CN116520196B - 一种干式空心电抗器匝间短路故障在线监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种干式空心电抗器匝间短路故障在线监测方法，所述方法包括以下步骤：步骤1、搭建在线监测系统；步骤2、在线采集数据信号并进行处理分析；步骤3、对电抗器匝间短路故障进行判定。本发明所述的干式空心电抗器匝间短路故障在线监测方法，能够在电抗器不停电状态下准确的检测出电抗器短路故障信号，完成故障信号的识别与评价，从而弥补现有检测方法的周期性停电试验的过检、过试和时效性差以及检测系统敏感度和可靠性较低的缺点，提高干式空心电抗器工作的稳定性，进而保证系统的安全运行。

Description

一种干式空心电抗器匝间短路故障在线监测方法

技术领域

本发明属于电抗器故障监测技术领域，尤其涉及一种干式空心电抗器匝间短路故障在线监测方法。

背景技术

近年来，为提高电网无功平衡水平，各地电网新建变电站使用并联电抗器、串联电抗器的电容器组较普遍，尤其10~35kV占比较大。但近年来，干式空心电抗器运行缺陷率有上升趋势，给电力系统安全运行造成了一定的困扰。据有关统计数据显示，南方某地区 10~35kV 电抗器年平均缺陷率为 1.97%，在这些事故电抗器中，匝间短路故障导致的问题占到了42%，给电力系统的安全稳定运行带来了很大影响。而目前现有的方法通常需要在设备停电的状态下进行检测，并且敏感度以及可靠性都较低，难以实现对干式空心电抗器匝间短路故障进行在线监测的目的。

发明内容

本发明的目的在于，提出一种干式空心电抗器匝间短路故障在线监测方法， 以解决上述技术问题。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明提出一种干式空心电抗器匝间短路故障在线监测方法的方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1、搭建在线监测系统：

所述系统包括待测的干式空心电抗器，在所述电抗器的最外层上下端部绕制方向相反匝数相等的自差分探测线圈，所述探测线圈的两端连接一个用于采集信号的探测器，所述探测器连接有为其供电的取电CT ，在所述探测器一侧设定距离内设有无线信号接收器，所述无线信号接收器与集线交换器相连接，所述集线交换器与上位机相连接，所述上位机设有监测模块；

步骤2、在线采集数据信号并进行处理分析：

探测器采集探测线圈的差分电压信号，并将采集的差分电压信号转换为数字电压信号并传输至无线信号接收器，无线信号接收器接收到数字电压信号后传输出至集线交换器，集线交换器将数字电压信号传输出至上位机，由上位机的监测模块对数字电压信号进行处理分析以及阈值判断；

所述处理分析过程具体为：所述数字电压信号为U _j ，探测器的采样频率为M个/s，计算数字电压信号的均值、随机误差及均值、标准差；

所述均值为：

所述随机误差为：

所述随机误差均值为：

所述标准差为：

；

步骤3、对电抗器匝间短路故障进行判定：

监测模块基于随机误差均值D进行分析，根据步骤2计算得出的标准差σ，得到电抗器正常工作状态下的最大概率的限阈，并据此对电抗器匝间短路故障进行判断：当D＜3σ时，则表明电抗器未出现匝间短路故障；当D≥3σ时，则表明电抗器出现了匝间短路故障。

