干式電抗器匝間絕緣狀態監測技術綜述

聞一鳴， 杜怡君， 周 軍， 鄧 禹

（中國電力科學研究院有限公司 電網環境保護國家重點實驗室，北京 100192）

0 引 言

干式電抗器具有損耗小、參數穩定、維護簡單等優點，在電力系統中的應用越來越廣泛。干式電抗器作為無功補償設備的組成部分，常工作于室外。對于運行環境復雜的地區，干式電抗器在多應力作用下可能會發生起火、短路等故障[1]。相關研究表明，干式電抗器的故障中由匝間短路導致的故障大約占70%[2]。

為了監測匝間故障，研究者們開展了大量研究，S SARKAR 等[3]利用示波器觀察電磁繞組的電壓波形來實現對發電機轉子匝間短路故障的判斷。田應富[4]介紹了干式電抗器故障監測的3種方法，經過分析對比，在電氣量監測法、煙感監測法、溫感監測法中選擇溫感監測法作為匝間短路故障的監測方法。薛建之[5]提出了一種新方法——采用特高頻對干式電抗器匝間的局部放電進行監測。凌云等[6]在此基礎上，提出以磁場變化為監測對象的新方法。該方法采用設置于電抗器端部的等電位自差分結構探測線圈感應電壓來反映電抗器的磁場變化，并通過采樣數據中心移動均值算法實時擬合電抗器的工作波形，把采樣數據和工作波形的離差作為隨機過程的監測對象，采用置信區間t檢驗模型實時識別匝間短路故障信號。這些文獻對于干式電抗器匝間故障監測技術的進展與不足進行了深入總結分析，清晰地綜述了目前的研究方法已經取得的研究成果以及未來的發展方向，但缺少基于不同理論的在線監測研究技術的最新研究進展。

在線監測技術具有實時性好、可靠性高的特點，根據電力系統安全穩定運行的需求，基于不同理論的在線監測技術正在迅速發展。ZHENG L等[7]提出了一種基于改進卡爾曼濾波器的故障在線監測技術，通過對卡爾曼算法的優化與改進，再對干式電抗器已有的在線監測方法進行優化改進，極大地減小了誤差。ZHU L Y 等[8]提出了一種干式空心濾波電抗器匝間短路故障帶電監測方法。該方法通過監測電抗器表面振動分布特性的變化來確定和定位匝間短路故障。結果表明該方法能有效定位電抗器匝間短路故障，且短路故障對各頻率的振動信號影響明顯。

本文簡要分析干式電抗器匝間故障的原理，在此基礎上主要綜述近年來在線監測技術的新發展，并簡要介紹相對成熟的離線監測技術的發展狀況，最后從目前存在的問題入手討論干式電抗器匝間短路故障監測技術未來的研究方向。

1 匝間絕緣故障

1.1 干式電抗器匝間絕緣故障原因

干式電抗器匝間短路故障產生的原因可分為以下3類：

（1）生產制造工藝缺陷

干式電抗器在制造過程中，由于存在纏繞工序，作為導線的鋁線表面可能存在毛刺、雜質等污染物，這些微小的污染物可能會導致干式電抗器在運行過程中產生局部放電，進而導致干式電抗器發生匝間短路故障[9]。

（2）工作環境條件惡劣

對于長期工作在高溫、高濕、高海拔環境下的干式電抗器，由于其絕緣性能劣化的程度與時間成正比，工作時間越長，干式電抗器絕緣性能劣化的程度越大，嚴重時甚至會導致放電通道形成，最終產生局部放電[10]。

（3）在線監測方法不足

在對干式電抗器自身絕緣缺陷以及發生的故障進行監測時，主要的監測方法可分為在線監測、離線監測以及外觀監測（直接監測干式電抗器外觀變化）等[11]，其中外觀監測相對主觀并且不能實時反映故障；離線監測雖然可以有效地識別匝間短路故障，但是需要停電操作，過程較為復雜；在線監測具有實時性，但目前在線監測手段較少，導致匝間故障不能及時、快速地被發現，影響干式電抗器的正常運行。

