干式空心電抗器匝間絕緣試驗(yàn)關(guān)鍵技術(shù)及裝置研究

戴瑞海，夏曉波，林 堅(jiān)，季凌武，江少成

（溫州電力局，浙江 溫州 325000）

0 引言

根據(jù)近年統(tǒng)計(jì)分析干式空心電抗器（以下簡(jiǎn)稱電抗器）故障資料，發(fā)現(xiàn)造成其燒毀的主要原因是匝間絕緣短路故障[1-3]，而目前國內(nèi)缺乏有效的試驗(yàn)設(shè)備，進(jìn)口的試驗(yàn)設(shè)備又非常昂貴。因此，研制一種能夠有效檢測(cè)電抗器匝間絕緣故障的廉價(jià)設(shè)備顯得十分迫切。

理論研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)電抗器存在匝間絕緣缺陷時(shí)，施加于電抗器兩端電源頻率越高，其電感改變?cè)酱骩4-5]。根據(jù)這一原理，目前國內(nèi)外已研制、生產(chǎn)了一些不同類型電抗器匝間絕緣故障檢測(cè)裝置，但其性能往往達(dá)不到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，主要表現(xiàn)在：試驗(yàn)電壓不夠高、每秒放電次數(shù)和振蕩頻率達(dá)不到IEEE標(biāo)準(zhǔn)要求；試驗(yàn)設(shè)備超重及體積超大；試驗(yàn)數(shù)據(jù)可信度不高，容易造成電抗器匝間絕緣狀況判斷不正確；不能進(jìn)變電所現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，尤其室內(nèi)電抗器根本無法試驗(yàn)。

在分析這些不成熟的試驗(yàn)裝置基礎(chǔ)上，用倍壓塔、限流電阻及觸發(fā)球隙實(shí)現(xiàn)對(duì)放電頻率的控制，突破了電抗器匝間絕緣檢測(cè)試驗(yàn)關(guān)鍵技術(shù)。

1 電抗器匝間絕緣試驗(yàn)方法分析

對(duì)于電抗器匝間絕緣檢測(cè)的試驗(yàn)，國家標(biāo)準(zhǔn)和IEEE標(biāo)準(zhǔn)都作了規(guī)定，其基本方法可歸納為以下幾種：

（1）感應(yīng)電壓法。與變壓器匝間絕緣試驗(yàn)的方法相同，用感應(yīng)電壓法間接地對(duì)被試線圈施加電壓，達(dá)到匝間耐壓檢查的目的。

（2）直接施加工頻電壓法。用試驗(yàn)變壓器對(duì)電抗器施加工頻電壓，考核電抗器匝間絕緣耐受過電壓的能力。

（3）若方法（2）所要求的試驗(yàn)容量和電壓超出了試驗(yàn)?zāi)芰Γ捎美纂姏_擊電壓試驗(yàn)代替。目前西安中揚(yáng)電氣公司就采用雷電沖擊電壓試驗(yàn)考核匝間絕緣。

（4）高頻振蕩能量吸收法。這是一種基于能量吸收原理，檢測(cè)繞組匝間故障的方法。

（5）高頻振蕩電壓法。當(dāng)電抗器存在匝間絕緣缺陷時(shí)，施加于電抗器兩端電源頻率越高，其電感改變?cè)酱蟆８鶕?jù)這一原理，通過對(duì)電抗器施加高頻振蕩脈沖，記錄電抗器兩端的電壓或電流波形，并與先前數(shù)據(jù)及同型號(hào)電抗器試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較，可以判斷其是否存在匝間絕緣缺陷[6]。

前4種試驗(yàn)方法，存在試驗(yàn)容量大、靈敏度不高等不足；高頻振蕩電壓法試驗(yàn)結(jié)果較好，但目前缺乏優(yōu)良的試驗(yàn)設(shè)備。

2 幾種基于高頻振蕩電壓法的試驗(yàn)裝置分析

高頻振蕩電壓法是一種對(duì)電抗器直接施加高頻脈沖電壓的方法[6-7]。根據(jù)IEEE C57.21和IEEE C57.26標(biāo)準(zhǔn)推薦電抗器匝間絕緣檢測(cè)電路的工作原理，國內(nèi)一些研究單位設(shè)計(jì)了多種實(shí)現(xiàn)方法。如文獻(xiàn)[8]提出了圖1所示的試驗(yàn)方案（方案一）；蘇州某電力試驗(yàn)設(shè)備企業(yè)設(shè)計(jì)了如圖2所示的試驗(yàn)方案（方案二）。

雖然文獻(xiàn)[8]給出了方案一的試驗(yàn)波形，但通過仿真和試驗(yàn)分析，可以發(fā)現(xiàn)只能實(shí)現(xiàn)50次/s的放電，只有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定次數(shù)的一半。方案一在球隙擊穿瞬間，由于ωL極大，阻抗接近零，試驗(yàn)變壓器通過限流電阻短接，存在輸出功率過大的問題，峰值達(dá)300 kVA，如圖3所示；方案二也存在類似過載問題，球隙擊穿時(shí)電源瞬時(shí)輸出功率如圖4所示。

