摘 要：為了解決目前干式空心電抗器匝間短路檢測方法靈敏度和準(zhǔn)確度不足的問題，根據(jù)故障發(fā)展期探測線圈感應(yīng)電壓的異常變化，提出一種新的基于小波分析的空心電抗器匝間短路磁場探測方法。首先，對電抗器故障發(fā)展期探測線圈電壓信號進(jìn)行仿真分析，得到電抗器不同位置匝間短路時(shí)探測線圈信號變化特征。再基于信號分解小波系數(shù)中有用信號與噪聲相對比值最大的原則，逐層自適應(yīng)選取最優(yōu)小波基函數(shù)，利用小波變換對信號進(jìn)行閾值去噪，提取故障特征量從而實(shí)現(xiàn)對電抗器匝間短路發(fā)展期及時(shí)準(zhǔn)確地判斷，避免故障進(jìn)一步發(fā)展。通過搭建電抗器匝間短路故障檢測系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺，驗(yàn)證了基于小波分析磁場探測法的靈敏度和可靠性，為電抗器的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供有效保障。

關(guān)鍵詞：空心電抗器；匝間短路；探測線圈；小波分析；最優(yōu)小波基；故障檢測

DOI：10.15938/j.emc.2024.05.000

中圖分類號：TM47文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Research on detection method of inter-turn short-circuit magneticfield of air-core reactor based on wavelet analysis

FAN Xingming， HAN Dongyang， ZHANG Xin

（School of Mechanical and Electrical Engineering， Guilin University of Electronic Technology， Guilin 541004， China）

Abstract：To solve the problem of insufficient sensitivity and accuracy of the current dry-type air-core reactor inter-turn short-circuit detection method， according to the abnormal change of the induced voltage of the detection coil during the fault development period， a new method based on wavelet analysis is proposed to detect the inter-turn short-circuit magnetic field of the air-core reactor. Firstly， the voltage signal of detecting coil in the reactor fault development stage is simulated and analyzed， and the signal variation characteristics of detecting coil in the short circuit between turns at different positions of the reactor are obtained. Based on the principle that the relative ratio between useful signal and noise is the largest in the wavelet coefficient of signal decomposition， the optimal wavelet basis function is selected layer by layer adaptively. The wavelet transform is used to de-noise the signal threshold value， and the fault characteristic is extracted so as to timely and accurately judge the development period of the short circuit between turns of the reactor and avoid the further development of the fault. The sensitivity and reliability of the magnetic field detection method based on wavelet analysis were verified by building an experimental platform for the detection of inter-turn short-circuit fault of the reactor， which provided an effective guarantee for the safe and stable operation of the reactor.

Keywords：air-core reactor; inter-turn short-circuit; detecting coil; wavelet analysis; optimal wavelet basis; fault detection

0 引 言

干式空心電抗器作為電力系統(tǒng)中重要的電力設(shè)備之一，在補(bǔ)償無功功率、維持系統(tǒng)電壓、限制短路電流等方面發(fā)揮著重要的作用[1]。在實(shí)際電網(wǎng)中，干式空心電抗器通常安裝于戶外，由于工作環(huán)境和系統(tǒng)過電壓等因素影響，電抗器經(jīng)常發(fā)生因匝間絕緣缺陷和局部放電而導(dǎo)致的匝間短路故障[2]。此時(shí)，故障電抗器若不及時(shí)從電網(wǎng)中切除，短路電流產(chǎn)生的局部高溫將加劇短路故障程度，短時(shí)間內(nèi)將引發(fā)設(shè)備著火事故，嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[3]。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者從不同角度對干式空心電抗器匝間短路檢測方法進(jìn)行大量的研究。文獻(xiàn)[4-5]通過溫度傳感器和紅外測溫法測量電抗器包封表面溫度的變化，從而對電抗器工作狀態(tài)做出判斷。文獻(xiàn)[6]對電抗器不同工作狀態(tài)時(shí)匯流母排電流進(jìn)行數(shù)值仿真，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了電抗器匝間短路不平衡電流法的有效性。文獻(xiàn)[7]分析了電抗器不同位置發(fā)生匝間短路后等值電阻和等值電抗變化規(guī)律，并通過計(jì)算阻抗變化量來判斷電抗器工作狀態(tài)。文獻(xiàn)[8]設(shè)計(jì)了一種基于電抗器功率因數(shù)角變化的匝間短路在線監(jiān)測系統(tǒng)，并通過試驗(yàn)對其可靠性進(jìn)行驗(yàn)證。文獻(xiàn)[9-10]在電抗器端部安裝探測線圈實(shí)時(shí)反映匝間短路磁場變化，通過對探測線圈信號進(jìn)行分析從而判斷電抗器的工作狀態(tài)。

