本發(fā)明屬于電抗器故障診斷技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及用于干式空心電抗器現(xiàn)場故障的診斷。

背景技術(shù)：

電抗器在電力系統(tǒng)中起到提供無功功率補(bǔ)償，提高電能輸送質(zhì)量，減少線路損耗，限制系統(tǒng)的工頻過電壓和操作過電壓等作用。干式空心電抗器采用多包封并繞結(jié)構(gòu)型式，與比傳統(tǒng)的鐵心電抗器相比，干式空心電抗器具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、體積小、線性好、損耗低、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，在電力系統(tǒng)中運(yùn)用日益廣泛。隨著干式空心電抗器投運(yùn)數(shù)量及投運(yùn)時間的增加，事故也逐步增多，并經(jīng)常著火燃燒，給電力系統(tǒng)安全運(yùn)行帶來了很大影響。

傳統(tǒng)電抗器現(xiàn)場故障診斷的方法采用的是：直流電阻測量和紅外測溫技術(shù)。普遍的直流電阻測量儀是在內(nèi)部工頻源下進(jìn)行測量的，電源會含有一些交流分量，而現(xiàn)場空間磁場環(huán)境復(fù)雜，工頻環(huán)境會對測量設(shè)備造成很大的干擾，在設(shè)備上會產(chǎn)生較強(qiáng)的工頻感應(yīng)電壓，嚴(yán)重時會造成設(shè)備的損毀。采用紅外測溫技術(shù)對電抗器溫升的測量存在一些局限性，它只能對電抗器的最外層包封表面進(jìn)行測溫，一旦電抗器內(nèi)部包封發(fā)生絕緣故障，紅外測溫很難進(jìn)行有效檢測。

此外，干式空心電抗器總體電氣參數(shù)變化小，在現(xiàn)場強(qiáng)磁場的環(huán)境下，無法對其進(jìn)行準(zhǔn)確的測量。因此，探究一種抗干擾能力強(qiáng)，準(zhǔn)確度高的干式空心電抗器故障現(xiàn)場診斷方法是十分必要的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有電抗器現(xiàn)場故障診斷方法在設(shè)備上會產(chǎn)生較強(qiáng)的工頻感應(yīng)干擾且檢測效率低的問題，現(xiàn)提供一種用于干式空心電抗器現(xiàn)場故障的診斷方法及系統(tǒng)。

一種用于干式空心電抗器現(xiàn)場故障的診斷系統(tǒng)，電抗器包封導(dǎo)線的兩端分別與星形架電氣連接，所述診斷系統(tǒng)包括：分頻試驗(yàn)電源1、lc串聯(lián)諧振電路、多個電流傳感器201、信號調(diào)理電路202、a/d轉(zhuǎn)換電路203、單片機(jī)204、光耦隔離電路205、上位機(jī)207和存儲器208；

分頻試驗(yàn)電源1和lc串聯(lián)諧振電路均與待測電抗器的兩端并聯(lián)，

多個電流傳感器201分別用于采集各個星形架上的電流，還用于采集星形架上電抗器的支路電流，

多個電流傳感器201的電流信號輸出端同時連接信號調(diào)理電路202的電流信號輸入端，信號調(diào)理電路202的調(diào)理信號輸出端連接a/d轉(zhuǎn)換電路203的調(diào)理信號輸入端，a/d轉(zhuǎn)換電路203的數(shù)字信號輸出端連接單片機(jī)204的數(shù)字信號輸入端，單片機(jī)204的數(shù)字信號輸出端連接存儲器208的數(shù)字信號輸入端，存儲器208的存儲信號輸出端連接單片機(jī)204的存儲信號輸入端，單片機(jī)204的基波電流有效值輸出端連接光耦隔離電路205的基波電流有效值輸入端，光耦隔離電路205的隔離信號輸出端連接上位機(jī)207的隔離信號輸入端，

基波電流有效值為星形架基波電流有效值或支路基波電流有效值，上位機(jī)207中存有正常情況下的星形架基波電流值和電抗器支路基波電流值；

上位機(jī)207包括以下單元：

用于利用星形架基波電流有效值獲得星形架電流變化量的單元，

用于判斷星形架電流變化量是否大于3％，是則當(dāng)前星形架出現(xiàn)故障的單元；

用于在星形架出現(xiàn)故障時，利用支路基波電流有效值獲得電抗器支路電流變化量的單元，

用于根據(jù)電抗器支路電流變化量是否大于10％的單元，是則當(dāng)前電抗器支路出現(xiàn)故障的單元。

一種用于干式空心電抗器現(xiàn)場故障的診斷方法，電抗器包封導(dǎo)線的兩端分別與星形架電氣連接，所述診斷方法基于以下裝置實(shí)現(xiàn)所述裝置包括：分頻試驗(yàn)電源1和lc串聯(lián)諧振電路，分頻試驗(yàn)電源和lc串聯(lián)諧振電路均與待測電抗器的兩端并聯(lián)；

