基于套管CCS的高壓并聯電抗器繞組故障檢測方法研究*

陳攀，余華興，徐菁，周勇，李益峰，趙仲勇

(1.國網重慶市電力公司江北供電局，重慶 401147； 2.西南大學 工程技術學院，重慶 400715)

0 引 言

隨著我國超特高壓電網的建設和發展，電力系統的容量不斷增長，據統計，2017年全國發電裝機容量達到17.8億千瓦，同比增長7.6%[1]。電網中各類電力實施的正常運轉，對保證電力系統提供安全、優質、經濟、環保的電能質量意義重大。高壓并聯電抗器是變電站重要的電力設施之一，其具有眾多功能。例如限制工頻電壓升高、抑制諧波過電壓、減少線路功率損耗、加速潛供電弧熄滅、補償長線電容效應等[2]。然而，高壓并聯電抗器在運行過程中可能會發生內部故障，如局部過熱故障、振動噪聲異常、內部放電、油介質損耗異常和繞組匝間短路故障[3]。我國500 kV及以下電壓等級高壓并聯電抗器制造和維護技術相對成熟，事故率較低，而500 kV以上超特高壓的高壓并聯電抗器在實際運行過程中存在突發內部故障而導致設備停運的情況。例如，新疆某變電站曾發生過750 kV高壓并聯電抗器因故障而停運的案例，對停運電抗器進行離線測試，檢測到油色譜等指標異常，而在返廠檢修后發現電抗器內部繞組發生過匝間短路故障。實際上，繞組匝間短路故障被認為是高壓電抗器主要的故障類型之一[4]。

高壓電抗器體積龐大，價格昂貴，一旦發生嚴重的繞組故障而停運，將引起電網巨大的經濟損失，故障后設備維修的時間和經濟成本高昂，又將進一步影響電抗器的經濟利用效率。采用狀態檢修技術嚴格監測和預警電抗器的繞組故障，發現潛伏性缺陷后可針對性地實施電抗器停運計劃，以防止更嚴重故障的發生，而且能避免隨意、過分地拆卸設備的缺陷，狀態檢修具有重要的工程意義。

脈沖頻率響應法可應用于高壓并聯電抗器繞組故障的狀態檢測中，其具有注入脈沖可控、能量小、檢測時間短等優點，且具備在線應用的潛力[5]。脈沖頻率響應法需要將脈沖信號注入到設備繞組的一端，然而，高壓并聯電抗器體積龐大，特別是高壓側套管直立，具有較大的高度，例如，某800 kV電容式高壓套管高達11.27 m，若直接采用頻率響應法現有的接線方式將會給測試人員帶來較多煩惱，接線繁瑣。因此，針對高壓并聯電抗器現場開展頻率響應測試時存在不便捷、費時費力這一缺陷，基于套管電容耦合傳感器(Capacitive Coupling Sensor, CCS)[6]，研制一種高壓并聯電抗器繞組故障檢測方法。

首先介紹了脈沖頻率響應的原理，充分考慮了高壓并聯電抗器的結構特點，采取了套管耦合的方式實現信號的注入與測量方式；然后介紹了相關裝置；并通過仿真和實測驗證了所提方法的可行性。

1 檢測方法的基本原理

脈沖頻率響應法通過在高壓并聯電抗器被試繞組的一端施加激勵脈沖電壓信號，在繞組的另一端測量響應脈沖電壓或電流信號，激勵和響應信號均在時域內完成測量，由式(1)～ 式(2)將時域信號變換到頻域信號，由式(3)構造脈沖頻率響應曲線[7]，即：

(1)

(2)

(3)

式中Vin(n)為繞組激勵電壓的N點時域采樣信號，Vin(k)為Vin(n)的快速Fourier變換；Rout(n)為繞組響應電壓/電流的N點時域采樣信號，Rout(k)為Rout(n)的快速Fourier變換；H(f)表示繞組脈沖頻率響應曲線。以響應信號的快速Fourier變換和激勵信號的快速Fourier變換的比值作為脈沖頻率響應曲線。

然而，在實際測量中，激勵信號并非直接加載至電抗器的繞組(套管端部)，而是考慮了高壓套管的結構特點，通過在高壓套管底部安裝CCS，套管和CCS形成一個耦合電容，將激勵信號耦合至套管內部，典型試驗接線如圖1所示。耦合的激勵信號在繞組中傳播，并在繞組另一端通過電流互感器測量響應電流信號。

