基于法拉第磁光效应的干式空心电抗器在线电流监测系统

0 引言

随着超高压电网的快速建设和发展，干式空心电抗器以其线性度好、重量轻、机械强度高、噪音低以及维护方便等优点在变电站得到了广泛的使用。近年来，干式空心电抗器多次出现损毁事故[1 - 5]，经统计分析表明，当干式空心电抗器出现匝间短路时，短路环在交变磁场的作用下迅速发热，导致干式空心电抗器电绝缘性能下降并逐渐恶化，最终导致干式空心电抗器损毁。因此，在干式空心电抗器上加装保护装置，在匝间短路故障的早期阶段发现并做出响应可以改善干式空心电抗器无保护运行现状，降低因干式空心电抗器匝间短路事故带来的损失。

针对干式空心电抗器匝间短路故障，国内外在干式空心电抗器运行状态在线监测方面已经做了大量的研究。文献[6 - 8]提出了一种磁场探测法，在电抗器端部加装探测线圈，通过采集到的差分信号反映电抗器的磁场变化以监控电抗器的工作状态。文献[9 - 10]提出了一种光纤测温法，在电抗器包封层内加装分布式传感光纤，通过测量包封内的温度变化来判断电抗器是否出现过热性故障。文献[11]提出了一种功率因数角测量法，通过监测电抗器的功率因数变化来监测电抗器的工作状态。文献[12 - 14]提出了一种阻抗测量法，通过监测电抗器的阻抗变化量来监控电抗器的工作状态。文献[15]提出了一种电流监测法，通过在电抗器绕组导线上加装电流传感器监测电抗器各个包封层的电流分布情况，从而判断电抗器整体的工作状态。上述文献为干式空心电抗器在线监测的发展进行了大量的研究和尝试，奠定了理论基础。但仍存在无法定位发生匝间短路故障的包封层和受电抗器磁场影响而造成的监测精度低等问题。

本文针对干式空心电抗器匝间短路故障无法快速识别导致发生事故的问题，采用理论、仿真与试验相结合的方式，研究基于法拉第磁光效应的干式空心电抗器在线电流监测系统，开展了干式空心电抗器样机的电流分布测试，验证了干式空心电抗器在线电流监测系统在电抗器发生匝间短路故障工况下的监测效果，为实际挂网运行提供了一定的经验。

1 在线电流监测系统工作原理

干式空心电抗器漏磁较大，一般的测量设备受磁场影响较大，无法正常工作，本文拟采用基于法拉第磁光效应的光纤电流传感器对电抗器各包封层的电流分布进行在线监测。文献[16]指出了法拉第磁光效应的基本原理是如果沿光轴方向存在磁场，则使沿光轴方向传播的线偏振光的振动面会发生旋转。结合干式空心电抗器磁场分布特点，本文提到的光纤电流传感器不受传感器外部磁场大小的影响。

由于干式空心电抗器绕组导线较细，而光纤曲率半径较大。因此，光纤无法缠绕到各包封层导线上。结合干式空心电抗器结构特征，在汇流排上布置监测点可达到监测包封层电流分布状态的目的，无需在绕组导线上加装传感器。本文选用的光纤电流传感器采用特殊螺旋高双折射保椭圆偏振光纤，测量精度可达到0.2级，灵敏度可达到0.1 A。该传感器信号通过与电抗器支撑绝缘子相同绝缘水平的光纤绝缘子传输，不影响电抗器绝缘水平。

基于法拉第磁光效应的干式空心电抗器在线电流监测系统通过在电抗器汇流排上布置的光纤电流传感器[17]，测量流经汇流排的电流磁场引起的光纤中传播光的相位变化，经过信号处理单元信号调制解调得到被测汇流排上流过的电流值，再传输至上位机显示出电流波形，同时保存数据。整个工作过程采用光信号传输数据，不受电抗器磁场影响，工作过程示意图如图1所示。

由于电抗器每个包封层的绕组导线出头焊接在不同的汇流排上(见图1)，当某个包封层的电流分布发生变化时，流过汇流排的电流也会随之发生变化。因此，在每一个有导线焊接的汇流排上布置监测点，可以同时监测所有包封层的电流分布情况。当流过包封层的电流分布由于匝间短路故障发生变化时，通过在线电流监测系统在汇流排上设置的电流监测点可以定位到具体的故障包封层。