上述各種檢測方法雖各具優(yōu)勢，但由于空心電抗器工作在戶外，溫度檢測法極易受到外界環(huán)境溫度變化的影響，檢測結(jié)果準(zhǔn)確度難以保證。其中各種電氣量檢測法存在單匝短路故障靈敏度較差的問題，待系統(tǒng)檢測出故障時(shí)，電抗器可能已嚴(yán)重?zé)龤АＯ啾戎麓艌鎏綔y法實(shí)時(shí)性較好，而對于在變電站強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下的電抗器，探測線圈信號預(yù)處理及故障判別機(jī)理仍是亟待解決的關(guān)鍵問題。

針對目前空心電抗器匝間短路檢測方法靈敏度和準(zhǔn)確度不足的問題，本文提出一種基于小波分析的電抗器匝間短路磁場探測法。根據(jù)電抗器匝間短路故障發(fā)展期的動(dòng)態(tài)過程，對電抗器不同位置匝間短路電流變化和探測線圈電壓信號進(jìn)行仿真分析。同時(shí)針對電抗器工作環(huán)境的電磁干擾，研究提出利用小波變換對探測線圈信號進(jìn)行閾值去噪，并根據(jù)小波分解系數(shù)提取信號中的故障特征量，從而快速準(zhǔn)確地對電抗器匝間短路故障做出判斷。

1 匝間短路故障過程

干式空心電抗器從正常工作到匝間短路故障形成包括3個(gè)階段：正常運(yùn)行期、故障發(fā)展期和故障期[11]。電抗器正常工作時(shí)，如圖1（a）所示，每層繞組線圈匝與匝為串聯(lián)關(guān)系，電流大小相同，根據(jù)安培力定律，在電磁力F1與F2作用下匝與匝呈相互吸引狀態(tài)。當(dāng)線圈匝間絕緣破損時(shí)，絕緣破損位置的相鄰匝線圈在電磁力作用下發(fā)生相互碰撞進(jìn)而形成短路環(huán)，如圖1（b）所示，短路環(huán)在周圍交變磁場作用下會產(chǎn)生一個(gè)與原線圈電流方向相反的短路電流I環(huán)。此時(shí)短路環(huán)在相應(yīng)電磁力F1和F2作用下相互排斥進(jìn)而迅速分離，線圈恢復(fù)到圖1（a）所示狀態(tài)。隨后絕緣破損位置的相鄰匝線圈在電磁力作用下會再次碰撞，這個(gè)相鄰匝線圈不斷碰撞和分離的過程稱為匝間短路故障發(fā)展期。隨著故障發(fā)展期相鄰匝碰撞和分離的頻次增加，短路電流產(chǎn)生的局部高溫使故障金屬導(dǎo)線熔化黏結(jié)到一起，進(jìn)而形成穩(wěn)定的短路環(huán)，如圖1（c）所示，此時(shí)電抗器進(jìn)入匝間短路故障期[12]。之后短路電流持續(xù)產(chǎn)生熱量將加劇匝間短路故障程度，乃至燒毀電抗器。

