表面赋予不同的对流换热系数，给出了电抗器上的温度变化，基于多场耦合方法计算了干式空心电抗器的温度场，由磁场电路耦合计算出在流体温度场中电抗器的温度场分布，利用多场耦合有限元理论，建立三维电抗器流体–温度场耦合计算模型，分析了电抗器温度场和流场，建立和分析了电抗器二维和三维模型。

进一步的，本项目开发的基于分布式测温系统，主要用于干式电抗器的温度分布式测量，实时获得干式电抗器的三维温度场分布，进行电抗器过热缺陷的精准排查与故障诊断工作，可应用于复杂环境下运行的电抗器。建立干式电抗器过热预警系统。通过温度、局放等多参量协同作用，及时获知干式电抗器内部的温升及放电情况，避免过热故障的出现，项目成果具有可推广性。此研究成果和整套系统可在多种电力设备上应用，包括电抗器、互感器和变压器等。同时配合声阵列传感系统，完成对电抗器运行过程中局放的监测与定位，最终形成对电抗器的状态监测系统，有助于及时判断电抗器状态，提前发现电抗器内部存在的安全隐患，避免因过热和放电故障产生造成重大损失，具有广阔的市场价值和应用前景。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

以建立在时间轴上的三维坐标型分布式温度测量系统为基础，结合多物理场耦合仿真系统对电抗器内部的温度进行实时建模、数据分析，完成对电抗器内部温度的模拟建模，通过有限元耦合理论，计算得出电抗器作业时其内部实时温度的三维模拟云图，结合声阵列传感系统对电抗器作业过程中的声频特征数据的捕获、对比，实现基于电抗器作业工况数据的采集，在局放联合诊断预警算法的处理下，基于电抗器内的三维图像温度云图和声频特征，建立基于工况模拟软件下的逆推导式运行模拟模型。并完成相关数据的存档。

分布式温度测量系统包括传感光纤、红外热成像仪、温敏传感器，针对性的实现电抗器内部线匝、连接接口、外表面分别进行温度测量，在基于高精度三维空间坐标点的基础上，实现对测温点的长时间、高精准度监控，基于有限元数据采集法针对符合特征点的温度数据进行采集。

多物理场耦合仿真系统利用分布式温度测量系统采集的有限元式三维温度场实时变化数据导入到电抗器温度模拟软件中，实现对电抗器内三维温度场的建立，利用有限元内的温度数据结合电抗器内各部件的相对热传导效率实现对电抗器内温度的精准逆推导，完成对电抗器内部三维温度场分布运转模型的高精度建模，进一步优化数据模型中的对温度场分布的精确度。

声阵列传感系统，以对电抗器作业过程中的声频特征数据为基础，在进行滤波降噪器去除杂音后，对比电抗器正常作业时的音频特征，当出现高分贝、高频率的击穿电弧放电声音时，说明电抗器出现匝间损伤、玻璃丝老化出现安全隐患，便于结合三维温度场的模拟数据进行数据分析、排查隐患。

局放联合诊断预警算法综合三维温度场数据、音频特征数据，对模拟温度场的三维实时数据结合声频特征进行检索、对比，当初异常数据或该数据的特征技术指标与电抗器正常运行时的技术参数不相符合时，通常默认为电抗器存在安全隐患，需要进行停机、排查、检修。

该装置具有广阔的市场价值和应用前景，可以切实掌握干式电抗器整体温度场分布状态，提高电抗器检测水平，有效延长使用寿命，保障国家安全和人民生命财产，产生巨大的经济效益和社会效益。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。

图1：本发明实施例1的结构示意图；

图2：本发明实施例1的温度场仿真温度计算程序框图；

图3：本发明实施例1中托斯克斯的流程示意图；

图4：本发明实施例1传输光纤的散射光光谱图；

图5：本发明实施例1光时域的反射原理图；

图6：本发明实施例1中铁芯、线匝的截面结构示意图

图7：本发明实施例1中铁芯、线匝的结构示意图；

图8：本发明的技术线路图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例和附图进一步清楚阐述本发明的内容，但本发明的保护内容不仅仅局限于下面的实施例。在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。

