基于流體分析的并聯(lián)電抗器局部放電的識別與定位研究

何毅帆

（美國雪城大學L·C·史密斯計算機科學與工程學院，美國 紐約 13244）

基于流體分析的并聯(lián)電抗器局部放電的識別與定位研究

何毅帆

（美國雪城大學L·C·史密斯計算機科學與工程學院，美國 紐約 13244）

針對目前電抗器需要進行內(nèi)檢才能確定放電點個數(shù)的問題，基于流體力學以及溶質(zhì)擴散的相關(guān)理論，分析了電抗器內(nèi)部絕緣油的流型特征，建立了不同位置局放后乙炔的運動軌跡及在線氣相色譜信號的變化模型，提出了利用在線色譜數(shù)據(jù)判斷局放點數(shù)目和位置的方法，并對實際案例進行了分析。結(jié)果表明，乙炔在油箱中的運動主要依賴于油箱中絕緣油的流動，呈現(xiàn)出多階段的振動衰減變化模式，可以利用乙炔濃度曲線的峰值平臺期個數(shù)和不同采樣口間曲線峰值時間指紋判斷局放點數(shù)目和位置，并在實際案例中得到了驗證。

在線監(jiān)測；并聯(lián)電抗器；局部放電；乙炔

0 引言

并聯(lián)電抗器常用于超高壓、特高壓輸變電系統(tǒng)中，其功能為補償長線路電容效應(yīng)，限制系統(tǒng)電壓升高和操作過電壓的產(chǎn)生，改善供電質(zhì)量并保護有電設(shè)備，保證線路的可靠運行，增加系統(tǒng)安全性[1-2]。

由于運行工況或自身設(shè)計、質(zhì)量等問題，在運行過程中電抗器內(nèi)部可能會引發(fā)表面間歇性放電，緩慢改變放電部位的表面結(jié)構(gòu)，逐步發(fā)展成較為穩(wěn)定的小放電通道，造成電抗器效能與穩(wěn)定性下降，嚴重時可能會危及電網(wǎng)的運行安全[3-4]。

目前通行的電抗器局部表面放電診斷方法為電抗器油樣內(nèi)特征氣體含量的色譜分析[5-6]。僅利用特征氣體含量與發(fā)展趨勢來判斷電抗器的運行狀態(tài)和放電嚴重程度，最終通過停役解體、人工介入等手段來確定故障點的數(shù)目和位置。但單純依據(jù)特征氣體含量診斷電抗器故障的方法，一方面使得在線色譜所提供的大量信息被浪費，另一方面也無法準確判斷電抗器的內(nèi)部局部放電（簡稱局放）情況，威脅設(shè)備運行安全。

基于流體力學及氣體擴散等相關(guān)理論，分析了電抗器內(nèi)部絕緣油的流型特征，討論了不同位置局放后乙炔的運動軌跡及在線氣相色譜信號的變化模式，提出了利用在線色譜數(shù)據(jù)判斷局放點數(shù)目和位置的方法，并以實際案例數(shù)據(jù)進行了驗證與分析。

1 并聯(lián)式電抗器典型結(jié)構(gòu)

通過電抗器油色譜特征氣體的變化信息來判斷局放點的數(shù)目和位置，關(guān)鍵是分析特征氣體在電抗器內(nèi)部的流動規(guī)律和流動方式，這與并聯(lián)電抗器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)[7]，并聯(lián)電抗器的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 并聯(lián)電抗器典型結(jié)構(gòu)

一般電抗器的核心結(jié)構(gòu)為油槽以及浸沒入油槽中的鐵心。鐵心為側(cè)立日字形結(jié)構(gòu)，心柱上纏有線圈，線圈上有連接結(jié)構(gòu)且線圈完全被絕緣油浸潤。心柱為由多個硅鋼片-大理石鐵心餅疊加而成，呈塔板結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 鐵心餅結(jié)構(gòu)

這種塔板結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點是：在保證足夠的機械強度且最小化磁通繞行損耗的同時，最大限度提升線圈熱交換面積，降低電抗器溫升。

