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电力是经济建设的先行官，是人民生活的必需品，也是国民经济的重要支柱产业。随着社会经济的高速发展，电力已经涉及到生产制造、居民生活以及社会活动等方面，各行各业对电力的需求也在不断增大。现今我国电力系统朝着大容量发电、特高压以及远距离输电的方向迈进。然而随着电力系统中不同用电设备类型的广泛应用，常引起输电电网出现无功功率的增加、高次谐波、工频暂态过电压等问题，对电力系统安全稳定运行和电能质量带来了不可忽视的影响。因此需大量无功补偿设备来改善电力系统中无功功率分布情况，从而保证电网的安全稳定运行。

作为感性元件，电抗器在电力系统中起到补偿容性无功、抑制高次谐波、限制短路电流、保护电容器、提高电能质量等作用，是维持无功功率平衡、稳定稳态电压的重要设备，广泛应用于35kV及以上电压等级变电站。

1 电抗器故障原因

随着电力系统容量的不断增加和跨区电网的快速发展，大容量干式空心并联电抗器以其优越的线性特性和稳定的参数等特点，已纳入各大区电网变电站设计标准中。干式空心电抗器经过长时间运行后，出现较多的故障是线圈匝间绝缘击穿。线圈匝间绝缘击穿大多由线圈受潮局部放电电弧、局部过热、绝缘烧损等原因引起[1]。电抗器故障一般是两方面原因:一方面是产品本身的缺陷（电抗器制造、电抗器设计）引起的，另一方面是环境或系统运行引起（沿面放电、温升、漏磁、振动噪声、操作过电压、过负荷电压）的。

1.1 电抗器本身的缺陷引起的故障

电抗器制造方面的问题。电抗器生产过程中对制造材料、制造工艺等把控不严,会使匝间绝缘强度达不到要求,导致设备运行中匝间绝缘劣化,最终引起绝缘击穿；电抗器设计方面的问题。电抗器设计不当,运行时导线电流偏差较大,温度分布不均,局部热点温度过高,引起绝缘损坏。为防范电抗器运行故障的发生,设计中应合理选择电抗率、电密磁密、散热面积,以及重视绝缘结构的设计等具体措施。

1.2 电抗器环境和系统引起的故障

1.2.1 沿面放电

电抗器在户外大气条件下运行一段时间后表面会有污物沉积，在大雾或雨天表面污层受潮导致表面泄漏电流增大、产生热量。由于水分蒸发速度快慢不一、表面局部出现干区，引起局部表面电阻改变，电流在该中断处形成局部电弧。随着时间延长电弧将发生合并，形成沿面树枝状放电。而匝间短路是树枝状放电的进一步发展，即短路线匝中电流剧增，温度升高使线匝绝缘损坏。

1.2.2 温升

近年来随着干式空心电抗器在电网中应用的增加，由其故障引起的事故也逐渐增多，其中由干温度或温升异常导致的电抗器烧损事故时有发生[2]。在一定温度下,绝缘材料不产生热损坏的时间称为绝缘材料的使用寿命。电抗器在运行时温度过高、加速聚酯薄膜老化，当引入线或横面环氧开裂处雨水渗入后加速老化，会丧失机械强度，造成匝间短路引起着火燃烧。造成电抗器温升原因有焊接质量问题，接线端子与绕组焊接处焊接电阻产生附加电阻而发热。另外由于温升的设计裕度很小，使设计值与国标规定的温升限值很接近。除设计制造原因外，在运行时如电抗器的气道被异物堵塞造成散热不良，也会引起局部温度过高引起着火。

在一定温度下,绝缘材料不产生热损坏的时间称为绝缘材料的使用寿命。大型电抗器的电流在几千安以上。这样大的电流流过电抗器，即使电抗器的电阻很小(毫欧级)，功率也在千瓦以上。电器产品的损耗越大、运行中产生的热量就越大，在一定的条件下，电抗器的损耗越大运行中产生的热量就越大、温升也就越高，而温升增高会加速绝缘材料的老化，使其失去绝缘性能，从而也会缩短电抗器的使用寿命。这说明电抗器温升的高低是保证其质量和使用寿命的重要指标。

