陳 凌， 王京保， 劉 睿， 劉 策， 向天堂

(1. 國(guó)網(wǎng)四川省電力公司 a. 電力科學(xué)研究院， b. 廣安供電局， 成都 610000； 2. 保定天威新域科技發(fā)展有限公司 技術(shù)中心， 河北 保定 071000； 3. 河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 河北 保定 071001)

近年來電網(wǎng)迅速發(fā)展，電抗器也在電網(wǎng)中大量應(yīng)用.電抗器在調(diào)節(jié)電網(wǎng)無(wú)功功率方面發(fā)揮了重要的作用，并且在電網(wǎng)中電抗器也常用于濾波、限流等場(chǎng)合.干式空心電抗器具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)良的電氣性能，其抗飽和能力強(qiáng)，能夠耐受大電流的沖擊，電抗值線性，質(zhì)量輕，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，故能在眾多種類電抗器中脫穎而出[1-3].

與其他電器設(shè)備一樣，由于各種原因，干式空心電抗器在投運(yùn)后每年都會(huì)有多起惡性事故發(fā)生，導(dǎo)致空心電抗器燒毀，甚至爆炸，威脅電網(wǎng)的安全運(yùn)行.其中造成其燒毀的主要原因是電抗器局部過熱、散熱不良及絕緣熱老化等[4-6].若不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)電抗器開始時(shí)便存在的微弱絕緣缺陷，絕緣問題會(huì)迅速擴(kuò)大，造成更嚴(yán)重的事故，將會(huì)給電力系統(tǒng)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失和惡劣的社會(huì)影響.因此，及時(shí)準(zhǔn)確地檢測(cè)到電抗器初期的微小絕緣缺陷具有十分重要的意義.

針對(duì)干式空心電抗器在運(yùn)行中常常發(fā)生的故障，干式空心電抗器保護(hù)與檢測(cè)方法的研究顯得尤為重要，但現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)研究較少，而且主要集中在電抗器匝間絕緣試驗(yàn)上.文獻(xiàn)[7-8]基于電抗器匝間短路對(duì)電抗器整體電感值的影響規(guī)律，研制了利用脈沖電壓法測(cè)試電抗器絕緣故障的試驗(yàn)裝置，能有效檢測(cè)電抗器的絕緣缺陷.但在試驗(yàn)裝置中球隙擊穿后電弧不能馬上熄滅，而導(dǎo)致球隙擊穿瞬間變壓器輸出功率過大，使得變壓器也參與到諧振電路當(dāng)中，振蕩頻率不能真實(shí)反應(yīng)電感的變化.感應(yīng)電壓、高頻振蕩能量吸收、直接施加工頻電壓等檢測(cè)方法都能對(duì)絕緣缺陷進(jìn)行有效檢測(cè)[9]，但是這些方法大多靈敏度不高，而且試驗(yàn)容量也相對(duì)較大.上述方法在研究上只是針對(duì)發(fā)生較大絕緣故障的電抗器而言，并不能很好地檢測(cè)出電抗器潛在的絕緣隱患.

為了更及時(shí)、有效地檢測(cè)到干式空心電抗器的絕緣故障，從而提高設(shè)備運(yùn)行的可靠性，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于阻尼振蕩波的干式空心電抗器絕緣檢測(cè)系統(tǒng).首先通過在MATLAB/Simulink上搭建仿真模型，確定充電電容的參數(shù)，以滿足測(cè)試電抗器電壓振蕩波的頻率、衰減情況等技術(shù)指標(biāo)，使該系統(tǒng)的檢測(cè)要求得到保證.之后研制試驗(yàn)裝置并利用干式空心電抗器故障模型進(jìn)行測(cè)試，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比得到絕緣缺陷嚴(yán)重程度不同的電抗器試驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了本系統(tǒng)不僅可以檢測(cè)到發(fā)生絕緣故障的電抗器，還能檢測(cè)到電抗器潛在的微小絕緣缺陷，達(dá)到了設(shè)計(jì)目的.

