基于法拉第磁光效應的干式空心電抗器在線電流監測系統

奚晶亮，張猛，夏之慧，王國金，孫國華，劉雪峰

(北京電力設備總廠有限公司，北京102401)

0 引言

隨著超高壓電網的快速建設和發展，干式空心電抗器以其線性度好、重量輕、機械強度高、噪音低以及維護方便等優點在變電站得到了廣泛的使用。近年來，干式空心電抗器多次出現損毀事故[1 - 5]，經統計分析表明，當干式空心電抗器出現匝間短路時，短路環在交變磁場的作用下迅速發熱，導致干式空心電抗器電絕緣性能下降并逐漸惡化，最終導致干式空心電抗器損毀。因此，在干式空心電抗器上加裝保護裝置，在匝間短路故障的早期階段發現并做出響應可以改善干式空心電抗器無保護運行現狀，降低因干式空心電抗器匝間短路事故帶來的損失。

針對干式空心電抗器匝間短路故障，國內外在干式空心電抗器運行狀態在線監測方面已經做了大量的研究。文獻[6 - 8]提出了一種磁場探測法，在電抗器端部加裝探測線圈，通過采集到的差分信號反映電抗器的磁場變化以監控電抗器的工作狀態。文獻[9 - 10]提出了一種光纖測溫法，在電抗器包封層內加裝分布式傳感光纖，通過測量包封內的溫度變化來判斷電抗器是否出現過熱性故障。文獻[11]提出了一種功率因數角測量法，通過監測電抗器的功率因數變化來監測電抗器的工作狀態。文獻[12 - 14]提出了一種阻抗測量法，通過監測電抗器的阻抗變化量來監控電抗器的工作狀態。文獻[15]提出了一種電流監測法，通過在電抗器繞組導線上加裝電流傳感器監測電抗器各個包封層的電流分布情況，從而判斷電抗器整體的工作狀態。上述文獻為干式空心電抗器在線監測的發展進行了大量的研究和嘗試，奠定了理論基礎。但仍存在無法定位發生匝間短路故障的包封層和受電抗器磁場影響而造成的監測精度低等問題。

本文針對干式空心電抗器匝間短路故障無法快速識別導致發生事故的問題，采用理論、仿真與試驗相結合的方式，研究基于法拉第磁光效應的干式空心電抗器在線電流監測系統，開展了干式空心電抗器樣機的電流分布測試，驗證了干式空心電抗器在線電流監測系統在電抗器發生匝間短路故障工況下的監測效果，為實際掛網運行提供了一定的經驗。

1 在線電流監測系統工作原理

干式空心電抗器漏磁較大，一般的測量設備受磁場影響較大，無法正常工作，本文擬采用基于法拉第磁光效應的光纖電流傳感器對電抗器各包封層的電流分布進行在線監測。文獻[16]指出了法拉第磁光效應的基本原理是如果沿光軸方向存在磁場，則使沿光軸方向傳播的線偏振光的振動面會發生旋轉。結合干式空心電抗器磁場分布特點，本文提到的光纖電流傳感器不受傳感器外部磁場大小的影響。

由于干式空心電抗器繞組導線較細，而光纖曲率半徑較大。因此，光纖無法纏繞到各包封層導線上。結合干式空心電抗器結構特征，在匯流排上布置監測點可達到監測包封層電流分布狀態的目的，無需在繞組導線上加裝傳感器。本文選用的光纖電流傳感器采用特殊螺旋高雙折射保橢圓偏振光纖，測量精度可達到0.2級，靈敏度可達到0.1 A。該傳感器信號通過與電抗器支撐絕緣子相同絕緣水平的光纖絕緣子傳輸，不影響電抗器絕緣水平。

基于法拉第磁光效應的干式空心電抗器在線電流監測系統通過在電抗器匯流排上布置的光纖電流傳感器[17]，測量流經匯流排的電流磁場引起的光纖中傳播光的相位變化，經過信號處理單元信號調制解調得到被測匯流排上流過的電流值，再傳輸至上位機顯示出電流波形，同時保存數據。整個工作過程采用光信號傳輸數據，不受電抗器磁場影響，工作過程示意圖如圖1所示。

由于電抗器每個包封層的繞組導線出頭焊接在不同的匯流排上(見圖1)，當某個包封層的電流分布發生變化時，流過匯流排的電流也會隨之發生變化。因此，在每一個有導線焊接的匯流排上布置監測點，可以同時監測所有包封層的電流分布情況。當流過包封層的電流分布由于匝間短路故障發生變化時，通過在線電流監測系統在匯流排上設置的電流監測點可以定位到具體的故障包封層。

圖1 系統工作過程示意圖Fig.1 Schematic diagram of system working process

2 發生匝間短路時的電流分布有限元解析

電抗器發生匝間短路故障是一個動態的物理過程[18 - 19]，當電抗器匝間絕緣發生故障時，電抗器各個包封層的電流分布也隨之發生變化，對電抗器實施在線電流監測，在匝間短路故障早期及時發現電抗器電流分布的異常問題。同時，通過數據分析及后處理，定位干式空心電抗器故障包封層，避免故障進一步惡化。

2.1 電抗器基本參數

選定的試品電抗器為6個包封層結構，電氣參數和結構參數如表1和表2所示。

表1 電抗器額定電氣參數Tab.1 Rated electrical parameters of reactor

表2 電抗器結構參數Tab.2 Structure parameters of reactor

2.2 電抗器匝間短路數學模型

干式空心電抗器由多個繞組包封層并聯組成，每個繞組包封層支路有直流電阻、自感和互感。與正常情況的電路模型相比，當電抗器第n個包封層發生匝間短路故障時，第n層繞組包封層被分為兩段串聯繞組，而且電路中增加了一個閉合回路，此閉合回路也有直流電阻Rn+1和電感Ln+1，同時還存在互感Mi,n+1與其他并聯繞組包封層發生聯系，此時各支路組成的方程組如式(1)所示。

