干式空心電抗器故障監測方法

國網甘肅省電力公司隴南供電公司 茹秋實 成都工百利自動化設備有限公司 程加強

電力是經濟建設的先行官，是人民生活的必需品，也是國民經濟的重要支柱產業。隨著社會經濟的高速發展，電力已經涉及到生產制造、居民生活以及社會活動等方面，各行各業對電力的需求也在不斷增大。現今我國電力系統朝著大容量發電、特高壓以及遠距離輸電的方向邁進。然而隨著電力系統中不同用電設備類型的廣泛應用，常引起輸電電網出現無功功率的增加、高次諧波、工頻暫態過電壓等問題，對電力系統安全穩定運行和電能質量帶來了不可忽視的影響。因此需大量無功補償設備來改善電力系統中無功功率分布情況，從而保證電網的安全穩定運行。

作為感性元件，電抗器在電力系統中起到補償容性無功、抑制高次諧波、限制短路電流、保護電容器、提高電能質量等作用，是維持無功功率平衡、穩定穩態電壓的重要設備，廣泛應用于35kV及以上電壓等級變電站。

1 電抗器故障原因

隨著電力系統容量的不斷增加和跨區電網的快速發展，大容量干式空心并聯電抗器以其優越的線性特性和穩定的參數等特點，已納入各大區電網變電站設計標準中。干式空心電抗器經過長時間運行后，出現較多的故障是線圈匝間絕緣擊穿。線圈匝間絕緣擊穿大多由線圈受潮局部放電電弧、局部過熱、絕緣燒損等原因引起[1]。電抗器故障一般是兩方面原因:一方面是產品本身的缺陷（電抗器制造、電抗器設計）引起的，另一方面是環境或系統運行引起（沿面放電、溫升、漏磁、振動噪聲、操作過電壓、過負荷電壓）的。

1.1 電抗器本身的缺陷引起的故障

電抗器制造方面的問題。電抗器生產過程中對制造材料、制造工藝等把控不嚴,會使匝間絕緣強度達不到要求,導致設備運行中匝間絕緣劣化,最終引起絕緣擊穿；電抗器設計方面的問題。電抗器設計不當,運行時導線電流偏差較大,溫度分布不均,局部熱點溫度過高,引起絕緣損壞。為防范電抗器運行故障的發生,設計中應合理選擇電抗率、電密磁密、散熱面積,以及重視絕緣結構的設計等具體措施。

1.2 電抗器環境和系統引起的故障

1.2.1 沿面放電

電抗器在戶外大氣條件下運行一段時間后表面會有污物沉積，在大霧或雨天表面污層受潮導致表面泄漏電流增大、產生熱量。由于水分蒸發速度快慢不一、表面局部出現干區，引起局部表面電阻改變，電流在該中斷處形成局部電弧。隨著時間延長電弧將發生合并，形成沿面樹枝狀放電。而匝間短路是樹枝狀放電的進一步發展，即短路線匝中電流劇增，溫度升高使線匝絕緣損壞。

1.2.2 溫升

近年來隨著干式空心電抗器在電網中應用的增加，由其故障引起的事故也逐漸增多，其中由干溫度或溫升異常導致的電抗器燒損事故時有發生[2]。在一定溫度下,絕緣材料不產生熱損壞的時間稱為絕緣材料的使用壽命。電抗器在運行時溫度過高、加速聚酯薄膜老化，當引入線或橫面環氧開裂處雨水滲入后加速老化，會喪失機械強度，造成匝間短路引起著火燃燒。造成電抗器溫升原因有焊接質量問題，接線端子與繞組焊接處焊接電阻產生附加電阻而發熱。另外由于溫升的設計裕度很小，使設計值與國標規定的溫升限值很接近。除設計制造原因外，在運行時如電抗器的氣道被異物堵塞造成散熱不良，也會引起局部溫度過高引起著火。

在一定溫度下,絕緣材料不產生熱損壞的時間稱為絕緣材料的使用壽命。大型電抗器的電流在幾千安以上。這樣大的電流流過電抗器，即使電抗器的電阻很小(毫歐級)，功率也在千瓦以上。電器產品的損耗越大、運行中產生的熱量就越大，在一定的條件下，電抗器的損耗越大運行中產生的熱量就越大、溫升也就越高，而溫升增高會加速絕緣材料的老化，使其失去絕緣性能，從而也會縮短電抗器的使用壽命。這說明電抗器溫升的高低是保證其質量和使用壽命的重要指標。