1 振蕩波檢測(cè)系統(tǒng)

本文設(shè)計(jì)的振蕩波檢測(cè)系統(tǒng)原理圖如圖1所示.圖1中，試品干式空心電抗器由RX和LX組成，分壓器由RZ1和RZ2組成，局放檢測(cè)單元由Ck耦合電容和檢測(cè)阻抗組成，振蕩波系統(tǒng)由HVDC高壓直流電源、Cd充電電容、R1保護(hù)電阻及SW高壓電子開關(guān)組成.試驗(yàn)以干式空心電抗器為試品，電抗器的高壓端連接充電電容末端，低壓端接地.充電電容首端連接高壓電子開關(guān)和保護(hù)電阻，保護(hù)電阻的另一端連接高壓直流電源正極，高壓直流電源負(fù)極接地.試驗(yàn)開始時(shí)，高壓直流電源對(duì)充電電容進(jìn)行充電，隨著高壓直流電源輸出電壓逐漸升高，充電電容兩端的電壓也隨之升高；當(dāng)充電電容兩端電壓達(dá)到額定電壓時(shí)，高壓直流電源停止工作，同時(shí)高壓電子開關(guān)由分開狀態(tài)切換到閉合狀態(tài)；當(dāng)高壓電子開關(guān)閉合后，充電電容和電抗器組成阻尼振蕩電路，系統(tǒng)主回路的充電電容和電抗器發(fā)生串聯(lián)諧振，形成阻尼振蕩波，同時(shí)在試品兩端產(chǎn)生振蕩電壓.

圖1 振蕩波檢測(cè)系統(tǒng)原理圖Fig.1 Principle diagram of oscillation wave detection system

由上述檢測(cè)原理可以得知，干式空心電抗器中的RX、LX和充電電容Cd組成一個(gè)串聯(lián)二階諧振回路，串聯(lián)二階諧振回路工作過程可分為充電和放電兩個(gè)階段，充電過程相當(dāng)于串聯(lián)諧振回路的零狀態(tài)響應(yīng).當(dāng)充電電容充電完成時(shí)，充電電容達(dá)到額定電壓，充電電容放電，系統(tǒng)處于放電過程，放電過程相當(dāng)于串聯(lián)諧振回路的零輸入響應(yīng).檢測(cè)系統(tǒng)主要監(jiān)測(cè)電抗器兩端電壓，系統(tǒng)放電過程是本文研究的重點(diǎn)，因此主要分析放電過程.

在放電過程中，電感繞組上的過電壓[10]為

(1)

(2)

轉(zhuǎn)換到復(fù)頻域?yàn)?/p>

LCs2+RCs+1=0

(3)

求解可得

(4)

(5)

根據(jù)ω0和δ的大小，串聯(lián)諧振回路分為4種情況，ω0>δ時(shí)，為欠阻尼；ω0<δ時(shí)，為過阻尼；ω0=δ時(shí)，為臨界阻尼；ω0?δ時(shí)，為無(wú)阻尼.在放電過程中需要確保電路為欠阻尼放電狀態(tài).

當(dāng)δ足夠小時(shí)，ω=ω0，此時(shí)電抗器上的電壓可近似為

(6)

振蕩波形仍為衰減振蕩波，且包絡(luò)線按指數(shù)衰減，此時(shí)電路的振蕩頻率為

(7)

根據(jù)式(7)得知，主回路參數(shù)的確定首先要獲取干式空心電抗器的電感量范圍，然后根據(jù)設(shè)計(jì)要求，例如振蕩的頻率范圍、振蕩電壓的幅值來確定充電電容的電容量及功率，其干式空心電抗器的內(nèi)阻和電感量決定振蕩波檢測(cè)系統(tǒng)的衰減系數(shù).

