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基金项目：国网山东省电力公司科技项目(5206031900FR)
作者简介：谢同平(1989— )，男，高级工程师，硕士，从事电力系统自动化工作； 于洋(1986— )，男，高级工程师，硕士，从事电力系统自动化工作。
谢同平1，于洋1，刘兴华1，鲁尧2，咸日常2
(1 国网山东省电力公司淄博供电公司，山东 淄博 255000；2 山东理工大学 电气与电子工程学院，山东 淄博 255049)
摘 要：无功补偿成套装置中的串联电抗器采用固体绝缘结构，针对其运行中匝间短路故障频发且检测手段不足问题，提出了基于损耗因数的串联电抗器匝间绝缘监测技术。分析了串联电抗器发生匝间短路故障的原因，建立电抗器匝间短路等效电路，针对其故障特征研究了电抗器匝间短路监测的技术方案，并通过有限元仿真软件验证了所提方案的可行性和有效性。 新风控制系统关键词：串联电抗器；匝间绝缘；损耗因数；监测技术
中图分类号：TM47 文献标识码：A 文章编号：1007-3175(2021)01-0047-04
Abstract: The series reactor in the complete set of reactive power compensation device adopts a solid insulation structure. Aiming at the problems of frequent occurrence of inter-turn short-circuit faults of series reactors in reactive power compensation equipment and insufficient detection methods, this paper proposed a monitoring technique for inter-turn insulation of series reactors based on loss factor. And the cause of the inter-turn short-circuit fault of the series reactor was briefly analyzed; then, the equivalent circuit of the inter-turn short circuit of the reactor was established, and the technical scheme of the inter-turn short circuit monitoring of the reactor was studied according to its fault characteristics; Finally, the feasibility and effectiveness of the proposed scheme are verified by finite element simulation software. Key words: series reactor; inter-turn insulation; loss factor; monitoring technology
XIE Tong-ping , YU Yang , LIU Xing-hua , LU Yao 2, XIAN Ri-chang 2
（ Zibo Power Supply Company of State Grid Shandong Electric Power Corporation, Zibo 2 000, China ;2 School of Electrical and Electronic Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 2 04 , China ）
Inter-Turn Insulation State Monitoring Technology of Dry-Type
Series Reactor Based on Loss Factor
