采用振荡法检测电抗器匝间绝缘故障的检测结构及方法与流程

本发明涉及电力系统设备试验检测的技术领域，尤其是一种采用振荡法检测电抗器匝间绝缘故障的检测结构及其方法。

背景技术：

电抗器是电力系统不可或缺的电力设备，广泛应用于并联无功补偿，限流电抗器装置限制冲击电流或故障电流，滤波装置的谐振电抗器。随着我国电网建设的迅速发展，各种电压等级的高中压空心及铁心电抗器的应用也越来越普遍。

与其他电气设备一样，干式电抗器在实际运行中也存在很多事故。国内外干式电抗器的实际运行情况和大量资料表明：造成干式电抗器损坏的原因主要是线圈匝间绝缘存在缺陷及匝间绝缘发生损坏，导致匝间短路故障，而且这种事故往往会造成运行中的电抗器发生匝间短路，导致电抗器烧毁，对电力运行部门造成很大的损失。

干式电抗器发生匝间故障引起电感、电流、磁场等特征量的变化大小与安匝数及并联支路数密切相关，在故障发展初期，这些变化量很难被检测到。

目前，国内对匝间绝缘故障检测理论的研究进行不多，对匝间绝缘检测设备的研究也很少，基本处于软件模拟仿真阶段，未能开发实用产品。

因此有必要设计一种采用振荡法检测电抗器匝间绝缘故障的检测结构及其方法，实现对电抗器匝间绝缘检测。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种采用振荡法检测电抗器匝间绝缘故障的检测结构及其方法，旨在解决现有技术中，干式电抗器发生匝间故障引起电感、电流、磁场等特征量的变化大小与安匝数及并联支路数密切相关，在故障发展初期，这些变化量很难被检测到的问题。

本发明是这样实现的，采用振荡法检测电抗器匝间绝缘故障的检测结构，包括分别连接在电抗器的一端的放电球隙以及脉冲电容，所述放电球隙的另一端连接有电源的负极，所述电源的正极与所述电抗器的另一端连接，且所述脉冲电容的另一端连接在所述电源的负极。

进一步地，所述电抗器内设有电感以及等效电阻，所述电感与所述等效电阻连接，且所述等效电阻的另一端与所述放电球隙连接，所述电感的另一端与所述电源的正极连接。

本发明还提供了采用振荡法检测电抗器匝间绝缘故障的检测方法，包括以下具体步骤:

步骤一、计算标准值，计算电抗器匝间绝缘未故障时，电抗器正常的时间常数；

步骤二、测量和计算实际衰减时间，通过采用振荡法检测电抗器匝间绝缘故障的检测结构，测量振荡波试验电压下两端的电压波形变化侧的实际衰减时间；

步骤三、对比时间，将步骤一所得的时间常数与步骤二所得的实际衰减时间进行对比，当衰减时间常数显著减小，振荡时间显著变短，则表明抗器线圈存在匝间绝缘缺陷，并且衰减时间常数减小越多，振荡时间变短越多，匝间绝缘短路故障的程度越大。

进一步地，在所述步骤二中，通过调节输出电压，使脉冲电容通过整流充电回路可以充电到某一指定的电压值，并缓慢调整放电球隙，使之在预先整定的充电电压下得以击穿，放电球隙击穿后，脉冲电容通过球隙电弧向电抗器放电，从而使电抗器绕组获得衰减的高频振荡电压，形成电抗器的振荡电路。

进一步地，所述步骤二中，计算实际衰减时间的具体步骤如下：

步骤1、计算等效电阻增大值，建立故障模型，分析计算等效电阻增大值；

步骤2、计算实际衰减时间，根据等效电阻增大值以及相关计算公式计算实际衰减时间。

进一步地，在所述步骤1中，建立故障模型可以分为两种，一种是单相匝间故障模型，另外一种是多支路故障模型。

进一步地，在所述步骤1中的故障模型中，在所述步骤1的故障模型中，等效等效电阻变大31%，短路一匝；等效等效电阻变大125%，短路三匝；等效等效电阻R变大286%，短路五匝。

