干式电抗器匝间故障保护装置及识别方法与流程

本发明涉及电力系统设备运行的技术领域，尤其是指一种干式电抗器匝间故障保护装置及识别方法。

背景技术：

干式电抗器(dry-typeair-corereactors,dar)在电网中应用广泛，为电力系统提供无功补偿，对于提高电能输送质量、减少线路损耗、限制系统工频过电压和操作过电压具有重要意义，并具有投资少、噪音低、强度高、重量轻、线性度好、运行维护便捷等诸多优点，是电网中不可缺少的重要设备之一。据不完全统计，66kv及以下电压等级的输配电网中，干式电抗器的使用占比超过65％。然而，由于干式电抗器材料属性的约束，再加上在户外运行条件的复杂恶劣，干式电抗器自投运以来，每年都发生了多起设备故障燃烧起火的事故。

通常干式电抗器故障主要有回路相间引线短路的相间故障和单相绕组线匝绝缘损坏后的匝间故障。匝间绝缘损坏，主要是由于长时间运行导致，同时绝缘老化、电流密度设计过大、绕组导线存在毛刺以及绝缘工艺处理不当等也是引发电抗器匝间绝缘故障的主要原因，并由此引发个别绕组匝间短路，进而导致临近匝绝缘在故障匝高温下也因此损坏，故障进一步扩大和发展。当干式电抗器发生匝间短路时，短路线匝中的电流值高达数百倍额定电流，在极短的时间内(小于500ms)短路线匝迅速发热升温，引起匝间短路部位周边其它匝连锁反应，致使故障急剧扩张，最终导致电抗器导线级绝缘材料燃烧并烧毁为止。一旦干式电抗器匝间发生短路而不能在十个工频周期内切除故障，会引起更严重的故障起火等次生灾害，给电力部门以及用户造成难以弥补的损失。

目前，针对干式电抗器的故障预防及保护主要包括两个方面，一是从电抗器的制造、运维工艺出发，优化加强绝缘结构设计等；二是从离线检修试验出发，定期进行匝间绝缘检测，及早发现并处理潜在故障。这些故障保护措施大多是基于离线检测结果，不能准确监测设备的实时运行状态，并且需要强迫设备停运。另外，部分绝缘试验还具有破坏性，对电网运行和设备安全均具有一定的影响。而针对电抗器匝间短路的在线监测手段，目前主要有电气损耗功角增量法、线圈探测法、烟感监测法以及应力感应法等。若采用电气损耗功角增量法，电抗器发生匝间短路故障时，电抗器线圈整体匝数减少，短路环中的感应电流很大，短路线匝产生的磁场具有去磁效应，对于较少匝数的匝间短路时，电感量减小量很小，故障起始的几个工频周期时间内电抗器电压和电流变化不明显，使电气损耗功角测量精度受限，为了准确监测判断故障，需要等到故障进一步扩大后(约为十几个工频周期时间)，故障匝数扩大到足够大时才能作出判断；若采用线圈探测法，在干式电抗器各包封外表面对称位置成对安装磁场探测线圈，通过探测线圈感应电压，提取磁场变化信号，判断电抗器运行状态，到达匝间短路故障在线实时检测的目的。但是该方法需要在电抗器外包封绕制对称放置的成对探测线圈，而对正在运行中的电抗器，尤其是高压端一侧绕制探测线圈难度大，使设备存在安全隐患；而烟感监测法、应力感应法采用非电气法作为监测量，易受到外界环境因素的影响，单独使用时效果不佳，在监测精度要求较高的场合，需要额外增加辅助设备，增大了设备投资。

为了克服上述问题，现有中国发明专利(cn106546869a)公开了一种空心电力电抗器匝间绝缘故障在线监测装置，包括通过损耗因数值的变化来判断电力电抗器匝间绝缘故障方法；装置由信号提取部分、信号转换控制部分、计算机运算部分、显示及警报部分构成；运用电压、电流互感器提取被测电抗器的端电压、电流信号，进行缩放到符合ad转换器处理范围，单片机控制ad转换器对模拟电压、电流信号进行处理，送入计算机进行分析计算损耗因数，通过电流、电压信号计算有功功率和无功功率，算出损耗因数；实时在线监测的变化，对比正常电力电抗器运行下阈值，显示电抗器运行状况，超出阈值发出警报。上述虽然实现了对空心电力电抗器在线检测目的，提高了空心电力电抗器的运行可靠性，但是上述对比文件仅提供了报警措施，没有讨论在发生异常的情况下，如何提供保护措施，而且也不利于对异常数据的分析及处理。