所述診斷方法包括以下步驟：

步驟一：實(shí)時采集星形架上的電流信號，然后將對星形架上的電流信號進(jìn)行信號調(diào)理和a/d轉(zhuǎn)換，

步驟二：對星形架上的電流值進(jìn)行離散傅里葉級數(shù)變換，獲得星形架基波電流有效值，

步驟三：根據(jù)星形架基波電流有效值獲得星形架電流變化量，

步驟四：判斷星形架電流變化量是否大于3％，是則星形架上的電抗器出現(xiàn)故障，然后執(zhí)行步驟五，否則星形架上的電抗器正常，

步驟五：實(shí)時采集星形架上電抗器的支路電流信號，然后將支路電流信號進(jìn)行信號調(diào)理和a/d轉(zhuǎn)換，

步驟六：對支路電流值進(jìn)行離散傅里葉級數(shù)變換，獲得支路基波電流有效值，

步驟七：根據(jù)支路基波電流有效值獲得支路電流變化量，

步驟八：判斷支路電流變化量是否大于10％，是則支路出現(xiàn)故障，否則支路正常，完成故障診斷。

本發(fā)明所述的一種用于干式空心電抗器現(xiàn)場故障的診斷方法及系統(tǒng)，基于分頻電源與諧波分析技術(shù)檢測分布電流，利用lc串聯(lián)諧振電路把鄰近運(yùn)行電抗器產(chǎn)生的工頻信號短路，避免了工頻感應(yīng)對測量的影響。同時，本發(fā)明采用先測星形架電流，再測支路電流的方式，現(xiàn)場檢測時間從原來的30分鐘縮短到了10分鐘，使工作效率提高了60％。本發(fā)明適用于現(xiàn)場檢測干式空心電抗器是否存在匝間絕緣故障。

附圖說明

圖1為干式空心電抗器在正常情況下的等值電路圖；

圖2為干式空心電抗器出現(xiàn)匝間短路故障時的等值電路圖；

圖3為干式空心電抗器出現(xiàn)斷股故障時的等值電路圖；

圖4為運(yùn)行電抗器與被測電抗器的分布示意圖；

圖5為工頻短路等值電路圖；

圖6為測量星形架電流的原理圖；

圖7為測量支路電流的原理圖。

具體實(shí)施方式

在低頻電壓下，干式空心電抗器由自感、互感和導(dǎo)線電阻構(gòu)成。根據(jù)電磁學(xué)neumann公式和積分原理，兩線圈間互感m，各層線圈自感l(wèi)可根據(jù)電抗器線圈匝數(shù)、直徑、高度等自身結(jié)構(gòu)參數(shù)預(yù)先計算求出。

互感m＝μ0n1n2r1r2[f(r1,r2,z1)-f(r1,r2,z2)+f(r1,r2,z3)-f(r1,r2,z4)]，

自感l(wèi)＝2μ0n²r²[f(r,r,h)-f(r,r,0)]。

各線圈由鋁導(dǎo)線繞制，導(dǎo)線存在導(dǎo)體電阻，由鋁導(dǎo)線的電導(dǎo)率和幾何尺寸求取，任一線圈電阻

以層為單位，正常情況下n層線圈電抗器等值電路如圖1所示。當(dāng)施加的交流電壓為時，各個支路電流為電壓矩陣方程可表示為：

假設(shè)電抗器第m層發(fā)生匝間短路故障，故障繞組尚未燒斷時的等值電路如圖2所示。此時，電壓矩陣方程可表示為：

假設(shè)電抗器第m層繞組中的某根導(dǎo)線從繞組中脫落斷開，可知該根金屬導(dǎo)線兩端電壓為零，該繞組的金屬導(dǎo)線并聯(lián)根數(shù)減少，等值電路如圖3所示。此時，電壓方程與正常情況的電壓方程一致。

通過求解方程組可解析出電抗器分布電流求和得總電流

通過解析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，干式空心電抗器發(fā)生故障后，總體電流變化量小于2％，而分布電流變化量為較大，其中匝間短路故障變化量為19.25％～145.60％，斷股故障變化量為-23.67％～-62.26％。因此，采用檢測分布電流的方法可以有效地對干式空心電抗器進(jìn)行故障診斷。

