陈攀，余华兴，徐菁，周勇，李益峰，赵仲勇

(1.国网重庆市电力公司江北供电局，重庆 401147； 2.西南大学 工程技术学院，重庆 400715)

0 引 言

随着我国超特高压电网的建设和发展，电力系统的容量不断增长，据统计，2017年全国发电装机容量达到17.8亿千瓦，同比增长7.6%[1]。电网中各类电力实施的正常运转，对保证电力系统提供安全、优质、经济、环保的电能质量意义重大。高压并联电抗器是变电站重要的电力设施之一，其具有众多功能。例如限制工频电压升高、抑制谐波过电压、减少线路功率损耗、加速潜供电弧熄灭、补偿长线电容效应等[2]。然而，高压并联电抗器在运行过程中可能会发生内部故障，如局部过热故障、振动噪声异常、内部放电、油介质损耗异常和绕组匝间短路故障[3]。我国500 kV及以下电压等级高压并联电抗器制造和维护技术相对成熟，事故率较低，而500 kV以上超特高压的高压并联电抗器在实际运行过程中存在突发内部故障而导致设备停运的情况。例如，新疆某变电站曾发生过750 kV高压并联电抗器因故障而停运的案例，对停运电抗器进行离线测试，检测到油色谱等指标异常，而在返厂检修后发现电抗器内部绕组发生过匝间短路故障。实际上，绕组匝间短路故障被认为是高压电抗器主要的故障类型之一[4]。

高压电抗器体积庞大，价格昂贵，一旦发生严重的绕组故障而停运，将引起电网巨大的经济损失，故障后设备维修的时间和经济成本高昂，又将进一步影响电抗器的经济利用效率。采用状态检修技术严格监测和预警电抗器的绕组故障，发现潜伏性缺陷后可针对性地实施电抗器停运计划，以防止更严重故障的发生，而且能避免随意、过分地拆卸设备的缺陷，状态检修具有重要的工程意义。

脉冲频率响应法可应用于高压并联电抗器绕组故障的状态检测中，其具有注入脉冲可控、能量小、检测时间短等优点，且具备在线应用的潜力[5]。脉冲频率响应法需要将脉冲信号注入到设备绕组的一端，然而，高压并联电抗器体积庞大，特别是高压侧套管直立，具有较大的高度，例如，某800 kV电容式高压套管高达11.27 m，若直接采用频率响应法现有的接线方式将会给测试人员带来较多烦恼，接线繁琐。因此，针对高压并联电抗器现场开展频率响应测试时存在不便捷、费时费力这一缺陷，基于套管电容耦合传感器(Capacitive Coupling Sensor, CCS)[6]，研制一种高压并联电抗器绕组故障检测方法。

首先介绍了脉冲频率响应的原理，充分考虑了高压并联电抗器的结构特点，采取了套管耦合的方式实现信号的注入与测量方式；然后介绍了相关装置；并通过仿真和实测验证了所提方法的可行性。

1 检测方法的基本原理

脉冲频率响应法通过在高压并联电抗器被试绕组的一端施加激励脉冲电压信号，在绕组的另一端测量响应脉冲电压或电流信号，激励和响应信号均在时域内完成测量，由式(1)～ 式(2)将时域信号变换到频域信号，由式(3)构造脉冲频率响应曲线[7]，即：

(1)

(2)

(3)

式中Vin(n)为绕组激励电压的N点时域采样信号，Vin(k)为Vin(n)的快速Fourier变换；Rout(n)为绕组响应电压/电流的N点时域采样信号，Rout(k)为Rout(n)的快速Fourier变换；H(f)表示绕组脉冲频率响应曲线。以响应信号的快速Fourier变换和激励信号的快速Fourier变换的比值作为脉冲频率响应曲线。

然而，在实际测量中，激励信号并非直接加载至电抗器的绕组(套管端部)，而是考虑了高压套管的结构特点，通过在高压套管底部安装CCS，套管和CCS形成一个耦合电容，将激励信号耦合至套管内部，典型试验接线如图1所示。耦合的激励信号在绕组中传播，并在绕组另一端通过电流互感器测量响应电流信号。

