干式空心電抗器匝間短路在線監測方法研究

南方電網玉溪供電局 羅康順 王庸道 史玉清 何鵬 張學敏

0 引言

在電力系統中，電抗器能夠對無功功率進行補償，對短路電流起到限制作用以及濾除高次諧波，是電力系統的重要電力設備之一。干式空心電抗器具有起始電壓分布均勻、線性度好、損耗小、噪聲低、安裝方便、維護簡單等優點，因此，從20世紀80年代開始，國內就開始使用進口干式空心電抗器，1990年左右國內廠家也陸續研制出國產的干式空心電抗器產品。

鑒于干式空心電抗器匝間短路故障的高發性和危害性，90年代左右國內外就開展了針對電抗器匝間短路故障的研究。與相同電壓等級的其他設備相比較，其出現故障的概率遠遠高出，并且60%以上的故障是由于匝間短路所導致的。一般的電抗器保護措施對于匝間短路故障存在靈敏度低等問題，因此探究一種靈敏度較高的空心電抗器匝間短路故障監測方法，在電抗器發生匝間短路故障初期及時報警、及時從系統中切除十分必要。

1 電抗器匝間短路動態物理過程分析

干式空心電抗器從正常工作到匝間短路故障形成可分為三個階段：正常工作期、匝間短路故障早期以及匝間短路故障期。

在正常工作期，電抗器每層線圈匝與匝之間為串聯連接，電流同向，如圖1(a)所示，第k匝與第k+1匝中的電流方向相同。根據安培力定律，匝與匝呈相互吸引狀態[1]，良好的匝間絕緣保障匝間不會出現匝間短路故障。

當匝間絕緣出現破損的時候，在電磁力的作用下，絕緣破損處的金屬導線將會發生相互接觸，進而形成短路環，由電磁感應定律不難得出，短路環中會產生與原線圈電流方向相反且幅值遠大于原線圈電流的感應電流，如圖1(b)所示。發生匝間短路后，第k匝成為短路環，此時，電磁力作用會使短路環與其相鄰線匝相互排斥。因此，在匝間短路最初，短路點處的相鄰線匝會出現碰撞、分離的重復過程，稱之為匝間短路故障早期。

相鄰匝觸碰時形成的短路環中感應電流會使短路點附近出現局部高溫，致使匝間絕緣損傷加重，一般情況下該過程會持續相當長的一段時間。隨著故障的惡化，短路點形成和分離的頻次逐漸增加，最終金屬導線熔化黏結到一起，此時進入匝間短路故障期，形成穩定的短路環，其中的感應大電流持續產生熱量，加速絕緣老化，致使匝間短路范圍迅速擴大，乃至燒毀電抗器。

圖1 干式空心電抗器的線圈匝電流

2 匝間短路下干式空心電抗器的模型

綜合分析各種研究，不難得出這樣的結論，引起干式電抗器事故的主要因素，是匝間短路。為了實現對干式空心電抗器匝間短路狀態的在線監測，需對其匝間故障狀態下的電氣參數進行分析。

在工頻電壓下，干式空心并聯電抗器可以由各線圈的自感、互感和導線電阻等效。干式空心并聯電抗器為多包封多層線圈并繞結構，以層為單位，建立的等值電路如圖2所示。干式空心電抗器匝間絕緣在高場、高溫的作用下會發生絕緣老化，隨著匝間絕緣的老化，線圈內部會形成短路環，這里稱為匝間短路故障[2]。由此可見，干式空心電抗器在發生匝間絕緣老化時，故障層線圈可以分成兩部分：短路匝構成第n+1個支路，剩余匝構成第i個支路。

圖2 干式空心并聯電抗器等值電路

3 匝間短路電抗器阻抗變化量

等效電路與解析方法：干式空心電抗器是若干支路并聯的組合，各支路有直流電阻、自感和互感。假設N層并聯線圈的第 層發生匝間絕緣故障，在該處匝間絕緣故障還沒有將第m層繞組燒斷以前，其電路模型如圖3所示[3]。

圖3 干式空心電抗器匝間短路故障的等效電路

與正常情況的計算模型相比，除了第 層匝數減少并分為兩段串聯繞組外，電路上還增加了一個由電阻RN+1和電感LN+1形成的閉合回路，此閉合回路通過互感Mi,N+1與其他各并聯電感發生聯系。各支路電壓組成的電壓方程組如下：

式(1)和式(2)化為n+1個方程的方程組，有n+1個電流變量，利用Matlab軟件可以求解出干式空心電抗器外施電壓為時，電抗器各支路電流將各個支路的電流代數求和，可以得到流經電抗器的整體電流根據歐姆定律可以得出等值電阻R與等值電抗x。

4 匝間短路監測的原理

從磁場的角度著手研究干式空心電抗器匝間短路故障在線監測方法。首先，對干式空心電抗器匝間短路故障后磁場進行研究，觀察分析其分布的變化特性，并研究磁場的監測方法，然后在數據采集設備從實驗模型上采集真實監測信號的基礎上，分析監測信號的基本特性，并建立監測信號的數學模型，最后對監測信號的處理方法進行研究探討。干式空心電抗器發生匝間短路故障后，電抗器產生的磁場較正常狀態會發生變化，如圖4所示。

圖4 正常態和故障態下干式空心電抗器的磁場分布

圖4中(a)、(b)分別表示在橫縱坐標系下，同一個通電線圈正常狀態和匝間短路狀態下磁場的分布情況。正常狀態下，線圈的磁場分布關于橫軸對稱[4]，如圖4(a)所示。發生匝間短路故障時，磁場分布關于橫軸不再對稱，即磁場分布發生畸變，如圖4(b)所示。

磁場發生畸變的原因在于匝間短路狀態下，短路環反向電流產生的磁場會削弱原有的磁場，匝間短路故障使干式空心電抗器磁場分布出現了關于橫軸不對稱的現象。因此，判斷干式空心電抗器是否發生匝間短路故障的問題就轉化為判斷電抗器磁場在空間上分布是否對稱的問題，磁場測量方法是判斷磁場空間分布是否對稱的關鍵。

要測量磁場，首先是要選擇磁敏元件[5]，然后用一定的數學關系將磁場信號轉換為電信號（如電壓），最后通過儀器顯示出來。

5 結語

文中對電抗器匝間短路動態物理過程、匝間短路下干式空心電抗器的模型、匝間短路電抗器阻抗變化量、匝間短路監測的原理進行分析，為干式空心電抗器匝間短路在線檢測系統的實現提供實際依據。