35 kV并联电抗器匝间短路故障监测方法

王晓文，李 敬

(沈阳工程学院 电力学院，辽宁 沈阳 110136)



35 kV并联电抗器匝间短路故障监测方法

王晓文，李 敬

(沈阳工程学院 电力学院，辽宁 沈阳 110136)

在电力系统中发挥重要作用的干式空心并联电抗器发生烧损事故的概率越来越高，严重影响了系统的安全运行。从干式空心电抗器的制造、运行和操作方面分析了其匝间短路产生的内、外部原因。对多种电抗器匝间短路的电气量监测以及温感监测的方法进行了比较。从对比结果看出光纤测温方法具有良好发展优势。

电力系统；故障检测；光纤

1 干式电抗器的结构及原理

典型的干式空心电抗器由平行的圆柱形包封组成，由顶部和底部的铝板固定。包封之间是与之垂直的空气风道，起到了散热的作用。包封内部为并联的金属线圈，外部包裹着玻璃纤维和环氧树脂等绝缘材料。干式空心并联电抗器只有绕组，没有铁芯，相当于同轴放置的电感线圈。图1中，1为撑条；2为接线臂；3为并联绕组(包封)。35 kV并联电抗器由SF6断路器或真空断路器进行开断,接线方式如图2所示。开断电抗器单相等效电路如图3所示。

2 电抗器匝间短路原因

干式空心电抗器线圈匝间短路多是由电抗器内部质量问题和线圈受潮、局部放电电弧、局部过热、绝缘烧损，在工作过程中受到各类高幅值过电压等外部原因引发的。

图1 电抗器结构

图2 电抗器接线

图3 开断电抗器单相等效电路

2.1 内部原因

1)干式空心电抗器的设计和制造工艺粗糙会造成干式空心电抗器各包封电流密度不一致,导致运行时电流密度大的包封温度高。此外，由于干式空心电抗器的结构特点，易引起磁场分布不均匀，其内部出现的环流也会导致电抗器运行温度升高。

2)电抗器运行时会产生交变磁场，当交变磁场引起的压力等作用力、振动过大，场强太高时，绝缘材料会产生撕裂拉断等绝缘损坏，损耗大，会引起发热。制造工艺和结构造成的温度升高引起的绝缘破损是导致并联电抗器匝间短路的根本原因。

2.2 外部原因

1)对故障电抗器解体情况进行了解发现，电抗器绝缘表面有许多微小爬电。这些爬电大多产生在撑条附近。爬电初期横向发展，严重的爬电沿撑条纵向发展。若电抗器内固体绝缘受潮，则会使固体绝缘处局部放电电压降低，鸟类排泄物会使湿气侵入撑条和引线附近的裂缝，使得干式电抗器的绝缘性能严重下降， 从而使得爬电超常规发展，以至发展为匝间短路故障。

2)强光照射、灰尘附着、烟雾，另外还有霉菌和细菌等生物的腐蚀，以及一些白蚁等动物的侵害，都会对绝缘材料造成一定的破坏。

3)真空断路器的灭弧能力很强，容易发生截流现象。在开断的35 kV并联电抗器时存在操作过电压问题。在截流产生过电压以后，两端的高幅值恢复电压会使电弧发生复燃。首开相发生复燃后，复燃引起的暂态电流由于三相间的相互作用叠加到后两相电流上，引起后两相电流出现高频暂态过零点，引发猛烈的等效截流过电压，引起三相断口的连续击穿。单是截流过电压一般不足以引起绝缘故障，截流之后引起的复燃和三相开断过电压，对电抗器的匝间绝缘构成了很大的危害，是造成匝间短路的重要外部原因。

3 电抗器故障监测方法

随着干式电抗器在电力系统中起着越来越重要的作用，通过有效的监测方法及时发现故障并采取措施变的十分紧迫。监测方法大体上可分为电气量监测和温感监测。

3.1 电气量监测

由于干式空心电抗器与油浸式电抗器不同，没有绝缘油介质作为间接信息载体，最直接的方法是对电抗器的电气量寻求故障信息。

1)基于测量阻抗变化的电抗器匝间短路监测

该监测方法利用匝间短路故障后电抗器的阻抗值减小的特征作为检测电抗器是否发生匝间短路故障的判据。

并联电抗器每相只有单侧绕组，当并联电抗器发生匝间短路时，可以在短路处设置节点，等效为单相降压自耦变压器副边发生匝间短路故障,如图4所示。其中，Aa为串联绕组，an为公共绕组。忽略并联电抗器电阻，等效电路如图5所示。测量AN间阻抗，记作测量阻抗Z。显然，正常运行时Z就是电抗器的阻抗值。当发生匝间短路时，等效电路如图5所示，其中，X1为串联绕组漏抗，X2为公共绕组漏抗。测量电阻由两部分构成，一部分由串联绕组的漏抗与公共绕组的部分漏抗串联组成；另一部分为公共绕组的部分漏抗与励磁电抗串联后与公共绕组的漏抗并联组成，这部分的电抗比正常值低了，所以总体测量值就降低了。

2)基于零序电压幅值比较的电抗器匝间短路监测

35 kV系统一般为经小电阻或小消弧电抗器接地的中性点接地方式。

图4 单相匝间短路图

图5 单相匝间短路等效电路

(1)

ZL=ZL1+ZL2

(2)

如果故障点在匝外，以主要的输电线接地故障为例，相当于电压源在线圈外，电抗器上的电流方向始终是一个方向，电抗器首端电压与电抗器压降相等，就不存在补偿电压。即电抗器首端电压大于补偿电压。

如果故障点在匝间，相当于线圈被一个电压源分成了两个部分，这样电抗器的电流方向就不一致了，电抗器首端电压与电抗器上压降不再相等，补偿电压值不再为0。此时电抗器首端电压为：