1.2.3 漏磁

漏磁产生的原因及危害：在电抗器轴向位置有接地网，经向位置有设备、遮拦、构架等，都可能因金属体构成闭环造成较严重的漏磁问题，对周围环境造成较严重的影响，若在磁场范围内有较大铁磁物质，若有闭环回路如地网、金属遮拦、构架等，其漏磁将感应环流达数百安培，这不仅增大损耗，更因其建立的反向磁场同电抗器的部分绕组耦合产生严重问题，如经向位置有闭环将使电抗器绕组过热或局部过热，如同变压器二次侧短路情况，如轴向位置有闭环将使电抗器的电流增大和电位分布改变，故漏磁问题并不能简单地认为发热或增加损耗。

1.2.4 振动噪声

有时会遇到空心电抗器在投运后交流噪声(基频为100Hz)很大，并伴随着有节奏的一阵阵的拍频，地基发热。这是因为空心电抗器运行的强大交变磁通，给周围的钢铁构件尤其是基础预埋件，带来交变电磁力所引起的共振和涡流并发热。这是基建设计安装的根本问题，只能停运进行彻底改造。

1.2.5 断路器操作过电压

由于电抗器为感性负载,当断路器在投切电抗器时会使线圈对地产生截流过电压。感性负载侧的电压幅值和频率都很高,会产生多次重燃过电压，有可能给感性负载的绝缘带来损坏。电抗器投切频繁,开关设备关合次数过多,断路器分闸引起的过电压对电抗器匝间绝缘影响较大,进而影响电抗器使用寿命。

1.2.6 过负荷电压下运行

国家电网公司《预防10kV～66kV干式电抗器事故措施》规定：电抗器的额定电压要与安装地点的电压水平保持一致,严禁在额定电压低于安装点的电压水平条件下运行,当运行电压高于电抗器额定电压时应采取降压措施。同时应加强对电抗器巡视与测温。电抗器如果长期运行在过负荷电压条件下,再加上操作过电压对电抗器造成累积损伤效应及系统电能质量的影响,使得设备绝缘劣化速度加剧,电抗器导线绝缘性能下降,从而导致绝缘层薄弱环节匝间短路。

2 电抗器故障监测方法

目前针对干式电抗器匝间短路问题有许多不同检测方法，主要包括脉冲电压法、烟感法、温感法及探测线圈法等。脉冲电压法是一种离线检测方法，通过不少于7200次脉冲冲击试验将匝间绝缘故障彻底暴露出来，是一种破坏性的试验，这种方法虽能有效检测出电抗器匝间绝缘缺陷，但成本高、缩短了电抗器的使用寿命、降低了电抗器的使用效率；烟感法利用烟感探测器检测电抗器过热时产生的烟气来达到检测的目的，仅适用于干式电抗器，但由于电抗器一般应用于户外，因故障而造成的烟气扩散很快，浓度达不到一定阈值很难准确检测到。

目前干式电抗器温感法主要采用探点式无线温度传感器和光纤光栅传感器，无线测温传感器抗干扰性能差、无法用于监测电抗器内部温度，光栅传感器尺寸大安装不变、不适用于扎（层）间温度监测，这两类传感器还都无法获得完整的内部温度场分布特性；油浸式电抗器可以内置温度传感器和油温监测来发现异常，但灵敏度不足，而采用油色谱分析的效果较好；探测线圈检测法通过监测匝间短路故障产生涡流造成的设备内部总磁通量变化发现故障，其存在以下缺陷：仅适用于干式空心电抗器。若电抗器内部发生匝间短路，因其故障匝数相对少、故磁通量不会产生显著变化。若在电抗器横轴附近发生故障，则两侧磁通量不会产生差值，故探测线圈检测存在盲区。探测线圈的安装可能会影响到电抗器的正常工作。