实施例1

如图所示，本实施例提供一种基于分布式检测的干式电抗器故障预警系统，包括电抗器，所述电抗器包括铁芯、线匝，设置在所述电抗器上的分布式温度测量系统，与所述分布式温度测量系统连接的多物理场耦合仿真系统，与所述多物理场耦合仿真系统连接的局放联合诊断预警算法，所述局放联合诊断预警算法与所述声阵列传感系统相连接，所述局放联合诊断预警算法与所述数据库连接，所述分布式温度测量系统与所述多物理场耦合仿真系统间采用防干扰金属屏蔽线路连接，所述多物理场耦合仿真系统、所述局放联合诊断预警算法设置在所述PLC程控板内。

所述分布式温度测量系统包括三维温度场测量模块，所述三维温度场测量模块具备对所述电抗器内部的有限元进行高精准度热点三维坐标定位的同时进行实时温度检测的功能，所述三维温度场测量模块包括传感光纤、红外热成像仪、温敏传感器，所述传感光纤粘贴在所述电抗器包层表面，所述传感光纤采用斯托克斯散射光及温度解调原理进行温度检测，所述红外热成像仪对电抗器表面的金属部件及出风口进行温度检测，所述温敏传感器设置在所述电抗器连接接口上，所述传感光纤绕所述线匝内部进行缠绕，所述传感光纤上浇筑环氧树脂。

所述多物理场耦合仿真系统从所述分布式温度测量系统接收所述三维坐标及对应的所述实时温度，所述多物理场耦合仿真系统包括所述电抗器的温度扩散运动趋势数学模型，所述多物理场耦合仿真系统通过所述温度扩散运动趋势数学模型对有限元式所述三维坐标及对应的所述实时温度进行逆计算输出所述电抗器内部的实时温度模拟图像。

所述声阵列传感系统包括音频采集单元、滤波降噪器，所述音频采集单元包括分贝检测仪、录音机，所述滤波降噪器为音频处理器，所述滤波降噪器对所述音频采集单元中的低分贝、重复无序杂音进行过流滤筛除。

所述局放联合诊断预警算法基于所述多物理场耦合仿真系统反馈的实时温度模拟图像、所述声阵列传感系统检测到的音频数据建立运行工况数据模型。

所述数据库上存储所述电抗器的运行时的相关数据。

所述局放联合诊断预警算法连接变电站控制平台，所述局放联合诊断预警算法连接所述电抗器的断电保护装置，所述断电保护装置包括熔断器、磁吸式开关。

所述三维温度场测量模块采用所述传感光纤、所述红外热成像仪、所述温敏传感器与所述多物理场耦合仿真系统间采用包裹耐高温绝缘层传输线路的方式分别连接，所述传感光纤均匀的包裹在所述铁芯、所述线匝上，所述温敏传感器与所述电抗器连接接口间设置散热硅脂，所述红外热成像仪与所述电抗器间的间距大于50厘米。

所述红外热成像仪包括海康微影威视H36、菲力尔热成像E60。

所述温敏传感器包括ke型退火炉热电偶0-600°压簧灵敏测温探头、DHT21/AM2301温湿度传感器。所述声阵列传感系统包括TXA X5系统、麦乐迪DSP980。

所述传感光纤利用斯托克斯和反斯托克斯方程，计算出基于射入光损耗的温度检测机制，设注入光纤中脉冲光的初始光功率为P₀，具体的光的温度效应公式为；

光强分别是：

式中，在光纤不做更换，光源光功率，测温点不做调整的情况下，拉曼斯托克斯和反斯托克斯光的光强仅受距离光源处光纤所处环境温度的影响，故通过测得拉曼两种散射光的光强即可解调出测温点温度的大小，而根据公式(3)和(4)可以发现反斯托克斯光与斯托克斯光相比，采用光强公式具备更强温度敏感性，故常将其作为温度解调的信号光，将斯托克斯光作为参考信号光。

散射按照粒子分布状态的不同可以分为自发拉曼散射和受激拉曼散射，当入射光的光功率小于阈值时，光纤分子处于热平衡状态下，此时的粒子数密度遵循玻尔兹曼分布，故可以利用上述公式来定量描述拉曼散射光光强与温度的关系。

所述多物理场耦合仿真系统包括数据传输接口、温度模拟软件，实现从三维温度场测量模块接受到的有限元三维热点坐标，结合电抗器各部件的热传导特性，计算得出随时间变化的电抗器内部热点云图。

所述声阵列传感系统对电抗器作业时的音频数据进行采集，与电抗器正常作业的音频特征进行对比，当出现异常数据时，默认电抗器存在安全隐患需要停机检查。

所述局放联合诊断预警算法综合三维温度场和音频数据，对电抗器的运行特性进行模拟，电抗器同步满足内部温度在许可范围内、无运行杂音视为正常运行，否则通过变电站控制平台发出安全警报，并切断供电完成电抗器的断电下线。

