趙若希

（國網(wǎng)陜西省電力有限公司超高壓公司，陜西 西安 710038）

并聯(lián)電抗器可有效補償特高壓電網(wǎng)的電能[1]，抑制過高工頻過壓，是特高壓遠距離輸電線的一種重要裝置。在這2類裝置中，由鐵芯異常和線圈變形引起的故障所占的比重較大。振動過大等一系列問題日益凸顯，750kV并聯(lián)電抗器發(fā)生波紋管破壞事故的主要原因是振動過大。因此，對鐵芯、線圈的工作情況進行檢測與分析是對變壓器、并聯(lián)電抗器工作情況進行監(jiān)控的關(guān)鍵。

文獻[1]使用振動信號進行高壓并聯(lián)電抗器故障診斷方法與監(jiān)測系統(tǒng)研究。對于高壓并聯(lián)電抗器的縱向絕緣，無論是在電壓沖擊下，還是在系統(tǒng)超出額定電壓的情況下，對鐵心線圈的電壓梯度分布和鐵心的安全性均進行了研究。因此，該文提出750kV高壓并聯(lián)電抗器的振動測試與故障分析。

1 750kV高壓并聯(lián)電抗器的振動測試與故障分析方法

1.1 布置高壓并聯(lián)電抗器的測點

表示高壓并聯(lián)電抗器的振動特征的頻率、功率和能量等信息保留在設(shè)備運行的實際運行記錄中。分析高壓并聯(lián)電抗器的主要問題是繞組末端的電場分布比較復(fù)雜，為保證其絕緣的可靠性，需要明確其在工作中承受多種不同類型的過電壓作用下的場強分布。對于高壓并聯(lián)電抗的縱絕緣結(jié)構(gòu)，也要了解當工作電壓超出額定電壓時，繞組的縱絕緣電壓分布[2]。

測點的設(shè)置不僅要能反映出電抗器的真實振動狀態(tài)，還要保證測試點設(shè)置的合理性和安全性。由于反應(yīng)器罐頂與高壓荷電較接近，因此為了安全起見，布置測點位置時，測點不應(yīng)該直接設(shè)在并聯(lián)電抗器的罐頂上，而應(yīng)該設(shè)置在罐頂周圍的壁面上。這樣可以遠離高壓荷電極，降低潛在的安全風險。該文將電抗器箱壁的每個面劃分成若干長方形區(qū)域，每個長方形區(qū)域的中心點即為一個測點。建議按照規(guī)定的方向和順序?qū)y點進行編號，以便進行數(shù)據(jù)分析和處理時能夠準確地對應(yīng)每個測點的位置和信息。布置測點間的距離時，通常不超過50cm，確保測點間有足夠的空間用于放置測點，并且能夠覆蓋整個電抗器的表面，以準確反映其振動特征。需要注意的是，具體的測點布置可能受設(shè)備類型、規(guī)格要求以及安全規(guī)范等的限制，在實際應(yīng)用中可以根據(jù)具體情況進行評估和決策調(diào)整。

1.2 采集振動信號特性

完成布置測點后，采集750kV高壓并聯(lián)電抗器的振動信號，將電抗器設(shè)定為正常情況的75%，或者徹底松開，利用振動傳感器和信號采集卡獲得每個測點的振動信號。750kV高壓并聯(lián)電抗器在運行過程中會產(chǎn)生部分周期性振動現(xiàn)象，一個原因是當電流流經(jīng)鐵心時，鐵心硅鋼板將發(fā)生磁致伸縮效應(yīng)，使其橫向延長，縱向縮短，引起其周期振動。另一個原因是主磁路的磁場通過具有不同導(dǎo)磁性的鐵心餅與間隙介質(zhì)，并在2種介質(zhì)間形成了電磁力，引起間隙介質(zhì)膨脹，進而引起振動。因為電磁力的方向在一個電流循環(huán)中有2次改變，所有電感的鐵心振動頻率是95Hz[3]。

由于在運行過程中，高壓并聯(lián)電抗器內(nèi)部的磁場、受力等會發(fā)生變化，并引起其振動信號的變化，從而為利用電抗器的振動信號進行線圈、鐵心等故障的診斷提供理論基礎(chǔ)。因此，當高壓并聯(lián)電抗器松脫后發(fā)生故障時，振動信號幅值、波形均將產(chǎn)生變化，除幅值、主元系數(shù)Mhc外，還應(yīng)考慮其他能夠表征頻率和波形的參量[4]，通過對振動信號的幅值（如95Hz或150Hz）等方面進行指標提取，實現(xiàn)故障診斷。偏態(tài)度量的是信號資料分布的對稱性，尖峰程度是指振動故障信號分布的平坦程度。因為振動信號中的有效成分多為低頻成分[5]，所以該文對1kHz以下的頻率成分進行了分析。