基于损耗因数的干式串联电抗器匝间绝缘状态监测技术
0 引言
诸多无功补偿装置中，电力电容器成套装置在改善电能质量、降低网络损耗、维护电力系统安全稳定运行等方面发挥了很好的作用[1-2]。为抑制因投入电容器而产生的电网谐波放大和限制电容器的合闸涌流，往往会在并联补偿回路中串入一定电抗率的串联电抗器。电抗器种类多样，其中干式空心电抗器由于具有线性度好、机械强度高、维护方便等优势而被广泛应用[3-4]。
串联电抗器一旦投运即达到额定负载，在长期的运行过程中由于受产品制造工艺、运行条件、安
装质量及环境恶劣等因素的影响，往往会发生一定类型的故障，其中大多为绕组匝间短路故障[5]。若不能及时发现串联电抗器的匝间绝缘缺陷，并采取有效的运维检修策略，缺陷进一步发展将可能造成串联电抗器烧毁，严重威胁电力系统的安全稳定运行[6]。
然而当前尚无有效的串联电抗器状态检测方法，本文为了在运行中有效监测串联电抗器的匝间绝缘状态，首先分析了串联电抗器绝缘失效的原因，然后建立了串联电抗器绕组匝间短路的电路模型，并提出了基于损耗因数的干式串联电抗器匝间绝缘状态监测技术方案，最后通过有限元仿真实验，验证了
该技术方案的可行性及有效性。
检验与测试
1 故障原因分析
1.1 制造质量及工艺缺陷
干式空心串联电抗器在结构上是由多个同轴包封并联叠绕而成。包封与包封之间通过树脂玻璃纤维引拨条来起到分离、支撑的作用，同时干式电抗器的每个包封又由浸渍环氧树脂的长玻璃纤维丝束包绕的多个单层线圈并联组成。因此，干式串联电抗器的绝缘性能主要取决于匝间玻璃纤维的绝缘性能的好坏。
由于制造工艺存在一定的缺陷，如电抗器匝间绝缘存在气泡、杂质、毛刺，施工时碰破覆膜绝缘，运行中环境温度高、脏污潮湿、腐蚀性气体影响等，在串联电抗器长期运行过程中，这些绝缘薄弱区域往往会由于局部电场强以至于超出绝缘材料的耐受击穿场强，从而导致串联电抗器局部绝缘发生不可逆的破坏。
1.2 运行环境恶劣
干式串联电抗器串联于电力电容器成套装置中，受电力电容器成套装置投切过电压、真空开关弹跳过电压以及系统过电压等的影响，串联电抗器在该条件下长时间运行易发生匝间短路故障。
自然环境恶劣也是致使串联电抗器发生匝间短路的影响因素之一。干式电抗器所用的环氧树脂属亲水性物质，在雨、潮天气情况下表面易形成水膜，这将会导致其表面泄漏电流增大。运行环境高温、受潮、紫外射线、污秽不均等会造成绕组的局部电场集中，引起匝间绝缘老化。随着串联电抗器运行年限的增长，这将逐步破坏电抗器局部表面特性，引起匝间绝缘破坏。
1.3 状态检测手段不足
目前对于电抗器的检测手段大多集中于直流电阻测量和红外测温技术。测量直流电阻这一方法一方面它是属于停电检测，不能在线反映电抗器在实际运行中的状态，实时性较差；另一方面，由于电抗器直流电阻变化较小，对测量仪器精度要求较高，初期绝缘缺陷的检出灵敏度低。红外测温技术也有一定的局限性，存在位置检测盲点，它只能测量串联电抗器表面温度，无法发现内部故障，而且通过温升来进行判断只是初步的诊断，具体故障类型无法详细诊断。
另外，也有相关文献提出基于无线热点测温法的干式空心电抗器匝间绝缘状态带电诊断方法。参考文献[7]将无线温度传感器模块置于不同包封，测试温度通过无线传输方式传至接收端来实现干式电抗器各包封温度的在线监测。该方法虽可通过对串联电抗器各部位温度的在线监测实现匝间绝缘状态诊断，
但需要布置大量的传感器，现场实施成本高、难度大，且增加运行维护工作量，在实际运行中鲜有采用。
状态检测手段不足，致使串联电抗器的匝间短路缺陷不能被及时发现，造成设备带缺陷长期运行是造成设备故障多的又一重要原因。
2 等效电路分析
串联电抗器由多层线圈并联绕制而成，等效电路中每层线圈可由电阻与电感串联的形式来表示，因此整个电抗器等效电路如图1a)所示；当串联电抗器线圈发生匝间短路故障时，短路匝间形成短路环，该短路环中电流由故障线圈与其他正常线圈之间的电磁感应而产生的，其等效电路如图1b)所示[8-9]。
集束天线串联电抗器正常运行时的电压方程为：
(R
i
+jωL
i
)I
i
+ jωM
i,l
I
l
=U
i
(1)
其中i=1，2，…，m；U
i
=U。
凝胶珠Σm+1
l=1,l≠i
图1 电抗器等效电路
a)正常运行时等效电路