技术实现要素：

为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中在线检测匝间故障存在不完善的问题从而提供一种在在线检测完善且检测精度高的干式电抗器匝间故障保护装置及识别方法。

为解决上述技术问题，本发明的一种干式电抗器匝间故障保护装置，包括与所述干式电抗器的电压互感器和电流互感器二次端口相连的信号采集模块、与所述信号采集模块相连的ad转换模块、与所述ad转换模块相连的信号分析与处理模块，所述信号分析与处理模块与匝间短路故障识别模块相连，所述匝间短路故障识别模块通过保护动作模块与开关动作相连。

在本发明的一个实施例中，所述匝间短路故障识别模块还与匝间短路故障预警模块以及数据存储模块相连，所述保护动作模块、所述匝间短路故障预警模块以及所述数据存储模块均与远方通讯模块相连，且所述匝间短路故障预警模块与所述数据存储模块相连。

在本发明的一个实施例中，所述远方通讯模块与变电站主控室，所述变电站主控室通过功能重置模块与所述信号分析与处理模块相连。

本发明还提供了一种干式电抗器匝间故障识别方法，通过对所述干式电抗器的电压信号和电流信号进行实时监测判断所述干式电抗器是否发生故障，包括如下步骤：步骤s1：获取所述干式电抗器的实时电压信号和电流信号，并将所述电压信号和电流信号转变成相应的数字信号；步骤s2：对所述电压和电流的相应数字信号进行分析，以第j个工频周期至依次连续的多个工频周期作为一个时间窗口，计算所述一个时间窗口内电抗器吸收的实时焦耳热能以及累计焦耳热能；步骤s3：根据所述一个时间窗口内的累计焦耳热能是否超出热能预警值判断所述电抗器是否发生匝间故障。

在本发明的一个实施例中，判断所述电抗器是否发生匝间故障的方法为：所述一个时间窗口内的累计焦耳热能若超出所述热能预警值，则表明所述电抗器内部已发生匝间短路故障；若没有超出所述热能预警值，则存储所述一个时间窗口内的累计焦耳热能。

在本发明的一个实施例中，存储所述一个时间窗口内的累计焦耳热能后，计算窗口移动，重新计算所述电抗器吸收的焦耳热能，以第j+1个工频周期至依次连续的多个工频周期作为另一个时间窗口，计算所述另一个时间窗口内电抗器吸收的实时焦耳热能以及累计焦耳热能，将所述另一个时间窗口内电抗器吸收的实时焦耳热能与上一个时间窗口内电抗器吸收的实时焦耳热能作比较并计算第一偏移率，同时，将所述另一个时间窗口内电抗器吸收的累计焦耳热能与上一个时间窗口内电抗器吸收的累计焦耳热能作比较并计算第二偏移率，根据所述第一偏移率和所述第二偏移率是否超出偏移基准值判断是否对电抗器匝间短路故障进行预警。

在本发明的一个实施例中，判断是否对电抗器匝间短路故障进行预警的方法为：若所述第一偏移率大于所述基准焦耳热能或者第二偏移率大于所述偏移基准值，则表明所述电抗器内部发生匝间短路故障的风险较大，需要进行预警；若所述第一偏移率小于所述基准焦耳热能或者所述第二偏移率小于所述偏移基准值，则存储所述另一个时间窗口内的实时焦耳热能和累计焦耳热能，继续计算下一个时间窗口内的电抗器吸收的实时焦耳热能以及累计焦耳热能，依次比较和判断，直至完成对所有时间窗口内电抗器吸收的实时焦耳热能以及累计焦耳热能的比较和判断。

在本发明的一个实施例中，所述电抗内部若发生匝间短路故障的风险较大，则发出预警信号至主控室，并保存预警时对应时间窗口的电压波形、电流波形、实时焦耳热能以及累计焦耳热能数据。

在本发明的一个实施例中，所述电抗器内部若已发生匝间短路故障，则输出保护动作信号，将并联电抗器从电网中切除，同时保存故障时对应时间窗口的电压波形、电流波形、实时焦耳热能以及累计焦耳热能数据。

在本发明的一个实施例中，所述热能预警值是提前设定值。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

本发明所述的干式电抗器匝间故障保护装置及识别方法，通过实时监测电压和电流瞬时值并计算干式电抗器吸收的焦耳热能，评估干式电抗器的导体温度，并在导体温度升高至导体融化和绝缘材料燃烧温度前，输出开关分闸信号快速切断电抗器电压，停止干式电抗器故障匝内的焦耳热能累积，阻止电抗器匝间温度继续升高以及由此导致的匝间短路故障蔓延，避免匝间短路持续发展，将电抗器导体温度控制在其熔点和绝缘材料燃点以内，防止电抗器铝线及环氧树脂着火燃烧并将这个电抗器烧毁事故发生。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中