上文中的分段離散功率譜表示的是一種信號功率譜，如公式（1）所示。

式中：N為測量的采樣點數(shù)；f為測量的采樣率；o（k）為80Hz～100Hz中所有頻率分量幅值平方之和。

由于高壓并聯(lián)電抗器的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，因此在電抗器中會產(chǎn)生反射和折射等多種非線性因素。不同情況下，每個諧波分量的幅度都會不同。

1.3 診斷750kV高壓并聯(lián)電抗器內(nèi)部故障

高壓并聯(lián)電抗器是電力系統(tǒng)中最主要的一種無功補償裝置，其工作的安全、穩(wěn)定和可靠將影響整個電力系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定。高壓并聯(lián)電抗器是可控電抗器中的一類，其結(jié)構(gòu)與其他可控高抗相比有一定的特殊性，其失效機制也比較復(fù)雜。故障發(fā)生時，電力系統(tǒng)中將會產(chǎn)生巨大的過流、過壓，進而危及整個系統(tǒng)[6]。

當750kV高壓并聯(lián)電抗器控制繞組出現(xiàn)大容量大匝間故障時，會造成匝數(shù)不對稱，也即控制繞組諧波除了包括直流和偶次諧波外，還包括其他奇次諧波。此外，因為故障控制繞組左、右芯柱感應(yīng)電動勢不再相同，所有會在故障相控制繞組上產(chǎn)生不平衡感應(yīng)電動勢Δe，如公式（2）所示。

式中：w為電抗器的短路匝比；χ為控制繞組的額定電壓。

振動信號中的幅值、成分系數(shù)、均方差以及公式（2）中的不平衡感應(yīng)電動勢Δe，一起構(gòu)成了電抗器內(nèi)部故障特性，其故障診斷如公式（3）所示。

可以看出，所提取的特征只與電抗器的機械狀態(tài)有較強的相關(guān)性，和工作電壓的相關(guān)性并不顯著。因此，該文提出的特征值能夠有效降低電網(wǎng)波動對振動的影響，提高故障診斷的準確性。

當750kV高壓并聯(lián)電抗器正常運行時，控制繞組為三相對稱，其偶次諧波可互相抵消。但單相故障會導(dǎo)致三相間的批次諧波無法消除，并且控制繞組母線的等效電阻較小，其過流較大，故障電流為額定電流的5倍。由于存在控制繞組故障電流，因此將其反映到網(wǎng)側(cè)繞組中就會出現(xiàn)如下現(xiàn)象：網(wǎng)側(cè)繞組電流涌現(xiàn)，為額定值的5倍左右，并且網(wǎng)側(cè)繞組諧波含量較大。如果將其注入電網(wǎng)，就會影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量，引起嚴重后果。

2 試驗測試與分析

為證明該文提出的750kV高壓并聯(lián)電抗器的振動測試與故障分析方法的有效性，現(xiàn)進行試驗測試，比較該文方法與傳統(tǒng)方法1、2的故障分析效果。將該文方法運用在試驗測試中，檢驗其能否滿足規(guī)定的測試標準和取得良好的分析效果。

2.1 試驗準備

試驗將二維軸對稱電場作為試驗環(huán)境進行模擬分析與計算。在模擬分析和計算過程中，將750kV高壓并聯(lián)電抗器使用的導(dǎo)線及其絕緣部件作為圖形輸入物體，在圖形接口中指定導(dǎo)線上的電荷分布，并將特定的導(dǎo)線標記為懸浮點位。這樣可以對導(dǎo)線上的電場分布進行模擬分析和計算，并將結(jié)果直接顯示在圖形接口中。在縱向絕緣分析中，根據(jù)線繞頭端采用全波法、線繞頭端采用截波法、線繞點側(cè)采用全波法、線繞中間性點側(cè)采用截波法對線圈電勢和坡度進行模擬分析。對主絕緣進行模擬分析時，將重要的高場強區(qū)域作為重要的絕緣部件進行高壓并聯(lián)電抗器的振動計算與分析。該試驗所用模型的額定參數(shù)見表1。

表1 額定參數(shù)

試驗選用的絕緣結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 絕緣結(jié)構(gòu)