2 探測線圈信號仿真分析

2.1 磁場探測法原理

電抗器正常工作時(shí)，所有層繞組電流會在電抗器周圍產(chǎn)生一個(gè)交變磁場。電抗器匝間短路故障發(fā)展期內(nèi)，由于相鄰匝線圈頻繁地發(fā)生瞬間匝間短路又恢復(fù)到正常狀態(tài)，短路環(huán)線圈電流產(chǎn)生的磁場將使電抗器原磁場分布參數(shù)發(fā)生變化[13]。根據(jù)這一機(jī)理和特點(diǎn)，在電抗器最外層包封外表面上端安裝探測線圈來感應(yīng)空間磁場的變化，通過探測線圈輸出電壓信號的異常變化來反映電抗器匝間短路發(fā)展期的瞬態(tài)磁場突變，磁場探測法示意圖如圖2所示。

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)原理，探測線圈在交變磁場中的感應(yīng)電壓u（t）及其有效值U分別為：

式中：N為探測線圈匝數(shù)；S為線圈截面積；φ（t）為線圈平面磁通量；Bz（t）為線圈平面磁感應(yīng)強(qiáng)度的z分量；Bz為Bz（t）的有效值；f為交變磁場的頻率。

2.2 磁場耦合電路模型

利用ANSYS Maxwell軟件建立電抗器與探測線圈的磁場耦合電路模型，采用瞬態(tài)場模擬電抗器匝間短路故障發(fā)展期的動(dòng)態(tài)過程。本文以某10 kV無功補(bǔ)償裝置干式空心串聯(lián)電抗器為研究對象，該電抗器包含5個(gè)包封，由19層繞組并聯(lián)構(gòu)成，電抗器基本參數(shù)如表1所示。

選取電抗器最外層繞組發(fā)生單匝匝間短路故障進(jìn)行仿真分析，建立電抗器電路模型如圖3（a）所示。其中：LWinding1、LWinding2、…、LWinding18分別為電抗器第1層到第18層的繞組線圈；R1、R2、…、R18為相應(yīng)繞組線圈的等值電阻；LWinding19_1是故障層繞組未發(fā)生匝間短路的線圈；LWinding19_DL是故障層繞組的短路線圈，同時(shí)通過脈沖電壓源控制開關(guān)的動(dòng)作狀態(tài)來模擬電抗器匝間短路發(fā)展期的動(dòng)態(tài)過程。圖3（b）是磁場探測線圈的電路模型，LWinding20表示探測線圈，R20為開路電阻，可認(rèn)為是無窮大。

2.3 不同位置匝間短路仿真分析

模擬電抗器最外層繞組上端發(fā)生匝間短路，故障發(fā)展期內(nèi)各繞組電流同電抗器正常工作時(shí)基本保持不變，其中短路線圈電流變化如圖4所示。電抗器匝間短路瞬間，短路線圈形成的短路環(huán)在周圍交變磁場作用下產(chǎn)生感應(yīng)電流，這里稱之為短路電流。由于故障發(fā)展期短路線圈不斷碰撞分離的影響，短路電流在波形上表現(xiàn)為相應(yīng)線圈正常電流幅值的突變。同時(shí)，仿真得到探測線圈輸出電壓信號波形如圖5所示。通過圖4與圖5分析可知，電抗器正常工作時(shí)探測線圈感應(yīng)電壓為50 Hz正弦信號，故障發(fā)展期短路電流產(chǎn)生的磁場在探測線圈中感應(yīng)出相應(yīng)的電壓信號，該信號疊加在50 Hz正弦電壓上表現(xiàn)為脈沖性質(zhì)的高頻信號。因此，通過對探測線圈電壓中故障高頻信號的分析，可以在電抗器匝間短路發(fā)展期及時(shí)進(jìn)行故障判斷。

為研究電抗器匝間短路位置與探測線圈感應(yīng)電壓中高頻信號靈敏度之間的關(guān)系，將探測線圈固定于電抗器最外層繞組上端。以電抗器最外層繞組高度為參考坐標(biāo)，不同位置發(fā)生單匝匝間短路時(shí)短路電流幅值的變化如圖6所示，探測線圈感應(yīng)電壓中相應(yīng)高頻信號幅值的變化如圖7所示。由結(jié)果分析可知，電抗器繞組中部故障時(shí)短路電流最大，向兩端逐漸減小。且不同位置短路電流產(chǎn)生的磁場均可在探測線圈上感應(yīng)出明顯的高頻信號，因此，基于探測線圈電壓中高頻信號的識別，可在較大范圍內(nèi)檢測電抗器不同位置匝間短路故障。