鐵心外側(cè)的框體為鐵軛，由冷軋硅鋼片組成，最外側(cè)除少量附加結(jié)構(gòu)外基本光滑。鐵心與油箱壁之間留有較大的空隙[8]。

2 并聯(lián)式電抗器絕緣油的流型分析

液體在開放管道中流動時，其流動方式主要受液體流速、當量直徑、液體粘度、液體密度和流經(jīng)長度的影響。通常以雷諾數(shù)來判斷開放管道中液體的流動模式[9]。

式中：Re為雷諾數(shù)；ρ為液體密度；v為液體流速；μ為液體粘度系數(shù)[10]；d為特征長度、等效直徑（若管道不為圓形，通常以等效浸潤直徑作為d[11]）；A為管道截面面積；P為濕周周長，油箱中為其垂直流向截面周長。

在管流中Re小于2 300時為層流，Re大于4 000則為湍流。對于鐵芯和油箱箱壁之間的部分，由于鐵心外側(cè)和油箱壁內(nèi)側(cè)均相對光滑，在液體流動方向上沒有阻礙物，因此此部分的油體運動可認為管道流[12]。

在以變壓器油為絕緣油的情況下，其流動的雷諾數(shù)為：

式（2）中管徑長度一般為數(shù)米，管道流速一般約為1 m/s；顯然上式中Re遠大于4 000，所以在鐵心外側(cè)和油箱壁之間，絕緣油以湍流方式流動。

常見的并聯(lián)式電抗器并無油泵，絕緣油主要依賴受熱后產(chǎn)生的密度變化引起的自下而上對流運動，在散熱器中冷卻后重新回到油箱中。這種無機械力擾動的流動主要特征為垂直無返混，保持連續(xù)的密度梯度，而在橫向上無流動限制。結(jié)合式（2）的結(jié)果，可以推斷：在油箱壁和鐵心外側(cè)之間絕緣油做橫向充分混勻，垂直方向無混勻的湍流流動。

心柱內(nèi)絕緣油的流動受到大理石柱以及塔板的阻礙，在縱向方向上無法流動，橫向方向具有大量支流回路。因此可認為在心柱內(nèi)絕緣油縱向速度為0，兩層塔板間絕緣油快速充分混勻。流出心柱的絕緣油首先會經(jīng)過致密的線圈層，在線圈層內(nèi)，上下幾層塔板的絕緣油會部分混合，但距離太遠塔板的絕緣油不參與該混勻過程。流出線圈層之后剩下的空間基本是開放且無阻礙的，此部分的流動與鐵心和油箱壁之間的流動方式相同[13]。

3 乙炔在絕緣油中的運動規(guī)律

圖3 局放后短時間內(nèi)乙炔分布示意

并聯(lián)電抗器內(nèi)部局放后產(chǎn)生的主要特征氣體為乙炔[14-15]，是絕緣油在放電作用下碳鏈斷裂生成。因此在實際的故障診斷中，乙炔的濃度變化也是判斷電抗器內(nèi)部是否有局放的重要判斷依據(jù)[16]。因單次局放時間極短（ns或μs級別），放電點不會有明顯的氣泡生成，且乙炔易溶于于絕緣油，因而每次局放產(chǎn)生的乙炔會快速溶于局放點附近的絕緣油中[7]。此時，乙炔在絕緣油中的擴散運行遵守菲克定律[17-18]。

式中：c為濃度，場量；D為擴散系數(shù)，二階張量；t為時間；▽為梯度算子；J為擴散通量，三維向場量。

因乙炔自身的擴散通量小、擴散速度慢，因此溶解的乙炔在油中的運動主要分為兩部分，一部分為被動擴散，依賴于絕緣油的流動；另一部分為由熱運動引起的自由擴散。自由擴散的速度取決于物質(zhì)濃度和溫度，物質(zhì)濃度越大，溫度越高，自由擴散越快。在局放發(fā)生后，放電區(qū)域內(nèi)絕緣油中的乙炔仍然保持相當?shù)偷臐舛龋ㄒ话阈∮?00 L/mg），同時并聯(lián)式電抗器的溫度在300～350 K之間，在低濃度低溫度下自由擴散速度遠小于依賴流體的被動擴散。因此，局部放電發(fā)生后乙炔在油箱中的運動主要依賴于油箱中絕緣油的流動。