因此，針對干式電抗器匝間短路故障，研究電抗器匝間絕緣狀態的監測技術是非常重要的。

1.2 匝間短路故障原理

通過對干式電抗器在實際運行中的故障進行分析，發現產生故障的主要原因是匝間絕緣損壞[12]。高曉東等[13]對一起35 kV 干式電抗器著火故障進行分析，通過對故障電抗器外觀檢查以及返廠解體后測試，最終確定發生故障的原因是導線絕緣損壞導致匝間絕緣失效。張晗等[14]對南方電網某500 kV變電站內的一起電抗器燒毀故障進行分析，發現引起電抗器故障的直接因素是匝間短路[15]。

干式電抗器正常運行時，容抗遠大于感抗，此時等值電容相當于開路，即干式電抗器線圈可等效于等值電阻與等值電感串聯。干式電抗器正常運行的等效電路如圖1所示。

圖1 干式電抗器正常運行等效電路Fig.1 Equivalent circuit of dry reactor during normal operation

干式電抗器發生匝間短路時，繞組線圈中相鄰的兩匝線圈短接，進而發展成為短路環，如圖2 所示[16]。形成短路環后，根據電磁感應原理，短路電流遠高于正常運行時的電流，導致故障區域溫度異常升高，最終導致起火等故障。

圖2 匝間短路故障電路模型Fig.2 Interturn short circuit fault circuit model

2 匝間絕緣監測技術

2.1 離線監測法

2.1.1 高頻脈沖振蕩電壓法

高頻脈沖振蕩電壓法是通過向電抗器施加特定頻率的電壓波形，分析流經電抗器的電流來評估電抗器的狀態。高頻脈沖振蕩電壓法的原理圖如圖3所示[17]。

圖3 高頻脈沖振蕩電壓法原理圖Fig.3 Schematic diagram of high-frequency pulse oscillation voltage method

高頻脈沖振蕩電壓法通過電容C、電抗器的等效電阻R、電抗器的等效電感L三者形成阻尼振蕩，通過單向二極管SS、功率二極管MOSFET控制電流單向導通，若電抗器匝間發生短路故障，等效于線圈匝數變少，等效電感減小，則阻尼振蕩的頻率發生變化。此時，匝間短路所形成的短路環中的短路電流會導致損耗增加，故諧振電路的電壓、電流減小。通過對試驗電壓下電抗器兩端的電壓波形與額定電壓下的正常波形進行對比，就可以判斷電抗器是否存在絕緣缺陷，即可進一步判斷是否會發生短路故障[17]。

F H KIERSTEAD 等[18-19]為了研究電抗器在有無并聯電阻時的不同電流波形情況，采用高壓脈沖發生器對電抗器進行過電壓試驗。駱曉龍等[20]通過電路模擬計算，驗證了脈沖電壓法用于判斷電抗器匝間短路故障的有效性。M M A SALAMA[21]仿真得到計算脈沖電壓及穩態電壓響應所必要的電路元件的等效表示。結果表明仿真結果與計算所得的脈沖電壓分布一致，驗證了脈沖電壓法的有效性。

宋喜平[22]在上述高頻脈沖振蕩電壓法的基礎上提出了一種脈沖振蕩電壓發生裝置，研究電抗器匝間絕緣缺陷在脈沖振蕩電壓下的破壞特性。結果表明局部放電導致的匝間絕緣破壞是其擊穿電壓下降的主要原因。

滕昕穎等[23]利用脈沖電壓法檢測干式空心電抗器的匝間絕緣情況，通過計算出干式空心電抗器的電阻、電感參數，建立了試驗電路。利用PSpice 軟件分別仿真了故障點出現在電抗器端部和中部時的情況并搭建了試驗電路。結果表明用脈沖電壓法并比較電抗器線圈兩端的電壓或流過線圈的電流波形變化來檢查干式空心電抗器的匝間絕緣故障是可行的。

