基于频域特征分析的空心电抗器匝间绝缘绝缘故障判别方法

摘要

本发明采用了基于频域分析的方法对空心电抗器的匝间绝缘故障进行诊断。目前普遍采用时域波形判断是否发生故障，需要进一步比较震荡周期和衰减系数，难以区分正常波形和故障波形，本发明提出的方法更加清晰、明了，可以直接给出空心电抗器匝间绝缘是否存在故障，及故障的程度。达到了准确、方便的判断出匝间绝缘故障的目的，保证空心电抗器的安全稳定运行。

权利要求

1.一种基于频域特征分析的空心电抗器匝间绝缘绝缘故障判别方法，为把空心电抗器匝间绝缘故障诊断判据由基于时域波形判断比较的分析方法转换为基于频域特征比较的方法，包括数据计算部分和判断处理部分：数据计算部分，包括：

S1：对匝间绝缘正常的空心电抗器，利用装置检测得到电压随时间变化的时域波形，根据公式(1)计算得到各参数取值，进而计算得到正常时空心电抗器的等效电感值L；

其中公式(1)为：

其中，ω1为实际振荡频率，ω0为固有振荡频率，δ为衰减系数， δ＝R/2L，β＝arctan(ω1/δ)为初相角；

S2：由式(4)和(5)得到确定的临界电感值L’，包括：①当周期变化率≤5％时，

通过公式 来计算频率，从而得到周期变化率，进而推算出故障时的电感临界值L’，即：其中

②当衰减变化率≤10％时，

通过衰减系数计算公式： 从而得到的故障电感临界值为：由①、②分别得到L1’和L2’，取其较大值作为临界电感值L’；

S3：分别选取正常时的L和临界故障时的L’，代入式(3)：并画出其在[0，+∞)范围内的波形，得到正常和临界故障时的2条频域曲线，分别记为曲线R和R’；

以及，判断处理部分，包括：

S4：对任意空心电抗器进行检测，得到电压随时间变化的时域波形；

S5：通过曲线拟合，得到ω1、ω0、δ和β等各参数值，代入式(3)，得到被检测空心电抗器电压随频率变化的幅度谱图，记为曲线R1；

S6：进行如下判断：

在ω∈[0，1000]的范围内，当曲线R1在临界故障对应的幅度谱曲线R’下方时；判断R1的空心电抗器发生匝间绝缘故障；

当幅度谱曲线R1位于临界故障和正常值分别对应的幅度谱曲线R和R’之间时，依据偏离正常曲线的程度来判断空心电抗器匝间绝缘状态。

说明书

基于频域特征分析的空心电抗器匝间绝缘绝缘故障判别方法

技术领域

[0001] 电力设备故障诊断

背景技术

[0002] 目前，电抗器匝间绝缘的检测方法主要有以下几种：(1)漏磁场检测法。该方法利用霍尔传感器测量漏磁场图,可以测量出铁芯式绕组匝间故障,并可判断出短路出现的位置。但该方法只适用于直接短路故障,对于隐形匝间故障是检测不出来的。(2)高频振荡能量吸收法。该方法的原理是当通以高频电流的线圈靠近一个发生匝间短路的线圈时,会产生能量被吸收的现象,若能量被吸收则说明该线圈存在匝间短路。但该方法成本较高。(3)雷电冲击试验法。传统的雷电冲击试验对绕组的纵绝缘,即匝间、层间、段间绝缘等的电气强度进行考核。利用雷电冲击电压施加的时间较短,所以检测的效果差强人意。(4)高频脉冲振荡电压法。脉冲电压法是利用充电后的电容器通过开关与被试线圈形成振荡电路，其振荡频率为电感与电容的函数，选择确定的充电电容就可将该试验频率确定在试验所要求的范围。该试验利用检测和对比施加较低电压和全电压下高频脉冲振荡电压波形，对电抗器的匝间绝缘情况进行判断。该可以产生较高的试验电压，从而有利于发现匝间绝缘缺陷。因而，脉冲电压法是检测匝间绝缘中的常用方法。

[0003] 脉冲电压法利用在电抗器两端施加半电压和全电压,对比两种情况下高频脉冲振荡电压波形,以此来判断电抗器是否存在匝间绝缘缺陷。其基本原理如图1所示。

[0004] 实验时,经过半波或全波整流的电源对高压脉冲电容充电,当充电电压达到指定要求时。放电球隙导通,脉冲电容与试验绕组形成一定频率的阻尼振荡电路,其振荡频率为[0005]

[0006] 放电电压逐渐衰减,直至衰减到不足以维持电弧,因此电弧熄灭,电弧熄灭后,脉冲电容又开始充电,为下一次冲击做好准备。经过数千次的冲击,试验绕组没有烧毁,并且全压和半压波形频率相等,则可认为绕组是完好的。