1.2.3 漏磁

漏磁產生的原因及危害：在電抗器軸向位置有接地網，經向位置有設備、遮攔、構架等，都可能因金屬體構成閉環造成較嚴重的漏磁問題，對周圍環境造成較嚴重的影響，若在磁場范圍內有較大鐵磁物質，若有閉環回路如地網、金屬遮攔、構架等，其漏磁將感應環流達數百安培，這不僅增大損耗，更因其建立的反向磁場同電抗器的部分繞組耦合產生嚴重問題，如經向位置有閉環將使電抗器繞組過熱或局部過熱，如同變壓器二次側短路情況，如軸向位置有閉環將使電抗器的電流增大和電位分布改變，故漏磁問題并不能簡單地認為發熱或增加損耗。

1.2.4 振動噪聲

有時會遇到空心電抗器在投運后交流噪聲(基頻為100Hz)很大，并伴隨著有節奏的一陣陣的拍頻，地基發熱。這是因為空心電抗器運行的強大交變磁通，給周圍的鋼鐵構件尤其是基礎預埋件，帶來交變電磁力所引起的共振和渦流并發熱。這是基建設計安裝的根本問題，只能停運進行徹底改造。

1.2.5 斷路器操作過電壓

由于電抗器為感性負載,當斷路器在投切電抗器時會使線圈對地產生截流過電壓。感性負載側的電壓幅值和頻率都很高,會產生多次重燃過電壓，有可能給感性負載的絕緣帶來損壞。電抗器投切頻繁,開關設備關合次數過多,斷路器分閘引起的過電壓對電抗器匝間絕緣影響較大,進而影響電抗器使用壽命。

1.2.6 過負荷電壓下運行

國家電網公司《預防10kV～66kV干式電抗器事故措施》規定：電抗器的額定電壓要與安裝地點的電壓水平保持一致,嚴禁在額定電壓低于安裝點的電壓水平條件下運行,當運行電壓高于電抗器額定電壓時應采取降壓措施。同時應加強對電抗器巡視與測溫。電抗器如果長期運行在過負荷電壓條件下,再加上操作過電壓對電抗器造成累積損傷效應及系統電能質量的影響,使得設備絕緣劣化速度加劇,電抗器導線絕緣性能下降,從而導致絕緣層薄弱環節匝間短路。

2 電抗器故障監測方法

目前針對干式電抗器匝間短路問題有許多不同檢測方法，主要包括脈沖電壓法、煙感法、溫感法及探測線圈法等。脈沖電壓法是一種離線檢測方法，通過不少于7200次脈沖沖擊試驗將匝間絕緣故障徹底暴露出來，是一種破壞性的試驗，這種方法雖能有效檢測出電抗器匝間絕緣缺陷，但成本高、縮短了電抗器的使用壽命、降低了電抗器的使用效率；煙感法利用煙感探測器檢測電抗器過熱時產生的煙氣來達到檢測的目的，僅適用于干式電抗器，但由于電抗器一般應用于戶外，因故障而造成的煙氣擴散很快，濃度達不到一定閾值很難準確檢測到。

目前干式電抗器溫感法主要采用探點式無線溫度傳感器和光纖光柵傳感器，無線測溫傳感器抗干擾性能差、無法用于監測電抗器內部溫度，光柵傳感器尺寸大安裝不變、不適用于扎（層）間溫度監測，這兩類傳感器還都無法獲得完整的內部溫度場分布特性；油浸式電抗器可以內置溫度傳感器和油溫監測來發現異常，但靈敏度不足，而采用油色譜分析的效果較好；探測線圈檢測法通過監測匝間短路故障產生渦流造成的設備內部總磁通量變化發現故障，其存在以下缺陷：僅適用于干式空心電抗器。若電抗器內部發生匝間短路，因其故障匝數相對少、故磁通量不會產生顯著變化。若在電抗器橫軸附近發生故障，則兩側磁通量不會產生差值，故探測線圈檢測存在盲區。探測線圈的安裝可能會影響到電抗器的正常工作。