2.1.2 電容電感測量法

電容電感測量法是通過電橋對干式電抗器的直流電阻進行測量，根據Q/GDW 452—2010 及Q/GDW 599—2011 相關規定[24-25]，當測得干式電抗器的直流電阻相間差值超過2%，或與歷年測得的數據誤差超過2%；或電抗測量初值差不超過±5%或者相間差超過2%時，通過判斷線圈電阻和電感的變化，即可初步對繞組的電氣性能進行評估。即三相直流電阻不平衡或者測得的結果與歷年測得的數據相差較大時應進行進一步檢查。

2.1.3 其他方法

離線監測法還包括瓷瓶探傷法、接地導通測試法、涂料憎水性試驗等。瓷瓶探傷法是通過超聲波原理監測干式電抗器的絕緣子是否存在絕緣性能的損壞；接地導通測試法即測試干式電抗器的每相支柱絕緣子接地是否符合要求，且下部支撐架或接地線能否形成金屬閉合環路；涂料憎水性試驗是通過在電抗器表面噴水，直接目測包封表面是否存在浸潤現象。上述3 種方法相對直觀，是針對干式電抗器絕緣子、包封材料而提出的監測方法。

離線監測法可以用于電抗器的預防性試驗，也可用于電抗器已損壞時的情形。表1為離線監測法對比分析。從表1 可以看出，離線監測法可以直觀反映電抗器故障，并可以可靠、有效、準確地監測干式電抗器匝間絕緣的故障情況，但運行成本過高，時效性相對較差。

表1 離線監測技術對比分析Tab.1 Comparative analysis of offline monitoring technology

2.2 在線監測法

2.2.1 溫度監測法

如前文所述，干式電抗器發生匝間短路后，在故障處形成短路環，短路環一旦形成，短路電流會遠大于正常運行時的電流，故障處的溫度急劇升高。因此，可以通過監測溫度變化進行匝間絕緣狀態的監測。

為了從溫度場出發研究干式電抗器產生匝間故障的原因，于群英等[26]構建了基于溫度場的三維仿真模型，設定模型參數后，經仿真得到干式電抗器的溫度場分布特性、運行電壓不同時的包封平均溫升曲線及最大溫升曲線，以及溫度場不同時的包封熱應力分布特性，為溫度監測結果提供了一定的理論分析基礎。李心達等[27]研究了考慮空氣流速時的溫度場，通過對溫度場的分析，得到電抗器的流體場、溫度場分布特性。文獻[26]與[27]得到的結論一致，可作為溫度場仿真分析的理論基礎。

（1）光纖溫度監測法

以干式電抗器溫度變化為監測對象時，通常是通過各類不同的傳感器監測溫度的變化。光纖溫度監測法就是通過安裝在外部的光纖傳感器或埋入式光纖傳感器監測由于匝間故障引起的電抗器溫度變化。光纖傳感器結構如圖4 所示，光纖傳感器采用耐腐蝕抗老化性能好的聚四氟乙烯材料作為封裝材料，通過環氧樹脂膠固定光纖與封裝材料，其中光纖光柵傳感器與光纖兼容性良好，可通過光柵等隨溫度的變化而產生的“波長移位”等現象作為原理，監測干式電抗器的匝間故障。

圖4 Bragg光纖傳感器結構圖Fig.4 The structure diagram of optical Bragg fiber sensor

為了給基于光纖分布式傳感的電抗器溫度監測提供理論依據，樊明月[28]通過數值模擬的方法，經過有限元仿真得到電抗器正常及發生匝間短路后的電磁場和溫度場的數據。在此基礎上，通過對不同的環境溫度、氣道寬度等建立不同的有限元仿真模型，分析這些因素對電抗器溫度變化的影響，得到綜合上述因素的溫度監測方案，最終基于此方案提出了干式電抗器光纖傳感監測法的預警時間和光纖敷設的方法，并運用到實際運行中對電抗器進行檢驗，驗證了此種方法的有效性。