3 磁場探測法的算法原理

電抗器在實(shí)際運(yùn)行中，由于周圍其他設(shè)備電磁干擾及系統(tǒng)采樣誤差的影響，探測線圈感應(yīng)電壓中會產(chǎn)生相應(yīng)的干擾噪聲。干擾噪聲和匝間短路故障信號相對于50 Hz的基波電壓均表現(xiàn)為高頻信號，此時(shí)若直接使用探測線圈信號來判斷故障將產(chǎn)生較大誤差。因此，本文基于小波變換理論對探測線圈信號進(jìn)行小波閾值去噪，提取故障信號局部特征，從而對電抗器匝間短路故障進(jìn)行診斷。

3.1 小波閾值去噪基本原理

小波閾值去噪是由學(xué)者Donoho在1995年提出的基于小波變換的經(jīng)典去噪算法，在對信號分析過程中具有多分辨率、選基靈活和自適應(yīng)特性等優(yōu)勢。小波閾值去噪的基本原理是基于有用信號和噪聲信號分解后具有不同的小波系數(shù)，通過選取適當(dāng)閾值對小波系數(shù)進(jìn)行閾值量化處理，從而實(shí)現(xiàn)有用信號的提取[14]，其具體過程分析如下：

1）信號的小波分解。將原始含噪信號f（t）利用小波變換進(jìn)行N層分解，得到信號不同分解層對應(yīng)的小波系數(shù)wj，k。

2）小波分解系數(shù)的閾值量化處理。選取確定適當(dāng)?shù)拈撝?，對信號每層分解的高頻小波系數(shù)進(jìn)行閾值量化處理，去除不同層噪聲信號的小波系數(shù)，保留增強(qiáng)有用信號的小波系數(shù)，進(jìn)而得到估計(jì)小波系數(shù)w^j，k。

3）信號的小波重構(gòu)。利用小波逆變換將信號每層閾值處理后的高頻小波系數(shù)和第N層的低頻尺度系數(shù)進(jìn)行重構(gòu)，進(jìn)而得到去噪后的信號f^（t）。小波閾值去噪的基本流程如圖8所示。

3.2 自適應(yīng)小波去噪算法

信號小波分析小波基函數(shù)選擇與信號去噪效果具有密切關(guān)系，目前很多文獻(xiàn)根據(jù)原始信號與不同小波波形的相關(guān)系數(shù)值進(jìn)行確定[15-16]。但對于在強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下工作的電抗器，外界干擾噪聲極易使線圈信號波形發(fā)生畸變，此時(shí)在實(shí)際應(yīng)用時(shí)很難通過相關(guān)系數(shù)法提前確定最優(yōu)小波基的選擇。

信號小波分解時(shí)，其中有用信號能量比較集中，表現(xiàn)為小波分解系數(shù)幅值比較大，而噪聲在整個(gè)時(shí)域比較分散，其分解系數(shù)幅值相對較小。根據(jù)信號小波閾值去噪原理，有用信號的小波系數(shù)能量相對噪聲越大，信號去噪時(shí)越容易與噪聲分離，提取到的故障信號特征越明顯[17]。因此，基于增強(qiáng)信號分解小波系數(shù)中有用信號與噪聲相對比值的原則，逐層確定每層最優(yōu)小波基。信號分解第i層小波系數(shù)中有用信號與噪聲的相對比值定義為

式中：di（k）是信號分解第i層的小波系數(shù)；N是第i層小波系數(shù)的長度。

在所有小波基中，選擇去噪性能較好同時(shí)具有緊支性和正交性的dbN（N=2～20）和symN（N=2～20）備選小波組成小波函數(shù)庫，對于分解層數(shù)為J的含噪信號，自適應(yīng)小波去噪算法步驟如下：