实施例2

本实施例是在实施例1的基础上进行的补充说明，传感光纤的位置定位：

脉冲光源发出的脉冲光由光纤的起始端进入光纤，经过时间t/2后，到达散射点，在散射点光子与光纤分子发生了相互作用产生散射，起始点到散射点的距离设为L。其中的后向散射光沿与入射光相反的方向回到光纤起始端，经过的路程为L，时间为t/2，而t与L的关系为：

式中，c为光在真空中的传播速度，n光纤纤芯的折射率。

故在参数c和n已知的情况下，通过测得从脉冲光注入光纤到拉曼后向散射光回到光纤开始端所需的时间t，就可以求得散射点到光纤开始端的距离L，结合上一节所述的通过拉曼散射光的光强解调温度大小的方法，即可解调出与光源距离为L处的环境温度。而通过对不同时间t散射光强度的测量即可实现对整条光纤所处环境温度的分布式测量，但是为了避免光纤中的散射光发生混叠现象，影响对温度的解调，相邻脉冲之间必须相隔一定的时间，从而保证系统在接收一个脉冲的散射光时不受其他脉冲的干扰。

实施例3

本实施例是在实施例1的基础上进行的补充说明，流体温度场数学模型：

由于干式电抗器模型为三维轴对称结构，为简化分析可以使用圆柱坐标系进行建模，进行二维仿真。

在圆柱坐标系下，磁场的控制方程为

在柱坐标系下，磁场的控制方程为

式中：r为柱坐标系下径向距离；z为轴向距离；A为磁矢量位；μ0为磁导率；J为源电流密度。

第i层线圈受外电路的约束方程为：

式中，U为外部约束电压，Ri、i、Ni、Ii、Si分别为第i层线圈的电阻、磁链、匝数、电流、截面积。

有上述四个方程进行联立，建立场路耦合有限元方程，可得每层包封的电流值和矢量磁位，磁感应强度可由矢量磁位求得

绕组第i层损耗Pi主要包括电阻性损耗Pri和涡流损耗Pei，其中第i层绕组的损耗为

式中:为导线的电阻率；为施加激励的角频率；Di为第i匝导线的线径；Ii为每匝导线的半径；Bi为第i匝导线中心处磁感应强度。

流体温度场数学模型

干式电抗器与周围空气散热方式主要为自然对流与热辐射，其内部通过热传导散热。根据传热学理论可建立如下稳态温度控制方程

式中：k为包封材料导热系数；q为单位体积生热率；T_s为固体表面温度；T_f为流体温度；h为散热系数；ε为热辐射率；σ为玻尔兹曼常数，其值为5.67*10-⁸W(m²·K⁴)；Γ₃为电抗器固体与空气交界面；Γ₂为周期性对称面。

包封的热源由包封内电流的产热率所决定

P为电抗器包封的损耗，由式(8)求得，V为包封的体积。

流体的控制方程包括质量连续性方程、动量守恒方程和质量守恒方程。在分析中，将周围空气流体视为不可压缩粘性流体，流体处于稳定流动状态，质量守恒方程可表示为

动量守恒方程可表示为

能量守恒方程为

式中，ρ为空气密度；u为流体速度矢量；u、v、w为速度矢量在坐标轴x,y,z方向上的坐标分量、μ为空气运动粘性系数；p为空气压强；c_p为空气的比热容；λ为空气的导热系数；S_u、S_v、S_w为流体动力方程的广义源项，当重力方向沿z轴竖直向下时，S_u＝S_v＝0，S_w＝ρg；S_T为流体粘性耗散项。

除此之外，为保证流体方程封闭，空气还需满足气体状态方程

ρ＝f(p,T_f) (12)