b)匝间短路故障时等效电路
48
4
短路时的方程为：
给定电抗器电压后，通过求解以上方程组可以求得每条支路的电流即各层线圈电流，将得到的各层线圈电流相加求和即可得到电抗器回路的总电流I 。
3 技术原理方案
3.1 成套无功补偿装置及其电流、电压值
电力电容器成套装置的电气原理如图2所示，其中TV1、TV2分别是变电站母线二次侧电压互感器和电容器用放电线圈，QS 为隔离开关，QF 为断路器，QG 为接地刀闸，TA 为电流互感器，L 为串联电抗器，FV 为金属氧化物避雷器，C 为电容器组。
干式串联电抗器较电容器靠近电源一侧，对电抗器进行绝缘监测时需要获取其两端电压值和回路电流
值。从变电站母线电压互感器TV1处获得母线电压信号，从电容器用放电线圈TV2处获得电容器组电压，二者矢量差即为串联电抗器的电压，其计算公式如下：
U L =U -U C (3)
式中，U L 为电抗器电压，U 为母线电压，U C 为电容器组电压。
串联电抗器的电流信号直接从成套装置电流互感器TA 处获得。
3.2 串联电抗器监测原理研究
实际运行经验及相关理论计算表明，串联电抗器正常运行时其等效电阻极小，当其发生绕组匝间短路故障后，由于受电磁感应的影响，流经短路环
的电流极大，如此大的短路电流势必会使得串联电抗器消耗的有功功率增加。然而当串联电抗器发生
绕组匝间短路时，其回路总电流变化极小，几乎可以忽略，因此，无法根据回路电流变化检测匝间短路故障，但串联电抗器的等效电阻会发生明显的增大。且相关研究表明，串联电抗器发生匝间短路后其电感值会有所减小，因此，从理论上分析可知：通过监测损耗因数变化量即电抗器等效电阻与等效感抗的比值可有效监测电抗器的绕组匝间绝缘状态。
获取串联电抗器的电压和回路电流后，其等效阻抗可由公式(4)计算得到，其中电抗器的等效电阻及等效阻抗分别为等效阻抗的实部和虚部：
其中，U 为施加在电抗器上的电压，I 为计算得到的电抗器总电流，R 为电抗器的等效电阻，X 为电抗器等效电抗(X =ωL ，其中ω表示角频率，L 表示电抗器等效电感)。
笔式摄像机将阻抗实部和虚部的比值定义为损耗因数，其计算公式如式(5)所示：
4 仿真实验验证
为验证上述状态监测量检测方法的有效性，本文基于一台具体型号为CKGKL-50/10-5%的干式串联空心电抗器的技术参数，在有限元仿真软件中搭建了仿真模型。该电抗器容量为50kvar，额定电压为10kV，包封数为4，内包封直径为545mm，外包封直径为843.1mm，线圈层数为18。
分别设置串联电抗器的第1层、第5层、第9层、第13层、第17层为匝间短路故障层，在故障层的H 处(线圈顶端)、3/4H 处和1/2H 处分别设置匝间短路故障点，串联电抗器的等效电阻变化率为
R (%)、等效感抗变化率为X (%)和损耗因数变化率为tan δ(%)，得到仿真分析结果如表1所示。分析表1各参数的变化情况可知，串联电抗器损耗因数变化率最大，其大小为15.040%～149.450%；等效电阻变化率次之，其大小为14.890%～144.730%；等效感抗变化率最小且为负值，其大小为-1.890%～-
0.132%。由此可见，电抗器发生匝间短路故障后，
(2)
(R ＇i +j ωL ＇i )I ＇i + j ωM ＇
i ,l I ＇l =U ＇i Σm +1
l =1,l ≠i (R ＇m +1+j ωL ＇m +1)I ＇m +1+ j ωM ＇
i ,m +1I ＇i =0Σm
i =1
(4)
Z =R +j X =U
I
(5)
tan δ=
R
X
图2 电力电容器成套装置电气原理图
在等效电阻、等效感抗以及损耗因数这三种电气参数中，损耗因数的变化率最为明显，因此，通过监测电抗器损耗因数变化率可有效监测电抗器的匝间绝缘状态，验证了上述方案的有效性。
5 结语
本文针对无功补偿装置中串联电抗器绝缘状态监测手段存在的不足，提出了基于损耗因数的串联电抗器绕组匝间绝缘监测技术。文中通过有限元仿真软件对串联电抗器匝间短路故障进行了模拟，验证了方案的可行性和有效性。
参考文献
[1] 咸日常，李其伟，孙学锋，等.基于状态量监测的
电力电容器故障诊断技术的研究[J].电力电容器
与无功补偿，2018，39(3)：21-25.
