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摘要：由于干式空心并联电抗器发生烧损事故的概率越来越高，使系统的安全运行受到了影响。从干式空心电抗器的制造、运行和操作方面分析了其匝间短路产生的内、外部原因。对多种电抗器匝间短路的电气量监测以及温感监测的方法进行了比较。从对比结果看出光纤测温方法具有良好发展优势。
关键词：电力系统；故障检测；光纤
1干式电抗器的结构及原理
典型的干式空心电抗器由平行的圆柱形包封组成，由顶部和底部的铝板固定。包封之间是与之垂直的空气风道，起到了散热的作用。包封内部为并联的金属线圈，外部包裹着玻璃纤维和环氧树脂等绝缘材料。干式空心并联电抗器只有绕组，没有铁芯，相当于同轴放置的电感线圈。图1中，1为撑条；2为接线臂；3为并联绕组(包封)。35kV并联电抗器由SF6断路器或真空断路器进行开断，接线方式如图2所示。开断电抗器单相等效电路如图3所示。
2电抗器匝间短路原因
干式空心电抗器线圈匝间短路多是由电抗器内部质量问题和线圈受潮、局部放电电弧、局部过热、绝缘烧损，在工作过程中受到各类高幅值过电压等外部原因引发的。
2.1内部原因
干式空心电抗器的设计和制造工艺粗糙会造成干式空心电抗器各包封电流密度不一致，导致运行时电流密度大的包封温度高。此外，由于干式空心电抗器的结构特点，易引起磁场分布不均匀，其内部出现的环流也会导致电抗器运行温度升高。
电抗器运行时会产生交变磁场，当交变磁场引起的压力等作用力、振动过大，场强太高时，绝缘材料会产生撕裂拉断等绝缘损坏，损耗大，会引起发热。制造工艺和结构造成的温度升高引起的绝缘破损是导致并联电抗器匝间短路的根本原因。
2.2外部原因
对故障电抗器解体情况进行了解发现，电抗器绝缘表面有许多微小爬电。这些爬电大多产生在撑条附近。爬电初期横向发展，严重的爬电沿撑条纵向发展。若电抗器内固体绝缘受潮，则会使固体绝缘处局部放电电压降低，鸟类排泄物会使湿气侵入撑条和引线附近的裂缝，使得干式电抗器的绝缘性能严重下降，从而使得爬电超常规发展，以至发展为匝间短路故障。
强光照射、灰尘附着、烟雾，另外还有霉菌和细菌等生物的腐蚀，以及一些白蚁等动物的侵害，都会对绝缘材料造成一定的破坏。
真空断路器的灭弧能力很强，容易发生截流现象。在开断的35kV并联电抗器时存在操作过电压问题。在截流产生过电压以后，两端的高幅值恢复电压会使电弧发生复燃。首开相发生复燃后，复燃引起的暂态电流由于三相间的相互作用叠加到后两相电流上，引起后两相电流出现高频暂态过零点，引发猛烈的等效截流过电压，引起三相断口的连续击穿。单是截流过电压一般不足以引起绝缘故障，截流之后引起的复燃和三相开断过电压，对电抗器的匝间绝缘构成了很大的危害，是造成匝间短路的重要外部原因。
3电抗器故障监测方法
随着干式电抗器在电力系统中起着越来越重要的作用，通过有效的监测方法及时发现故障并采取措施变的十分紧迫。监测方法大体上可分为电气量监测和温感监测。
3.1电气量监测
由于干式空心电抗器与油浸式电抗器不同，没有绝缘油介质作为间接信息载体，最直接的方法是对电抗器的电气量寻求故障信息。
3.1.1基于测量阻抗变化的电抗器匝间短路监测
该监测方法利用匝间短路故障后电抗器的阻抗值减小的特征作为检测电抗器是否发生匝间短路故障的判据。
并联电抗器每相只有单侧绕组，当并联电抗器发生匝间短路时，可以在短路处设置节点，等效为单相降压自耦变压器副边发生匝间短路故障，如图4所示。其中，Aa为串联绕组，an为公共绕组。忽略并联电抗器电阻，等效电路如图5所示。测量AN间阻抗，记作测量阻抗Z。显然，正常运行时Z就是电抗器的阻抗值。当发生匝间短路时，等效电路如图5所示，其中，X1为串联绕组漏抗，X2为公共绕组漏抗。测量电阻由两部分构成，一部分由串联绕组的漏抗与公共绕组的部分漏抗串联组成；另一部分为公共绕组的部分漏抗与励磁电抗串联后与公共绕组的漏抗并联组成，这部分的电抗比正常值低了，所以总体测量值就降低了。