1）分別選取小波函數(shù)庫中不同小波基對信號進(jìn)行第一層分解，并計(jì)算不同小波基分解下小波系數(shù)中有用信號與噪聲的相對比值，選取其中比值最大的即為信號第一層分解的最優(yōu)小波基。

2）對于信號分解第j（j≥2）層小波基的選擇，將第j-1層尺度系數(shù)作為輸入信號在不同小波基下進(jìn)行分解，并計(jì)算小波系數(shù)中有用信號與噪聲的相對比值，選取比值最大的即為第j層最優(yōu)小波基。

3）重復(fù)步驟2）直到j(luò)=J，即可求得信號不同層小波分解所對應(yīng)的最優(yōu)小波基。

4）對信號不同層分解下的小波系數(shù)進(jìn)行閾值處理，提取信號第J層分解對應(yīng)的尺度系數(shù)，同閾值處理后的小波系數(shù)在不同層最優(yōu)小波基作用下逐層進(jìn)行信號重構(gòu)，即可得到最后的去噪信號。

3.3 探測線圈信號去噪分析

根據(jù)電抗器不同位置匝間短路探測線圈的故障信號特征，選取其中高頻信號幅值最小即0.75H（H為電抗器最外層繞組高度）短路位置的信號數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。探測線圈電壓原始信號如圖9所示，圖10為疊加高斯白噪聲后的信號，此時(shí)部分故障高頻信號淹沒在噪聲中，含噪信號的信噪比為20 dB。

對含噪信號進(jìn)行第一層小波分解，得到信號不同小波基分解下對應(yīng)的有用信號與噪聲相對比值如圖11所示，其中sym2小波對應(yīng)的相對比值最大，由此得到信號第一層分解的最優(yōu)小波基為sym2。

根據(jù)所得信號采樣率和基波電壓頻率分布，對信號進(jìn)行10層小波分解，得到第1層到第10層的最優(yōu)小波基依次為sym2、sym6、sym4、db10、db8、sym15、db8、sym8、sym10、db12。其中不同分解層對應(yīng)的小波系數(shù)中有用信號與噪聲的相對比值如圖12所示，在較低分解層中故障高頻信號集中度較高，隨著分解尺度增加，故障高頻信號分布的時(shí)域變廣，對應(yīng)的小波系數(shù)幅值相應(yīng)減小，在信號分解的后幾層中，小波域中基波信號幅值逐漸增大，有用信號與噪聲的相對比值逐漸增大。

用自適應(yīng)小波去噪算法對圖10含噪信號進(jìn)行去噪處理，其中選用比較成熟且經(jīng)過廣泛應(yīng)用的通用閾值和軟閾值函數(shù)對小波系數(shù)進(jìn)行閾值量化處理[18]，得到最后去噪信號如圖13所示。同時(shí)，根據(jù)探測線圈原始純凈信號與不同小波波形的相關(guān)系數(shù)[18]，選取其中相關(guān)系數(shù)值最大的sym8小波對圖10含噪信號進(jìn)行小波變換，得到的去噪信號如圖14所示?？梢钥闯觯赃m應(yīng)小波去噪算法得到的高頻信號故障特征量更加清晰明顯。

以去噪信號的信噪比和均方誤差作為去噪效果的評價(jià)指標(biāo)，表2是對探測線圈信號添加不同強(qiáng)度噪聲后采用不同小波去噪算法得到的去噪效果對比。通過數(shù)據(jù)分析可知，自適應(yīng)小波去噪算法所得去噪信號的信噪比和均方誤差均優(yōu)于相關(guān)系數(shù)法。因此，自適應(yīng)小波去噪算法在對信號進(jìn)行小波分解時(shí)可以準(zhǔn)確確定每層最優(yōu)小波基，進(jìn)而能夠最大程度保留故障信號特征。

