干式空心电抗器匝间短路在线监测系统研制

高自伟 +朱学成+王永红+庄羽

摘要：针对干式空心电抗器匝间短路故障后引起电流变化小，故障监测困难的问题，设计了一种基于阻抗变化量的匝间短路在线监测系统。数值解析了在不同位置发生匝间短路故障后电抗器等值电阻与等值电抗的变化量，理论分析了基于谐波分析和准同步算法的监测方法。硬件以单片机为数据处理和逻辑控制的核心，对电抗器电压与电流信号进行数据采集。软件利用上述监测方法计算出阻抗变化量后，上传给计算机，实现对匝间短路故障的监测。对设计的在线监测系统进行了试验验证。研究结果表明：干式空心电抗器发生匝间短路后等值电阻增加，等值电抗减小，其中等值电阻变化更明显。试验结果验证了该监测方法的正确性和监测系统的可行性。

关键词：干式空心电抗器；匝间短路；阻抗变化量；在线监测

DOI：1015938/jjhust201702013

中图分类号： TM47

文献标志码： A

文章编号： 1007-2683（2017）02-0067-05

Abstract：The change of current value caused by turntoturn short circuit of drytype aircore reactor is so little that failure detection is difficult to be carried out In order to solve this problem， a new online monitoring system based on impedance variation of turntoturn short circuit is proposed The numerical method is applied to analyze the variation of equivalent resistance and equivalent reactance when drytype aircore reactor winding short circuit happens in different places， and the monitoring method based on harmonic analysis method and quasisynchronization sampling method is analyzed by theory The hardware system， which takes singlechip microcomputer as the core of data processing and logic control， completes data acquisition of voltage signal and current signal of the reactor In the respect of software design， the impedance variation will be uploaded to the PC after it has been calculated by using the above monitoring method， and then monitoring of turntoturn short circuit fault will be realized Finally， the design of online monitoring system is studied by testing The research result shows that， the equivalent resistance increases and the equivalent reactance decreases when turntoturn short circuit occurs， and the variation of equivalent resistance is more obvious than equivalent reactance The experiment results prove that this monitoring method is true and the online monitoring system is feasible

Keywords：drytype aircore reactor；turntoturn short circuit；impedance variation；online monitoring

0引言

干式空心電抗器具有结构简单、重量轻、体积小、线性好、损耗低、维护方便等优点，在电力系统中运用日益广泛[1-2]。随着干式空心电抗器长时间的使用，其故障发生率居高不下，大量资料和实际运行情况表明，干式空心电抗器烧毁的原因主要是线圈匝间短路故障[3-8]。

目前，对干式空心电抗器的保护大多都采用过流保护的方式[9-10]。此外，也有文献采用温度监测的方法[11-13]。过流保护一般整定15～2倍额定电流，对外部相间短路和单相电抗器首末端短路可以有效的保护。由于电抗器匝间短路后电流小于过流保护的整定值，过流保护不能启动，造成电抗器严重烧毁，甚至发生着火燃烧。干式空心电抗器线圈采用环氧玻璃丝缠绕，匝间短路后温升变化缓慢，采用温度监测方法也不能及时发现故障。

本文解析了干式空心电抗器发生匝间短路故障时等值电阻与等值电抗的变化量，在此基础上，设计了一种基于阻抗变化量的匝间短路在线监测系统，并通过试验验证了可行性。

1匝间短路电抗器阻抗变化量

11等效电路与解析方法

干式空心电抗器是若干支路并联的组合，各支路有直流电阻、自感和互感。假设N层并联线圈的第m层发生匝间绝缘故障，在该处匝间绝缘故障还没有将第m层绕组烧断以前，其电路模型如图1所示[5]。

12阻抗值及其变化量

本文以一台型号为CKDGKL-25/10-1干式空心电抗器为样品，其具体参数见表1：

当干式空心电抗器发生匝间短路故障时，分别计算了其不同位置（设电抗器高度为变量H，顶部、H/4处、H/2处）总电流、等值电阻与等值电抗的变化量，具体结果见表2。

从表2中可以看出，发生匝间短路故障时，干式空心电抗器总体电流变大，但变化量很小；等值电阻增加，增加范围是261%～152%；在等值电抗减少，减少范围是012%～043%。

