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        干式空心電抗器匝間短路在線監(jiān)測方法研究

        2018-12-18 12:05:38南方電網(wǎng)玉溪供電局羅康順王庸道史玉清何鵬張學(xué)敏
        電力設(shè)備管理 2018年11期
        關(guān)鍵詞:匝間干式電抗器

        南方電網(wǎng)玉溪供電局 羅康順 王庸道 史玉清 何鵬 張學(xué)敏

        0 引言

        在電力系統(tǒng)中,電抗器能夠?qū)o功功率進(jìn)行補(bǔ)償,對短路電流起到限制作用以及濾除高次諧波,是電力系統(tǒng)的重要電力設(shè)備之一。干式空心電抗器具有起始電壓分布均勻、線性度好、損耗小、噪聲低、安裝方便、維護(hù)簡單等優(yōu)點(diǎn),因此,從20世紀(jì)80年代開始,國內(nèi)就開始使用進(jìn)口干式空心電抗器,1990年左右國內(nèi)廠家也陸續(xù)研制出國產(chǎn)的干式空心電抗器產(chǎn)品。

        鑒于干式空心電抗器匝間短路故障的高發(fā)性和危害性,90年代左右國內(nèi)外就開展了針對電抗器匝間短路故障的研究。與相同電壓等級的其他設(shè)備相比較,其出現(xiàn)故障的概率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出,并且60%以上的故障是由于匝間短路所導(dǎo)致的。一般的電抗器保護(hù)措施對于匝間短路故障存在靈敏度低等問題,因此探究一種靈敏度較高的空心電抗器匝間短路故障監(jiān)測方法,在電抗器發(fā)生匝間短路故障初期及時報警、及時從系統(tǒng)中切除十分必要。

        1 電抗器匝間短路動態(tài)物理過程分析

        干式空心電抗器從正常工作到匝間短路故障形成可分為三個階段:正常工作期、匝間短路故障早期以及匝間短路故障期。

        在正常工作期,電抗器每層線圈匝與匝之間為串聯(lián)連接,電流同向,如圖1(a)所示,第k匝與第k+1匝中的電流方向相同。根據(jù)安培力定律,匝與匝呈相互吸引狀態(tài)[1],良好的匝間絕緣保障匝間不會出現(xiàn)匝間短路故障。

        當(dāng)匝間絕緣出現(xiàn)破損的時候,在電磁力的作用下,絕緣破損處的金屬導(dǎo)線將會發(fā)生相互接觸,進(jìn)而形成短路環(huán),由電磁感應(yīng)定律不難得出,短路環(huán)中會產(chǎn)生與原線圈電流方向相反且幅值遠(yuǎn)大于原線圈電流的感應(yīng)電流,如圖1(b)所示。發(fā)生匝間短路后,第k匝成為短路環(huán),此時,電磁力作用會使短路環(huán)與其相鄰線匝相互排斥。因此,在匝間短路最初,短路點(diǎn)處的相鄰線匝會出現(xiàn)碰撞、分離的重復(fù)過程,稱之為匝間短路故障早期。

        相鄰匝觸碰時形成的短路環(huán)中感應(yīng)電流會使短路點(diǎn)附近出現(xiàn)局部高溫,致使匝間絕緣損傷加重,一般情況下該過程會持續(xù)相當(dāng)長的一段時間。隨著故障的惡化,短路點(diǎn)形成和分離的頻次逐漸增加,最終金屬導(dǎo)線熔化黏結(jié)到一起,此時進(jìn)入匝間短路故障期,形成穩(wěn)定的短路環(huán),其中的感應(yīng)大電流持續(xù)產(chǎn)生熱量,加速絕緣老化,致使匝間短路范圍迅速擴(kuò)大,乃至燒毀電抗器。

        圖1 干式空心電抗器的線圈匝電流

        2 匝間短路下干式空心電抗器的模型

        綜合分析各種研究,不難得出這樣的結(jié)論,引起干式電抗器事故的主要因素,是匝間短路。為了實(shí)現(xiàn)對干式空心電抗器匝間短路狀態(tài)的在線監(jiān)測,需對其匝間故障狀態(tài)下的電氣參數(shù)進(jìn)行分析。