为及时发现和消除影响电抗器安全稳定运行的隐患，克服单一监测或保护手段的局限性，采用一种简单、安全、性价比高的状态监测方法（电流特征信息、阻抗特征信息、温感特征信息、振动特征信息）。该方法能提取电抗器电流特征信息、阻抗特征信息以及物理特征信息（包括内部温度场、振动特征信息），通过高频采样和小波分析技术获取电抗器电气暂态及机械振动特征信号；采用分布式光纤测温技术为干式空心电抗器建立内部温度场，采用红外热像技术获取电抗器的表面温度场；采用多维度状态参数故障分析与预警技术，以及不同相、不同设备、不同类型电抗器在不同时期的横、纵向对比分析等，及时发现电抗器特性异常变迁信息、发出预警信号，可为电抗器实现状态检修提供重要决策依据，降低运维成本、提高设备运行的稳定性。

2.1 电流特征信息监测

目前电抗器电流采样采用多个电流互感器安装于电抗器汇流排的方式，虽测量准确、精度高，但存在工程应用难度大、易产生电气安全事故、成本高、难于推广的问题。研究一种基于高频电流采样的电抗器电流波形分析方法，并采用小波分析技术有效提取电抗器故障电流突变量、特征量，提供电抗器特征分析可靠的数据支持，及时发现电抗器异常隐患，按月和年统计因电流判定电抗器异常的次数，给出声光预警信号，提醒运维人员及时查看处理。

针对并联电抗器，只需在进线处每相安装一只高频电流传感就可实现电抗器的电流分析，成本低、工程实施简单、数据可靠。若并联电抗器进线具有保护CT，考虑保护CT频率的动态响应范围较大，也可直接应用小波分析对其进行数据分析，减少建设成本，但相对于高频电流CT采样精度略低；针对串联电抗器，需在串联电抗器首尾各加装一只高频电流传感器，分析其波形特征变化，实现串联电抗器的电流特征分析。

2.2 阻抗特征信息监测

电气参数作为电力设备的基本特性能准确地反映设备的运行状况。通过分析干式空心电抗器在不同工作状态、不同位置发生故障前后电气参数的变化规律，可以有效地对电抗器的工作状态进行判断。目前，用于干式空心电抗器故障诊断的电气参数主要包括损耗、电感、阻抗、功角特性等，其中基于阻抗变化的故障监测方法应用广泛。研究电抗器在不同工作条件及异常状态下的阻抗变化特征，建立专家模型库。通过采集母线PT电压，并结合并联电抗器的电流特征参数，实时在线监测获取的电抗器阻抗变化，生成并联电抗器阻抗特征分析结果，分析电抗器异常原因及损坏程度，按月和年统计因阻抗判定电抗器异常的次数，给出声光预警信号，提醒运维人员及时查看处。

2.3 温感特征信息监测

作为输变电系统的重要组成部分，干式空心电抗器的温度监测方式跟随变电站经历了由传统到数字化，再到智能化的转变。由于干式空心电抗器大多数的运行故障最终都表现为温度或温升的异常，因此，基于设备温度监测的干式空心电抗器故障诊断是目前国内外学者研究的重点。热点温升和温度场的分布情况是评估干式空心电抗器运行状态的重要指标，针对电抗器电磁场强高、测温难度大、无法监测到核心区域的温度的问题，研究一种电抗器内部温度场监测技术。

研究分布式光纤测温在电抗器的应用，光纤分布于电抗器匝间、汇流排接触点、电抗器内壁、电抗器顶端，获取电抗器内部完整的温度分布场，以及电抗器顶端空气温度，分析电抗器绝对温度差以及相对温度差，建立电抗器温度场分布3D模型，从而分析电抗器的状态信息，全面监测电抗器的温度差分布，预防电抗器故障，尤其是匝间短路故障引起的燃烧事故。按月和年统计因温度值判定电抗器异常的次数，给出声光预警信号，提醒运维人员及时查看处理。

2.4 振动特征信息监测

研究电抗器振动特征分析技术，通过加装振动传感器，分析电抗器振动特征数据，提取振动特征指纹，为电抗器特性综合分析提供多源的数据支持。按月和年统计因振动瞬时值判定电抗器异常的次数，给出声光预警信号，提醒运维人员及时查看处理。

综上，本文提出干式空心电抗器故障监测方法，该方法可有效为故障预警提供可靠保障，具有推广价值。