圖1 檢測方法的典型試驗接線

套管CCS的基本原理如圖2所示，傳感器的關鍵部件是纏繞在高壓套管靠近接地法蘭外絕緣層上的金屬薄帶，并配置引出接口，如圖2(a)所示。110 kV及以上電壓等級的套管內絕緣采用電容極板改善電場分布，如圖2(b)所示，該電容式套管由內絕緣和外絕緣構成。其中內絕緣為圓柱形油紙電容芯子，填充著絕緣油，外絕緣為瓷套。因此該套管CCS的耦合電容是由金屬薄帶、套管導桿和套管內部電容芯子共同構成復合電容結構，等效為一個耦合電容，由該電容可實現信號的注入與測量[8]。由套管和CCS形成的耦合電容值與CCS的尺寸、套管尺寸、套管內部絕緣介質、電容芯子等因素相關，用解析幾何的方式計算較困難。文中采用了有限元法計算該電容值，如圖2(c)所示，110 kV電容性套管的耦合電容值一般約為30 pF。

圖2 套管電容耦合傳感器的安裝及仿真計算

2 檢測方法的仿真分析

本節從仿真分析的角度研究檢測方法的可行性。高壓并聯電抗器的繞組的集總參數電路模型如圖3所示，該模型右側由多個π型結構單元組成，表示電抗器單個繞組在高頻信號作用下的等效電路。每個π型單元具體包括每餅繞組的電阻R，自電感L，餅間電導g，餅間電容Cs，繞組對油箱的電容Cg和對地電導G，M表示繞組餅間的互感值。仿真模型的左側包含一個T型結構單元，該單元模擬電抗器的高壓側套管，其中Lb表示套管導桿的電感值，Rb表示套管導桿的電阻值，Cb表示套管芯子層形成的復合電容。在T型結構單元左側，接入了一個電容Cc，模擬套管CCS形成的耦合電容。

Cc連接脈沖電源Vin，將激勵脈沖電壓耦合至套管內部的導桿，并在繞組中傳播。在右側繞組電路模型的末端引線接地，通過電流互感器CT測量響應電流信號。該仿真模型繞組的參數取自文獻[9]，高壓套管的模型參數取自文獻[10]。根據有限元法計算，耦合電容Cc取50 pF。

圖3 高壓并聯電抗器仿真電路模型

根據文獻[11]，注入激勵脈沖取推薦參數—幅值600 V，脈沖寬度500 ns的方波脈沖。通過暫態仿真測量注入激勵脈沖電壓和響應脈沖電流的時域波形，依據式(1)～式(3)計算電抗器處于健康狀態時的脈沖頻率響應曲線。然后，通過改變繞組部分的電感L或電容值Cg，模擬不同狀態的繞組故障，L或Cg相比健康繞組的值變化10%和20%。在模擬繞組故障后，仍然通過暫態仿真和快速Fourier變換，得到模擬繞組故障的仿真波形，如圖4所示。

圖4 模擬繞組故障的仿真結果

圖4(a)為繞組第二個π型單元L改變的仿真結果，在L減小10%和20%的情況下，故障電抗器的脈沖頻率響應曲線相比健康電抗器的曲線向高頻段發生了偏移，且L改變越大，偏移程度越大。圖4(b)為繞組第二個π型單元Cg改變的仿真結果，同樣地，在Cg變化10%和20%時，故障電抗器的脈沖頻率響應曲線相比健康電抗器的曲線發生了偏移，并且Cg改變越大，偏移程度也越大，與電感性故障所不同的是曲線整體向低頻方向偏移。仿真結果初步證實了基于套管CCS的檢測方法,可實現電抗器繞組狀態的檢測。

3 檢測方法的試驗驗證

3.1 健康電抗器實驗

為了進一步驗證檢測方法的可行性，首先開展了健康電抗器實驗。在新疆某變電站分別對與電網完全分離的三相750 kV 高壓并聯電抗器開展測試，三相電抗器為全新的健康電抗器，從未投入運行，其型號為BKD-120000/750，部分銘牌參數見表1 所示。實驗接線圖如圖1所示，從750 kV高壓套管法蘭附近的套管CCS注入高壓納秒脈沖信號，在中性點套管接地線上測量響應電流信號。

表1 健康電抗器銘牌參數

分別對A、B、C 三相電抗器按相同的接線方式開展測試，每一相注入相同參數(脈沖幅值600 V，脈沖寬度400 ns)的激勵納秒脈沖信號。對同一狀態下測量的10組注入電壓信號和中性點套管電流信號分別求平均值，作為分析的激勵與響應數據，并按式(1)～ 式(3)構建三相電抗器的脈沖頻率響應曲線，如圖5所示。