        在工頻電壓下,干式空心并聯(lián)電抗器可以由各線圈的自感、互感和導(dǎo)線電阻等效。干式空心并聯(lián)電抗器為多包封多層線圈并繞結(jié)構(gòu),以層為單位,建立的等值電路如圖2所示。干式空心電抗器匝間絕緣在高場、高溫的作用下會發(fā)生絕緣老化,隨著匝間絕緣的老化,線圈內(nèi)部會形成短路環(huán),這里稱為匝間短路故障[2]。由此可見,干式空心電抗器在發(fā)生匝間絕緣老化時,故障層線圈可以分成兩部分:短路匝構(gòu)成第n+1個支路,剩余匝構(gòu)成第i個支路。

        圖2 干式空心并聯(lián)電抗器等值電路

        3 匝間短路電抗器阻抗變化量

        等效電路與解析方法:干式空心電抗器是若干支路并聯(lián)的組合,各支路有直流電阻、自感和互感。假設(shè)N層并聯(lián)線圈的第 層發(fā)生匝間絕緣故障,在該處匝間絕緣故障還沒有將第m層繞組燒斷以前,其電路模型如圖3所示[3]。

        圖3 干式空心電抗器匝間短路故障的等效電路

        與正常情況的計算模型相比,除了第 層匝數(shù)減少并分為兩段串聯(lián)繞組外,電路上還增加了一個由電阻RN+1和電感LN+1形成的閉合回路,此閉合回路通過互感Mi,N+1與其他各并聯(lián)電感發(fā)生聯(lián)系。各支路電壓組成的電壓方程組如下:

        式(1)和式(2)化為n+1個方程的方程組,有n+1個電流變量,利用Matlab軟件可以求解出干式空心電抗器外施電壓為時,電抗器各支路電流將各個支路的電流代數(shù)求和,可以得到流經(jīng)電抗器的整體電流根據(jù)歐姆定律可以得出等值電阻R與等值電抗x。

        4 匝間短路監(jiān)測的原理

        從磁場的角度著手研究干式空心電抗器匝間短路故障在線監(jiān)測方法。首先,對干式空心電抗器匝間短路故障后磁場進(jìn)行研究,觀察分析其分布的變化特性,并研究磁場的監(jiān)測方法,然后在數(shù)據(jù)采集設(shè)備從實(shí)驗(yàn)?zāi)P蜕喜杉鎸?shí)監(jiān)測信號的基礎(chǔ)上,分析監(jiān)測信號的基本特性,并建立監(jiān)測信號的數(shù)學(xué)模型,最后對監(jiān)測信號的處理方法進(jìn)行研究探討。干式空心電抗器發(fā)生匝間短路故障后,電抗器產(chǎn)生的磁場較正常狀態(tài)會發(fā)生變化,如圖4所示。

        圖4 正常態(tài)和故障態(tài)下干式空心電抗器的磁場分布

        圖4中(a)、(b)分別表示在橫縱坐標(biāo)系下,同一個通電線圈正常狀態(tài)和匝間短路狀態(tài)下磁場的分布情況。正常狀態(tài)下,線圈的磁場分布關(guān)于橫軸對稱[4],如圖4(a)所示。發(fā)生匝間短路故障時,磁場分布關(guān)于橫軸不再對稱,即磁場分布發(fā)生畸變,如圖4(b)所示。

        磁場發(fā)生畸變的原因在于匝間短路狀態(tài)下,短路環(huán)反向電流產(chǎn)生的磁場會削弱原有的磁場,匝間短路故障使干式空心電抗器磁場分布出現(xiàn)了關(guān)于橫軸不對稱的現(xiàn)象。因此,判斷干式空心電抗器是否發(fā)生匝間短路故障的問題就轉(zhuǎn)化為判斷電抗器磁場在空間上分布是否對稱的問題,磁場測量方法是判斷磁場空間分布是否對稱的關(guān)鍵。

        要測量磁場,首先是要選擇磁敏元件[5],然后用一定的數(shù)學(xué)關(guān)系將磁場信號轉(zhuǎn)換為電信號(如電壓),最后通過儀器顯示出來。

        5 結(jié)語

        文中對電抗器匝間短路動態(tài)物理過程、匝間短路下干式空心電抗器的模型、匝間短路電抗器阻抗變化量、匝間短路監(jiān)測的原理進(jìn)行分析,為干式空心電抗器匝間短路在線檢測系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供實(shí)際依據(jù)。

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