关键词： 空心电抗器; 阻抗频谱; 时域分布特性; 匝间绝缘缺陷;
1引言
干式空心电抗器为采用多股并联线圈绕组的多层柱状结构，因无铁心材料，不会产生磁饱和特性，因而在母线、中性接地、回馈线路中的各种限流、补偿等环节广泛应用。匝间绝缘故障是干式空心电抗器常见故障，其表现形式主要指匝间绝缘击穿短路、断股等；针对该故障的测试方法有脉冲振荡法、冲击脉冲、大电流通流试验等；这些方法都有共同弊端，即对匝间绝缘的介电性能或热稳定性能有破坏性，且试验装置笨重，现场试验工作量较大，部分技术对于断股的有效性和灵敏度还有待考究。
2 现有试验技术的优缺点
电抗值或电感量测试是最常见的测试手段。但电抗值或电感值测量对于匝间短路、断股等故障的灵敏度不够，要么直接发现不合格设备，要么无法发现缺陷；因多股多层结构导致了轻微匝间绝缘或少量断股对于电抗值的影响通常不会超过1%，因此又诞生了其他技术，比如基于高压试验的脉冲振荡法，冲击脉冲法和大电流通流试验等。这些匝间绝缘试验是带有破坏性的试验技术，有可能对绝缘的薄弱环节造成不易察觉的破坏，这些试验遗留的绝缘隐患可能在重新投运后释放出来，导致电抗器烧毁。
3复阻抗的曲线特征
空心电抗器的复阻抗指一定频率带宽条件下的阻抗模值与阻抗角。除阻抗模值或阻抗角绘制频谱曲线外，奈奎斯特曲线也是重要的分析方法。典型的空心电抗器阻抗频谱曲线如图1所示；根据阻抗频谱生成的奈奎斯特曲线如图2示。
图1空心电抗器典型阻抗频谱
图2 空心电抗器典型奈奎斯特曲线
受绕组间的互感和分布参数影响，在宽频域范围内出现周期性谐振，故获得的奈奎斯特曲线近似圆形。奈奎斯特曲线是电化学领域用于分析腐蚀防护、电极材料和固体材料领域的重要方法，其实质是一种准稳态的分析方法，因此基于奈奎斯特分析的前提条件是：试验信号只是一个非破坏性的扰动信号。
3阻抗时域特征分析
传统的空心电抗器时域分析法主要采用外部电容与电抗器的振荡波形来分析电抗器是否存在匝间故障。在交流耐压条件下，电抗器内部的缺陷被暴露出来，从而与电容器的振荡过程中，能量交互的周期和持续振幅发生改变。在实际应用中，这种方法被认为对电抗器匝间绝缘有一定破坏性。
另一种时域分析法是通过持续输出低压方波信号，观测方波电压平顶周期内，电流的波形特征。还有一种时域分析是基于阻抗频谱的拟频谱变换，将频域转换到时域进行分析，图3，图4分别为复阻抗实部和虚部的时域特性曲线。
图3：实部阻抗时域特性曲线
图4： 阻抗虚部时域特性曲线
在带缺陷和不带缺陷的情况下，时域特征图谱有显著差异。但该方法是基于阻抗频谱的演算，实质是一种频谱分析算法。
4 复阻抗测试的数据处理
复阻抗测试有线性扫频法、网络反射阻抗法、扫频电桥法等。由于空心电抗器频域阻抗动态范围大，测试设备的输出阻抗应尽可能接近被试品特性阻抗，过大或过小的输出阻抗会引入较大的测试误差。通常标定输出阻抗的设备仅考虑100kHz以下的数值，而为达到故障识别目的，空心电抗器测试频率高达数兆赫兹。因此采取相关数据处理有助于改善高频端的测试灵敏度。常见的方法为窄带平均阻抗值法，即估算被试品在某个频率带宽内的平均阻抗，对测试结果进行修正。还有反射能量VSWR法，即通过研究被试品反射阻抗的来分析阻抗的不平衡性。对于宽频复阻抗测试，还存在仪器自身的阻抗非线性问题，因此单纯考虑一个独立点的阻抗值并不能解决整个宽频范围的测试误差。
5 复阻抗法绝缘分析要素讨论
如前所述，复阻抗法是一种非破坏性的准稳态法，它不对被试设备的分布参数构成破坏，有高度的可逆性和数据稳定性。因此复阻抗法获得典型图谱可以作为参考曲线进行分析。基于曲线特征的分析有常见以下方法：
（1）典型阻抗频响曲线特征识别
（2）参考曲线对比识别
（3）频域和时域联合分析
（4）神经网络分析法
典型的曲线特征包括周期性规则差、阻抗峰值陡峭度下降、高频衰减严重等，这些典型曲线通常因绕组多处发生了匝间绝缘击穿故障；参考曲线法可通过三相对比，或同等规格的曲线对比实现；频域和时域联合分析法可通过同步观测两种图谱的差异，或通过数学方法将两者进行关联，得出分析结果。神经网络分析法是一种可用于多维参数非线性拟合的分析方法，它具有识别故障率高、计算量大、依赖学习样本的特点，但只有在样本数据充分的情况下，才能够提升故障识别能力。
目前主要还是依赖直接测试的曲线特征进行分析，这些方法还存在一些问题：如何选择合适的频率带宽BW，如何选择起始频率和频率步进值的相关问题。为避免在峰值阻抗附近出现频谱泄露，应采取相关补偿方法，频域开窗函数是较为有效的处理方法。
下面是典型的试验频率参数及窗函数：
表1 典型复阻抗测试的设置参数
电压等级越高的电抗器，谐振阻抗峰值高，应采取较高的起点频率和上限截止频率。
6 小结
本篇浅析了针对空心电抗器匝间故障的现有分析技术，讨论了基于复阻抗数据的思路、特点和分析方法。与现有技术相比，复阻抗法对被试品无破坏，有较高的灵敏度，通过复阻抗法解释匝间缺陷导致的分布参数变化有较高的合理性。但复阻抗法目前还存在宽频范围的非线性阻抗匹配问题，目前该技术在试点应用阶段，对于实际应用过程中是否会受到干扰，对于不同类型、严重程度的故障诊断灵敏度及其修正方法，还需要持续开展相关研究。
7 参考文献
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陈荭（1987-），女，工程师，学士学位，主要从事高电压技术研究工作。
伍任能（1988-），男，工程师，硕士学位，主要从事电气试验及电力设备智能监测研究工作。
张鹏（1994-），男，助理工程师，学士学位，主要从事电气试验及电力设备智能监测研究工作。
廖英怀（1995-），女，助理工程师，学士学位，主要从事电气试验研究工作。
论文作者:陈荭
论文发表刊物:《中国电业》2019年15期
论文发表时间:2019/11/20
标签：阻抗论文; 时域论文; 曲线论文; 电抗器论文; 频谱论文; 方法论文; 测试论文; 《中国电业》2019年15期论文;