2 主回路參數(shù)確定

在振蕩波檢測(cè)系統(tǒng)中，電抗器試品的電感量和內(nèi)阻已經(jīng)確定，主回路需要確定的參數(shù)為充電電容的參數(shù)，其使電抗器兩端的電壓振蕩波滿足該系統(tǒng)電抗器試驗(yàn)的技術(shù)指標(biāo).

2.1 基于不同頻率的同種電抗器仿真

本文以不同規(guī)格型號(hào)的10 kV空心電抗器為試品，根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)、振蕩波仿真系統(tǒng)模擬不同型號(hào)的電抗器，根據(jù)其基本參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)而對(duì)其他型號(hào)的電抗器振蕩過程進(jìn)行仿真.

本文參照的技術(shù)指標(biāo)為：振蕩頻率為0.2～2 kHz；輸出電壓振蕩持續(xù)時(shí)間在1 000 ms以內(nèi)；輸出電壓波形的第一個(gè)和第二個(gè)振蕩波峰值的衰減速度要滿足設(shè)計(jì)要求；充電電容的充電時(shí)間小于3 s.

選擇型號(hào)為CKGKL-33.4/10-5W的10 kV電抗器作為仿真和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的主要依據(jù)，該型號(hào)電抗器的內(nèi)部參數(shù)如表1所示.基于MATLAB/Simulink的系統(tǒng)主回路的仿真模型如圖2所示.

表1 干式空心電抗器參數(shù)Tab.1 Parameters of dry-type air-core reactor

圖2 主回路仿真模型Fig.2 Simulation model for main circuit

圖2中，系統(tǒng)額定電壓設(shè)置為30 kV，高壓直流電源0～50 kV連續(xù)可調(diào)，保護(hù)電阻參數(shù)為10 kΩ，高壓開關(guān)為階躍信號(hào)控制的理想開關(guān)，幾乎沒有延時(shí)，其控制信號(hào)設(shè)置為0時(shí)表示高壓開關(guān)為分開狀態(tài)；設(shè)置為1時(shí)表示高壓開關(guān)為閉合狀態(tài).電抗器等效成R和L，R參數(shù)為3.025 Ω，L為等效電感，參數(shù)為9.628 mH.R2和R3組成分壓器，分壓比為1 000∶1，R2為分壓器高壓臂，參數(shù)為50 MΩ，R3為分壓器低壓臂，參數(shù)為50 kΩ，系統(tǒng)中只有充電電容為待確定值.

設(shè)計(jì)三個(gè)不同的振蕩頻率參數(shù)，分別為0.5、1.0、1.5 kHz，由式(7)可計(jì)算出相應(yīng)充電電容如表2所示.

表2 充電電容數(shù)值Tab.2 Charging capacitance values

根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)要求，振蕩波要保證一定的持續(xù)時(shí)間，不能衰減過快，至少要保證5個(gè)周期，如果振蕩波持續(xù)時(shí)間短就不能正確地模擬電抗器在正常工況下的耐壓狀況.根據(jù)已知參數(shù)和式(6)可以計(jì)算電抗器兩端上的振蕩波電壓為

(8)

試品的參數(shù)確定以后，將不同參數(shù)的充電電容輸入仿真系統(tǒng)中，對(duì)振蕩波主電路進(jìn)行仿真，得到不同頻率對(duì)應(yīng)的電抗器電壓波形如圖3所示.