图1是本发明干式电抗器匝间故障保护装置示意图；

图2是本发明干式电抗器匝间故障识别方法流程图。

具体实施方式

实施例一：

如图所示，本实施例提供一种干式电抗器匝间故障保护装置，包括与所述干式电抗器10的电压互感器和电流互感器二次端口相连的信号采集模块11、与所述信号采集模块11相连的ad转换模块12、与所述ad转换模块12相连的信号分析与处理模块13，所述信号分析与处理模块13与匝间短路故障识别模块14相连，所述匝间短路故障识别模块14通过保护动作模块15与开关动作16相连。

本实施例所述干式电抗器匝间故障保护装置，包括信号采集模块11、ad转换模块12、信号分析与处理模块13、匝间短路故障识别模块14、保护动作模块15、匝间短路故障预警模块16、数据存储模块17以及开关动作18。其中，所述信号采集模块11与所述干式电抗器10的电压互感器和电流互感器二次端口相连，监测干式电抗器10的实时电压和电流信号，所述信号采集模块11与所述ad转换模块12相连，将实时监测的电压和电流信号传送至ad转换模块12，通过所述ad转换模块12对获取的电抗器实时电压、电流信号进行a/d转换，将模拟信号转变为电压、电流的数字信号，所述ad转换模块12与所述信号分析与处理模块13相连，将所述电压、电流的数字信号传送至所述信号分析与处理模块13，通过所述信号分析与处理模块13对接收的电压、电流数字信号进行分析，计算每个工频周期电抗器线圈吸收的焦耳热能以及连续多个工频周期的累计焦耳热能，所述信号分析与处理模块13与匝间短路故障识别模块14相连，将计算得到的数据传送给匝间短路故障识别模块14，所述匝间短路故障识别模块14根据计算获取到的电抗器线圈吸收的焦耳热能，评估电抗器在一定时间窗口内累计吸收的焦耳热能是否超出预警值，所述匝间短路故障识别模块14通过保护动作模块15与开关动作16相连，对于超出预警值的电抗器，通过所述保护动作模块15输出开关分闸动作信号至所述开关动作16，通过所述开关动作16切断电抗器电压，将并联电抗器从电网中切除，并上传故障信息，由于及时切断了问题电抗器，阻止电抗器匝间温度继续升高以及由此导致的匝间短路故障蔓延，避免匝间短路持续发展，将电抗器导体温度控制在其熔点和绝缘材料燃点以内，防止电抗器铝线及环氧树脂着火燃烧，由此避免了整个电抗器烧毁事故发生。

所述匝间短路故障识别模块14与匝间短路故障预警模块17相连，其中所述匝间短路故障预警模块17根据接收的匝间短路故障输出信号，当电抗器在一定时间窗口内吸收的实时焦耳热能或累计焦耳热能与前一个时间窗口内吸收的实时焦耳热能或累计焦耳热能对应热能的偏移率超过偏移基准值时，对所述电抗器匝间线圈的潜在故障进行报警；所述匝间短路故障预警模块17与远方通讯模块19相连，将匝间短路故障输出信号传输至所述远方通讯模块19中，从而有利于对数据进行分析。

所述匝间短路故障识别模块14还与数据存储模块18相连，当检测到电抗器在一定时间窗口内吸收的焦耳热能偏移率较大或已识别电抗器发生匝间短路故障时，所述数据存储模块18将电抗器在一定时间窗口内吸收的焦耳热能数据进行保存至本地内存卡。另外，所述匝间短路故障预警模块17与所述数据存储模块18相连，将匝间短路故障输出信号传输至所述数据存储模块18中进行保存。所述数据存储模块18与所述远方通讯模块19相连，将保存的数据传送至所述远方通讯模块19中，从而有利于对数据进行分析。

所述保护动作模块15也与所述远方通讯模块19相连，所述保护动作模块15输出开关分闸动作信号至所述开关动作16，将并联电抗器从电网中切除，上传故障信息至所述远方通讯模块19，从而有利于对故障信息进行分析。

所述远方通讯模块19与变电站主控室20，所述远方通讯模块19接收所述保护动作模块15的故障和保护动作信息以及所述匝间短路故障预警模块17输出的电抗器匝间故障状态，同时接收所述数据存储模块18传送的数据，将不同的故障和报警信息和相关数据远传至所述变电站主控室20。所述变电站主控室20通过功能重置模块21与所述信号分析与处理模块13相连，当识别出所述干式电抗器10发生匝间短路故障后，通过所述功能重置模块21将整个保护装置的功能恢复至初始状态，继续对新设备进行保护。