(1)

式中：Ri為各包封層的直流電阻；Li為各包封層的自感；Mi,j為各包封層之間的互感；Ij為流過各包封層的電流；U為電抗器的端電壓。

2.3 電抗器匝間短路仿真模型

采用ANSOFT Maxwell仿真軟件，根據電抗器匝間短路數學模型以及電抗器基本結構參數，建立有限元仿真計算模型(模型如圖2所示)，模擬電抗器匝間短路的動態過程[20]。

圖2 干式空心電抗器有限元模型Fig.2 Finite element model of dry-type air-core reactor

圖2中I1為電抗器兩端的電流源，L1—L6為電抗器1—6層繞組的電感，R1—R6為1—6層的電阻，L7為模擬電抗器最外層出現單匝匝間短路故障時短路環的電感，R7為短路環電阻。通過受控開關S_7來控制電抗器在正常運行一段時間后，最外層出現單匝匝間短路故障的暫態過程。其中，Model1為S_7的開關模型。

在電抗器外表面加繞線圈模擬電抗器匝間短路故障[21]，有限元模型中每層線圈與電路模型中對應的線圈相耦合，各層線圈并聯后，施加電流源作為激勵，對電抗器匝間短路進行模擬仿真分析。當電抗器發生匝間短路時，各層繞組及短路環之間的自感和互感將重新進行分配，采用Ansoft外部電路編輯器，將短路后的各層繞組及短路環的繞組通過端口與外部電路進行磁場-電路耦合計算。由于有限元模型空氣域為無窮大，故將求解域的邊界設置為氣球邊界條件進行邊界加載。

2.4 仿真結果及分析

以激勵電流為500 A為例，當受控開關S_7合上時，最外層出現單匝匝間短路故障，受匝間短路故障影響，匝間短路故障出現時刻點前后各包封層的電流分布發生了變化，波形圖如圖3所示，電流分布如表3所示。

圖3 干式空心電抗器匝間短路故障的暫態過程Fig.3 Transient process of turn-to-turn short circuit fault of dry-type air-core reactor

表3 電流分布仿真解析結果Tab.3 Current distribution simulation analysis results

由仿真計算結果可知，出現匝間短路故障的包封層電流分布變化最大，相鄰包封層次之，距離匝間短路故障層越遠的包封層，其電流分布變化越不明顯。

3 實驗驗證與結果分析

3.1 試驗平臺

在試品電抗器最外包封層設置短路環，通過接觸器開關的分合閘，模擬第6包封層突然出現的匝間短路故障。在各包封層導線焊頭所在匯流排上加裝光纖電流傳感器，監測流過匯流排的電流。試驗回路如圖4所示，試驗平臺如圖5所示。

圖4 干式空心電抗器電流分布試驗回路Fig.4 Current distribution test circuit of dry-type air-core reactor

1-試品電抗器；2-接觸器開關；3-光纖電流傳感器；4-計算機；5-信號采集處理單元。圖5 匝間短路試驗平臺Fig.5 Turn-to-turn short-circuittest platform

試驗開始前，接觸器開關處于分閘位置，試品電抗器處于正常工作狀態。當接觸器開關合閘時，在試品電抗器外表面加裝的導線形成金屬閉合回路，以此模擬電抗器最外包封層出現匝間短路故障，通過設置在匯流排上的光纖電流傳感器，測量接觸器開關合閘時刻前后的電流分布變化。

3.2 試驗結果及分析

當匝間短路故障出現時，不同試驗電流下故障時刻點前后電流分布變化如表4所示。500 A試驗電流下匝間短路故障引起的第6包封層電流分布變化波形如圖6所示。

由表4可知，在模擬第6包封層出現匝間短路故障時，在不同的試驗電流下，第6包封層電流增大了約26%，電流變化最大，主要原因是第6包封層出現的短路環在磁場作用下產生與原繞組電流方向相反的感應電流，由此產生與原電抗器磁場方向相反的磁場。距離發生匝間短路故障越近的包封層磁場抵消越多，包封層之間的互感越小，由于電抗器端電壓是定值，所以電流越大。通過表3與表4數據對比可知，試驗結果與仿真計算得出的電抗器匝間短路故障的暫態過程一致。

表4 電流分布試驗結果Tab.4 Current distribution test results

圖6 匝間短路故障引起的電流變化Fig.6 Current changes caused by turn-to-turn short circuit fault

同理，當電抗器其他包封層出現匝間短路故障時，故障包封層的電流變化較大，非故障層的電流變化較小。

在時效方面，該在線電流監測系統在20 ms(圖中20～40 ms時間段)時間內監測到各個包封層的電流分布變化。考慮到電力系統波動和監測軟件采集誤差導致出現某個跳點數據的情況，系統設置“采三取二”原則：在60 ms內每20 ms采集一組數據，當出現兩組數據增大的情況，判斷電抗器出現匝間短路故障，向上位機報警。

4 結論

本文提出了一個干式空心電抗器在線電流監測的方案，給出了方案的理論基礎(法拉第磁光效應)和應用創新(在匯流排上布置監測實現3個周波內確定故障)，結合仿真與試驗驗證，證明本方案的有效性。方案的特點如下。

1)數據傳輸采用光信號，可有效避免空心電抗器高強磁場對信號傳輸的影響；

2)通過監測匯流排電流可在3個周波(0.06 s)內檢測確定匝間故障，避免事故擴大；

3)通過數據分析后處理，可以定位干式空心電抗器故障包封層。