在此基礎上，李贏等[29]通過設計分布式光纖傳感器對電抗器的匝間故障進行定位。然后基于傳熱學和流體力學理論，利用流體-溫度場耦合仿真分析電抗器溫度場分布，并在此基礎上提出一種基于分布式光纖的干式電抗器溫升監測方法。同時，提出一種分布式光纖的環狀式布局方法，通過此種方法達到故障定位的目的。但是，這種方法測量的是氣道的溫度，而非繞組的溫度，因此結果具有一定的偏差。

與上述分布式光纖不同的是，周延輝等[30]設計了圖5 所示埋入式的光纖光柵溫度傳感器，克服了以往傳感器只能貼在電抗器表面的缺點，將此傳感器埋入干式電抗器的內部包封表面來測量溫度變化，能夠較好地實現溫度的實時監測。

圖5 埋入式光纖傳感器安裝位置圖Fig.5 The installation location of embedded optical fiber sensor

綜上，Bragg 光纖光柵被廣泛運用于電抗器的溫度監測[31-32]。光纖傳感器測溫具有不受電磁干擾、耐高溫、靈敏度高等優點，但是由于光纖測溫的造價高，因此不易運用到實際工程中。

（2）紅外測溫法

紅外測溫技術是通過安裝在包封外表面的紅外傳感器捕捉紅外輻射實現對溫度變化的監測。姜志鵬等[33]通過對干式電抗器的溫度場進行理論分析與仿真計算，為紅外監測技術提供了理論依據。

覃紹先等[34]通過設計由紅外熱像儀、支架、載重云臺以及控制單元組成的干式電抗器紅外監測裝置，進而實現電抗器故障處異常溫升的可視化監測，從而實現對溫度變化的實時監測。但在工程實際應用的過程中，發現存在造價過高的問題，并且投入實際運行后，對故障發生點的溫度監測相對來說較難實現。

基于上述溫度場理論基礎，有曉宇等[35]利用Fluent仿真計算電抗器正常運行狀態的溫度場以及故障后的溫度場，并分析不同情況下各個包封的不同溫度分布，然后通過紅外測溫技術進行了實際驗證。吳冬文[36]提出了非接觸式遠紅外在線測量并通過紅外成像儀測溫方法對某35 kV 干式電抗器進行溫度監測。非接觸式遠紅外在線測量方法通過探頭實現溫度A/D 轉化，信號通過無線傳輸的方式傳輸至接受單元，進而實現數據的實時監測。

紅外測溫法具有可靠性高、實用性高以及安裝便利等優點，但是由于常用的溫度傳感器一般安裝在包封表面，只能反映局部溫升，較難反應整體溫升，因此紅外測溫法的靈敏度不夠高，并不能及時地反映故障的發生[37-38]。

2.2.2 磁場監測法

電抗器發生局部放電時，匝間短路初期為小面積的局部放電，隨著故障時間的延長，絕緣層逐漸被破壞，最終形成大面積的局部放電，造成匝間短路故障，這個過程中往往伴隨電磁輻射、超聲波等現象[39]。磁場監測法即通過傳感器探測匝間短路時故障處周圍磁場的變化，從而判斷匝間短路故障[40]。

為了解決以往方法靈敏度不高以及不準確的問題，鄭宗安[41]提出了一種基于磁場探測法的匝間短路故障監測方法。當存在匝間故障時，首先在電路結構上對電感參數造成影響，進而使得電抗器中的電流及電壓參數發生變化，最后表現為故障對空間磁場分布參數的影響。該方法先通過滑動均值平滑采樣數據，再根據誤差限閾控制模型來判斷是否發生匝間故障，實現電抗器匝間短路故障在初期和發展期的在線監控和及時準確地故障預警。隨后，通過工程實際運用，將所得數據與傳統方法所得數據進行對比，驗證了該方法的工程實用性。