进一步的是，所述探测线圈的具体绕制方式为，采用螺线管结构的、在电抗器上下端部以相等匝数的正绕段和反绕段构成总长度为L的信号传输线型式；

相邻正绕段探测线圈或相邻反绕段探测线圈之间的间距为：

式中，S为探测线圈螺线管结构的截面积；L为探测线圈总长度；f为电磁干扰频率；t为脉冲干扰信号时间间隔；n为正绕段匝数；n*为反绕段匝数；

距离电抗器一侧端部最远的正绕段或反绕段探测线圈与电抗器该侧端部的距离为：

式中，h为电抗器的高度；r ₁为电抗器外径；r ₂为电抗器内径。

进一步的是，所述探测线圈的正绕段匝数与反绕段匝数不少于2。

进一步的是，所述探测线圈采用带绝缘的特氟龙绝缘线，室温固化环氧树脂为封装保护材料。

进一步的是，所述探测器与所述无线信号接收器之间的设定距离不超过50m。

进一步的是，所述集线交换器还连接有断路控制端子。

进一步的是，所述无线信号接收器与集线交换器、集线交换器与上位机均通过信号传输线相连接，所述信号传输线为485通讯协议规范电缆。

进一步的是，所述信号传输线的长度不超过500m。

进一步的是，当3σ≤D＜5σ时，则表明电抗器发生了端部匝间短路故障；当D≥5σ时，则表明电抗器发生了中部匝间短路故障。

本发明的有益效果是：本发明所述的干式空心电抗器匝间短路故障在线监测方法，能够在电抗器不停电状态下准确的检测出电抗器短路故障信号，完成故障信号的识别与评价，从而弥补现有检测方法的周期性停电试验的过检、过试和时效性差以及检测系统敏感度和可靠性较低的缺点，提高干式空心电抗器工作的稳定性，进而保证系统的安全运行。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

附图说明

图1为本发明所述方法流程图；

图2为在线监测系统结构示意图。

具体实施方式

本发明提出一种干式空心电抗器匝间短路故障在线监测方法，如图1所示，所述方法包括以下步骤：

步骤1、搭建在线监测系统。

首先搭建在线监测系统，如图2所示，所述系统包括待测的干式空心电抗器，在电抗器的最外层上下端部绕制方向相反匝数相等的自差分探测线圈，探测线圈的两端连接一个用于采集数据信号的探测器，探测器连接有为其供电的取电CT ，在探测器一侧设定距离内设有用于接收数据信号的无线信号接收器，为保证信号的顺利接收，该设定距离不超过50m。无线信号接收器与集线交换器相连接，集线交换器与上位机相连接，所述无线信号接收器与集线交换器、集线交换器与上位机均通过信号传输线相连接。信号传输线采用485通讯协议规范电缆，该传输线的最大通信距离为1200米，具体视周围环境而定，其通讯速率和通讯距离是成反比的，在远距离传输中速率是很低的，因此为了传输速率稳定，传输线长度最好设置为500米之内。上位机设有用于对信号进行处理分析的监测模块。无线信号接收器接收到信号后通过集线交换器传输至上位机，集线交换器对接收到的信号进行再生整形放大，以扩大网络的传输距离。集线交换器还连接有断路控制端子，用于在电抗器发生匝间短路故障时，进行断路控制，从而保护电抗器。

在电抗器端部绕制自差分探测线圈，是由于根据事故统计，电抗器的匝间故障多发于端部，因为在断路器开断瞬间，干式空心电抗器的端部易受电压的冲击，并且端部的密封绝缘容易受到雨水的侵蚀。另一方面，考虑到绝缘安全距离问题，因此选择在电抗器最外层的上下端部绕制自差分探测线圈。

正常状态下电抗器的磁场分布是一个对称的连续变化的空间分布，而发生匝间短路的情况下，因为其间断性的短路特征，其磁场分布会在故障发生的位置出现畸变，这种瞬态的畸变反应在周围磁场下的探测线圈的感应电压值上，就是显著的脉冲信号。故障时的电压信号特征是间歇式的单个脉冲或一组脉冲，其脉冲间隔在10^-6s量级，会产生比常规工频信号高约10³数量级的感应电压信号。因而在匝间短路故障期间由于伴随频发的电磁信号瞬态扰动和突变信号，根据电磁场原理：

磁场中的自差分探测线圈可以由此在匝间短路故障时感应差分电压。

在信号采集阶段为消除强磁环境对探测线圈数据信号采集影响，探测线圈的绕制方式采用螺线管结构的、在电抗器上下端部以相等匝数的正绕段n和反绕段n*构成总长度为L的信号传输线型式，正绕段和反绕段的感应电压u、u*相互抵消，实现0感应电压的自补偿效果的信号传输，探测线圈的感抗很大，对于高频率的高次谐波、脉冲干扰信号具有良好的滤除效果，从而有效消除高频电磁干扰信号对探测线圈数据采集的影响。