实施例4

本实施例是在实施例1的基础上进行的补充说明，边界条件设置：

在三维磁场－电路耦合计算时，求解域轴向应施加轴对称边界，即设置磁场法向分量为0，Ar/η₁＝0，周围边施加远场边界，A/η₂＝0。

在流体－温度场中边界条件除满足控制方程外，还应满足以下条件：

1)在计算域边界Γ₁、电抗器固体与空气交界面Γ₃上指定无滑移条件，即V_x＝V_y＝V_z＝0，表面辐射率取0.9；

2)在计算域边界Γ₁上指定恒温边界条件T|_Γ1＝T₀，设定电抗器周边环境温度为293.15K；

3)设置重力加速度为9.81m/s²，方向为z轴的负方向；

4)绕组内的热源由电磁场计算得到的绕组损耗决定。

根据以上模型及边界条件设置，对干式电抗器进行多物理场有限元仿真，获得其在正常运行条件下的温度场分布和热点区域。

当电抗器绕组发生匝间短路情况或局部绝缘缺陷等状况时，针对故障情况改变模型，改变电路拓扑结构来模拟匝间短路所引起的局部电流增大，设置局部热源来模拟局部绝缘缺陷引起的发热。在考虑故障情况下，进行有限元仿真，从而得到电抗器过热故障其温度分布规律，为后续光纤布置做准备。

电抗器正常运行和局部过热故障时，电抗器本体上都会存在温度梯度，这是由各处发热量和散热条件不同所导致的。在使用分布式光纤检测电抗器温度时，电抗器绕组温度和光纤纤芯温度也会存在差值，这一差值与测量处温度与光纤布置方式有关。

为了准确测量得到绕组表面的温度，对光纤不同布置方式和不同布置位置的温度分布梯度进行仿真，仿真模型包括正常运行状况和局部发热状况。之后根据仿真结果，提出温度补偿算法

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要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权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种基于分布式检测的干式电抗器故障预警系统，其特征在于：包括电抗器，所述电抗器包括铁芯、线匝，设置在所述电抗器上的分布式温度测量系统，与所述分布式温度测量系统连接的多物理场耦合仿真系统，与所述多物理场耦合仿真系统连接的局放联合诊断预警算法，所述局放联合诊断预警算法与所述声阵列传感系统相连接，所述局放联合诊断预警算法与所述数据库连接，所述分布式温度测量系统与所述多物理场耦合仿真系统间采用防干扰金属屏蔽线路连接，所述多物理场耦合仿真系统、所述局放联合诊断预警算法设置在所述PLC程控板内。

2.如权利要求1所述的基于分布式检测的干式电抗器故障预警系统，其特征在于：所述分布式温度测量系统包括三维温度场测量模块，所述三维温度场测量模块具备对所述电抗器内部的有限元进行高精准度热点三维坐标定位的同时进行实时温度检测的功能，所述三维温度场测量模块包括传感光纤、红外热成像仪、温敏传感器，所述传感光纤粘贴在所述电抗器包层表面，所述传感光纤采用斯托克斯散射光及温度调解原理进行温度检测，所述红外热成像仪对电抗器表面的金属部件及出风口进行温度检测，所述温敏传感器设置在所述电抗器连接接口上，所述传感光纤在所述线匝内部进行缠绕，所述传感光纤上浇筑环氧树脂。

3.如权利要求1所述的基于分布式检测的干式电抗器故障预警系统，其特征在于：所述多物理场耦合仿真系统从所述分布式温度测量系统接收的所述三维坐标及对应的所述实时温度，所述多物理场耦合仿真系统包括所述电抗器的温度扩散运动趋势数学模型，所述多物理场耦合仿真系统通过所述温度扩散运动趋势数学模型对有限元式三维坐标及对应的所述实时温度进行逆计算输出所述电抗器内部的实时温度模拟图像。

4.如权利要求1所述的基于分布式检测的干式电抗器故障预警系统，其特征在于：所述声阵列传感系统包括音频采集单元、滤波降噪器，所述音频采集单元包括分贝检测仪、录音机，所述滤波降噪器为音频处理器，所述滤波降噪器对所述音频采集单元中的低分贝、重复无序杂音进行过流滤筛除。

5.如权利要求1所述的基于分布式检测的干式电抗器故障预警系统，其特征在于：所述局放联合诊断预警算法基于所述多物理场耦合仿真系统反馈的实时温度模拟图像、所述声阵列传感系统检测到的音频数据建立运行工况数据模型。

6.如权利要求1所述的基于分布式检测的干式电抗器故障预警系统，其特征在于：所述数据库上存储所述电抗器的运行时的相关数据。

7.如权利要求1所述的基于分布式检测的干式电抗器故障预警系统，其特征在于：所述局放联合诊断预警算法连接变电站控制平台，所述局放联合诊断预警算法连接所述电抗器的断电保护装置，所述断电保护装置包括熔断器、磁吸式开关。

Images