宋晗等[42]為了研究匝間軸向、徑向的磁場分布規律，設定了“輕、中、重”3 種程度的匝間短路故障，以軸向、徑向上某點的磁感應強度變化作為因變量，分別與故障程度、故障位置擬合得到監測函數，最終通過故障的算例分析驗證了擬合故障監測函數的有效性。經過仿真分析得到控制相對高度一致時某點的故障程度監測函數擬合曲線和控制故障程度一致時的故障相對高度監測函數擬合曲線，分別如圖6和圖7所示。

圖6 故障程度監測函數擬合曲線Fig.6 Fault degree monitoring function fitting curve

圖7 故障相對高度監測函數擬合曲線Fig.7 Fault relative height mornitoring function fitting curve

從圖6 和圖7 可以看出，當發生匝間短路的相對高度一致時，磁感應強度的變化量與故障程度成正比。當故障程度一致時，故障發生在中部位置時磁感應強度變化最大，故障發生在上部位置或下部位置時磁感應強度變化相對較小[42]。所得的結果與通過故障算例驗證的結果誤差很小，說明所擬合的故障監測函數是有效的。

計算磁場時，對于線圈間的互感，J T CONWAY等[43]對于具有平行軸的一般非同軸薄圓形線圈以及橢圓形線圈間的互感，提出了解決方案：薄圓形線圈的解通過橢圓積分表達式的角積分表達。而對于磁場產生的環流，趙海翔[44]分析了空間閉合環路受電抗器磁場影響所產生的環流，并通過現場試驗驗證了計算的結果。BAO X H 等[45]分析了磁屏蔽的渦流損耗，并針對多層屏蔽的總渦流損耗采取多種不同組不同層之間組合來計算。

綜上所述，通過磁場信號監測電抗器匝間短路故障的原理相對簡單，測量平臺也較易搭建，但磁場監測法最大的缺點在于很容易受到其他空間磁場信號的干擾，對結果造成很大影響，因此，采用磁場監測法時就需要靈敏度很高的傳感系統。

2.2.3 電氣參數監測法

電氣參數監測法是利用故障前后電抗器自身電氣參數如電流、電壓、阻抗等變化作為監測對象以判斷電抗器匝間是否發生故障[46-48]。

尹睿涵等[49]從功率因數的角度考慮問題，通過基本電磁場理論分析了正常工作以及發生匝間短路故障時電抗器功率因數的變化情況。通過ANSYS Maxwell建立了有限元模型對所得結論進行仿真驗證，驗證了通過功率因數法監測匝間短路故障在實際運行中的可行性。

趙春明等[47]在不同類型和不同位置匝間短路故障下，分析總電流和功率因數的變化量。結果表明由于電抗器內部形成環流，不同故障類型下功率因數的變化量會遠大于總電流變化量，因此選擇功率因數變化量作為判斷對象更容易判別匝間短路故障。不同股匝間短路故障發生在最內層繞組中部時，功率因數變化量最小；相同股匝間短路故障發生在最內層繞組端部時，功率因數變化量最小。總的來說，在判別不同故障時可以計算這兩個數值，并以它們為最小變化量作為兩種類型匝間短路故障的判據。

2.2.4 頻率響應分析法

作為繞組間設備監測的一種常用方法，頻率響應分析法由E P DICK 等[50]于1978 年首次提出。頻率響應分析法的主要原理是在電抗器兩端施加1個隨頻率變化的激勵信號，相應的會產生1 個隨激勵信號頻率變化的響應信號。根據響應信號與激勵信號之間的關系繪制可描述繞組狀態的頻率響應曲線。一般來說，繞組參數改變會影響頻率響應曲線的移動軌跡，發生匝間短路故障時會同時改變分布電容和分布電感[51]。