图1 检测方法的典型试验接线

套管CCS的基本原理如图2所示，传感器的关键部件是缠绕在高压套管靠近接地法兰外绝缘层上的金属薄带，并配置引出接口，如图2(a)所示。110 kV及以上电压等级的套管内绝缘采用电容极板改善电场分布，如图2(b)所示，该电容式套管由内绝缘和外绝缘构成。其中内绝缘为圆柱形油纸电容芯子，填充着绝缘油，外绝缘为瓷套。因此该套管CCS的耦合电容是由金属薄带、套管导杆和套管内部电容芯子共同构成复合电容结构，等效为一个耦合电容，由该电容可实现信号的注入与测量[8]。由套管和CCS形成的耦合电容值与CCS的尺寸、套管尺寸、套管内部绝缘介质、电容芯子等因素相关，用解析几何的方式计算较困难。文中采用了有限元法计算该电容值，如图2(c)所示，110 kV电容性套管的耦合电容值一般约为30 pF。

图2 套管电容耦合传感器的安装及仿真计算

2 检测方法的仿真分析

本节从仿真分析的角度研究检测方法的可行性。高压并联电抗器的绕组的集总参数电路模型如图3所示，该模型右侧由多个π型结构单元组成，表示电抗器单个绕组在高频信号作用下的等效电路。每个π型单元具体包括每饼绕组的电阻R，自电感L，饼间电导g，饼间电容Cs，绕组对油箱的电容Cg和对地电导G，M表示绕组饼间的互感值。仿真模型的左侧包含一个T型结构单元，该单元模拟电抗器的高压侧套管，其中Lb表示套管导杆的电感值，Rb表示套管导杆的电阻值，Cb表示套管芯子层形成的复合电容。在T型结构单元左侧，接入了一个电容Cc，模拟套管CCS形成的耦合电容。

Cc连接脉冲电源Vin，将激励脉冲电压耦合至套管内部的导杆，并在绕组中传播。在右侧绕组电路模型的末端引线接地，通过电流互感器CT测量响应电流信号。该仿真模型绕组的参数取自文献[9]，高压套管的模型参数取自文献[10]。根据有限元法计算，耦合电容Cc取50 pF。

图3 高压并联电抗器仿真电路模型

根据文献[11]，注入激励脉冲取推荐参数—幅值600 V，脉冲宽度500 ns的方波脉冲。通过暂态仿真测量注入激励脉冲电压和响应脉冲电流的时域波形，依据式(1)～式(3)计算电抗器处于健康状态时的脉冲频率响应曲线。然后，通过改变绕组部分的电感L或电容值Cg，模拟不同状态的绕组故障，L或Cg相比健康绕组的值变化10%和20%。在模拟绕组故障后，仍然通过暂态仿真和快速Fourier变换，得到模拟绕组故障的仿真波形，如图4所示。

图4 模拟绕组故障的仿真结果

图4(a)为绕组第二个π型单元L改变的仿真结果，在L减小10%和20%的情况下，故障电抗器的脉冲频率响应曲线相比健康电抗器的曲线向高频段发生了偏移，且L改变越大，偏移程度越大。图4(b)为绕组第二个π型单元Cg改变的仿真结果，同样地，在Cg变化10%和20%时，故障电抗器的脉冲频率响应曲线相比健康电抗器的曲线发生了偏移，并且Cg改变越大，偏移程度也越大，与电感性故障所不同的是曲线整体向低频方向偏移。仿真结果初步证实了基于套管CCS的检测方法,可实现电抗器绕组状态的检测。

3 检测方法的试验验证

3.1 健康电抗器实验

为了进一步验证检测方法的可行性，首先开展了健康电抗器实验。在新疆某变电站分别对与电网完全分离的三相750 kV 高压并联电抗器开展测试，三相电抗器为全新的健康电抗器，从未投入运行，其型号为BKD-120000/750，部分铭牌参数见表1 所示。实验接线图如图1所示，从750 kV高压套管法兰附近的套管CCS注入高压纳秒脉冲信号，在中性点套管接地线上测量响应电流信号。

表1 健康电抗器铭牌参数

分别对A、B、C 三相电抗器按相同的接线方式开展测试，每一相注入相同参数(脉冲幅值600 V，脉冲宽度400 ns)的激励纳秒脉冲信号。对同一状态下测量的10组注入电压信号和中性点套管电流信号分别求平均值，作为分析的激励与响应数据，并按式(1)～ 式(3)构建三相电抗器的脉冲频率响应曲线，如图5所示。