(3)

代入(1)式可得

(4)

图6 零序网络 图7 匝间短路电压分布

3.2 温感监测

针对干式电抗器的测温技术主要指红外测温技术，无线测温技术和光纤测温技术。

1)红外测温技术

红外测温技术是温感监测中较为成熟的一种。干式空心电抗器辐射的能量通过空气介质传输到红外测温仪，仪器内部的光学系统将能量汇聚到传感器并转换成电信号，通过放大电路，补偿电路，再经过线性处理后，在终端显示电抗器的温度，如图9所示。

图9 红外测温原理

2)无线测温技术

干式电抗器无线测温技术的核心是在干式电抗器包封空气风道内安装热耦温度传感器，传感器将测量的风道温度数据传输至监测单元，最终通过监测单元将数据上传至主机显示包封风道温度，如图10所示。

气流从底部沿着轴向进入气道后吸收包封散出的热量，气体温度逐渐升高，所以包封上部气体温度较高致使上部包封热量散出困难。根据对以往事故的分析，发现电抗器的热点温度一般在靠近出线端处，在此位置热耦传感器数量较多。

图10 无线测温原理

3)光纤光栅测温技术

光纤光栅测温技术采用埋入式安装方法，将传感器紧贴在导线层外包封表面，从而使得所测温度值更接近导线的温度。传感器结构如图11所示，光纤安装原理如图12所示。

图11 温度传感器结构示意图

图12 光纤安装原理

文献表明为保证准确性与可操作性，传感器的埋入点选在距离干式空心电抗器上沿约40 cm的位置较为合理。光纤光栅的波长移位与温度的变化呈线性关系，通过在电抗器运行状态下测得光纤光栅的波长位移，乘以特定的系数换算成温度变化量，再加上初始温度值即可得到测温点的温度。光纤光栅测温就是如此实现电抗器的温度监测的。

4 结 语

当干式空心电抗器发生匝间短路，短路匝数较少时，电感的减少量是非常小的，因而引起的电抗器电压和电流变化非常不明显。且匝间短路后干式空心电抗器的阻抗降低量除了与短路的匝数有关系，还与故障的位置密切相关，如果故障出现在某一绕组层的两端或者里侧边缘层，总电流和阻抗的变化更小。因此电抗器匝间短路电气量监测方法灵敏度比较低，只能在故障较为严重时启动保护跳闸，不能及时发现电抗器匝间短路故障。

相比之下，温感监测更具有优越性。表1列出了不同温感监测方法的特点。

表1 温感监测方法比较

红外测温必须由工作人员手动测量，只能测量干式电抗器的表面温度且只能测得单点的温度，一旦电抗器的内部包封首先发热并故障，红外测温很难及时发现进行有效监测。红外测温技术的影响因素很多，测量精确度较低。物体的形状、材料等都会影响测温仪从被测物体上吸收能量。距离系数，即测温仪到被测物体的距离与被测物体直径的比值也会影响精确度。周围环境温度也会对测温的精确性造成影响，温度越高影响越大。

与红外测温相比，无线测温法能够反映干式电抗器内部的温度分布情况，从而防止干式电抗器发生由于过热导致的局部放电、匝间短路、烧毁等故障。但无线测温技术在运行中也存在一些问题，一是存在传输线及探头熔断脱落造成电抗器匝间短路情况；二是风道温度与包封内温度有差值，不能十分确切地测量电抗器导线温度；三是采用无线传输的方式在传输过程中可能出现数据失真问题。

光纤测温技术必须在出厂前预埋，才能测得电抗器导线层温度，因此在制造上有一定难度。光纤测温能获得连续的温度变化曲线，通过与正常运行状态下温度进行比较评判干式空心电抗器的安全与稳定，不受环境温度影响，能有效检测电抗器匝间短路故障。

由于干式空心电抗器的结构和工作环境特殊，为保证电抗器的正常工作和测量的准确性，理想的监测方法应满足如下要求：

1)监测方法应具有高度灵敏性和持续性，及时监测到电抗器故障的发生。

2)监测时要求传感器的体积不能过大，重量轻。以免影响到电抗器的散热或者传感器脱落损害电抗器。此外，为了测得可靠数据，传感器的安装位置应尽可能地靠近导线层。

3)监测所使用的传感器应该具有较强的抗干扰性，以免测得的数据失真。

通过上述比较可知，具有灵敏度高、无辐射干扰、重量轻、体积小、易于实现远距离多通道的遥测与控制，能克服空心电抗器高电压、强磁场的极端环境等诸多优点的光纤测温方法更为理想。只要能克服制造技术上的难题，其在电抗器匝间故障监测的应用前景将会越来越广阔。

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(责任编辑 佟金锴 校对 魏静敏)

Monitoring Method of Inter-turn Short Circuit Faults of 35Kv Shunt Reactor

WANG Xiao-wen,LI Jing

(School of Electric Power Engineering,Shenyang Institute of Engineering,Shenyang 110136,Liaoning Province)

There are increasing burning accidents of the dry-type air-core shunt reactors that have played a great role in power system.The accidents are threatening the system safety seriously.The internal and the external reasons of inter-turn short circuit faults were analyzed in terms of the manufacture,running,and the operation in this paper.The electrical monitoring method and the temperature sensing method of inter-turn short circuit faults were compared.The comparison results showed that the optical fiber temperature measurement had more advantages for development.

Electric power system; Fault detection; Optical fiber

2016-10-12

王晓文(1966-)，女，辽宁锦州人，教授，硕士生导师，主要从事电力系统运行与控制的研究。

10.13888/j.cnki.jsie(ns).2017.02.011

TM472

A

1673-1603(2017)02-0148-05