来源：《中国电力》2024年第10期
引文：刘贺千, 张健, 张海月, 等. 基于高频阻抗谱的干式空心电抗器匝间短路故障诊断方法[J]. 中国电力, 2024, 57(10): 218-224.
中国电力工业朝着高电压等级、大装机容量、长输电距离的趋势发展。作为电力系统中重要的电力设备之一，干式空心电抗器有补偿无功功率、维持系统电压和限制短路电流等作用。在投运前及时发现故障，对干式空心电抗器的运维具有重要意义。《中国电力》2024年第10期刊发了刘贺千等撰写的《基于高频阻抗谱的干式空心电抗器匝间短路故障诊断方法》一文。文章基于多导体传输线理论建立高频分布参数等效模型，利用节点电压推导得到其首端阻抗，根据分布参数计算模型建立完好电抗器的仿真模型，获取完好电抗器的阻抗谱，从而分析电抗器的高频特性，进而实现对电抗器故障的绝缘诊断。
提出了一种利用宽频阻抗谱对干式空心电抗器匝间短路故障进行有效检测的方法。首先，依据多导体传输线理论构建高频下完好电抗器的等值分布电路模型，并且根据分布等值电路参数计算公式构建其等值仿真模型，分析电抗器宽频阻抗谱的高频特性；其次，对发生匝间短路故障电抗器的宽频阻抗的幅度谱和相位谱进行仿真，分析电感参数变化对电抗器阻抗谱谐振频率的影响规律；最后，在实验室中对小型干式空心电抗器进行试验测试，验证了该方法的有效性。首先，根据多导体传输线理论，建立干式空心电抗器的高频分布参数等值模型，具体参数见文献[2]。电抗器的等效电路如图1所示。在图1中：U为电抗器端电压；Ii为流入算法电路的电流；Ri、Li、Mij分别为第i层支路的电阻、自感和i、j两层的互感。若电抗器的某一层发生匝间短路故障，那么其等效电路模型如图2所示。其故障部分形成一个对外封闭的圆环，故有极大的环流产生，电抗器的自感和互感将被影响。若电抗器某一层发生故障，其故障部分等效电路如图3所示。
![]()
Fig.1 Equivalent circuit of intact reactor![]()
Fig.2 Equivalent circuit of reactor with interturn short circuit fault![]()
Fig.3 Equivalent circuit of interturn short circuit
高频下，互感系数要远远大于各层的电感值，当电抗器某处线圈发生故障时，整个电抗器的电感特性下降。因此，高频下可以利用电感参数的变化来表征匝间短路故障的程度。
电抗器宽频阻抗谱表示的是首端输入阻抗随频率的变化曲线。电抗器阻抗谱高频特性与电抗器运行状态存在内在关联性。内在关联性可以为输入阻抗谱在电抗器运行状态诊断的应用提供理论支撑。截取节点i单元的电路如图4所示。在图4中：n为输入段与i相邻的节点；k为末端与i相邻的节点；m和j分别为与i节点所在支路的相邻支路的节点。
![]()
高频下，根据建立的电抗器的分布等值电路模型，用Simulink对电抗器的高频分布参数等效模型进行仿真，实现电抗器阻抗谱高频特性分析，进而分析电抗器的运行状态。搭建10层4单元的电抗器模型如图5所示。根据Simulink仿真获取的完好电抗器的阻抗谱如图6所示。由图6可以看出，在本文方法下，在低频下，电感起主要作用，各节点的电压降几乎相同，当电感参数发生变化时，首端电流的反应并不敏感，首端阻抗谱对电感参数变化也不敏感。在高频下，首端阻抗发生谐振，由于频率的升高，使得阻抗值过大，阻抗谱可灵敏检测出电感参数变化。此外，电抗器宽频阻抗谱具有迅变性，即在阻抗幅值频谱的极大值附近，以及阻抗相位频谱的过零点附近，阻抗的变化十分迅速。因此，利用宽频阻抗谱可以分析电抗器的运行状态。
![]()
![]()
Fig.6 Simulation circuit of intact reactor当电抗器发生匝间短路故障时，通过分析在高频下含匝间短路故障的电抗器输入阻抗谱来判断电抗器匝间短路故障参数对电抗器运行状态的影响。模拟电抗器首端匝间故障，利用获取含故障的电抗器阻抗谱，设置仿真扫频频率为100 Hz~100 MHz，故障位置设置在电抗器第1层，获取含匝间短路故障的电抗器的阻抗谱如图7所示。以完好阻抗谱的谐振点频率21.2753 MHz为参考点分析匝间短路参数发生变化时阻抗谱谐振偏移规律。由图7可以看出，当电抗器首端发生匝间故障时，相较于完好电抗器首端阻抗谱，其幅度谱和相位谱的谐振点均向右偏移，并且在电感值减小2%时，阻抗谱的谐振点频率为21.5661 MHz；在电感值减小5%时，阻抗谱的谐振点频率为24.0817 MHz；在电感值减小8%时，阻抗谱的谐振点频率为35.6531 MHz；在电感值减小10%时，阻抗谱的谐振点频率为47.3516 MHz。
![]()
Fig.7 The impedance spectrum of reactor with interturn short circuit at the head end