实施例二：

如图2所示，本实施提供一种干式电抗器匝间故障识别方法，通过对所述干式电抗器的电压信号和电流信号进行实时监测判断所述干式电抗器是否发生故障，包括如下步骤：步骤s1：获取所述干式电抗器的实时电压信号和电流信号，并将所述电压信号和电流信号转变成相应的数字信号；步骤s2：对所述电压和电流的相应数字信号进行分析，以第j个工频周期至依次连续的多个工频周期作为一个时间窗口，计算所述一个时间窗口内电抗器吸收的实时焦耳热能以及累计焦耳热能；步骤s3：根据所述一个时间窗口内的累计焦耳热能是否超出热能预警值判断所述电抗器是否发生匝间故障。

本实施所述干式电抗器匝间故障识别方法，通过对所述干式电抗器的电压信号和电流信号进行实时监测判断所述干式电抗器是否发生故障，所述步骤s1中，获取所述干式电抗器的实时电压信号和电流信号，并将所述电压信号和电流信号转变成相应的数字信号，从而有利于对数字信号的分析与处理；所述步骤s2中，对所述电压和电流的相应数字信号进行分析，以第j个工频周期至依次连续的多个工频周期作为一个时间窗口，本实施作为第一个时间窗口，计算所述第一个时间窗口内电抗器吸收的实时焦耳热能以及累计焦耳热能，由于干式并联电抗器发生匝间短路故障时，线圈故障匝内部产生了巨大的环流电流，最高可达到额定电流的200-300倍，在极短时间内(一般是几个工频周期到几十个工频周期内)，几匝(3匝、5匝甚至10匝以上匝导线)导线的电阻吸收了大量的焦耳热能，因此通过计算干式电抗器短路匝消耗并累积的热能，可快速、准确地测量及判定匝间短路故障的严重程度以及其发展扩大的匝数及扩大速度，通过设置时间窗口有利于分段实时检测所述电压和电流的变化，及时发现及解决故障；所述步骤s3中，根据所述第一个时间窗口内的累计焦耳热能是否超出热能预警值判断所述电抗器是否发生匝间故障，由于通过时间窗口实时检测，因此操作方便、响应速度快，而且监测精度高，可以在匝间短路发生故障初期，有利于迅速切除故障，防止故障扩大蔓延，防止因匝间故障快速发展导致的电抗器起火事故。

下面举例说明所述步骤s2中如何计算所述电抗器线圈吸收的焦耳热能和累计焦耳热能：设置从j开始连续m个(m可根据具体需求进行整定设置)工频周期为一个时间窗口，计算电抗器线圈在该时间窗口内吸收的实时焦耳热能{qfi1,i＝j,j+1,...,j+m-1}和累计焦耳热能{qσfi1,i＝j,j+1,...,j+m-1}。其中所述电抗器吸收的焦耳热能计算公式如为：

公式一：

公式二：

所述电抗器每个工频周期内吸收的焦耳热能以及累计焦耳热能可以通过控制积分界限来计算得到，如{qfi1}的积分界限是t(i-1)和ti，{qσfi1}的积分界限是t0和ti，其中t0表示积分起始时间点，t(i-1)表示积分初始点后的第(i-1)个工频周期时间点，ti表示积分初始点后的第i个工频周期时间点。

所述步骤s3中，判断所述电抗器是否发生匝间故障的方法为：若超出所述热能预警值，则表明所述电抗器内部已发生匝间短路故障；若没有超出所述热能预警值，则存储所述第一个时间窗口内的累计焦耳热能，其中所述热能预警值是提前设定值。

存储所述第一个时间窗口内的累计焦耳热能后，计算窗口移动，重新计算所述电抗器吸收的焦耳热能，以第j+1个工频周期至依次连续的多个工频周期作为另一个时间窗口，本实施例中，所述另一个时间窗口为第二个时间窗口，计算所述第二个时间窗口内电抗器吸收的实时焦耳热能以及累计焦耳热能，将所述第二个时间窗口内电抗器吸收的实时焦耳热能与所述第一个时间窗口内电抗器吸收的实时焦耳热能作比较并计算第一偏移率；同时，将所述第二个时间窗口内电抗器吸收的累计焦耳热能与所述第一个时间窗口内电抗器吸收的累计焦耳热能作比较并计算第二偏移率，根据所述第一偏移率和所述第二偏移率是否超出偏移基准值判断所述电抗器是否发生匝间故障，其中所述偏移基准值是提前设定的数值。