當(dāng)對被測電抗器進(jìn)行故障診斷時，現(xiàn)場相鄰電抗器組仍在投入運(yùn)行，運(yùn)行電抗器與被測電抗器分布示意圖如圖4所示。運(yùn)行相電抗器由于存在磁場與被測電抗器之間產(chǎn)生互感，由于互感存在，運(yùn)行電抗器產(chǎn)生的強(qiáng)磁作用會產(chǎn)生很大的工頻感應(yīng)，被測電抗器工頻短路等值電路如圖5所示。被測電抗器感應(yīng)電壓短路電流經(jīng)計算得出運(yùn)行電抗器產(chǎn)生的工頻感應(yīng)電流較大，約占運(yùn)行電流的14.1％。若不采取抗干擾措施，對測量儀器產(chǎn)生很大的干擾，嚴(yán)重影響測量結(jié)果。

為避免這種工頻感應(yīng)對測量的影響，采用以下實(shí)施方式。

具體實(shí)施方式一：參照圖6和圖7具體說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述的一種用于干式空心電抗器現(xiàn)場故障的診斷系統(tǒng)，電抗器包封導(dǎo)線的兩端分別與星形架電氣連接，所述診斷系統(tǒng)包括：分頻試驗(yàn)電源1、lc串聯(lián)諧振電路、多個電流傳感器201、信號調(diào)理電路202、a/d轉(zhuǎn)換電路203、單片機(jī)204、光耦隔離電路205、上位機(jī)207和存儲器208；

分頻試驗(yàn)電源1和lc串聯(lián)諧振電路均與待測電抗器的兩端并聯(lián)，

多個電流傳感器201分別用于采集各個星形架上的電流，還用于采集星形架上電抗器的支路電流，

多個電流傳感器201的電流信號輸出端同時連接信號調(diào)理電路202的電流信號輸入端，信號調(diào)理電路202的調(diào)理信號輸出端連接a/d轉(zhuǎn)換電路203的調(diào)理信號輸入端，a/d轉(zhuǎn)換電路203的數(shù)字信號輸出端連接單片機(jī)204的數(shù)字信號輸入端，單片機(jī)204的a/d驅(qū)動信號輸出端連接a/d轉(zhuǎn)換電路203的a/d驅(qū)動信號輸入端，單片機(jī)204的數(shù)字信號輸出端連接存儲器208的數(shù)字信號輸入端，存儲器208的存儲信號輸出端連接單片機(jī)204的存儲信號輸入端，單片機(jī)204的基波電流有效值輸出端連接光耦隔離電路205的基波電流有效值輸入端，光耦隔離電路205的隔離信號輸出端連接上位機(jī)207的隔離信號輸入端，

基波電流有效值為星形架基波電流有效值或支路基波電流有效值，上位機(jī)207中存有正常情況下的星形架基波電流值和電抗器支路基波電流值；

上位機(jī)207包括以下單元：

用于利用星形架基波電流有效值獲得星形架電流變化量的單元，

用于判斷星形架電流變化量是否大于3％，是則當(dāng)前星形架出現(xiàn)故障的單元；

用于在星形架出現(xiàn)故障時，利用支路基波電流有效值獲得電抗器支路電流變化量的單元，

用于根據(jù)電抗器支路電流變化量是否大于10％的單元，是則當(dāng)前電抗器支路出現(xiàn)故障的單元。

為避免工頻感應(yīng)對測量的影響，本實(shí)施方式采用分頻電源和諧波分析技術(shù)對電抗器分布電流進(jìn)行測量。所述lc串聯(lián)諧振電路包括電感l(wèi)和電容c，電感l(wèi)和電容c相互串聯(lián)，然后同時并聯(lián)在電抗器兩端，lc串聯(lián)諧振電路把鄰近運(yùn)行電抗器產(chǎn)生的工頻信號短路。

因?yàn)楦墒娇招碾娍蛊髦泛芏?，若要對每個支路電流進(jìn)行測量，會浪費(fèi)大量的時間。根據(jù)干式空心電抗器結(jié)構(gòu)，各包封導(dǎo)線的首末兩端分別焊在了鋁制星形架上，星形架起到了電氣連接作用。因此，首先把電流傳感器安裝在各星形架上，測得每個星形架的電流，如附圖6所示。若測得星形架電流變化量大于3％，那么可以判斷與星形架相連接的電抗器出現(xiàn)故障。再把電流傳感器安裝在異常狀況星形架中電抗器每個支路的導(dǎo)線上，測得支路電流，如附圖7所示。若測得支路電流變化量大于10％，那么可以判斷出此支路發(fā)生故障。這樣便在最短的時間內(nèi)，準(zhǔn)確診斷出故障位置。