需要說明的是，由于現場條件限制，同一狀態下測量的數據組數并不多，但從圖示結果仍然可以看出，三相電抗器的脈沖頻率響應曲線走勢基本一致，諧振峰和諧振谷對應頻率基本相同，這符合健康電抗器的特征。同時，盡管在實驗過程中盡量保持三相設備和接線一致，但由于套管電容耦合傳感器為現場制作的簡易版本，不同相套管形成的耦合電容存在差異，導致了脈沖頻率響應曲線在縱坐標增益上存在恒定差異，這可由文獻[12-13]解釋和驗證。另外，三相頻率響應曲線的部分諧振峰和諧振谷對應頻率仍然存在差異，這是由于每一相繞組為體積龐大的獨立線圈，繞組結構上的細微差別造成等效參數的改變，導致各相電抗器的頻率響應曲線又具有一定的獨特性。總之，健康電抗器實驗結果表明由文中檢測方法和裝置獲得的脈沖頻率響應曲線能夠反映繞組狀態。

圖5 健康電抗器三相脈沖頻率響應曲線

3.2 故障模擬實驗

考慮到電抗器制造廠商的商業保密性以及制造750 kV高壓并聯電抗器繞組故障的成本高昂，通過開展模擬電抗器繞組故障的實驗，以驗證文中的方法具有檢測電抗器繞組故障的潛力。被試的750 kV高壓并聯電抗器銘牌參數如下：容量80 MVA、額定電流173.2 A、損耗138.73 kW、額定阻抗2 640 Ω，實驗接線和現場圖如圖6所示，通過在高壓并聯電抗器的高壓套管出線端并聯一個容值500 pF的電容來模擬繞組的電容性故障，通過并聯電容的方式改變了繞組的等值電路模型參數，進而可能引起脈沖頻率響應曲線的變化。

實驗仍然從電抗器的高壓套管電容耦合傳感器注入納秒脈沖信號，脈沖幅值600 V，脈寬500 ns，中性點套管出線接地，由于中性點套管引線存在等效特性波阻抗，因此可以通過中性點套管CCS構造的電容分壓器測量響應電壓信號，具體構造方法見文獻[6]。對未并聯電容和并聯電容兩種狀態分別測量多組注入電壓信號和中性點套管電壓信號，并對同一狀態下的多組信號求平均值作為分析數據，并按式(1)～ 式(3)采用快速Fourier算法構建電抗器的脈沖頻率響應曲線，如圖7所示。

圖6 模擬電抗器繞組故障的實驗接線和現場圖

圖7 模擬電抗器繞組故障實驗結果

由圖7 可知，電抗器并聯500 pF 電容后的脈沖頻率響應曲線相對于未并聯電容時發生較大變化，其改變程度遠大于圖5中因測量數據有限、外界干擾和繞組細微結構差異造成的頻率響應曲線的變化，曲線的兩個主要諧振谷向低頻方向偏移明顯。根據式(4)諧振頻率形成原因[14]，并聯電容相當于增大繞組等效電容，在等效電感不變的情況下，諧振頻率減小。本節實驗結果很好地證實了文中方法具有檢測高壓并聯電抗器繞組故障的潛力。

(4)

式中L和C分別表示繞組的分布電感和電容；f表示諧振頻率。

4 結束語

(1)基于套管CCS，提出和研制一種的高壓并聯電抗器繞組故障檢測方法，說明了方法的基本原理，并對核心裝置—套管CCS進行了介紹；

(2)開展了電抗器繞組電路仿真分析，通過改變電路模型中的電感和電容參數模擬繞組故障，獲得繞組多種狀態下的脈沖頻率響應曲線，頻響曲線的變化趨勢證實了檢測方法的可行性；

(3)開展了實際750 kV高壓并聯電抗器實驗測試。健康電抗器三相曲線的趨勢和諧振峰谷頻率相似，表明檢測方法確實能反映電抗器繞組的狀態；通過并聯電容的方式模擬電抗器繞組故障，故障脈沖頻率響應曲線相比健康曲線向低頻段方向偏移明顯，再次證實了檢測方法具備檢測電抗器繞組故障的潛力；

(4)后續仍需要更多測試實例進一步證實檢測方法的可靠性、精確性和魯棒性，并發展成在線檢測技術。