圖1 電抗器絕緣試驗(yàn)裝置（方案一）原理

圖2 電抗器絕緣試驗(yàn)裝置（方案二）原理

圖3 球隙擊穿時(shí)試驗(yàn)變壓器輸出功率（方案一）

圖4 球隙擊穿時(shí)試驗(yàn)變壓器輸出功率（方案二）

方案一、二的實(shí)現(xiàn)需要容量很大的試驗(yàn)變壓器，成本高、運(yùn)輸困難，不能在電抗器運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)使用。另外，方案一、二均存在球隙擊穿過程中試驗(yàn)變壓器亦參與脈沖電容器和試驗(yàn)電抗器LC振蕩的情況，振蕩頻率不能真實(shí)反映電抗器電感變化。

通過對(duì)以上兩種試驗(yàn)裝置的仿真和試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其不成熟的主要原因在于球隙擊穿后形成通路，流過球隙電流較大，電弧呈紅色，不能及時(shí)熄滅。

在經(jīng)過多次仿真和試驗(yàn)探索之后，提出用旋轉(zhuǎn)電極實(shí)現(xiàn)的電抗器匝間絕緣檢測(cè)裝置（方案三），如圖5所示，同步電機(jī)帶動(dòng)的兩旋轉(zhuǎn)電極相位差90°。應(yīng)用高速旋轉(zhuǎn)的電極在電容與電抗器諧振時(shí)，強(qiáng)行切斷變壓器輸出，從而保證變壓器輸出不會(huì)通過球隙直接形成回路，也確保了其輸出不會(huì)過流。

圖5 電抗器絕緣試驗(yàn)裝置（方案三）原理

該方案的工作原理：變壓器輸出通過高壓硅堆整流橋整流給穩(wěn)壓濾波電容C1充電，C1電壓保持在一穩(wěn)定值。旋轉(zhuǎn)電極1、旋轉(zhuǎn)電極2互相垂直，以3 000 r/min恒定速度轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)旋轉(zhuǎn)電極1導(dǎo)通時(shí)，C2被充電至試驗(yàn)電壓，此時(shí)旋轉(zhuǎn)電極2處于關(guān)斷狀態(tài)；5 ms后，電極2導(dǎo)通，C2對(duì)電抗器放電，LC諧振開始，此時(shí)電極1處電弧已被強(qiáng)行拉開，處于關(guān)斷狀態(tài)，變壓器輸出不會(huì)經(jīng)電極形成回路。

對(duì)方案三仿真計(jì)算得到電抗器兩端電壓波形（見圖6），電源輸出功率不到15 kVA，相比方案一、二要小得多。

運(yùn)用旋轉(zhuǎn)電極方案組成試驗(yàn)裝置對(duì)電抗器進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)得電壓波形如圖7所示（分壓比2000）。

圖6 電抗器兩端電壓仿真試驗(yàn)波形（方案三）

圖7 電抗器試驗(yàn)電壓波形（方案三）

在額定電壓下對(duì)電抗器試驗(yàn)時(shí)，電源功率不到20 kVA，較之前述兩方案有實(shí)質(zhì)性的突破，解決了球隙擊穿瞬間試驗(yàn)變壓器輸出功率過大的問題，而且能實(shí)現(xiàn)對(duì)電抗器放電60次/s，達(dá)到IEEE有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

但該方案使用了旋轉(zhuǎn)電極，放電時(shí)兩間隙同時(shí)擊穿，電波在兩間隙、多種波阻抗不同導(dǎo)體中不斷地被折射、發(fā)射，產(chǎn)生頻率和幅值均很高的干擾信號(hào)，嚴(yán)重影響試驗(yàn)測(cè)量及結(jié)果分析的準(zhǔn)確性。另外電極高速旋轉(zhuǎn)，可能造成裝置本身震動(dòng)，也影響裝置的穩(wěn)定工作。

3 新型試驗(yàn)裝置的研究

方案三雖然很好地解決了方案一、二球隙擊穿時(shí)變壓器輸出功率過大，球隙間電弧不易熄滅的問題，但同時(shí)帶來了嚴(yán)重的干擾。可以發(fā)現(xiàn)電抗器匝間絕緣檢測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)在于滿足放電次數(shù)和振蕩頻率的前提下，控制電容對(duì)電抗器放電時(shí)變壓器輸出功率不過載，電容與電抗器組成LC振蕩回路應(yīng)盡量排除各種干擾。

充分比較前述三種方案的特性，在進(jìn)一步試驗(yàn)和仿真的基礎(chǔ)上，提出了采用大電阻限流、觸發(fā)點(diǎn)火的試驗(yàn)方案（方案四），如圖8所示。