进一步地，在所述步骤2中，所述计算公式包括Q=ωL/R=2πf L/R。

进一步地，在所述步骤三中，时间常数减小率23.6%，短路一匝；时间常数减小率55.3%，短路三匝。

进一步地，在所述步骤三对比时间中，利用计算数据及测量数据表明对比，电抗器出现匝间短路故障后，在短路一至三匝时，振荡衰减时间常数成比例剧烈变小，变化趋势相当明显，当短路更多匝时，趋势变化将进一步加强。

与现有技术相比，本发明提供的采用振荡法检测电抗器匝间绝缘故障的检测结构，通过在电抗器的一端分别设置放电球隙以及脉冲电容，并且由电源提供电能，脉冲电容由电源充电，当脉冲电容被充电至一定值时，放电球隙放电，脉冲电容与电抗器形成一定频率的阻尼振荡电路，当电抗器出现匝间短路故障后，电感量减小且有功损耗剧增，电抗器波形的振荡周期将减小，幅值的衰减速度也将加快，通过比较正常情况下以及故障情况下的电抗器线圈两端的电压或者流过线圈的电流波形衰减时间常数变化，可以准确检测出电抗器是否存在匝间短路故障隐患或已经发生匝间短路，实用性强。

附图说明

图1是本发明实施例提供的采用振荡法检测电抗器匝间绝缘故障的检测结构的电路原理图；

图2是本发明实施例提供的单相匝间故障模型；

图3是本发明实施例提供的单相匝间故障等效电路图；

图4是本发明实施例提供的单相匝间故障二端口网络图；

图5是本发明实施例提供的多支路模型；

图6是本发明实施例提供的功损耗变化录波曲线图；

图7是本发明实施例提供的功率损耗角变化录波曲线图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下结合具体实施例对本发明的实现进行详细的描述。

参照图1~7，为本发明提供的较佳实施例。

本实施例提供的一种采用振荡法检测电抗器匝间绝缘故障的检测结构及其方法，可以运用在变电站现场已在户外运行一定年限的电抗器，准确检测出电抗器是否存在匝间短路故障隐患或已经发生匝间短路。

采用振荡法检测电抗器匝间绝缘故障的检测结构，包括分别连接在电抗器的一端的放电球隙K以及脉冲电容C，所述放电球隙K的另一端连接有电源的负极，所述电源的正极与电抗器的另一端连接，且所述脉冲电容C的另一端连接在所述的电源的负极。

在试验时，脉冲电容C由直流电源充电，当脉冲电容C被充电至一定值时，球隙放电，脉冲电容C与电抗器形成一定频率的阻尼振荡电路。当振荡放电电流衰减到零时，球隙电弧熄灭，脉冲电容C又开始充电，当充电电压达到放电球隙K的击穿电压后，放电球隙K再次放电而后脉冲电容C与被试线圈串联发生阻尼振荡。这个过程不断重复直至直流电源被断开，当电抗器出现匝间短路故障后，电感L量减小且有功损耗剧增，电抗器波形的振荡周期将减小，幅值的衰减速度也将加快。

上述的采用振荡法检测电抗器匝间绝缘故障的检测结构，通过在电抗器的一端分别设置放电球隙K以及脉冲电容C，并且由电源提供电能，脉冲电容C由直流电源充电，当脉冲电容C被充电至一定值时，放电球隙K放电，脉冲电容C与电抗器形成一定频率的阻尼振荡电路，当电抗器出现匝间短路故障后，电感L量减小且有功损耗剧增，电抗器波形的振荡周期将减小，幅值的衰减速度也将加快，通过比较正常情况下以及故障情况下的电抗器线圈两端的电压或者流过线圈的电流波形衰减时间常数变化，可以准确检测出电抗器是否存在匝间短路故障隐患或已经发生匝间短路，实用性强。

在本实施例中，上述的电抗器内设有电感L以及等效电阻R，所述电感L与等效电阻R连接，且所述等效电阻R的另一端与放电球隙K连接，电感L的另一端与电源的正极连接。当脉冲电容C被充电至一定值时，球隙放电，电容脉冲电容C与电抗器线圈形成一定频率的阻尼振荡电路。其振荡频率为 。