[0007] 利用脉冲电压法进行匝间绝缘检测时，所得到的均为电压的时域响应波形，如图2所示。

[0008] 由图2可知，有无匝间绝缘故障的时域波形并无明显变化特征，仅从响应电压的时域波形上无法判断匝间绝缘故障，需要对波形进行进一步处理。只有进一步分析时域波形的周期特性和衰减特性，通过对比试品电抗器在系统额定电压下和振荡波试验电压下两端的电压或电流波形频率及过零点变化，才能推断空心电抗器线圈是否存在匝间绝缘故障。

发明内容

[0009] 针对现有的时域波形判断匝间绝缘故障时，波形变化不明显的问题，本专利在原有硬件的基础上，对故障判别的方法进行了改进，提出基于频域特征分析的空心电抗器匝间绝缘故障判别方法。

[0010] 在判断故障是否存在的数据处理过程中，传统方法的时域分析容易产生幅度和相位的偏移从而导致波形对比效果的偏差，不利于判断电抗器匝间故障的存在。而当空心电抗器匝间绝缘故障时，发生短路故障的短路环会产生去磁效应，由电磁场理论可知,线圈在交变磁场中将产生感应电动势,同时电抗器绕组存在短路匝减少了绕组的整体匝数,使电抗器的等效电感参数发生变化，进而导致频率响应出现明显特征的变化。把原有的时域波形进行过数据拟合，得到电抗器两端电压随时间的变化函数，对此函数进行傅里叶变换，得到频谱函数，在频域内进行分析。基于频域特征分析的检测更能精准的判断故障的存在，使结果产生较低的误差，以达到更高的准确性和稳定性。本发明提出了基于频域特征比较的空心电抗器匝间绝缘故障检测方法，以准确发现空心电抗器的匝间绝缘故障，保证其可靠运行，提高电网运行的安全性。

[0011] 1基于频域特征的空心电抗器匝间绝缘故障的判别方法：

[0012] (1)利用脉冲电流法电抗器匝间绝缘检测装置对电抗器匝间绝缘进行检测，得到电压随时间变化的时域波形，如式(1)：

[0013]

[0014] 其中，ω1为实际振荡频率，ω0为固有振荡频率，δ为衰减系数。

[0015] δ＝R/2L， β＝arctan(ω1/δ)为初相角。

[0016] ω1、ω0、δ和β等各参数取值，可由Matlab软件曲线拟合的方法得到。

[0017] (2)对式(1)的时域公式进行傅里叶变换：

[0018]

[0019] 得到空心电抗器两端的电压随频率的函数关系，如公式(2)所示：

[0020]

[0021] 其中，ω1为实际振荡频率，ω0为固有振荡频率，δ为衰减系数。(同式(1))[0022] 对频域式(2)进行分析，可得到频谱函数的幅度谱函数：频域幅值

[0023]

[0024] 计算得到幅度谱函数如式(3)所示：

[0025]

[0026] 式中，ω1为实际振荡频率，ω0为固有振荡频率。

[0027] β＝arctan(ω1/δ)为初相角。

[0028] 根据幅度谱的特征分析，可得到基于频域的特征分析方法。

[0029] 对式(3)各参数取典型值(以35kV空心电抗器为例)：R＝5Ω；C＝3nF；Uc充电至180kV；L分别取60mH，100mH和140mH时，得到电压幅值U随频率ω的变化关系曲线如图3所示：式(3)所示函数为偶函数，所以给出的幅度谱图只用显示[0，+∞)范围即可。

[0030] 由图3可见，幅度谱的波形相对于时域波形更加简单，根据幅度谱波形的特征更加容易判断空心电抗器杂间绝缘是否发生故障。

[0031] (3)判据

[0032] 空心电抗器匝间绝缘故障与否的最终判别依据在于其自身电感值的变化范围是否超出许可。即需要找出一个临界电感值L’，当空心电抗器的等效电感值L＜L'时，即可判断空心电抗器匝间绝缘故障。然而，脉冲电流法判断匝间绝缘故障无法直接测出空心电抗器的等效电感值，需要根据波形特征来判断故障与否。

[0033] 利用周期变化率和衰减系数变化率来判断电抗器匝间绝缘是否存在故障的方法(时域判据)，可得到临界电感值L’由以下判据确定：

[0034] ①周期变化率≤5％

[0035] 通过公式 来计算频率，从而得到周期变化率，进而推算出故障时的电感临

[0036] 界值，即：

[0037]