具體實(shí)施方式二：本實(shí)施方式是對具體實(shí)施方式一所述的一種用于干式空心電抗器現(xiàn)場故障的診斷系統(tǒng)作進(jìn)一步說明，本實(shí)施方式中，利用隔離變壓器t對分頻試驗(yàn)電源1進(jìn)行保護(hù)。

具體實(shí)施方式三：本實(shí)施方式是對具體實(shí)施方式一所述的一種用于干式空心電抗器現(xiàn)場故障的診斷系統(tǒng)作進(jìn)一步說明，本實(shí)施方式中，在lc串聯(lián)諧振電路與電抗器之間串聯(lián)有保護(hù)電阻r。

具體實(shí)施方式四：本實(shí)施方式是對具體實(shí)施方式一所述的一種用于干式空心電抗器現(xiàn)場故障的診斷系統(tǒng)作進(jìn)一步說明，本實(shí)施方式中，利用串口通信206實(shí)現(xiàn)光耦隔離電路205與上位機(jī)207之間的信號傳輸。

具體實(shí)施方式五：本實(shí)施方式是對具體實(shí)施方式一所述的一種用于干式空心電抗器現(xiàn)場故障的診斷系統(tǒng)作進(jìn)一步說明，本實(shí)施方式中，單片機(jī)204中利用下式獲得基波電流有效值irms：

其中，i(t)為t時刻的電流值，ai0為i(t)的直流分量，aik為i(t)的k次諧波幅值，為i(t)的k次諧波初相位，f0為基波頻率，aik與bik分別是i(t)的k次諧波分量的虛部和實(shí)部，ai1和bi1分別是i(t)的基波分量的虛部和實(shí)部，im為基波電流信號的幅值，t為基波周期。

具體實(shí)施方式六：參照圖6和圖7具體說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述的一種用于干式空心電抗器現(xiàn)場故障的診斷方法，電抗器包封導(dǎo)線的兩端分別與星形架電氣連接，所述診斷方法基于以下裝置實(shí)現(xiàn)所述裝置包括：分頻試驗(yàn)電源1和lc串聯(lián)諧振電路，分頻試驗(yàn)電源1和lc串聯(lián)諧振電路均與待測電抗器的兩端并聯(lián)；

所述診斷方法包括以下步驟：

步驟一：實(shí)時采集星形架上的電流信號，然后將對星形架上的電流信號進(jìn)行信號調(diào)理和a/d轉(zhuǎn)換，

步驟二：對星形架上的電流值進(jìn)行離散傅里葉級數(shù)變換，獲得星形架基波電流有效值，

步驟三：根據(jù)星形架基波電流有效值獲得星形架電流變化量，

步驟四：判斷星形架電流變化量是否大于3％，是則星形架上的電抗器出現(xiàn)故障，然后執(zhí)行步驟五，否則星形架上的電抗器正常，

步驟五：實(shí)時采集星形架上電抗器的支路電流信號，然后將支路電流信號進(jìn)行信號調(diào)理和a/d轉(zhuǎn)換，

步驟六：對支路電流值進(jìn)行離散傅里葉級數(shù)變換，獲得支路基波電流有效值，

步驟七：根據(jù)支路基波電流有效值獲得支路電流變化量，

步驟八：判斷支路電流變化量是否大于10％，是則支路出現(xiàn)故障，否則支路正常，完成故障診斷。

具體實(shí)施方式七：本實(shí)施方式是對具體實(shí)施方式六所述的一種用于干式空心電抗器現(xiàn)場故障的診斷方法作進(jìn)一步說明，本實(shí)施方式中，利用隔離變壓器t對分頻試驗(yàn)電源1進(jìn)行保護(hù)。

具體實(shí)施方式八：本實(shí)施方式是對具體實(shí)施方式六所述的一種用于干式空心電抗器現(xiàn)場故障的診斷方法作進(jìn)一步說明，本實(shí)施方式中，在lc串聯(lián)諧振電路與電抗器之間串聯(lián)有保護(hù)電阻r。

具體實(shí)施方式九：本實(shí)施方式是對具體實(shí)施方式六所述的一種用于干式空心電抗器現(xiàn)場故障的診斷方法作進(jìn)一步說明，本實(shí)施方式中，利用下式獲得基波電流有效值irms，基波電流有效值irms為星形架基波電流有效值或支路基波電流有效值，

其中，i(t)為t時刻的電流值，ai0為i(t)的直流分量，aik為i(t)的k次諧波幅值，為i(t)的k次諧波初相位，f0為基波頻率，aik與bik分別是i(t)的k次諧波分量的虛部和實(shí)部，ai1和bi1分別是i(t)的基波分量的虛部和實(shí)部，im為基波電流信號的幅值，t為基波周期。