干式空心電抗器故障監測與預警技術研究現狀與展望

國網甘肅省電力公司隴南供電公司 茹秋實

干式空心電抗器作為重要的輸變電設備廣泛應用于電網中，用以顯示短路電流和無功補償。由于干式空心電抗器具有損耗小、噪聲低、結構簡單及維護方便等特點，在66kV的電網中應用比例超過70%。其運行環境惡劣，因干式空心電抗器故障所引發的故障不僅會影響干式空心電抗器的正常使用，也會影響其他電氣設備的正常運行[1]。

1 干式空心電抗器故障分析

1.1 干式空心電抗器結構與特點

干式空心電抗器是由線圈、金屬構件及支柱絕緣子構成的電氣設備，可用于電抗，限制電網系統的過電壓、限制短路電流，并為系統提供無功補償。干式空心電抗器主要是由圓筒式包封構成，通過浸有環氧樹脂的長玻璃絲進行包繞，并由聚酯玻璃絲的包封之間形成散熱氣道。包封內部由線圈組成，導線外表皮采用聚酯薄膜提升絕緣性能。為保證干式空心電抗器的絕緣性能，需在其外表面涂抹絕緣漆，同時涂抹憎水性涂料增加其抗老化、抗紫外線和絕緣性能。

干式空心電抗器結構相對簡單，內部采用空心結構的方式，其具有良好的線性特性。干式空心電抗器采用無油結構，可提升穩定性，但由于其采用空氣散熱且運行環境相對惡劣，外界環境會引發干式空心電抗器絕緣老化，影響其使用穩定性。從當前干式空心電抗器制作和運行看，其制造門檻低，市場上的干式空心電抗器質量參差不齊且監督不夠，導致干式空心電抗器存在著故障風險。

1.2 干式空心電抗器故障案例

網內干式空心電抗器故障。2015年以來筆者負責的電網臺區發生20起干式空心電抗器故障，主要是由于受損，短路高溫引燃干式空心電抗器故障，故障時間超過1h，造成了較大的損失；低壓電容器串聯干式空心電抗器故障。由于低壓電容器串聯干式空心電抗器所引發的故障，滴落的高溫材料引發干式空心電抗器短路，由于其長久失修絕緣層被破壞，從而造成三相電流瞬間增加引發故障，干式空心電抗器燒毀嚴重；并聯干式空心電抗器故障。在電網運行過程中干式空心電抗器B相著火，導致干式空心電抗器嚴重燒毀，線圈損毀嚴重。分析其故障原因，是由于線圈匝間或層間絕緣被擊穿而導致其線圈短路、引發燒毀。

1.3 干式空心電抗器故障分析

引發干式空心電抗器的故障原因包括：干式空心電抗器質量問題。選購的干式空心電抗器制造工藝不良，絕緣性能不佳，有些絕緣層甚至干裂滲水，在外界因素影響下引發短路；環境因素影響。如酸雨、污穢、鳥害、通風不良等，在外界惡劣的環境因素下，由于長久失修導致線圈以及匝間的絕緣性能被破壞，在過電壓的操作下導致其絕緣被擊穿，從而引發故障；干式空心電抗器維護以及管理不當。在使用過程中缺乏定期檢修、運行過程中過電壓分布不均勻都會影響干式空心電抗器使用，嚴重將會引發故障；過電壓。當電壓超過干式空心電抗器的耐受電壓或電流時，容易引發故障。

2 干式空心電抗器故障監測與預警技術現狀

2.1 故障監測技術原理

正常運行情況下干式空心電抗器有功損耗主要是電阻損耗和附加損耗。在頻率一定、干式空心電抗器正常運行的情況下，附加損耗相對固定。在干式空心電抗器故障初期，由于短路會消耗大量能量，導致干式空心電抗器的有功損耗瞬間增大，從而引發干式空心電抗器功角發生變化。發生故障時，干式空心電抗器等效電阻變大，隨著故障的持續進行，干式空心電抗器功角不斷減小、功率因數不斷增大。

根據干式空心電抗器故障下功角以及功率因素的變化情況，可采用干式空心電抗器在線監測系統。在線監測系統主要是由電抗器監測裝置構成，通過采集干式空心電抗器相關信號并對信號進行處理，通過以太網將信號傳輸到在線監測電子設備，對信號進行分析，從而能夠了解干式空心電抗器的運行情況，及時進行預警并為后續的故障診斷和處理提供依據[2]。

2.2 故障監測關鍵技術

干式空心電抗器在線監測與預警系統主要分為軟件設計及硬件設計：軟件系統設計。主要是下達指令，同步采集數據并進行數據分析及邏輯判斷，完成故障分析及預警處理。在干式空心電抗器出現故障的瞬間，軟件系統能夠得到信號并完成故障類型的初步判斷，通過以太網將故障信息傳送給監控中心并發送故障預警信號，監控中心做出故障處理的決策；硬件系統設計。硬件系統主要是采集干式空心電抗器的運行信號，收集總電流、等值電流、等值電抗、功角以及功率因素等參數，通過將信號轉換為數字信號傳輸到系統中，經過濾波和放大作用采用芯片進行處理，以便進行邏輯判斷。

2.3 故障監測影響因素

從干式空心電抗器的故障監測以及預警的情況來看，影響測量結果的因素包括電磁干擾、互感器、硬件抗干擾設計等因素：

電磁干擾。干式空心電抗器工作的環境相對惡劣，電磁環境影響復雜，處于變電站環境中的干式空心電抗器會受到嚴重的電磁干擾，在測量過程中，在強電磁干擾因素下可能會導致監測誤差，產生誤報；互感器。互感器由于存在負載阻抗變化、磁芯損耗以及生產工藝等問題，可能會導致監測過程中出現角差，從而影響監測信號，最終影響監測結果，對于后續的故障診斷處理也會產生影響；硬件設計影響。干式空心電抗器監測裝置的硬件包括數據采集模塊、互感器模塊、電源模塊以及控制管理模塊等構成，還包括抗干擾設計，在干式空心電抗器在線監測過程中，如器件選型不合理、設備間輻射干擾嚴重可能會影響測量準確度，因此需全面考慮干式空心電抗器在線監測硬件設備的多種干擾因素，采用屏蔽技術和隔離技術減少干擾源的影響，提升監測的準確性。

2.4 在線監測系統安裝與運行

將干式空心電抗器在線監測系統與干式空心電抗器相連，三相電抗器的端電壓和線電流通過電纜流入變電站保護室監測裝置。在線監測裝置能夠采集得到干式空心電抗器的實時信號、得到電氣參數，并將電氣參數傳送到專家軟件。由站控層主機上的專家軟件對上傳數據進行解析，顯示傳輸的數據并繪制功率因素曲線，用以干式空心電抗器在線評估。通過驗證可知，該系統能夠對干式空心電抗器運行狀態進行實時監控，及時發出故障預警，具備實時監控以及故障預警功能[3]。

3 干式空心電抗器故障監測展望

從干式空心電抗器故障在線監測和預警系統的情況來看，該系統能夠實時監控干式空心電抗器的運行狀態并發出預警。隨著電氣技術的發展，干式空心電抗器逐漸朝著智能化方向發展，干式空心電抗器故障監測與預警系統也將會朝著智能化方向發展，通過提升監測裝置測量精度、可靠性能夠實現無人值班，確保干式空心電抗器穩定運行。為了提升干式空心電抗器在線監測系統的穩定，一是要選擇針對性強的互感器，二是需要減輕外界干擾的影響，采用相關技術濾除噪聲獲得有效信號。