关键词：空心电抗器 阻抗频响 电抗频响 谐振阻抗
1引言
阻抗频响法是一种通过宽频阻抗表征被试设备的等效阻抗结构，由于对被试品无损伤，重复性好，可用于分析等效阻抗的谐振特性，层间结构，能够高灵敏的识别匝间绝缘故障诱发的分布参数变化，因而在空心电抗器匝间绝缘检测逐渐应用并得到认可。
由于电抗器的多层并联绕制结构，很有必要更加深入的分析匝间故障的算法研究，以便更好的观测事故发生的诱因。本文分析了阻抗频响法及电抗频响法的测试方法差异。
2.阻抗频响法
阻抗频响法是将空心电抗器作为终端负载阻抗，通过高频试验源进行扫频获得阻抗频响特性曲线的测试方法。由于空心电抗器制造生产均按照工频环境参数设计，高频端的阻抗或电抗参数缺乏，且因生产工艺的差异，空心电抗器的阻抗频响特性很难有较规范的模型曲线。阻抗频响法是一种趋势分析方法，即将历史测试数据作为累加判断依据，然后与最新测试数据进行对比分析获得匝间绝缘健康特性的结论。
3 关键算法浅析
空心电抗器采用了多层并绕结构，层间互感计算方式非常复杂，且不易通过简单的数学模型计算得到精确的结果，主要原因是绕组层间互感计算复杂，如只考虑从外层到内层的互感量，总的阻抗值如下：
（1）
设为最外侧绕组的电感，为最内侧绕组电感，设空虚电抗器多层绕组厚度为H，则互感系数为
（2）
其中 （3）
为从外层开始计算的第k层绕组的互感，为从外层开始计算的第k层绕组的自感，与和层的距离有关，仅与自身的尺寸有关。如果均匀分布，即：
（4）
方程（3）近似为：
(5)
因此，在忽略互感的非线性特性和交叉互感的情况下，只需要获得最外层的自感量和任意两层绕组之间的互感，即可计算总的电感或阻抗值。
反之通过测试总阻抗值，能够反映层间结构的特性，当任意一层绕组发生匝间故障时，会改变整体阻抗的结构，通过式（2）即能够反映匝间绝缘的变化。
简单通过阻抗频响能够反映出匝间绝缘故障的，但其灵敏度过度依赖测试设备，对轻微的故障可能阻抗频响曲线的变化并不明显。如图1所示，在横坐标12MHz范围的阻抗模值和阻抗角分别进行了故障前后的对比，其幅度差异非常微小，频率点的改变并不明显，存在误判的可能。
图1 阻抗频响典型图谱（上图：阻抗模值频响曲线 下图：相位频响曲线）
4.电抗频响法
电抗频响法是一种将阻抗频响法和等效阻抗模型结合的测试分析方法。首先获得阻抗频响和阻抗角频响，然后对阻抗频响数据进行分析，判别其谐振特征，然后选择相应的阻抗模型，获得电抗曲线和电阻曲线，从而为故障隐患的特征和诱因提供了重要数据。
为了分析匝间绝缘是否出现异常，通过模拟测试10层绕组，层间间距为0.1CM，最大尺寸为30CM，最小尺寸为29CM的电抗器，测试其阻抗频谱，获得电抗频响曲线 [图2]，对最内层绕组模拟了匝间击穿两匝后的特征图谱图3所示：
图2：典型的电抗频响曲线对比图
图 3：故障前后电抗频和响曲线对比
在横坐标频域轴上，可明显观测到电抗频响曲线的频率偏移，并且在纵坐标上的电抗值（欧姆）可以明显观测到振荡幅度的衰减。在整个频域轴上，可发现谐振频率点附件，电抗呈现陡峭的交替特征，当发生绕组匝间故障时，电抗的谐振频率点处的容抗和感抗值的平衡点被打破，从而改变了谐振频率点。因此观测谐振频率点，相比观测振荡幅度更加有效。
5. 讨论
阻抗频响法和电抗频响法的测试和分析方法近似，主要通过曲线偏移进行趋势分析。但电抗频响法需要开展数值计算，其输出结果更能提高故障识别的灵敏度，有利于研究家族缺陷。由于两者均需要历史参考数据，由此初次测试的单一数据很难立即获得被试品的健康状态。
本次试验仅通过绕制的多层电抗器及内层的匝间故障进行了模拟，并且在模型上简化了层间的交叉互感影响，对于电抗频响曲线在故障前后的差异是否可以诊断定位出具体的故障绕制层，还需要进一步开展后续研究。
6. 小结
本文讨论了阻抗频响法和电抗频响法的特点，讨论了电抗频响的算法和匝间故障诊断思路。通过对阻抗在整个频域范围的解析，借助电抗量更能体现故障的严重程度，为提高测试诊断效率，建议基于同批次型号和规格批量测试建立参考量值变化区间的需求，后期笔者将展开不同故障程度、不同规格的模拟测试研究和故障层定位技术研究。
7. 参考文献
[1] Mathisas Enohnyaket, Jonas Ekman,PEEC Models for Air-core reactors modelling skin and proximity effects,IEEE Annual Power Electronics Specialists Conference · July 2007
[2] Josip Vasilj, Petar Sarajcev, Ranko Goic, Modelling of current limiting air-core series reactor for transient recovery voltage studies, Volume 117, December 2014, Pages 185-191,Electric Power System Research
[3] Mathias Enohnyaket and Jonas Ekman, PEEC Models for Air-core Reactors Modeling Skin and Proximity Effects, - IEEE Annual Power Electronics Specialists Conference · July 2007
[4] LIRA5200阻抗频响测试系统操作说明，2017，成都高斯电子技术有限公司。
作者简介：
陈荭（1987-），女，工程师，学士学位，主要从事高电压技术研究工作。
孙全才（1978-），男，工程师，博士学位，主要从事电气试验及电力设备智能监测研究工作。
徐兆丹（1984-），男，工程师，学士学位，主要从事变电站高压、化学试验及电力设备智能监测研究工作。
周闯（1987-），男，工程师，硕士学位，主要从事电气试验及高压绝缘试验技术研究工作。
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; 电抗论文; 绕组论文; 故障论文; 曲线论文; 谐振论文; 测试论文; 《中国电业》2019年15期论文;