3.4 小波故障判別機(jī)理

電抗器故障檢測所用信號是經(jīng)自適應(yīng)小波去噪法處理后的信號。在電抗器匝間短路發(fā)展期，探測線圈信號不同尺度小波變換的模極大值對應(yīng)于信號的突變點(diǎn)，為提取故障特征信號提供了有效手段。分別對電抗器匝間短路去噪前后的信號進(jìn)行小波分解，并進(jìn)行高頻系數(shù)單支重構(gòu)，得到不同尺度對應(yīng)的細(xì)節(jié)信號如圖15和圖16所示。其中含噪信號進(jìn)行小波變換時(shí)，故障特征量被噪聲所淹沒，無法進(jìn)行有效提取和檢測。而去噪后信號的d1、d2和d3層在0.038和0.047 s時(shí)刻附近均出現(xiàn)極大值，此極大值正對應(yīng)于電抗器故障高頻信號和匝間短路發(fā)展期的時(shí)間點(diǎn)。在去噪信號小波細(xì)節(jié)分量中，只有匝間短路瞬間對應(yīng)于信號小波變換的模極大值，而未發(fā)生匝間短路時(shí)的細(xì)節(jié)信號幅值為0。

電抗器不同位置發(fā)生匝間短路故障時(shí)，探測線圈電壓中故障高頻信號幅值有所不同。對于感應(yīng)電壓中幅值較小低能量的故障高頻信號，在對去噪信號進(jìn)行小波分解時(shí)，提取高頻信號能量比較集中所在層的小波系數(shù)進(jìn)行組合，并將其中最高層對應(yīng)的尺度系數(shù)置零，即可通過小波重構(gòu)得到高頻分量能量聚集的細(xì)節(jié)信號。

采用上述方法對圖13中去噪信號進(jìn)行小波變換，得到相應(yīng)的細(xì)節(jié)信號如圖17所示，在小波重構(gòu)信號d123中故障信號特征更加明顯。因此，通過重新合成的細(xì)節(jié)信號能夠最大程度地提取故障特征量，從而更加快速可靠識別電抗器匝間短路故障信號。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)證基于小波分析電抗器磁場探測法的有效性，本文選用DSP為主控制器設(shè)計(jì)制作故障檢測系統(tǒng)樣機(jī)對探測線圈信號進(jìn)行高速采樣處理。以實(shí)驗(yàn)室一臺空心電抗器為實(shí)驗(yàn)對象，搭建電抗器匝間短路故障檢測系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺如圖18所示。為模擬不同位置匝間短路故障，在不破壞電抗器包封結(jié)構(gòu)的情況下，采用與電抗器繞組規(guī)格相同的線圈加繞在最外層包封表面并進(jìn)行短接，通過改變線圈的高度來模擬不同位置匝間短路故障。

在搭建實(shí)驗(yàn)平臺的基礎(chǔ)上，首先由系統(tǒng)樣機(jī)測得電抗器正常工作時(shí)探測線圈的感應(yīng)電壓，同時(shí)為了更直觀在上位機(jī)顯示采樣信號波形，利用MATLAB繪制感應(yīng)電壓波形如圖19所示。分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，電抗器正常工作時(shí)，探測線圈輸出電壓為頻率50 Hz的正弦信號，由檢測系統(tǒng)計(jì)算電壓有效值為2.023 V?；诖艌鎏綔y法的算法原理，由故障檢測系統(tǒng)對電壓采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行算法分析，得到實(shí)驗(yàn)中電壓去噪信號不同尺度小波變換對應(yīng)的細(xì)節(jié)信號如圖20所示。由信號小波變換結(jié)果分析可知，電抗器正常工作時(shí)線圈電壓信號經(jīng)自適應(yīng)小波閾值去噪后，在高頻段保留了較少量的干擾噪聲。由此可根據(jù)下式計(jì)算出此時(shí)高頻信號分解小波系數(shù)能量為0.026，即

