CN109375076A

CN109375076A - 一种用于干式空心电抗器匝间绝缘故障的在线监测方法

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Publication number: CN109375076A
Application number: CN201811429575.XA
Authority: CN
Inventors: 不公告发明人
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2018-11-28
Filing date: 2018-11-28
Publication date: 2019-02-22

Abstract

本发明公开一种用于干式空心电抗器匝间短路故障的监测方法，适合电抗器匝间短路故障早期和发展期的监测、识别、预警。通过在干式空心电抗器外表面靠近上、下星型臂附近设置自差分结构的磁场探测线圈，获取电抗器磁场突变信号，通过对信号的识别和统计分析，判断电抗器匝间短路故障的发展阶段。达到电抗器工作状态异常的早期识别和预警的目的。同时采用信号无线传输实现高电压隔离，保证电抗器设备本体的工作可靠性和安全性。

Description

一种用于干式空心电抗器匝间绝缘故障的在线监测方法

技术领域

本发明涉及一种干式空心电抗器匝间绝缘故障的在线监测方法，特别涉及一种干式空心电抗器在匝间短路发生过程中的状态监测方法。

背景技术

干式空心电抗器具有重量轻、噪音低、安装方式灵活以及维护简单等优势，而且拥有良好的适应性和较高的可靠性高，能够实现补偿杂散容性电流、限制短路电流等功能，在电力***得到广泛的应用。

随着干式空心电抗器的大规模应用及极端恶劣气候的频繁出现，沙暴雾霾、霜尘雨露还有风筝鸟害等，干式空心电抗器发生故障，引起事故的次数也逐渐增多。

现场发现电抗器出现异常时，产品往往已发生严重的拉弧、烧蚀，在电抗器的绝缘故障点会形成短路环，局部温度会迅速升高，最终导致电抗器起火，因干式空心电抗器的结构特点，起火后很难扑灭，只能燃烧殆尽，严重时还会殃及其周围的设备，造成严重的运行事故。

匝间短路类故障的基本特征是出现局部故障、诱发多处或严重局部故障、电绝缘破坏导致设备烧毁，其分别对应于电抗器设备的故障初期和发展期和损毁期。因为电抗器设备故障损毁期到事故实际发生之间的时间间隔极短，约为30s~100s的时间量级，待运维人员发现已形成较严重的事故。故在电抗器故障初期、发展期对其进行有效的匝间短路状态监测是保证干式空心电抗器稳定运行的技术关键。

目前针对干式空心电抗器匝间短路故障，国内外采用的检测方法有5类：

1 电磁场扰动探测法（专利号CN201010217935.7，CN201210056968.7，CN201610345584.5，CN201220081086.1），采用沿电抗器外壁设置上下对称放置的感应线圈，探测电抗器的磁场变化和漏磁变化信号通过传输线接入电子监控设备，利用其异常信号辨识、判断、监控匝间短路故障；

2 红外测温法（专利号CN201110281937.7），采用热敏红外探头监控电抗器内部匝间温度变化，通过传输线接入电子监控设备，利用其温度信号判断来监控电抗器的工作状态；

3 振动频谱分析法（专利号CN201110299914.9），采用电抗器外表面多处安置振动传感器，通过传输线接入电子监控设备，利用其振动频谱分析来监控电抗器的工作状态；

4 功率损耗比较法（专利号CN201410434868.2）采用在电抗器顶部星型架设置电磁感应线圈、进线臂上设置换能器的方法，得到电抗器的功率损耗系数，然后通过无线传输、光纤传输接入到电子监控设备，利用其功率损耗系数的变化来监控电抗器的工作状态；

5 综合参数比较法（专利号CN201610345584.5，CN201420741358.5）采用上述1~4的原理，进行磁扰动信号、温度信号、振动信号、功率损耗的多参数采集，采用传输线接入电子监控设备进行多参数同时监控，但是干式空心电抗器在运行时，其端电压和电势常常高达数千伏甚至十几万伏，需要考虑特殊的结构和处理方式来保证绝缘性能。

上述方法1需要从电抗器的顶部和底部对称设置探测感应线圈形成差分信号，虽然信号灵敏可靠，但是电抗器外表面的绝缘爬距极大减小，严重影响了电抗器的运行安全性，难以应用于高压干式空心电抗器。上述方法2、3、5需要传感器探测电抗器的几个设定部位温度、振动信号，而对于户外恶劣环境下运行的电抗器而言，这种弱的温度信号变化、振动频谱信号变化的实时性、可靠性、敏感性较差，在电抗器匝间短路故障的初始期和发展期产生的温度局部变化识别困难，因此预警能力和可靠性难以满足运行状态监控的实际需求。上述方法4提供了电抗器功率损耗系数的监控方法，而对于动辄数百匝的干式空心电抗器而言，其功率损耗系数变化的实时性、可靠性和敏感性较差，对于初期和发展期的电抗器匝间短路故障识别困难，因此预警能力和可靠性难以满足运行状态监控的实际需求。