圖3 電壓波形Fig.3 Voltage waveform

由圖3a可知，高壓開關(guān)在0～1 s內(nèi)為斷開狀態(tài)，保證充電電容的充分充電.1 s時(shí)開關(guān)閉合，充電電容和電抗器發(fā)生串聯(lián)諧振，在電抗器兩側(cè)產(chǎn)生振蕩波.由圖3b可知，振蕩波起始位置電壓值為-30 kV，證明充電電容的充電時(shí)間小于1 s，振蕩波在1 025 ms振蕩完畢，振蕩時(shí)間即電壓保持時(shí)間為25 ms.振蕩波經(jīng)過12個(gè)周期衰減完畢，前兩個(gè)波從25.26 kV衰減為19.03 kV，衰減速率為20.77%，電壓衰減速率過快.由圖3c可知，由于頻率增大，振蕩周期數(shù)增多.充電時(shí)間依然小于1 s，振蕩波在1.027 5 s振蕩完畢，即電壓保持時(shí)間為27.5 ms，電壓峰值從27.85 kV衰減為24.51 kV，衰減速率為11.13%，電壓衰減速率有所減緩.由圖3d可知，頻率為1.5 kHz時(shí)，充電時(shí)間小于1 s，電壓保持時(shí)間為30 ms，電壓峰值從28.93 kV衰減為26.21 kV，衰減速率為9.07%，衰減的速率再次減小.

根據(jù)設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)，對(duì)仿真數(shù)據(jù)及其結(jié)果進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)：3個(gè)不同參數(shù)的充電電容在干式空心電抗器參數(shù)確定的前提下，振蕩頻率有3種不同的結(jié)果，振蕩電壓持續(xù)時(shí)間基本相同.由于主電路的衰減系數(shù)由干式空心電抗器參數(shù)確定，系統(tǒng)振蕩頻率不同，輸出電壓衰減速率不同，振蕩電壓頻率與輸出電壓衰減速率成反比.

2.2 主回路充電電容參數(shù)確定

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求，振蕩波電壓頻率盡量接近試品實(shí)際工作的頻率，但是這會(huì)增加充電電容的容量，增大充電電容的體積.考慮既能保證現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用方便，又能達(dá)到良好的試驗(yàn)效果，將此次試驗(yàn)的振蕩波頻率確定在1 000 Hz左右；再結(jié)合表2中計(jì)算結(jié)果，將充電電容設(shè)計(jì)為固定值3 μF.

在圖2的仿真模型中，分別選取規(guī)格編號(hào)為a、b、c、d的4種電抗器進(jìn)行仿真，得到波形結(jié)果如表3所示.

表3 振蕩波形分析Tab.3 Analysis of oscillation waveform

由表3可知，a、b、c、d電抗器振蕩波的頻率在200～2 000 Hz之間，同樣振蕩波輸出電壓保持時(shí)間為25 ms，第一個(gè)峰值在27～29 kV之間，第二個(gè)峰值在23～27 kV之間，衰減百分比都在10%左右，衰減速率足夠小，以上數(shù)據(jù)均達(dá)到了技術(shù)指標(biāo)的要求.

截取參與試驗(yàn)的4種電抗器充電電容的充電情況，電壓波形如圖4所示.由圖4可知，4種電抗器試驗(yàn)情況下的充電波形基本重疊，可見電抗器的不同對(duì)充電時(shí)間影響較小.波形中電容充電時(shí)間均為0.15 s，小于3 s，滿足技術(shù)指標(biāo)要求.

圖4 充電電容充電過程Fig.4 Charging process of charging capacitor

綜上可知，當(dāng)主電路中充電電容設(shè)置為3 μF固定值時(shí)，對(duì)于各種電抗器產(chǎn)生的振蕩波均能滿足技術(shù)指標(biāo)的要求.

本文設(shè)計(jì)的振蕩波檢測(cè)模型參數(shù)確定過程中，首先假定了幾個(gè)特定的電路振蕩頻率，根據(jù)這幾個(gè)頻率確定其他參數(shù)，然后進(jìn)行具體的仿真驗(yàn)證，這樣能比較直觀準(zhǔn)確地說明問題，并驗(yàn)證該模型的可行性.而在實(shí)際測(cè)試過程中，無(wú)需要求振蕩頻率必須為某個(gè)確定的數(shù)值，只需要根據(jù)所測(cè)試的不同電抗器的具體電感值來設(shè)計(jì)多個(gè)具有不同電容值的電容器，即可保證主電路產(chǎn)生的振蕩波的技術(shù)指標(biāo)滿足要求.

