学术简报｜基于空间磁场分布的干式空心电抗器匝间短路检测方法

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摘要

山东大学电气工程学院、国网山东省电力公司济南市历城区供电公司的研究人员宋晗、邹亮、张秀群、张黎、赵彤，在2019年《电工技术学报》增刊1上撰文，干式空心电抗器（DAR）匝间短路故障会影响变电站稳定安全运行，据此提出一种基于DAR空间磁场分布的匝间短路检测方法。

设定位置为“上、中、下”和程度为“轻、中、重”的多种匝间短路故障，分析DAR沿轴向中心轴（ATC）和径向中心轴（LTC）方向的空间磁场分布，得出故障与DAR空间磁场之间的关联。然后，将观测点磁感应强度变化量分别与故障位置h及程度s拟合得到检测函数并加以验证。

结果表明，检测函数的绝对误差均不超过0.3，相对误差均在1.5%以下。检测函数可较准确地检测故障位置及程度，证明了基于空间磁场分布匝间短路检测方法的有效性。

干式空心电抗器（Dry-type Air-core Reactors, DAR）在国内外应用广泛，然而一旦发生匝间短路故障，短路环中会流过非常大的电流，对线圈造成破坏，甚至损毁电抗器进而引起火灾。因此，有必要寻找有效的方法检测其匝间绝缘，实时监控DAR运行过程中出现的异常状态，预防严重匝间短路故障。

针对匝间短路问题，已有学者对DAR的事故进行试验和现场分析，对其进行故障特性的研究。近年来，赵春明等基于故障电流、电场等电气量研究了DAR匝间短路故障，姜志鹏等对温度场等非电气量进行了计算和试验分析。

除分析各参量对DAR的影响外，王永红等研制了匝间短路在线监测系统，郑涛等提出DAR的匝间短路故障保护方案及性能分析。然而，在利用各电气量检测故障的方法中，利用电感、阻抗、电流等电气量检测匝间短路的实时性虽好但不便测量；高频脉冲振荡法检测绝缘缺陷精确度难以保证；而温度等基于非电气量的传感器布置仍是亟待克服的难题。

上述检测方法虽各具优势但测量装置布置的自由度较弱，不便于安装拆卸及扩展，有必要寻求一种能满足检测精度要求且更加自由便捷的DAR匝间短路故障检测方法。

DAR通过电流时，所有线圈均产生磁场，DAR外部所有磁场的集合为DAR的空间磁场（以下简称空间磁场）。DAR一旦发生匝间短路，势必引起空间磁场分布变化，理论上在DAR外部的任意位置（即空间磁场的覆盖范围之内）都可测量磁场分布而无需接触电抗器。

基于空间磁场分布的DAR匝间短路检测法可克服电抗器的电气参量不便于测量及非电气参量传感器布置困难的问题，测量装置布置安装的自由度较高且便于操作和测量，磁场变化检测的实时性较好，故监测DAR空间磁场分布能有效检测DAR是否存在匝间短路。

显然，DAR的故障磁场变化受诸如故障高度、故障程度、故障发生相对半径等多个变量影响，而得到同时考虑上述多个变量的拟合函数是比较困难的。因此在多个变量中选取关键变量进行拟合函数研究具有重要的工程意义。

本文首先通过仿真与解析计算相结合的方法，以单相DAR计算为例，验证了所建有限元模型的准确性。其次，在DAR模型中定义“上、中、下”三种不同位置并分别界定“轻、中、重”三种不同程度的匝间短路故障，分析沿轴向中心轴（Axial Traverse in Center, ATC）方向和径向中心轴（Lateral Traverse in Center, LTC）方向的空间磁场分布规律。最后，在DAR外部ATC和LTC上各取一固定位置作为磁场检测点，求取两处检测点磁感应强度变化量，并将其作为因变量分别与故障程度和故障位置拟合得到检测函数，并通过故障算例验证故障程度及故障位置检测函数的有效性。

图4  DAR故障模型

总结

本文提出了一种利用DAR空间磁场分布来检测匝间短路是否发生的方法，针对有限元模型的准确性验证、发生不同位置程度匝间短路时的磁场特性以及匝间短路故障位置程度检测函数展开研究，并得出以下结论：

  • 1）对于空间磁场的计算，利用解析计算和仿真进行对比和验证，其结果的相对误差小于3%，仿真计算具有很高准确度，验证了所搭建有限元模型的可行性，为研究奠定理论基础。

  • 2）当DAR发生匝间短路的相对高度一致，DAR的磁感应强度变化量与故障程度呈正相关；当匝间短路故障发生程度一致，中端故障造成的DAR磁感应强度变化最大，上端故障或下端故障造成的磁感应强度变化较小。DAR空间磁场会随不同匝间短路的发生而产生相应改变，利用实时对DAR的磁感应强度进行监测，计算不同时刻的磁感应强度变化量，实现对匝间短路的检测。监测DAR空间磁场的仪器精度越高、测量点布置越多，DAR匝间短路位置及程度的检测结果越准确可靠。

  • 3）基于DAR空间磁场检测，提出了分别针对DAR故障位置和故障程度的拟合函数。在DAR的实时监测中，沿ATC、LTC方向将两个点固定为测量点并安装检测仪器，测量该两点磁感应强度变化量，计算检测函数，即可获得故障程度或位置。算例结果显示计算值与实际值间存在可接受误差，验证了故障检测函数的可行性。

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