为此，相邻正绕段探测线圈或相邻反绕段探测线圈之间的间距为：

式中，S为探测线圈螺线管结构的截面积；L为探测线圈总长度；f为电磁干扰频率；t为脉冲干扰信号时间间隔；n为正绕段匝数；n*为反绕段匝数。

为保证检测的灵敏度和准确性，探测线圈绕制时的正绕段匝数与反绕段匝数不少于2，即n= n*≥2。

另外，要确定探测线圈的安装位置，既要保证探测线圈的探测电压不会超出探测器采集的限值又能够探测到磁场的变化，因此，距离电抗器一侧端部最远的正绕段或反绕段探测线圈与电抗器该侧端部的距离为：

式中，h为电抗器的高度；r ₁为电抗器外径；r ₂为电抗器内径。

具体的，探测线圈采用带绝缘的特氟龙绝缘线、室温固化环氧树脂为封装保护材料，根据上述公式计算结果确定探测线圈距离电抗器上下端部的位置，在绕制时，先在距离电抗器上∕下端部l处正（逆）绕两匝然后上∕下移Δl再逆（正）绕两匝线圈，将探测线圈的首尾抽出监测开口电压并做好绝缘处理。

具体的，探测线圈的绕制流程为：在干式空心电抗器周围用脚手架搭建作业平台；清洁电抗器外表面的硅胶层；用浸涂环氧树脂的玻璃带打底层 1～3 层；密绕圆铜线，绕制设计预定的匝数，然后固定出线端到星型臂一端；刷涂环氧树脂，浸润绕制的圆铜线；用浸涂环氧树脂的玻璃带密缠、包裹铝绕线组 2～3 层；涂刷 RTV 防护漆。

步骤2、在线采集数据信号并进行处理分析。

探测器采集自差分探测线圈的差分电压信号，并将采集的差分电压信号（此时为连续电压信号）转换为数字电压信号并传输至无线信号接收器，无线信号接收器接收到数字电压信号后传输出至集线交换器，集线交换器将数字电压信号传输出至上位机，由上位机的监测模块对数字电压信号进行处理分析以及阈值判断。

当电抗器处于正常工作状态时，差分电压近似为零，当出现故障时，电压信号特征是随机的单个脉冲或一系列相对集中的脉冲，反映在采样数据上，会形成高于正常数据波动的离差。基于离散随机过程的置信区间的t检验原理，对于随机过程，其数据波形的数字特征以标准差σ来表示，则数据离差大于3σ概率＜95%，大于5σ概率＜99%。据此，对信号处理后的结果进行分析判断。

具体的，所述数字电压信号为U _j ，探测器的采样频率为M个/s，计算数字电压信号的均值、随机误差及均值、标准差；

所述均值为：

所述随机误差为：

所述随机误差均值为：

所述标准差为：

一般情况下，采用的探测器的采样频率为5000个/s。

通过对采集的探测线圈的差分电压信号进行处理分析，计算出其均值、随机误差及均值、标准差等参数，进而对干式空心电抗器是否出现匝间短路故障进行判断。

步骤3、对电抗器匝间短路故障进行判定。

监测模块基于随机误差均值D进行分析，根据步骤2计算得出的标准差σ，得到电抗器正常工作状态下的最大概率的限阈，并据此对电抗器匝间短路故障进行判定：当D＜3σ时，则表明电抗器未出现匝间短路故障；当D≥3σ时，则表明电抗器出现了匝间短路故障。

当判定电抗器出现了匝间短路故障时，可进一步判定故障发生的位置，具体为：当3σ≤D＜5σ时，则表明电抗器发生了端部匝间短路故障；当D≥5σ时，则表明电抗器发生了中部匝间短路故障。