當局放發(fā)生的部位為鐵心內(nèi)時，由于塔板層間的不規(guī)則湍流，乙炔會迅速擴散至塔板間所有的絕緣油內(nèi)，形成一個高乙炔層。從塔板間流出經(jīng)過線圈時，由于上下部分絕緣油參與混勻，這個高乙炔層的厚度會增加。進入鐵心和油箱壁之間后，由于在此部分絕緣油橫向完全混勻，故而在短時間后將在鐵心和油箱壁之間形成一個具有一定厚度的乙炔層，此時層內(nèi)各處乙炔濃度基本一致，如圖3所示。圖3中以灰度表征乙炔的濃度大小。

當局放點在線圈內(nèi)側(cè)靠近塔板時，在局放發(fā)生的短時間內(nèi)，放電產(chǎn)生的乙炔主要聚集在放電部位附近的兩層塔板之間。少量放電產(chǎn)生的乙炔擴散至線圈以外的油箱區(qū)域形成一層厚度略大于塔板間隔的含乙炔層，該層內(nèi)乙炔的濃度相同。

當局放點位于線圈外側(cè)時，只有少量乙炔能夠通過線圈進入塔板，其在外產(chǎn)生的等濃度乙炔區(qū)域的高度小于局放點在線圈內(nèi)側(cè)下的情形。

含乙炔層的絕緣油從局放點開始隨油箱內(nèi)絕緣油流動而上升。因鐵心和油箱壁之間絕緣油上下間不會發(fā)生混勻，所以在運動時高乙炔濃度層的厚度不會進一步增長。但是，由于熱運動的存在，部分乙炔會脫離高乙炔層，形成一個擴散層。在擴散層內(nèi)，從靠近含乙炔層側(cè)開始直至外延乙炔濃度逐漸降低，并且在延絕緣油運動正方向上擴散層具有較小的厚度。形成這種現(xiàn)象的原因主要有以下兩點：

（1）在沿絕緣油運動正方向上，絕緣油運動抵消了大部分乙炔的擴散。

（2）在沿絕緣油運動負方向上，鐵心內(nèi)部的高乙炔層在短時間內(nèi)不能完全流出，使得持續(xù)含有乙炔的絕緣油進入鐵心和油箱壁之間的區(qū)域，一定程度增加了擴散層的厚度。

當絕緣油運動到最頂層后將會進入散熱器，在散熱器內(nèi)絕緣油將持續(xù)發(fā)生混勻。由于散熱器內(nèi)部管道容積小于油箱，在再次流入油箱的絕緣油中仍然存在濃度較高的部分。這部分絕緣油最高濃度小于未經(jīng)散熱器混勻前，但仍具有一定的濃度，散熱器內(nèi)部管道的體積越大，最大和最小濃度之間的差值越小。

4 氣相色譜信號模式分析

氣相色譜結(jié)果反映的是采樣口附近絕緣油中乙炔的濃度。對于單次局放來說，色譜結(jié)果將保持穩(wěn)定直到擴散層的前沿流至采樣口附近。擴散層前沿到達后，采樣口附近的乙炔含量將快速上升直至高乙炔層流至該處附近，但乙炔含量增長速度將快速下降，直至進入一個平臺期。在含乙炔層全部通過采樣口附近后，色譜結(jié)果中的乙炔含量將開始逐漸降低，該降低速度將低于前一階段上升的速度。至擴散層完全通過采樣口后，色譜結(jié)果中乙炔的含量達到最低值。

之后，當散熱器中含乙炔的絕緣油進入油箱并通過采樣口，此時色譜中的乙炔將重復之前的上升下降，類似駝峰曲線的過程。但此時，乙炔上升和下降的速度都將顯著放緩，并且其最大值將明顯變小。該過程將重復若干次，每次的上升和下降速度均較前一次緩慢，且最大值依次變小，最低值依次變大。最后油箱內(nèi)的絕緣油完全混勻，乙炔穩(wěn)定在一個較高的含量值。