下面具体说明如何使计算窗口移动，重新计算所述电抗器吸收的焦耳热能：设置从(j+1)开始连续m个(m可根据具体需求进行整定设置)工频周期为下一个时间窗口，分别按照上述的公式一和公式二计算所述电抗器线圈该时间窗口内吸收的实时焦耳热能{qfi2,i＝j+1,j+2,...,j+m}和累计焦耳热能{qσfi2,i＝j+1,j+2,...,j+m}，将该时间窗口的实时焦耳热能{qfi2,i＝j+1,j+2,...,j+m}和累计焦耳热能{qσfi2,i＝j+1,j+2,...,j+m}，分别与上一个时间窗口的实时焦耳热能{qfi1,i＝j,j+1,...,j+m-1}和累计焦耳热能{qσfi1,i＝j,j+1,...,j+m-1}分别进行对比，计算{qfi2,i＝j+1,j+2,...,j+10}相对于{qfi1,i＝j,j+1,...,j+m-1}的偏移率εfj以及{qσfi2,i＝j+1,j+2,...,j+m}相对于{qσfi1,i＝j,j+1,...,j+m-1}的偏移率εσfj，偏移率的计算公式如下：

公式三：

公式四：

其中若εfj>100％或εσfj>100％(εfj和εσfj可根据需求进行整定设置，100％代表偏移基准值)，则将报警信息传至所述远方通讯模块19，并将第j次计算获取的{qfi1,i＝j,j+1,...,j+m-1}、{qσfi1,i＝j,j+1,...,j+m-1}、{qfi2,i＝j+1,j+2,...,j+m}和{qσfi2,i＝j+1,j+2,...,j+m}保存至所述数据存储模块18。

根据所述第一偏移率和所述第二偏移率是否超出偏移基准值判断是否对电抗器匝间短路故障进行预警的方法为：若所述第一偏移率大于所述基准焦耳热能或者第二偏移率大于所述偏移基准值，则表明所述电抗器内部发生匝间短路故障的风险较大；若所述第一偏移率小于所述基准焦耳热能或者所述第二偏移率小于所述偏移基准值，则存储所述第二个时间窗口内的实时焦耳热能和累计焦耳热能，继续计算下一个时间窗口内的电抗器吸收的实时焦耳热能以及累计焦耳热能，依次比较和判断，直至完成对所有时间窗口内所述电抗器吸收的实时焦耳热能以及累计焦耳热能的比较和判断。具体地，当识别出所述电抗器匝间故障并控制开关切断并联电抗器后，算法停止计算；保存第j次计算获取的{qfi1,i＝j,j+1,...,j+m-1}、{qσfi1,i＝j,j+1,...,j+m-1}、{qfi2,i＝j+1,j+2,...,j+m}和{qσfi2,i＝j+1,j+2,...,j+m}至所述数据存储模块18。若未发出保护动作信号，算法迭代，使j＝j+1，其中j＝1,2,...,+∞，直至停止。

本发明中，若所述电抗器内部已发生匝间短路故障，则输出保护动作信号，将并联电抗器从电网中切除，同时保存故障时对应时间窗口的电压波形、电流波形、实时焦耳热能以及累计焦耳热能数据，有效防止因匝间故障快速发展导致的电抗器起火事故。若所述电抗器内部发生匝间短路故障的风险较大，则发出预警信号至主控室，并保存预警时对应时间窗口的电压波形、电流波形、实时焦耳热能以及累计焦耳热能数据。

以一个500kv变电站发生的干式并联电抗器燃烧故障的故障录波数据为例，根据500kv变电站干式并联电抗器的故障数据计算可知，该电抗器发生匝间短路故障发生时，从第1个工频周期开始到第10个工频周期，电抗器线圈吸收的累计焦耳热量为300.57kj，历时0.2s，这相当于在1秒钟之内，有一个300kw功率的加热器对约不到10匝的铝线加热，按照实际的10个工频周期0.2秒计算，相当于15000kw的巨大加热器对不到10匝的线圈铝线剧烈加热。一般诸如bkk-15000/35型号电抗器，其总匝数约为8000到9000匝。正常运行时，按照功率角为89度计算，每匝的发热功率约为30w。如果按照案例第10个工频周期的有功功率计算平均分配到10匝短路匝，总的有功功率是2407.5kw，每匝短时吸收功率为240.75kw/s。通过上述案例说明利用累计焦耳热量识别匝间短路故障保护电抗器的先进性，在电抗器发生匝间短路发生发展初期，在10个工频周期内将电抗器从电网中切除，进而阻止匝间故障蔓延及扩大，避免电抗器燃烧起火。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。