上述阈值范围是根据多次试验结果以及数学概率统计进行设定的。

当判定电抗器出现匝间短路故障时，集线交换器接收监测模块发出的命令，继而动作断路控制端子进行断路控制，从而保护电抗器。

具体的，在线监测系统搭建的具体实施过程为：取电CT高压自取电为探测器供电，探测器及其取电CT，悬挂安置固定在电抗器母线出线钢绞线上，具体方式为，将取电CT、探测器卡入电抗器出线母线钢绞线，通过预置硅橡胶和锁紧装置与钢绞线紧固连接；紧固星型臂和连接铜排螺丝、复原原有的安全设施；按照接插口设定连线，高压取电CT和探测器中的电源等电位连接；检查并紧固信号连接线、电源线、等电位连接线等；取电 CT 施加 100A电流，探测器电源的起动工作电流 100A，输出电压±24V。无线信号接收器额定功率 5W，通讯波段 2.4GHz，信号传输线采用 485 通讯协议规范电缆，电缆外部有阻燃性的 PVC 管。无线信号接收器及其供电电源均安装于断路器端子箱内。选择断路器的端子箱预留扩展位置，安装信号接收器；通过断路器的端子箱的侧面预留穿线孔引出接收天线，固定于配电柜外侧；通过断路器的端子箱的预留穿线孔接入电缆线，插接固定到信号接收器；通过电缆通道，将通讯电缆铺设引入到保护室集线交换器。集线交换器安装在电抗器保护室中，通讯电缆从无线信号接收器接入后，沿电缆通道铺设进入保护室内，通讯电缆直接接入集线交换器，集线交换器再通过通讯电缆接入上位机。

最后应说明的是，以上所述仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种干式空心电抗器匝间短路故障在线监测方法,其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1、搭建在线监测系统：

所述系统包括待测的干式空心电抗器，在所述电抗器的最外层上下端部绕制方向相反匝数相等的自差分探测线圈，所述探测线圈的两端连接一个用于采集信号的探测器，所述探测器连接有为其供电的取电CT ，在所述探测器一侧设定距离内设有无线信号接收器，所述无线信号接收器与集线交换器相连接，所述集线交换器与上位机相连接，所述上位机设有监测模块；

步骤2、在线采集数据信号并进行处理分析：

探测器采集探测线圈的差分电压信号，并将采集的差分电压信号转换为数字电压信号并传输至无线信号接收器，无线信号接收器接收到数字电压信号后传输出至集线交换器，集线交换器将数字电压信号传输出至上位机，由上位机的监测模块对数字电压信号进行处理分析以及阈值判断；

所述处理分析过程具体为：所述数字电压信号为U _j ，探测器的采样频率为M个/s，计算数字电压信号的均值、随机误差及均值、标准差；

所述均值为：

所述随机误差为：

所述随机误差均值为：

所述标准差为：

；

步骤3、对电抗器匝间短路故障进行判定：

监测模块基于随机误差均值D进行分析，根据步骤2计算得出的标准差σ，得到电抗器正常工作状态下的最大概率的限阈，并据此对电抗器匝间短路故障进行判断：当D＜3σ时，则表明电抗器未出现匝间短路故障；当D≥3σ时，则表明电抗器出现了匝间短路故障；

所述探测线圈的具体绕制方式为，采用螺线管结构的、在电抗器上下端部以相等匝数的正绕段和反绕段构成总长度为L的信号传输线型式；

相邻正绕段探测线圈或相邻反绕段探测线圈之间的间距为：

式中，S为探测线圈螺线管结构的截面积；L为探测线圈总长度；f为电磁干扰频率；t为脉冲干扰信号时间间隔；n为正绕段匝数；n*为反绕段匝数；

距离电抗器一侧端部最远的正绕段或反绕段探测线圈与电抗器该侧端部的距离为：

式中，h为电抗器的高度；r ₁为电抗器外径；r ₂为电抗器内径；

所述探测线圈的正绕段匝数与反绕段匝数均不少于2。

2.根据权利要求1所述的一种干式空心电抗器匝间短路故障在线监测方法,其特征在于，所述探测器与所述无线信号接收器之间的设定距离不超过50m。

3.根据权利要求1所述的一种干式空心电抗器匝间短路故障在线监测方法,其特征在于，所述集线交换器还连接有断路控制端子。

4.根据权利要求1所述的一种干式空心电抗器匝间短路故障在线监测方法,其特征在于，所述无线信号接收器与集线交换器、集线交换器与上位机均通过信号传输线相连接，所述信号传输线为485通讯协议规范电缆。

5.根据权利要求4所述的一种干式空心电抗器匝间短路故障在线监测方法,其特征在于，所述信号传输线的长度不超过500m。

6.根据权利要求1所述的一种干式空心电抗器匝间短路故障在线监测方法,其特征在于，当3σ≤D＜5σ时，则表明电抗器发生了端部匝间短路故障；当D≥5σ时，则表明电抗器发生了中部匝间短路故障。