[0038] 其中

[0039] ②衰减变化率≤10％

[0040] 通过衰减系数计算公式：

[0041] 从而得到的故障电感临界值为：

[0042] 由①、②分别得到L1'和L2'，取其较大值作为临界电感值L’。

[0043] 由图3可见，在ω∈[0，1000]的范围内，随着L值的增加，对应的幅度谱曲线随频率增加而增大的速率更快，反应在图形特征上即为：曲线上翘更加明显。即：(1)发生匝间绝缘故障的空心电抗器对应的幅度谱曲线在临界故障对应的幅度谱曲线下方；(2)当幅度谱曲线位于临界故障和正常值分别对应的幅度谱曲线之间时，可依据偏离正常曲线的程度来判断空心电抗器匝间绝缘状态。

[0044] 因而，根据此特征可准确、便捷地判断幅度谱曲线所对应的空心电抗器匝间绝缘是否发生故障。

[0045] (4)基于频域特征分析的空心电抗器匝间绝缘故障判别方法：

[0046] 应用电感值对应的电抗器两端电压的频域谱线图来对干式空心电抗器匝间进行绝缘状态评估。该判据大致分为两大部分：数据计算部分和判断处理部分。具体判断流程如下：

[0047] 1)数据计算部分：

[0048] (1)对匝间绝缘正常的空心电抗器，利用装置检测得到的时域波形，可得到各参数取值，进而计算得到正常时空心电抗器的等效电感值L；

[0049] (2)由式(4)和(5)得到确定的临界电感值L’；

[0050] (3)对电阻、电容和电源电压等参数按照实际试验装置选取的参数取值，分别选取正常时的L和临界故障时的L’，代入式(3)，并用画出其在[0，+∞)范围内的波形，得到正常和临界故障时的2条频域曲线，分别记为曲线R和R’。

[0051] 2)判断部分：

[0052] (1)对任意空心电抗器利用现有装置进行检测，得到电压随时间变化的时域波形；

[0053] (2)通过曲线拟合，得到ω1、ω0、δ和β等各参数值，代入式(3)，得到被检测空心电抗器电压随频率变化的幅度谱图，记为曲线R1。

[0054] (3)在ω∈[0，1000]的范围内，当曲线R1在临界故障对应的幅度谱曲线R’下方时；可判断R1的空心电抗器发生匝间绝缘故障；当幅度谱曲线R1位于临界故障和正常值分别对应的幅度谱曲线R和R’之间时，可依据偏离正常曲线的程度来判断空心电抗器匝间绝缘状态。

附图说明

[0055] 图1为本发明所提出的脉冲电压法基本原理图

[0056] 图2为本发明所提出的脉冲电压法电压时域波形图

[0057] 图3为本发明所提出的振荡回路空心电抗器两端随频率变化的幅度谱波形[0058] 图4为本发明所提出的4组不同电感值的空心电抗器对用的幅度谱曲线[0059] 图5为本发明所提出的软件实现流程图

具体实施方式

[0060] 以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

[0061] (1)对35kV空心电抗器匝间绝缘检测判别：对标准要求脉冲振荡频率应在100kHz左右，根据理论计算的相关参数及分析,取：R＝5Ω,C＝3nF,Uc充电至180kV。正常状态下，其空心电抗器等效电感值为L＝100mH.

[0062] 根据周期变化率和衰减变化率的判据公式,式(4)和(5)计算出当L＝100mH时，临界故障电感值L’＝90mH

[0063] (2)任意选取四组不同电感值L1,L2,L3，L4的电抗器，判断基于频域分析故障的方法是否合理。

[0064] 1)根据时域判据公式计算出四组电感值是否存在故障：

[0065] 表1选取的4组不同电感值的电抗器

[0066]

[0067] 2)利用频域幅值公式画出四条电压频谱幅值曲线及判据曲线

[0068] 如图4所示，在ω∈[0，1000]的范围内，频域中电压幅值的大小始终随频率的增大而增大，也就是电抗器两端电压幅值与频率存在单调递增的关系。随着电感值的变化，电压幅值的增大速率也会产生相应的变化。因此，在频域中利用不同电感值对应的曲线范围区间即可判断匝间绝缘是否存在故障。

[0069] 通过时域，经傅里叶变换的频域电压幅值公式画出正常情况和故障临界值的电感值所对应的电压幅值曲线，因其频率与电压幅值是单调的关系，则可证明若待检测电抗器两端的电压幅值属于频域公式得出结果和判据计算结果内，则表示该电抗器工作正常；若超出范围则表示电抗器匝间绝缘故障。由图4可知，非故障空心电抗器电感值L2的幅度谱曲线介于正常值(L1)与临界值(L3)电压幅值范围内，而故障值L4所对应的幅度谱曲线不在其正常值(L1)与临界值(L3)电压幅值范围内，即可判断为故障。证明基于频域特征的空心电抗器匝间绝缘故障判别方法可以准确、便捷地判断空心电抗器匝间绝缘故障。