圖4所示是一個單一位置單次局放后，在頂端采樣口可能監(jiān)測到的乙炔濃度隨時間變化曲線的示意圖。T=0時為放電發(fā)生時刻，在T=0和階段1之間，放電產(chǎn)生的乙炔尚未到達采樣口，此時采樣口附近的乙炔濃度維持在基礎(chǔ)濃度。階段1為含乙炔層及前擴散層流至采樣口附近，此時乙炔濃度將在短時間內(nèi)快速上升。階段2為后擴散層通過采樣口附近，此時乙炔的濃度隨時間下降，其下降速度小于階段1的上升速度。階段3為含較高乙炔含量的絕緣油在散熱器內(nèi)混勻后重新進入油箱并經(jīng)過采樣口時，此時采樣口附近的乙炔濃度再次上升但速度較慢，最大值小于階段1下的峰值。階段3后會繼續(xù)觀測到乙炔濃度隨時間振蕩直到維持在一個新的基礎(chǔ)值上。

圖4 局放后色譜中乙炔含量隨時間變化曲線

在階段1和階段2之間，色譜中的乙炔濃度有一個較為平緩的平臺期。當局放點位于線圈內(nèi)側(cè)靠近塔板時，該區(qū)域會出現(xiàn)一個比較明顯的平直平臺期。當局放點在線圈外側(cè)時，其平臺期并不明顯。

對于具有多個采樣口的電抗器，若發(fā)生局部放電的部位明顯高于采樣口位置，則該采樣口將不會出現(xiàn)典型色譜結(jié)果中階段1與2而直接呈現(xiàn)階段3的結(jié)果。對于同一次放電，不同的采樣口出現(xiàn)第一個乙炔峰值的時間也不同，高峰之間的時間差可作為放電位置的指紋。對于具有3個或更多在垂直位置不重疊分布的采樣口的電抗器，可通過采樣口間的峰值時差指紋來區(qū)分不同高度的局放。

對于多次放電，最頂端采樣口的色譜結(jié)果將呈現(xiàn)出多個單次放電的疊加結(jié)果。按照峰值平臺期出現(xiàn)的次數(shù)可以判斷放電點的數(shù)目。但若同一高度短時間內(nèi)有多個放電點，按照該方式分析得到的放電點數(shù)目將少于實際的放電點。

5 案例分析

2014年12月1日至2015年1月30日期間，某變電站運行中的高壓電抗器A相曾出現(xiàn)局放缺陷。期間，該電抗器底部采樣口處的在線乙炔數(shù)據(jù)如圖5所示。從圖5的原始數(shù)據(jù)中可見，1 000 h前后2次乙炔濃度降至0，這是因為濾油的原因。第一次濾油后由于電抗器內(nèi)絕緣紙和其他結(jié)構(gòu)的儲油，造成濾油后段時間內(nèi)乙炔含量快速上升。

圖5 高壓電抗器A相在線乙炔含量

從圖5可見，在線乙炔含量曲線中的毛刺噪聲較為明顯，為了更明顯地看出數(shù)據(jù)規(guī)律，將圖5中的波形進行平滑處理，如圖6所示。

從圖6可見，乙炔含量在采集時間內(nèi)共有3次階躍上升，并且最大值不斷增大，因此可推斷在2014年12月1日至2015年1月31日間該高壓電抗器共發(fā)生3次局放，這一結(jié)論與相關(guān)單位出具的內(nèi)檢報告一致。

由于在線色譜采樣口僅有一個且在電抗器底部，因此未出現(xiàn)圖4中的階段1和階段2的結(jié)構(gòu)，只有階段3及之后的部分，并不能很好地看出乙炔變化曲線的完整精細結(jié)構(gòu)；單個采樣口只有一條濃度-時間曲線，無多個濃度-時間曲線間的指紋結(jié)構(gòu)，也就無法判斷3次局放是否由同一放電點產(chǎn)生。同時因3次放電的時間較為接近，濃度-時間曲線疊加程度高，3個突躍峰分離度較差，因此，無法通過該在線色譜數(shù)據(jù)判斷局放點的大致位置。

圖6 經(jīng)平滑處理后的高壓電抗器A相在線乙炔含量

6 結(jié)論

通過分析不同位置下電抗器內(nèi)部局放后乙炔在絕緣油的變化特征，認為乙炔在油箱中的運動主要依賴于油箱中絕緣油的流動；討論了不同位置局放后乙炔的運動軌跡及在線氣相色譜信號的變化模式，提出了利用乙炔濃度曲線峰值平臺期的個數(shù)和不同采樣口間曲線峰值時間指紋來判斷局放點數(shù)目和位置的方法，并在實際案例中得到了一定的驗證。

[1]倪學峰，林浩，吳義華.干式并聯(lián)電抗器表面放電的原因及解決方法[J].高電壓技術(shù)，1999，25（3）∶57-59.