3 振蕩波測(cè)試系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

選取某變電站三個(gè)運(yùn)行5年的10 kV串聯(lián)干式空心電抗器進(jìn)行試驗(yàn)，分別標(biāo)注為1#電抗器、2#電抗器和3#電抗器.其中1#電抗器存在明顯絕緣擊穿的痕跡；2#電抗器外觀與完好電抗器沒有任何區(qū)別，但是經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)電抗器局部存在尖端毛刺；3#電抗器為完好電抗器，沒有任何絕緣缺陷.分別將1#、2#、3#電抗器接入現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)如圖5所示.

①高壓直流電源 ②高壓電子開關(guān) ③試品電抗器 ④局部放電耦合電容器 ⑤局部放電綜合檢測(cè)儀 ⑥局部放電超聲波傳感器 ⑦局部放電特高頻傳感器 ⑧局部放電高頻傳感器

試驗(yàn)在振蕩電壓初始值為30 kV時(shí)所得的電抗器振蕩電壓的波形如圖6所示.縱向比較系統(tǒng)振蕩電壓波形數(shù)據(jù)可以明顯看出：電抗器存在明顯匝間絕緣故障時(shí)，1#電抗器兩端的振蕩電壓波形的衰減率要高于完好的3#電抗器，同時(shí)振蕩波形的周期縮短，振蕩頻率增加.但是，對(duì)比2#電抗器、3#電抗器波形數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)振蕩波并無(wú)明顯變化.

圖6 試驗(yàn)電抗器電壓波形Fig.6 Voltage waveform of test reactor

進(jìn)一步對(duì)各電抗器的電壓波形進(jìn)行分析，取5～30 kV不同的振蕩電壓等級(jí)對(duì)三個(gè)電抗器進(jìn)行試驗(yàn)，得到不同電抗器兩側(cè)的振蕩波頻率變化如表4所示.

表4 試驗(yàn)電壓波形分析Tab.4 Analysis of test voltage waveform

由表4數(shù)據(jù)可知，以完好3#電抗器的振蕩頻率為基準(zhǔn)，存在明顯缺陷1#電抗器的振蕩頻率明顯增大，而存在尖端毛刺的2#電抗器頻率的變化并不明顯.為解決此問題，引入局部放電檢測(cè)策略對(duì)電抗器局部放電進(jìn)行檢測(cè)，得到檢測(cè)結(jié)果如表5所示.

通過表5數(shù)據(jù)對(duì)比可以清晰看到，當(dāng)電抗器存在微小的尖端毛刺時(shí)，局部放電檢測(cè)數(shù)值明顯增大，能直觀清晰地判斷2#電抗器存在微小絕緣缺陷.

表5 局部放電數(shù)值分析Tab.5 Numerical analysis of partial discharge

4 結(jié) 論

針對(duì)電抗器存在的不同程度的匝間絕緣缺陷現(xiàn)象，本文設(shè)計(jì)基于阻尼振蕩波的干式空心電抗器絕緣檢測(cè)系統(tǒng).在MATLAB/Simulink中搭建模型并進(jìn)行仿真，確定充電電容的參數(shù)后在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，得到了如下結(jié)論：

1) 主電路中待確定充電電容值設(shè)置為3μF時(shí)，對(duì)任意規(guī)格的電抗器進(jìn)行測(cè)試，所產(chǎn)生的振蕩波都能達(dá)到技術(shù)指標(biāo)的要求.

2) 電抗器存在匝間絕緣故障進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，由于電感量的變化，短路匝內(nèi)的環(huán)流增加了電抗器的損耗，故加快了振蕩電壓衰減速度，同時(shí)振蕩波的振蕩周期減小，振蕩頻率增大.

3) 本文所設(shè)計(jì)的振蕩波測(cè)試系統(tǒng)引入局部放電的檢測(cè)手段能清晰直觀地檢測(cè)到干式空心電抗器潛在的絕緣缺陷，從而能有效避免絕緣故障的進(jìn)一步擴(kuò)大，防患于未然.