[2] 俞妍，庞海龙，赵玲，等.电容器装置中串联电
抗器的作用及其选择[J].现代电子技术，2012，35(24)：182-184.
[3] 葛计彬，平德勇，和立伟，等.干式空心电抗器异常
噪声的分析与对策[J].电工电气，2018(8)：75-76.
[4] 杨建立，徐政勋，聂京凯，等.干式空心电抗器
温升仿真技术研究[J].电力电容器与无功补偿，2019，40(6)：68-72.
[5] 戴瑞海，夏晓波，林坚，等.干式空心电抗器匝
间绝缘试验关键技术及装置研究[J].浙江电力，2012，31(7)：1-5.
[6] 黄新波，周岩，朱永灿，等.干式空心电抗器匝
间短路故障在线监测技术[J].电力系统自动化，2019，43(2)：150-160.
[7] 霍峰，段长君，周广东，等.基于无线热点测温法
的干式空心电抗器匝间绝缘状态带电诊断方法应用
研究[J].高压电器，2020，56(2)：215-220.
[8] 郑宗安.基于磁场探测法的电抗器匝间短路故障检
测法的研究与应用[J].高压电器，2020，56(3)：217-223.
[9] 凌云，赵彦珍，肖利龙，等.高电压大容量干式空
心电抗器匝间短路故障在线监测方法[J].高电压
技术，2019，45(5)：1600-1607.
收稿日期：2020-10-13
表1 电抗器匝间短路故障参数变化率
线圈层故障位置R X tanδ
1
H14.890-0.13215.040 3/4H41.520-0.35242.010 1/2H52.650-0.44053.320
5
乙基氯化物
H31.410-0.35031.870 3/4H65.760-0.69066.920 1/2H79.080-0.81880.548
9
H46.910-0.55047.710 3/4H87.860-0.97089.700 1/2H102.600-1.110104.870
13
H68.490-0.90070.010 3/4H115.810-1.430118.940 1/2H131.990-1.600135.770
17
H73.090-1.03074.890 3/4H126.330-1.670130.190 1/2H144.730-1.890149.450
%
4 结语
永磁驱动机构运动部件少、可靠性高。该机构用于剩余电流重合闸断路器是一种创新的探索，为高分断、高可靠及长寿命的保护电器设计提供了一个途径。本设计采用特性仿真结果，调整分闸弹簧、触头弹簧，使该产品的触头压力、分断速度达到一个优良的组合。设计样机通过型式试验和补充性能试验，验证了本设计的重合闸剩余电流断路器在高分断、高可靠和长寿命等方面达到设计要求，样机已投入试运行。
参考文献
[1] 游一民，陈德桂，候建新，等.永磁操动机构的发
展与应用[J].高压电器，2003，39(6)：54-56.[2] 李海国.一种快速开关操动装置的研制[J].电工
电气，2019(8)：42-45.
[3] 卜浩民.交流接触器的智能化综述[J].电器与能
效管理技术，2017(1)：32-38.
[4] 荣命哲，娄建勇，王小华.永磁式接触器动触头动
作特性仿真分析与试验研究[J].中国电机工程学
小型洗衣粉生产设备报，2005，25(1)：109-113.
[5] 辛超，么梅枝，张革，等.基于Maxwell3D/ADAMS
的交流电磁接触器仿真分析[J].低压电器，2010(11)：14-16.
[6] 娄杰，李庆民，孙庆森，等.快速电磁推力机构的
动态特性仿真与优化设计[J].中国电机工程学报，2005，25(16)：23-29.
[7] 林莘，曹辰，李斌，等.配永磁机构真空断路器动
态仿真与实验[J].高压电器，2013，49(11)：1-5.
修稿日期：2020-09-14
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