针对上述电路放电过程进行分析：

U_C+U_L+U_R＝0，

即：

因为有：

可以得到：

设电容器的初始充电电压为U_c0，回路电流、电容器和电抗器上的电压可以简化为下式：

U_C＝U_C0e^-δtsin(ωt+π/2) 公式(2)

U_L＝U_C0e^-δtsin(ωt-π/2) 公式(3)

其中：δ＝R/2L为衰减系数或阻尼系数；ω＝2πf为角频率，则振荡频率和振荡周期为

衰减时间常数：

当电抗器出现匝间短路故障后，电感L量减小且有功损耗剧增，由公式(3)，公式(4)可以看出，电抗器波形的振荡周期将减小，幅值的衰减速度也将加快。

由公式（5）可以看出，由于电抗器线圈匝数的减少，导致整个电抗器的电感L量轻微减小；但此时等效电阻R显著增大(增大百分之几十到百分之几百)，阻尼作用显著加强，则时间常数τ显著减小，故振荡时间显著变短。所以，通过对比观察电抗器在测量电感L与测量直流等效电阻R计算的时间常数和振荡波试验电压下两端的电压波形变化侧的实际衰减时间τ情况，就可以准确判断电抗器线圈是否存在匝间绝缘缺陷或匝间绝缘短路故障的程度。

本发明还提供了采用振荡法检测电抗器匝间绝缘故障的检测方法，包括以下具体步骤:

步骤一、计算标准值，计算电抗器匝间绝缘未故障时，电抗器正常的时间常数；

步骤二、测量和计算实际衰减时间，通过采用振荡法检测电抗器匝间绝缘故障的检测结构，测量振荡波试验电压下两端的电压波形变化侧的实际衰减时间τ；

步骤三、对比时间，将步骤一所得的时间常数与步骤二所得的实际衰减时间τ进行对比，当衰减时间常数τ显著减小，振荡时间显著变短，则表明抗器线圈存在匝间绝缘缺陷，并且衰减时间常数τ减小越多，振荡时间变短越多，匝间绝缘短路故障的程度越大。

具体地，在所述步骤二中，通过调节输出电压，使脉冲电容C通过整流充电回路可以充电到某一指定的电压值，并缓慢调整放电球隙K，使之在预先整定的充电电压下得以击穿，放电球隙K击穿后，脉冲电容C通过球隙电弧向电抗器放电，从而使电抗器绕组获得衰减的高频振荡电压，形成电抗器的振荡电路。

上述的步骤二中，计算实际衰减时间的具体步骤如下：

步骤1、计算等效电阻R增大值，建立故障模型，分析计算等效电阻R增大值；

步骤2、计算实际衰减时间，根据等效电阻R增大值以及相关计算公式计算实际衰减时间。

更进一步的，上述的步骤1，建立故障模型可以分为两种，一种是单相匝间故障模型，另外一种是多支路故障模型。

具体地，如图2至图4所示，对于单相匝间故障模型而言，电抗器两端看成一个二端口网络，正常情况下其有功损耗为：

+ =R+ （公式1）

当电抗器发生内部故障初期时，电感L变化很小，特别是并联电抗器，理论计算一般小于0.1%，因而|i|几乎没变化。

但是，电抗器故障短路环瞬时消耗了大量能量，从公式1可以看出，P急剧增大，其等效等效电阻R在急剧增大。

为准确计算等效等效电阻R故障前后变化量，需建模计算故障电流与支路电流的比值K=。若电抗器是单层线（小容量电抗器），以安匝数70匝，电感L3.21mH电抗器为例，通过计算，故障1匝后其匝等值等效电阻RR变大 倍。

通过该匝间故障等效电路图计算统计表明，电抗器短路一匝的电感L变化很小，一般小于5%。如型号为CKGKL-100/10-5电抗器短路1匝电感L变小0.72%、型号为BKGKL-4000/35电抗器短路1匝电感L变小0.1%。