2监测方法的研究

21谐波分析方法

本文采用谐波分析方法计算电抗器的阻抗值，设被测干式空心电抗器的电压、电流信号分别为：

22准同步算法

以上分析均是建立的完整周期采样条件下进行的，但是在实际中，并不能保证采样周期是完整的周期，这样就会带来很大的误差，本文采用准同步算法减小误差[14-15]。它是在周期偏差|Δ|不太大的情况下，通过适当增加采样数据和采用新的数据处理方法来获得某一周斯函数平均值的高准确度估计的算法。以求取周期信号函数f（t）的平均值为例。

常用的求积公式有复化矩形、复化梯形和复化辛普森求积公式三种，其中复化梯形求积公式收敛速度最快[16]。

以上就是准同步算法的基本原理。采样值与对应的权系数的乘积的和便是所求的平均值。对于确定的数值求积公式、采样周期和采样个数，权系数可以预先计算出来。为了提高系统处理数据的速率和确保系统的准确度，本文选用复化梯形求积公式，采样周期的个数为3，每周期采样点个数为100[17]。权系数如图2所示。

3总体方案及硬件组成

对运行的电抗器，电力系统现场有电压互感器和电流互感器获得电抗器的电压与电流信号。但获取的信号不能直接满足测量系统的要求，需要进行处理。电压信号经精密电压互感器二次分压，电流信号经电流互感器二次分流，然后接入信号调理电路进行滤波、放大，调理后的信号经A/D转换器的进行两路同步采集得到数字信号，以89C55单片机作为核心，控制A/D转换器，进行数据采集，将采集数据放入数据存储器里，利用谐波分析法和准同步算法对数据进行运算，最后将运算所得结果R与X通过串口通信的方式上传至上位机进行显示，存储等处理。

根据总体方案，整体硬件框图如图3所示。二次分压与分流选用型号为HPT205ATN电压互感器和HCT204ATN电流互感器，两者精密等级均为01%[18]。模/数转换器选用了MAXIN公司生产的同步数据采集芯片MAX125，它是一款高速、多通道数据采集芯片。内部带有一个14位，转换时间为3μs的逐次逼近型模数转换电路，同时还有4个采样/保持电路，一共可以有8路输入信号，最多可以对4路信号进行同步采集[19-20]

4软件设计

41单片机程序

在线监测系统选用C语言对单片机程序进行编写，程序流程图如图4所示。包括初始化、数据采集与存储、数值计算、数据传输等功能。

系统通电，对单片机定时器与串行口进行初始化，打开中断，进行采集数据，把采集数据写入片外RAM里的数据，并对采集数据进行运算，得到电抗器的等值电阻与等值电抗，将电抗器的阻抗值发送至上位机，进行显示等进一步处理。

42上位机程序

在线监测系统选用Visual Studio是为开发环境，MFC为开发工具对上位机程序进行了编写，匝间短路在线监测系统界面如图5所示。

系统采用了模块化思想，包括连接、初始化、故障监测、电阻监测值、电阻变化量、电抗监测值和电抗变化量等部分。分别实现了串口通信、电抗器理论计算阻抗值写入、报警阈值和报警次数设定，对运行电抗器监测值及阻抗变化量的显示，以及监测数据的存储等功能。

5试验研究

试验使用文中所述电抗器，将电抗器最外层包封环氧玻璃丝剥开直至露出第7层线圈铝导线，然后把导线外包绕的聚酯薄膜剔除，将裸露的两匝导线之间塞进细铜丝来模拟实际的匝间短路故障进行试验。试验电路如图6所示。

由于电抗器额定电压为61 V，与电力系统现场电压互感器额定电压值100/〖KF（〗3〖KF）〗 V基本一致，因此可以省略电压互感器，采用调压器升压方式的便可以得到试验允许电压；而电抗器电流为42 A，远大于电力系统现场电流互感器额定电流值5 A，所以需外加一级电流互感器才能得到试验允许电流。试验所用调压器参数见表3，电流互感器参数见表4。

根据所选电抗器和试验设备，搭建试验平台。在电抗器工作在额定电压的情况下进行了试验，测得电抗器的等值电阻与等值电抗，试验结果见5。

从表5中可以看出，电抗器在不同位置发生匝间短路时，阻抗值与理论分析的变化规律一致且变化量大小也基本相同，进而验证了監测方法的正确性，以及在线监测系统具有较高的准确度。

6结论

本文对匝间短路干式空心电抗器阻抗变化量及其在线监测系统进行了研究，得到如下结论：

干式空心电抗器发生匝间短路后等值电阻增加，等值电抗减小，其中等值电阻变化更明显；试验结果表明阻抗变化量理论计算值与监测值相一致，论证了在线监测方法的正确性，以及在线监测系统具有较高的准确度。

参 考 文 献：

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（编辑：王萍）