[2]田有元.關(guān)于并聯(lián)電抗器的運行問題[J].東北電力技術(shù)，1998（1）∶1-8.

[3]GINZO KATSUTA，ATSUSHI TOYA，KEIICHI MURAOKA.Development of a method of partial discharge detection in extra-high voltage cross-linked polyethylene insulated cable lines[J].IEEE Transactions on Power Delivery，1992，7（3）∶1068-1078.

[4]HEIZMANN T，ASCHWANDEN T，HAHN H，et al.Onsite partial discharge measurements on premoulded crossbonding jionts of 170 kV XLPE and EPR cables[J].IEEE Transactions on Power Delivery，1998，13（2）∶330-338.

[5]邱先林.高壓并聯(lián)電抗器內(nèi)部故障診斷與處理[J].電源技術(shù)應(yīng)用，2013，12（1）∶177-180.

[6]李建明，朱康.高壓電器設(shè)備試驗方法[M].北京：中國電力出版社，2001.

[7]劉孝為，陳楚羽，王宏.超高壓并聯(lián)電抗器的結(jié)構(gòu)特點和運行狀況綜述[J].陜西電力，2006，34（2）∶46-48.

[8]吳望一.流體力學[M].北京：北京大學出版社，1982.

[9]JI H，謝多夫.力學中的相似方法和量綱理論[M].沈青，譯.北京：科學出版社，1982.

[10]吳持恭.水力學上冊[M].北京：高等教育出版社，2008.

[11]HINZE J O.TURBULENCE[M].New York∶McGraw-Hill，1975.

[12]AVILA K，MOXEY D，LOZAR A DE，et al.The Onset of Turbulence in Pipe Flow[J].Science，2011，333（6039）∶192-196.

[13]JAMES O WILKES.Fluid Mechanics for Chemical Engineering[M].New York∶Prentice Hall,2012.

[14]張遠博.變壓器典型缺陷局部放電特征與油中溶解氣體對應(yīng)關(guān)系研究[D].重慶：重慶大學，2009.

[15]李燕青.超聲波法檢測電力變壓器局部放電的研究[D].河北：華北電力大學,2004.

[16]李小軍，李繼紅，師旭.一起高壓電抗器色譜異常故障分析與處理[J].變壓器，2012，49（8）∶71-72.

[17]THEODORE L BERGMAN，ADRIENNE S LAVINE，F(xiàn)RANK P Incropera,et al.Fundamentals of Heat and Mass Transfer[M].Hoboken New Jersey，2007.

[18]PAIDOUSSIS M P，LI G X.Pipe conveying fluid∶a model dynamical problem[J].Journal of Fluids and Structures，1993，7（2）∶137-204.

（本文編輯：楊 勇）

Recognition and Location on Multiple Partial Discharge in Shunt Reactor Based on Fluid Analysis of Chromatogram Data

HE Yifan
（L.C.Smith College of Engineering and Computer Science，Syracuse University，NY USA 13244）

In order to avoid the number of partial discharge（PD）in shunt reactor must be determined by internal examination，the fluid flow characteristics of insulation oil in the reactor is analyzed based on the hydrodynamics and diffusion theory.The movement track of acetylene and variation model of on-line chromatogram with different PD positions are built in this paper.A new method to determine the PD number and position by employing the on-line chromatogram is proposed.Finally，a practical case is analyzed by using the proposed method.The results show that the acetylene movement is mainly determined by the flow of insulation oil in oil tank and it presents several variation modes with oscillation attenuation.The PD number can be diagnosed through the number of peak platform in acetylene variation curve，and the PD position can be deduced by comparing the peak time finger chromatogram of acetylene variation curve between different sampling ports.Finally，the proposed method is verified by the reality case.

online-monitor；shunt reactor；partial discharge；acetylene

TM866

B

1007-1881（2015）09-0010-05

2015-07-13

何毅帆（1991），男，碩士研究生，研究方向為化學工程。