2.2 試驗結(jié)果與分析

對該文方法與其余2種方法進行振動故障測試，再比較3種方法的測試結(jié)果，其試驗結(jié)果見表2。

表2 試驗結(jié)果

由表2中的最大振動數(shù)值結(jié)果可知，和該文方法相比，其余2種方法與試驗設(shè)定的最大振動值誤差較大。方法1的最大振動誤差數(shù)值為56μm，最小誤差達12μm，方法2最大振動誤差數(shù)值為77μm，最小誤差到達28μm。而該文設(shè)計的750kV高壓并聯(lián)電抗器的振動測試與故障分析方法的最大振動誤差數(shù)值僅為3μm，并且在測試序號6的試驗中，高壓并聯(lián)電抗器的振動測試與故障分析方法檢測出的最大振動值為30μm，該數(shù)值與試驗設(shè)定的最大振動值一致，此時為0誤差。對比3種方法的最大誤差可知，該文設(shè)計方法的最大振動誤差數(shù)值有所降低，和方法1、方法2相比，最大振動誤差數(shù)值降低了50μm以上，并且其檢測出的最大振動值與實際值最接近。該試驗結(jié)果說明，該文設(shè)計的方法有效降低了最大振動誤差數(shù)值，在一定程度上提高了方法的性能，也證明該文方法具備有效性。

試驗進行了3號測點的頻譜分析，進而分析出故障發(fā)生的原因。測試出的電抗器3號測點頻譜圖如圖2所示。

當主磁路通過2種介質(zhì)時，即高磁導(dǎo)率的鐵餅和低磁導(dǎo)率的空隙，2種介質(zhì)間會形成麥克斯韋力場。該力場的強度是電流的2倍，從而降低了磁場的能量。從頻譜分析可知，電抗器的各測點處的振動頻率均在100Hz附近，而且在測點處頻譜與時間域振動值較接近，表明電抗器振動是由主磁路中絕緣體產(chǎn)生磁致伸縮效應(yīng)導(dǎo)致的。

為了進一步驗證該文方法對故障分析的準確性，該文以故障分析準確率為性能評估指標。該性能評估指標的數(shù)值越高，則說明方法的準確性越高，指標值的最高值為100.00%。在試驗過程中模擬1000個故障樣本，應(yīng)用方法1、方法2和該文方法分析這些故障樣本，獲取故障分析準確率。不同方法的故障分析準確率試驗結(jié)果見表3。

表3 不同方法的故障分析準確率

根據(jù)表3可知，3種方法的故障分析準確率均較高，其數(shù)值均在97.00%以上。雖然3種方法的準確率均存在一定波動，但波動均較小，可以滿足實際需求。但是通過詳細分析可知，該文方法的故障分析準確率均高于99.50%，并且在1000個故障樣本數(shù)據(jù)達到99.80%。比較方法1和方法2，方法1比方法2的故障分析準確率高，但是方法1的故障分析準確率最高值僅為98.88%，最低值達98.50%。方法2的故障分析準確率的最低值為97.50%，最高值僅為97.83%。對比故障分析準確率數(shù)值可知，該文方法的故障分析準確率提高了0.92%，并且最趨近100.00%的故障分析準確率。由此可知，該文設(shè)計的750kV高壓并聯(lián)電抗器的振動測試與故障分析方法具備更高的故障分析準確率，有效提高了故障分析準確性，該方法的性能更優(yōu)。

綜上所述，該文提出的750kV高壓并聯(lián)電抗器的振動測試與故障分析方法可有效測試750kV高壓并聯(lián)電抗器的振動，并可有效分析750kv高壓并聯(lián)電抗器的故障。該文為了進一步驗證該方法的性能，以故障分析準確率為性能評估指標，分析了該方法的故障分析準確率，該數(shù)值最高達99.80%，最低故障分析準確率也達到了99.50%，因此，試驗結(jié)果充分驗證了該方法可以測試750kV高壓并聯(lián)電抗器的振動與分析故障，對相關(guān)研究有一定參考價值。

3 結(jié)語

以往對高壓并聯(lián)電抗器繞組鐵心松弛時的表面振動信號幅值、方差、200Hz頻率成分所占比例的變化進行過研究。相關(guān)分析結(jié)果顯示，在200Hz、300Hz和500Hz的情況下，高壓并聯(lián)電抗器的狀態(tài)與其所處的頻率有很大關(guān)系。利用該方法，該文對電抗器故障進行了故障診斷，其故障診斷精度較高。并通過試驗驗證了該文提出的高電壓并聯(lián)電抗器的振動測試與故障分析方法可以精確地對其進行在線檢測，能滿足實際生產(chǎn)需求，具有較高的應(yīng)用價值。