圖8 電抗器絕緣試驗(yàn)裝置（方案四）

該方案的工作原理：變壓器輸出電壓通過倍壓塔升至額定試驗(yàn)電壓，倍壓塔兼具有穩(wěn)壓濾波功能。倍壓塔通過電阻R給電容C充電至額定試驗(yàn)電壓U；每隔10 ms球隙在點(diǎn)火裝置觸發(fā)下?lián)舸┓烹?次（即放電頻率為100 Hz），實(shí)現(xiàn)脈沖電容C對(duì)電抗器L放電，LC諧振開始。由于限流電阻R阻值達(dá)10 MΩ，倍壓塔對(duì)LC振蕩頻率影響可以忽略；LC諧振期間，通過R流向脈沖電容C的電流非常小，不影響球隙間電弧熄滅。LC諧振結(jié)束后，球隙間電弧熄滅。脈沖電容C重新充電近10 ms至額定試驗(yàn)電壓，球隙在點(diǎn)火裝置觸發(fā)下再次擊穿，新的LC振蕩開始……如此循環(huán)，直至試驗(yàn)停止。

方案四克服了前述三種方案的缺點(diǎn)，變壓器輸出功率不過載，不會(huì)出現(xiàn)方案三中那樣的干擾信號(hào)，能實(shí)現(xiàn)對(duì)電抗器60次/s匝間耐壓試驗(yàn)，同時(shí)變壓器輸出功率小于15 kVA，又能得到比較準(zhǔn)確的測(cè)量波形。裝置由于采用倍壓塔升壓，要求升壓變壓器輸出電壓可以較低，整套裝置所需設(shè)備體積、重量均較小，容易進(jìn)入變電所無功補(bǔ)償室使用。

4 電抗器匝間絕緣試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

對(duì)電感值分別為180 mH，280 mH的2只電抗器進(jìn)行試驗(yàn)，在電抗器正常和存在匝間短路的情況下，按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)分別施加80 kV，180 kV試驗(yàn)電壓，測(cè)出電壓、電流波形。

電感值約為180 mH的電抗器匝間絕緣試驗(yàn)結(jié)果如圖9，10所示；電感值280 mH的電抗器匝間絕緣試驗(yàn)結(jié)果如圖11，12所示。試驗(yàn)分壓比1000；圖中實(shí)線是電抗器完好狀態(tài)下試驗(yàn)波形；虛線是電抗器存在匝間短路狀態(tài)下試驗(yàn)波形。

圖9 180 mH的電抗器匝間絕緣80 kV試驗(yàn)電壓波形（分壓比1000）

圖10 180 mH的電抗器匝間絕緣180 kV試驗(yàn)電壓波形（分壓比1000）

圖11 280 mH的電抗器匝間絕緣80 kV試驗(yàn)電壓波形（分壓比1000）

從試驗(yàn)波形中可以直觀明顯地看到存在匝間短路時(shí)，電抗器兩端的電壓和流經(jīng)電抗器兩端電流的振蕩頻率比電抗器完好時(shí)的頻率要高，衰減速度要快。這表明大量能量消耗在短路環(huán)上，即渦流損耗和環(huán)流損耗。1 min試驗(yàn)結(jié)束后，發(fā)現(xiàn)短路環(huán)附近線圈溫度比電抗器上其他位置溫度高出10℃，這也表明短路環(huán)在試驗(yàn)中消耗了大量能量。對(duì)未知匝間絕緣故障位置的電抗器，亦可由此變化來確定故障位置。

實(shí)際使用過程中，可以對(duì)比A，B，C三相電抗器的試驗(yàn)波形，也可以將試驗(yàn)波形與先期的試驗(yàn)波形進(jìn)行對(duì)比。當(dāng)2次波形差異不大的時(shí)，可將試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行傅立葉變換，查看其頻譜分布曲線，以判斷電抗器是否存在匝間絕緣缺陷。如圖13為圖12所示的電感值為180 mH的電抗器匝間絕緣180 kV試驗(yàn)電壓波形頻譜。

圖12 180 mH的電抗器匝間絕緣180 kV試驗(yàn)電壓波形（分壓比 1000）

圖13 180 mH的電抗器匝間絕緣180 kV試驗(yàn)電壓波形頻譜

5 結(jié)語

通過比較幾種不成熟的電抗器匝間絕緣檢測(cè)裝置，發(fā)現(xiàn)其不成熟的原因后，提出了采用倍壓、大電阻限流、觸發(fā)點(diǎn)火的試驗(yàn)方案，研制了一套體積小、重量輕的試驗(yàn)裝置。

利用該試驗(yàn)裝置對(duì)電抗器的匝間絕緣試驗(yàn)證明，用脈沖振蕩電壓法并利用比較電抗器線圈兩端的電壓（或流過線圈的電流）波形變化情況來判斷電抗器的匝間絕緣狀態(tài)是可行、有效的。同時(shí)也證明所設(shè)計(jì)的電抗器匝間絕緣度試驗(yàn)裝置能滿足有關(guān)IEEE標(biāo)準(zhǔn)的各項(xiàng)指標(biāo)要求，并對(duì)檢測(cè)電抗器匝間絕緣具有較高的靈敏度，能滿足現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的要求。

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