另外，上述1，2，3，4，5方案均采用信号线从电抗器的高电压位引出到低电位的电子监控设备中的方式，这种传输方式对于大容量、高电压的电抗器而言是非常危险的，而且在电网初级（一次）设备端进行这种信号接入和传输方式是不允许的。

综上所述，对于高压干式空心电抗器运行状态监控，目前关键技术在于初期、发展期的匝间短路故障的电磁扰动信号的有效识别，同时，监控结构的设置必须具有可靠的高电压隔离手段。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种用于干式空心电抗器匝间短路故障监测的方法，适合电抗器故障的早期识别和监测预警，同时适合匝间短路故障早期和发展期的识别、监测、预警。该方法通过在干式空心电抗器靠近上下星型臂附近的电抗器表面或周围设置自差分结构的磁场探测线圈，获取电抗器磁场突变信号，通过对信号的识别和统计分析，判断电抗器匝间短路故障的发生和发展期状态。同时采用信号无线传输实现高压电气隔离，从原理上保证电抗器设备的工作可靠性和安全性。

本发明的目的通过以下技术方案予以实现，在干式空心电抗器靠近上、下星型臂附近的电抗器表面或周围，通过双线并绕的匝数和换位、叠层等方式设置得到自差分结构的探测线圈，基于电磁感应原理，如式1所示。在电抗器工作过程中探测线圈就会得到磁场变化的感应电压差分信号，该信号在正常工况下可预设为10V以下，而在匝间短路故障发生期和发展期内，由于频繁的发生匝间瞬间短路又恢复绝缘的状态，会产生一系列的电磁信号瞬态扰动和突变，会产生约10~1000倍稳态信号幅值的突变和脉冲信号，因而易于辨识和判断，可以在匝间短路故障发生期和发展期及时预警。

（1）

式中，u–感应电势信号，N–探测线圈匝数，S–探测线圈有效面积，dB(t)/dt – 磁感应强度变化率。

本发明的进一步技术方案是，自差分结构的探测线圈采用双线并绕的方法绕制，为了补偿电抗器磁场分布的变化，可在绕制中间采用一次或多次双线换位措施，也可采用双线并绕的叠层绕制方法。使得在电抗器正常工况下，探测线圈的感应电压预设为10V以下，以保证良好的信噪比和灵敏性。

本发明的进一步技术方案是，探测线圈可以根据工况需要独立工作，可设置在上部或下部星型臂附近的电抗器表面或周围，也可同时在上部、下部星型臂附近的电抗器表面或周围设置各自独立工作，以增加在线监控的可靠性和准确性。

本发明的进一步技术方案是，根据不同电抗器的工作特性采样速率3kHz-150kHz，以标准工频波形为基准，实时计算探测线圈的感应电压的均值E、离差S、方差σ。基于随机过程数据处理的置信区间估计原理，当离差S>kσ时（式中，k为置信系数，k=2~6），表明电抗器处于匝间短路故障发生期，该故障出现的频率越高，表明其发展期接近后期。

本发明的目的通过以下技术方案予以实现，采样和数据处理采用采样处理模块来进行，该模块由模数转换、CPU单片机、通讯模块3部分功能组成。1部分所涉及的采样过程、采样数据的均值、离差、方差等的数据运算及其置信区间统计等工作由该CPU单片机实时运算，以减少实时数据的尺寸和提高数据通讯的可靠性。

本发明的目的通过以下技术方案予以实现，采样信号通过无线通讯方式中转，远距离数据通讯采用485协议通讯电缆接入上位机。其中无线通讯距离50m~1000m，通讯频段233MHz~2.4GHz。传输通讯数据主要包括：差分线圈感应信号的均值、离差、方差、置信区间统计结果等特征数据，由上位机数据库存储和进一步处理分析。

本发明通过在干式空心电抗器星型臂附近的电抗器表面或周围设置具有自差分结构的磁场探测线圈，通过磁场探测线圈感应电压高速采样，通过置信区间估计原理，进行匝间短路故障的在线实时监测。上述方法不仅具有高度灵敏性和可靠性，同时使得电抗器工作异常和匝间短路故障在发生期、发展期得到有效监测和预警，对于干式空心电抗器的健康运行提供了可靠的保证。

附图说明

图1为在线监控***的工作原理示意图

1-探测线圈，2-采样数据处理和和通讯模块，3-CT高压取电模块，4-等电势联结位，5-上部星型臂，6-下部星型臂，7-无线通讯接收传输模块，8-485远程通迅电缆，9-上位机。

图2为自差分结构探测线圈绕制示意图

10-双线并绕的自差分结构，11-中间换位结构，12-叠层绕制结构。

图3 为上星型架附近安置在线监控***工作原理示意图。

具体实施方式：

如图1所示，本实施例包括：干式空心电抗器，自差分结构的磁场探测线圈1，采样处理模块2，CT高压取电模块3，无线接收传输模块7，Modbus协议通讯电缆8，上位机9。其中，自差分结构的探测线圈结构如图2所示，可采取顺序并绕结构10，中间换位的并绕结构11，叠层并绕结构12，也可采取上述的两种或三种的混合绕制形式。