式中：d（k）是高頻帶信號分解的小波系數(shù)；N是對應(yīng)小波系數(shù)的長度；E是小波系數(shù)能量。

同時(shí)，由下式計(jì)算可得電抗器正常工作小波系數(shù)能量閾值為0.046，即

式中：Ks是相應(yīng)的安全裕度參數(shù)，一般取值1.25；Eg是電抗器正常工作信號小波系數(shù)能量閾值。

將短路線圈環(huán)繞在電抗器最外層包封上端，用短接線對線圈兩端口進(jìn)行試觸，進(jìn)而模擬匝間短路發(fā)展期的動(dòng)態(tài)過程。實(shí)驗(yàn)測得線圈電壓波形如圖21所示，分析可知電抗器發(fā)生匝間短路瞬間，在線圈電壓50 Hz基波信號上會出現(xiàn)突變的高頻信號。根據(jù)電抗器小波故障檢測算法，由檢測系統(tǒng)得到去噪信號小波變換結(jié)果如圖22所示，此時(shí)在小波變換細(xì)節(jié)信號中提取到明顯的故障高頻信號特征。信號對應(yīng)的小波系數(shù)能量為67.727，同時(shí)系統(tǒng)樣機(jī)在檢測到小波系數(shù)能量超過閾值時(shí)自動(dòng)發(fā)出報(bào)警提示。

通過改變短路線圈的高度來模擬電抗器不同位置匝間短路故障，得到電抗器不同位置匝間短路實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果如表3所示，其中H代表電抗器最外層繞組的高度。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可知，電抗器不同位置發(fā)生匝間短路時(shí)，基于小波故障檢測算法，由信號小波變換得到的小波系數(shù)能量遠(yuǎn)大于電抗器正常工作時(shí)小波系數(shù)能量閾值。因此，本文研究的基于小波分析的磁場探測法能較好提取電抗器故障信號特征，對匝間短路故障檢測具有較高的靈敏度。圖23為電抗器不同位置匝間短路時(shí)高頻信號小波系數(shù)能量的變化，由故障檢測系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)得到的小波系數(shù)能量的變化趨勢與圖7仿真中高頻電壓信號幅值的變化規(guī)律基本一致。通過實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果對比分析，驗(yàn)證了本文基于小波分析的電抗器匝間短路磁場探測法的有效性，且能夠快速準(zhǔn)確識別電抗器不同位置匝間短路故障信號，具有較好的實(shí)際應(yīng)用前景。

5 結(jié) 論

本文在磁場探測法的基礎(chǔ)上研究基于小波分析的空心電抗器匝間短路檢測方法，重點(diǎn)對電抗器匝間短路故障發(fā)展期探測線圈電壓信號變化特征以及小波分析在電抗器故障檢測中的應(yīng)用展開研究，并得出以下結(jié)論：

1）通過對電抗器匝間短路故障發(fā)展期探測線圈電壓信號進(jìn)行仿真分析可知，基于探測線圈感應(yīng)電壓中故障高頻信號的辨識，可在較大范圍內(nèi)檢測電抗器不同位置匝間短路故障。

2）針對電抗器實(shí)際運(yùn)行中外界環(huán)境的強(qiáng)電磁干擾，基于小波分析理論研究提出自適應(yīng)小波去噪算法和小波故障判別機(jī)理，從而確定了電抗器磁場探測法的算法原理，該算法在對信號去噪的同時(shí)能夠有效保留匝間短路故障信號特征。

3）開展電抗器不同位置匝間短路實(shí)驗(yàn)研究，通過實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果對比分析可知，本文提出的基于小波分析的磁場探測法具有較高的靈敏度和可靠性，能夠快速準(zhǔn)確識別電抗器不同位置匝間短路故障信號并及時(shí)預(yù)警。

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（編輯：邱赫男）

收稿日期： 2022-08-10

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（61741126）；廣西自然科學(xué)基金（2022GXNSFAA035533）

作者簡介：范興明（1978—），男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)橹悄芑娖骱透唠妷盒录夹g(shù)；

韓冬陽（1994—），男，碩士，研究方向?yàn)橹悄芑娖鳎?/p>

張 鑫（1976—），女，碩士，高級實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)橹悄芑娖鳌?/p>

通信作者：張 鑫