需要说明的是，由于现场条件限制，同一状态下测量的数据组数并不多，但从图示结果仍然可以看出，三相电抗器的脉冲频率响应曲线走势基本一致，谐振峰和谐振谷对应频率基本相同，这符合健康电抗器的特征。同时，尽管在实验过程中尽量保持三相设备和接线一致，但由于套管电容耦合传感器为现场制作的简易版本，不同相套管形成的耦合电容存在差异，导致了脉冲频率响应曲线在纵坐标增益上存在恒定差异，这可由文献[12-13]解释和验证。另外，三相频率响应曲线的部分谐振峰和谐振谷对应频率仍然存在差异，这是由于每一相绕组为体积庞大的独立线圈，绕组结构上的细微差别造成等效参数的改变，导致各相电抗器的频率响应曲线又具有一定的独特性。总之，健康电抗器实验结果表明由文中检测方法和装置获得的脉冲频率响应曲线能够反映绕组状态。

图5 健康电抗器三相脉冲频率响应曲线

3.2 故障模拟实验

考虑到电抗器制造厂商的商业保密性以及制造750 kV高压并联电抗器绕组故障的成本高昂，通过开展模拟电抗器绕组故障的实验，以验证文中的方法具有检测电抗器绕组故障的潜力。被试的750 kV高压并联电抗器铭牌参数如下：容量80 MVA、额定电流173.2 A、损耗138.73 kW、额定阻抗2 640 Ω，实验接线和现场图如图6所示，通过在高压并联电抗器的高压套管出线端并联一个容值500 pF的电容来模拟绕组的电容性故障，通过并联电容的方式改变了绕组的等值电路模型参数，进而可能引起脉冲频率响应曲线的变化。

实验仍然从电抗器的高压套管电容耦合传感器注入纳秒脉冲信号，脉冲幅值600 V，脉宽500 ns，中性点套管出线接地，由于中性点套管引线存在等效特性波阻抗，因此可以通过中性点套管CCS构造的电容分压器测量响应电压信号，具体构造方法见文献[6]。对未并联电容和并联电容两种状态分别测量多组注入电压信号和中性点套管电压信号，并对同一状态下的多组信号求平均值作为分析数据，并按式(1)～ 式(3)采用快速Fourier算法构建电抗器的脉冲频率响应曲线，如图7所示。

图6 模拟电抗器绕组故障的实验接线和现场图

图7 模拟电抗器绕组故障实验结果

由图7 可知，电抗器并联500 pF 电容后的脉冲频率响应曲线相对于未并联电容时发生较大变化，其改变程度远大于图5中因测量数据有限、外界干扰和绕组细微结构差异造成的频率响应曲线的变化，曲线的两个主要谐振谷向低频方向偏移明显。根据式(4)谐振频率形成原因[14]，并联电容相当于增大绕组等效电容，在等效电感不变的情况下，谐振频率减小。本节实验结果很好地证实了文中方法具有检测高压并联电抗器绕组故障的潜力。

(4)

式中L和C分别表示绕组的分布电感和电容；f表示谐振频率。

4 结束语

(1)基于套管CCS，提出和研制一种的高压并联电抗器绕组故障检测方法，说明了方法的基本原理，并对核心装置—套管CCS进行了介绍；

(2)开展了电抗器绕组电路仿真分析，通过改变电路模型中的电感和电容参数模拟绕组故障，获得绕组多种状态下的脉冲频率响应曲线，频响曲线的变化趋势证实了检测方法的可行性；

(3)开展了实际750 kV高压并联电抗器实验测试。健康电抗器三相曲线的趋势和谐振峰谷频率相似，表明检测方法确实能反映电抗器绕组的状态；通过并联电容的方式模拟电抗器绕组故障，故障脉冲频率响应曲线相比健康曲线向低频段方向偏移明显，再次证实了检测方法具备检测电抗器绕组故障的潜力；

(4)后续仍需要更多测试实例进一步证实检测方法的可靠性、精确性和鲁棒性，并发展成在线检测技术。