另外，如图5所示，对于多支路故障模型而言，由KCL定律得第m条支路的电压平衡关系式：

U=+++ （公式2）

短路环电压平衡关系式：

0=++ （公式3）

上述各支路自感及互感可根据平均安匝法计算出来，令，代入（公式2）及（公式3），分离根部及虚部，通过矩阵方程可求得各支路电流及短路环电流，则故障后：

= + = + （公式4）

空心电抗器，特别是并联电抗器，在故障初期支路总电流变化极小，可认为不变，此时

= （公式5）

以CKGKL-100/10-5为例，短路1匝，电感L变小0.72%；短路3匝，电感L变小2.19%；

实测短路一匝，等效等效电阻R变大31%，录波显示功率因数角从87.25℃下降到86.4℃

实测短路三匝，等效等效电阻R变大137%，录波显示功率因数角从87.1℃下降到83.1℃

实测短路五匝，等效等效电阻R变大265%，录波显示功率因数角从87.3℃下降到80.1℃

事实上，短路三匝可看成是三个短路一匝的三个短路环金属连接，如果短路1匝，等效等效电阻R增大设为K，则短路n匝的等效等效电阻R增大近似： （公式6）

如实测，在所述步骤1的故障模型中，短路一匝，等效等效电阻R变大31%，则

短路三匝的等效等效电阻R变大约为：1.31^3=2.25，即变大125%；

短路五匝的等效等效电阻R变大约为：1.31^5=3.86，即变大286%。

参照图6至图7，空心电抗器在发生了匝间短路故障后，其等值参数会发生一些显著变化：

1、空心电抗器的电感L变化很小，约为5%以下。

2、空心电抗器的电流变化很小，其变化同电感L量变化，约为5%以下。

3、由于短路匝内电流很大，短路匝损耗了大量能量，形成了很大的附加损耗。

4、此损耗随着短路匝的扩大也在变大。

5、此损耗从等值参数看，是增加了一个附加串联等效电阻R，并且这个等效电阻R值较正常等效电阻R而言变化巨大。

6、空心电抗器的损耗功率角度会从tanα=0.03到tanα=0.12,损耗角会从1-2度增大到6-7度，即等效电阻R增大了3倍以上，并按照短路匝的发展扩大以等比例增大。

具体地，在所述步骤2中，所述的计算公式包括Q=ωL/R=2πf L/R。

在所述步骤三中，依据电抗器的品质因数Q=ωL/R; ω=2πf;

则：Q=ωL/R=2πf L/R 公式（7）

一般情况下，电抗器品质因数要求>50。设L=1，

则R=2πf L/Q =314/50=6.28

即时间常数基准值τ=2L/R=0.318（电抗器附加等效电阻R占比很小可忽略不计，可直接用直流等效电阻R代替，趋势不变）

电抗器线圈短路一匝，则由 公式（6）得出：等效等效电阻R 变大31%，短路后电感L值有细微减小，可忽略不计，不影响总体趋势。

此时时间常数：

τ’=2L/R=0.243

则短路一匝后时间常数减小率=（1-τ’/τ）x100%=23.6%。

电抗器线圈短路三匝，则由 公式（6）得出：等效等效电阻R 变大125%，短路后电感L值有细微减小，可忽略不计，不影响总体趋势。

此时时间常数：

则短路三匝后时间常数减小率=（1-τ’/τ）x100%=55.3%。

另外，上述的步骤三对比时间中，利用计算数据及测量数据表明对比，电抗器出现匝间短路故障后，在短路一至三匝时，振荡衰减时间常数成比例剧烈变小，变化趋势相当明显，当短路更多匝时，趋势变化将进一步加强。

具体地，短路1匝后时间常数减小率3.6%，短路3匝后时间常数减小率55.3%。

因此，利用振荡法（振荡衰减时间常数变化）检测电抗器匝间短路故障可行，其特征量在故障三匝后十分明显。

在本实施例中，上述的电抗器可以为空心电抗器，也可以是铁心电抗器。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。