模拟电抗器中部匝间短路故障，利用Simulink仿真获取含故障的电抗器阻抗谱，设置仿真扫频频率为100 Hz~100 MHz，故障位置设置在电抗器第2层（电抗器中部），电感值分别设置为正常电感值98%、95%、92%、90%，获取的含故障的电抗器的阻抗谱如图8所示。由图8可以看出，当电抗器首端发生匝间故障时，即电容值增大时，相较于完好电抗器首端阻抗谱，其幅度谱和相位谱的谐振点均向右偏移，并且在电感值减小2%时，阻抗谱的谐振点频率为21.9393 MHz；在电感值减小5%时，阻抗谱的谐振点频率为24.995 MHz；在电感值减小8%时，阻抗谱的谐振点频率为37.4351 MHz；在电感值减小10%时，阻抗谱的谐振点频率为48.3996 MHz。
![]()
Fig.8 The impedance spectrum of reactor with interturn short circuit in the middle
模拟电抗器末端匝间故障，利用Simulink仿真获取含故障的电抗器阻抗谱，设置仿真扫频频率为100 Hz~100 MHz，故障位置设置在电抗器第4层（电抗器末端），获取的含故障阻抗谱如图9所示。由图9可以看出，当电抗器首端发生匝间故障时，即电容值增大时，相较于完好电抗器首端阻抗谱，其幅度谱和相位谱的谐振点均向右偏移，并且在电感值减小2%时，阻抗谱的谐振点频率为22.0238 MHz；在电感值减小5%时，阻抗谱的谐振点频率为25.6401 MHz；在电感值减小8%时，阻抗谱的谐振点频率为44.915 MHz；在电感值减小10%时，阻抗谱的谐振点频率为49.8246 MHz。
![]()
Fig.9 The impedance spectrum of the reactor with interturn short circuit at the end
为保证对比实验的单一变量性，研究不同位置对输入阻抗谱的影响时，应分别对电抗器轴向首、末两端和中部的参数变化时的阻抗谱和不同层端部、中部参数变化时的阻抗谱的变化进行对比。模拟电感值减小2%和电感值减小5%的匝间短路，故障位置分别设置在电抗器第1层（电抗器首端）、电抗器第2层（电抗器中部）、电抗器第4层（电抗器末端），获取的含故障的电抗器的阻抗谱。选取阻抗谱谐振点偏移量为衡量电抗器发生匝间短路故障时的变化参数，得到其随故障程度和故障位置变化曲线如图10所示。由图10 a)可以看出，随着电感减小百分比越大，阻抗谱的谐振点频率偏移越大，即电感减小百分比越大，匝间短路故障的程度越严重，阻抗谱谐振点偏移越大。由图10 b)可以看出，电感值减小2%和电感值减小5%时，随着电感减小百分比越大，阻抗谱的谐振点频率偏移越大，即电感减小百分比越大，匝间短路故障的程度越严重，阻抗谱谐振点偏移越大。相较于完好电抗器阻抗谱，距离电抗器首端越远，阻抗谱谐振点频率的偏移量越大，电抗器的位置与阻抗谱的偏移程度相关。
![]()
Fig.10 Curves of characteristic parameters varying with fault degree and fault location
利用宽频阻抗谱方法测量得到电抗器的阻抗谱，由此可以获得阻抗谱的阻抗谱谐振点的频率偏移量和偏移方向。首先根据阻抗谱谐振点的偏移方向判断电抗器是否发生匝间短路故障，当测量得到的阻抗谱谐振点发生右移，再以图10的阻抗谱随故障程度和故障位置的曲线作为诊断判据，根据阻抗谱谐振点偏移量和图10 a)反向分析得到电感的减小量，判断其匝间短路故障的程度，根据谐振点偏移量和图10 b)反向分析得到电抗器匝间短路发生在电抗器的哪一层，判断其匝间短路故障的位置，从而可以对电抗器的运行状态进行诊断。为了检验本文所提方法对电抗器匝间短路故障诊断的效果，在实验室中对小型干式电抗器样品进行了扫频实验。将小型电抗器在180 ℃下连续老化168 h，利用4294 A阻抗测试仪对老化后发生匝间短路的电抗器进行测试，得到的阻抗谱如图11所示。
![]()
Fig.11 The tested impedance spectrum of interturn short circuit fault
由图11可以看出，阻抗谱谐振点频率向右偏移阻抗谱谐振点频率的偏移量为6.8 MHz，判断电抗器发生匝间短路故障，验证了该方法的有效性。
本文以干式空心电抗器等效的高频等值模型为基础，利用宽频阻抗谱对进行匝间短路故障诊断仿真，获得了含匝间短路故障电抗器阻抗谱，得到如下结论。1）匝间短路随着电感减小百分比越大，匝间短路故障的程度越严重，阻抗谱谐振点偏移越大。阻抗谱偏移规律与匝间短路故障的程度有关。2）电感减小百分比越大，阻抗谱的谐振点频率偏移越大，匝间短路故障的程度越严重。相较于完好电抗器阻抗谱，距离电抗器首端越远，阻抗谱谐振点频率的偏移量越大。短路点的位置与阻抗谱的偏移程度相关。3）宽频阻抗谱法可以判断电抗器发生了匝间短路故障。
根据国家版权局最新规定，纸媒、网站、微博、微信公众号转载、摘编《中国电力》编辑部的作品，转载时要包含本微信号名称、二维码等关键信息，在文首注明《中国电力》原创。个人请按本微信原文转发、分享。欢迎大家转载分享。