探测线圈1的绕线材料采用铜或铝的绝缘导线，外部包裹或不包裹绝缘套管或其他绝缘增强方式。正常工况下，探测线圈的输出感应电压不大于10V，以保证良好的信噪比和灵敏性。

采样处理模块2采用商业化的供电模块、模数转换、ARM（DSP或FPGA）处理器和无线通讯模块组建，感应电压的采样速率3kHz-150kHz，温度传感器的采样速率0.01Hz-1Hz；无线通讯频段230MHz~2.8GHz，通讯协议采用ModBus框架。

CT高压取电模块3采用满足电抗器运行工作条件的商品化模块，输出电压5V~36V，额定输出功率1W~20W。

无线接收模块7采用满足电抗器服役工作条件的商品化模块，通讯协议支持ModBus协议。

RS485协议通讯电缆8采用商品化的具有屏蔽结构的多芯电缆。

上位机9采用支持Windows 7及其以上版本的商用计算机。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

实例：

干式空心电抗器，容量20000kVA、***电压35kV、额定电流990A、额定电感118mH，工作频率为50Hz。探测线圈的设置同图1所示。

在电抗器的上、下接线臂附近位置各自设置自差分探测线圈、采样处理模块和高压CT取电模块，形成双回路独立的并行工作。采样处理模块进行各自的电压信号采样，采样速率相应为5kHz。设定置信系数为k=3~5，通过采样数据统计分析的置信区间估计原理，对采样数据波动进行在线实时独立监测。

采样模块处理后的数据的均值E_i、离差S_i、方差σ_i和相应的置信区间分析统计结果等数据通过无线通讯协议传输到接收器从而实现电气隔离，然后由信号接收器通过总线一并传送到上位机。

在本实例中，每相电抗器有2组同步且相互的独立数据传送到上位机，对于2组数据，一旦同时发生采样数据波动S_i≥3σ_i，即可判断电抗器工况异常，匝间短路故障发生，立刻进行预警。一旦均发生采样数据波动S_i≥5σ_i，即可判断电抗器匝间短路故障在发展期后期，立刻进行预警。同时发出匝间短路故障监测异常的相关历史数据，供现场技术人员参考和判定。另外，如果只有其中1组独立数据出现预警或报警信息，则表明故障出现在更靠近该组探测传感器位置附近，可为现场技术人员研判和应急处理提供更多的参考信息。

在线监测***的设置同图3所示。

在靠近进线臂的电抗器上部设置探测线圈，进线臂上安置高压CT取电模块，通过采样处理模块进行电压信号采样，采样频率为5kHz。设定置信系数为k=2~5，通过置信区间估计原理，对采样信号数据波动进行在线实时监测。信号的均值E、离差S、方差σ和置信区间分析结果等数据通过无线通讯协议传输到接收器，然后由信号接收器通过总线传送到上位机数据库存储。

在本实例中，当采样信号的数据波动超出置信区间即可判断电抗器工况异常：当S≥3σ，即发出匝间短路的故障初期预警；当S≥5σ，即发出匝间短路的故障发展期后期报警，同时调出监测采样信号波动的相关历史数据，提供预警或报警频次、周期、统计结果图形化数据，供现场技术人员参考和判定。

Claims

1.一种用于干式空心电抗器匝间短路故障的监测方法，其特征在于，通过在线实时监测运行中电抗器匝间短路故障的电磁场突变信号，判断电抗器是否发生了初期、发展期的匝间短路故障，并在发生故障发展的前期进行预警或报警。

2.根据权利要求1所述的一种用于干式空心电抗器匝间短路故障的监测方法，其特征在于，具体为：通过自差分结构的探测线圈在线实时测量电磁感应电压，通过离差、方差和基于置信区间的统计运算，判断电抗器运行状态，并在匝间短路故障的发生期、发展期给予报警。

3.根据权利要求1，2所述的一种用于干式空心电抗器匝间短路故障的监控方法，其特征在于，具体为：所述采样处理模块内设置有无线通信模块，通过对采样的数据进行计算，将均值、离差、方差、统计结果等数据通过无线传输至信号接收器，实现高电压隔离、实时通讯和灵活组网。

4.根据权利要求2，3所述的一种用于干式空心电抗器匝间短路故障的监测方法，其特征在于，所述自差分结构（如图2所示）探测线圈设置在电抗器上星型架附近，也可以设置在下星型架附近，另外也可以在上、下星型架附近同时设置。

5.根据权利要求2，3所述的一种用于干式空心电抗器匝间短路故障的监测方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：

步骤1，以标准电压波形为基准，实时计算探测线圈的感应电压u的均值E、离差S、方差σ；

步骤2，基于随机过程数据处理的置信区间估计原理，当离差S>kσ时（式中，k为置信系数，k=2~5），进行匝间短路故障的预警。