3.1.2基于零序电压幅值比较的电抗器匝间短路监测
35kV系统一般为经小电阻或小消弧电抗器接地的中性点接地方式。
当电力系统发生故障时，根据叠加原理可作出如图6所示的零序故障分量网络。零序网络是一个无源网络，故障点的零序电流使故障点成为网络中的电压最高点，相当于故障点处有一个电压源。虽然很难根据网络中等效电源的位置来判断故障位置，但利用不同点等效电源所导致的补偿电压U0op与电抗器首端零序电压U0的关系可以作出明确判断。根据图中参考方向可将U0op定义如下:
U0op=U0－I0×ZL
U0op为故障时计算出来的由等效电源提供的电流在电抗器阻抗ZL上产生的压降，其中：
ZL=ZL1+ZL2
如果故障点在匝外，以主要的输电线接地故障为例，相当于电压源在线圈外，电抗器上的电流方向始终是一个方向，电抗器首端电压与电抗器压降相等，就不存在补偿电压。即电抗器首端电压大于补偿电压。
如果故障点在匝间，相当于线圈被一个电压源分成了两个部分，这样电抗器的电流方向就不一致了，电抗器首端电压与电抗器上压降不再相等，补偿电压值不再为0。此时电抗器首端电压为:
U0=－I0×Zs0
代入U0op=U0－I0×ZL式可得：
U0op=－I0×(ZL+Zs0)
电抗器零序阻抗与系统零序阻抗均为感性，所以|U0op|＞|U0|。该方法可有效判断是否发生匝间短路故障。
3.2温感监测
针对干式电抗器的测温技术主要指红外测温技术，无线测温技术和光纤测温技术。
3.2.1红外测温技术
红外测温技术是温感监测中较为成熟的一种。干式空心电抗器辐射的能量通过空气介质传输到红外测温仪，仪器内部的光学系统将能量汇聚到传感器并转换成电信号，通过放大电路，补偿电路，再经过线性处理后，在终端显示电抗器的温度，如图9所示。
3.2.2无线测温技术
干式电抗器无线测温技术的核心是在干式电抗器包封空气风道内安装热耦温度传感器，传感器将测量的风道温度数据传输至监测单元，最终通过监测单元将数据上传至主机显示包封风道温度，如图10所示。
气流从底部沿着轴向进入气道后吸收包封散出的热量，气体温度逐渐升高，所以包封上部气体温度较高致使上部包封热量散出困难。根据对以往事故的分析，发现电抗器的热点温度一般在靠近出线端处，在此位置热耦传感器数量较多。
3.2.3光纤光栅测温技术
光纤光栅测温技术采用埋入式安装方法，将传感器紧贴在导线层外包封表面，从而使得所测温度值更接近导线的温度。传感器结构如图11所示，光纤安装原理如图12所示。
文献表明为保证准确性与可操作性，传感器的埋入点选在距离干式空心电抗器上沿约40cm的位置较为合理。光纤光栅的波长移位与温度的变化呈线性关系，通过在电抗器运行状态下测得光纤光栅的波长位移，乘以特定的系数换算成温度变化量，再加上初始温度值即可得到测温点的温度。光纤光栅测温就是如此实现电抗器的温度监测的。
结语：
综上所述光纤测温具有灵敏度高、无辐射干扰、重量轻、体积小、易于实现远距离多通道的遥测与控制，能克服空心电抗器高电压、强磁场的极端环境等诸多优点。只要能克服制造技术上的难题，其在电抗器匝间故障监测的应用前景将会越来越广阔。
参考文献：
[1]郭小兵.制造误差对并联干抗损耗和温升影响的分析[D].昆明理工大学，2016.
[2]庄羽.66kV级干式空心并联电抗器匝间短路在线监测系统研制[D].哈尔滨理工大学，2016.
论文作者:李升,赵永霞
论文发表刊物:《电力设备》2017年第25期
论文发表时间:2017/12/19
标签：电抗器论文; 测温论文; 故障论文; 绕组论文; 干式论文; 过电压论文; 电压论文; 《电力设备》2017年第25期论文;