為及時發現和消除影響電抗器安全穩定運行的隱患，克服單一監測或保護手段的局限性，采用一種簡單、安全、性價比高的狀態監測方法（電流特征信息、阻抗特征信息、溫感特征信息、振動特征信息）。該方法能提取電抗器電流特征信息、阻抗特征信息以及物理特征信息（包括內部溫度場、振動特征信息），通過高頻采樣和小波分析技術獲取電抗器電氣暫態及機械振動特征信號；采用分布式光纖測溫技術為干式空心電抗器建立內部溫度場，采用紅外熱像技術獲取電抗器的表面溫度場；采用多維度狀態參數故障分析與預警技術，以及不同相、不同設備、不同類型電抗器在不同時期的橫、縱向對比分析等，及時發現電抗器特性異常變遷信息、發出預警信號，可為電抗器實現狀態檢修提供重要決策依據，降低運維成本、提高設備運行的穩定性。

2.1 電流特征信息監測

目前電抗器電流采樣采用多個電流互感器安裝于電抗器匯流排的方式，雖測量準確、精度高，但存在工程應用難度大、易產生電氣安全事故、成本高、難于推廣的問題。研究一種基于高頻電流采樣的電抗器電流波形分析方法，并采用小波分析技術有效提取電抗器故障電流突變量、特征量，提供電抗器特征分析可靠的數據支持，及時發現電抗器異常隱患，按月和年統計因電流判定電抗器異常的次數，給出聲光預警信號，提醒運維人員及時查看處理。

針對并聯電抗器，只需在進線處每相安裝一只高頻電流傳感就可實現電抗器的電流分析，成本低、工程實施簡單、數據可靠。若并聯電抗器進線具有保護CT，考慮保護CT頻率的動態響應范圍較大，也可直接應用小波分析對其進行數據分析，減少建設成本，但相對于高頻電流CT采樣精度略低；針對串聯電抗器，需在串聯電抗器首尾各加裝一只高頻電流傳感器，分析其波形特征變化，實現串聯電抗器的電流特征分析。

2.2 阻抗特征信息監測

電氣參數作為電力設備的基本特性能準確地反映設備的運行狀況。通過分析干式空心電抗器在不同工作狀態、不同位置發生故障前后電氣參數的變化規律，可以有效地對電抗器的工作狀態進行判斷。目前，用于干式空心電抗器故障診斷的電氣參數主要包括損耗、電感、阻抗、功角特性等，其中基于阻抗變化的故障監測方法應用廣泛。研究電抗器在不同工作條件及異常狀態下的阻抗變化特征，建立專家模型庫。通過采集母線PT電壓，并結合并聯電抗器的電流特征參數，實時在線監測獲取的電抗器阻抗變化，生成并聯電抗器阻抗特征分析結果，分析電抗器異常原因及損壞程度，按月和年統計因阻抗判定電抗器異常的次數，給出聲光預警信號，提醒運維人員及時查看處。

2.3 溫感特征信息監測

作為輸變電系統的重要組成部分，干式空心電抗器的溫度監測方式跟隨變電站經歷了由傳統到數字化，再到智能化的轉變。由于干式空心電抗器大多數的運行故障最終都表現為溫度或溫升的異常，因此，基于設備溫度監測的干式空心電抗器故障診斷是目前國內外學者研究的重點。熱點溫升和溫度場的分布情況是評估干式空心電抗器運行狀態的重要指標，針對電抗器電磁場強高、測溫難度大、無法監測到核心區域的溫度的問題，研究一種電抗器內部溫度場監測技術。

研究分布式光纖測溫在電抗器的應用，光纖分布于電抗器匝間、匯流排接觸點、電抗器內壁、電抗器頂端，獲取電抗器內部完整的溫度分布場，以及電抗器頂端空氣溫度，分析電抗器絕對溫度差以及相對溫度差，建立電抗器溫度場分布3D模型，從而分析電抗器的狀態信息，全面監測電抗器的溫度差分布，預防電抗器故障，尤其是匝間短路故障引起的燃燒事故。按月和年統計因溫度值判定電抗器異常的次數，給出聲光預警信號，提醒運維人員及時查看處理。

2.4 振動特征信息監測

研究電抗器振動特征分析技術，通過加裝振動傳感器，分析電抗器振動特征數據，提取振動特征指紋，為電抗器特性綜合分析提供多源的數據支持。按月和年統計因振動瞬時值判定電抗器異常的次數，給出聲光預警信號，提醒運維人員及時查看處理。

綜上，本文提出干式空心電抗器故障監測方法，該方法可有效為故障預警提供可靠保障，具有推廣價值。