頻率響應分析法按照激勵信號的類型可以分為掃頻頻率響應法和脈沖頻率響應分析法兩種。M BAGHERI等[52]將掃頻信號作為激勵信號，制作了繞組短路故障模型并進行不同程度的匝間短路試驗，通過改變短路環中電流的大小實現不同匝間短路程度的模擬試驗。結果表明隨著匝間短路程度不斷加深，繞組頻率響應曲線會局部向著高頻方向移動，主要是因為短路環中存在反向磁場，從而導致等效電感減小。

此外，也有學者將脈沖信號作為激勵信號。T D RYBEL 等[53]為了研究高頻信號下的繞組故障情況，從變壓器套管末屏注入高頻脈沖信號以監測繞組內部的故障情況，隨后研制監測裝置并開展相應的試驗測試。圖8 為套管等效注入圖。圖8 中，Zgrid、Igrid分別為實際電網運行時的高壓母線特性阻抗、電流，Ztp為變壓器的特性阻抗，發電機電流Igen分流為Iinj、Ishunt，套管在實際實施過程中相當于耦合電容，且具有一定的阻抗，此時與試驗設備形成阻抗分壓，進而可實現將高頻脈沖電壓信號加載到試驗設備中。

圖8 套管等效注入圖Fig.8 Equivalent injection diagram of the bushing

在對變壓器繞組變形故障進行監測時，趙仲勇[54]針對試驗結果認為以脈沖電壓作為激勵信號的頻率響應分析法具有監測時間短、靈敏度高等優點。劉華麟等[55]同樣采用脈沖信號作為激勵信號來監測繞組變形，所采用的監測平臺頻率為80 MHz，同樣得到了很好的分析結果。

綜上所述，將掃頻信號和脈沖信號作為激勵信號均可以很好地監測繞組中出現的故障問題。但將掃頻信號作為激勵信號的方法成本較高，而將脈沖信號作為激勵信號的方法監測時間短、頻域范圍寬、靈敏度也相對較高。因此，以脈沖信號作為激勵信號的方法發展前景更為廣闊。

表2 為在線監測技術4 種方法的優缺點對比分析。從表2可以看出，在線監測技術時效性好，測量可靠性與靈敏性也高，但是部分方法的操作成本相對較高，且借助的工具如傳感器等容易受到外界因素的干擾，時效性和抗干擾性有待提升。

表2 在線監測技術對比分析Tab.2 Comparative analysis of online monitoring technology

3 結束語

干式電抗器作為電力系統一次設備的重要組成部分，其安全穩定運行至關重要。目前關于干式電抗器匝間絕緣故障的研究仍然較少，為了避免電抗器匝間出現絕緣故障的情況，需要開展大量的工作，總體來說可以從以下5個方面開展針對性研究：

（1）離線監測方法可以從優化發現故障時間、增強時效性的角度出發，通過搭建模型實現投運前監測潛在故障，結合脈沖波形等故障前后的變化分析檢驗匝間絕緣是否發生故障或者發生故障的程度。

（2）在線監測手段中電氣參數監測法更直觀，且時效性相對較好，為了改善在線監測技術的時效性，考慮優化電氣參數法。經過調研后，電氣參數監測法中以介質損耗因數作為特征量時特征量變化量最大，運用于故障檢測更加明顯。因此，可以從介質損耗因數的角度進行深入研究。

（3）可以通過在線監測手段與卡爾曼濾波器結合在一起優化現有的在線監測技術。將傳統的卡爾曼算法與在線監測技術相融合，形成改進后的算法可以提高故障預測的準確性與時效性。

（4）在實際運行中，從提高包封絕緣使用壽命、減少成本的角度出發，干式電抗器最內層建議加裝包封，同時保證最內層繞組包封有撐條固定。

（5）設備交接前應進行匝間耐壓試驗和額定電壓下的沖擊合閘試驗。為了從源頭上減小干式電抗器發生匝間絕緣故障的概率，應根據生產廠家提供的合格的溫升試驗報告，在設備交接投運前開展相關監測試驗。