图1 系统工作过程示意图
Fig.1 Schematic diagram of system working process

2 发生匝间短路时的电流分布有限元解析

电抗器发生匝间短路故障是一个动态的物理过程[18 - 19]，当电抗器匝间绝缘发生故障时，电抗器各个包封层的电流分布也随之发生变化，对电抗器实施在线电流监测，在匝间短路故障早期及时发现电抗器电流分布的异常问题。同时，通过数据分析及后处理，定位干式空心电抗器故障包封层，避免故障进一步恶化。

2.1 电抗器基本参数

选定的试品电抗器为6个包封层结构，电气参数和结构参数如表1和表2所示。

表1 电抗器额定电气参数
Tab.1 Rated electrical parameters of reactor

表2 电抗器结构参数
Tab.2 Structure parameters of reactor

2.2 电抗器匝间短路数学模型

干式空心电抗器由多个绕组包封层并联组成，每个绕组包封层支路有直流电阻、自感和互感。与正常情况的电路模型相比，当电抗器第n个包封层发生匝间短路故障时，第n层绕组包封层被分为两段串联绕组，而且电路中增加了一个闭合回路，此闭合回路也有直流电阻Rn+1和电感Ln+1，同时还存在互感Mi,n+1与其他并联绕组包封层发生联系，此时各支路组成的方程组如式(1)所示。

(1)

式中：Ri为各包封层的直流电阻；Li为各包封层的自感；Mi,j为各包封层之间的互感；Ij为流过各包封层的电流；U为电抗器的端电压。

2.3 电抗器匝间短路仿真模型

采用ANSOFT Maxwell仿真软件，根据电抗器匝间短路数学模型以及电抗器基本结构参数，建立有限元仿真计算模型(模型如图2所示)，模拟电抗器匝间短路的动态过程[20]。

图2 干式空心电抗器有限元模型
Fig.2 Finite element model of dry-type air-core reactor

图2中I1为电抗器两端的电流源，L1—L6为电抗器1—6层绕组的电感，R1—R6为1—6层的电阻，L7为模拟电抗器最外层出现单匝匝间短路故障时短路环的电感，R7为短路环电阻。通过受控开关S_7来控制电抗器在正常运行一段时间后，最外层出现单匝匝间短路故障的暂态过程。其中，Model1为S_7的开关模型。

在电抗器外表面加绕线圈模拟电抗器匝间短路故障[21]，有限元模型中每层线圈与电路模型中对应的线圈相耦合，各层线圈并联后，施加电流源作为激励，对电抗器匝间短路进行模拟仿真分析。当电抗器发生匝间短路时，各层绕组及短路环之间的自感和互感将重新进行分配，采用Ansoft外部电路编辑器，将短路后的各层绕组及短路环的绕组通过端口与外部电路进行磁场-电路耦合计算。由于有限元模型空气域为无穷大，故将求解域的边界设置为气球边界条件进行边界加载。

2.4 仿真结果及分析

以激励电流为500 A为例，当受控开关S_7合上时，最外层出现单匝匝间短路故障，受匝间短路故障影响，匝间短路故障出现时刻点前后各包封层的电流分布发生了变化，波形图如图3所示，电流分布如表3所示。

图3 干式空心电抗器匝间短路故障的暂态过程
Fig.3 Transient process of turn-to-turn short circuit fault of dry-type air-core reactor

表3 电流分布仿真解析结果Tab.3 Current distribution simulation analysis results

由仿真计算结果可知，出现匝间短路故障的包封层电流分布变化最大，相邻包封层次之，距离匝间短路故障层越远的包封层，其电流分布变化越不明显。

3 实验验证与结果分析

3.1 试验平台

在试品电抗器最外包封层设置短路环，通过接触器开关的分合闸，模拟第6包封层突然出现的匝间短路故障。在各包封层导线焊头所在汇流排上加装光纤电流传感器，监测流过汇流排的电流。试验回路如图4所示，试验平台如图5所示。

图4 干式空心电抗器电流分布试验回路
Fig.4 Current distribution test circuit of dry-type air-core reactor

1-试品电抗器；2-接触器开关；3-光纤电流传感器；
4-计算机；5-信号采集处理单元。
图5 匝间短路试验平台
Fig.5 Turn-to-turn short-circuittest platform

试验开始前，接触器开关处于分闸位置，试品电抗器处于正常工作状态。当接触器开关合闸时，在试品电抗器外表面加装的导线形成金属闭合回路，以此模拟电抗器最外包封层出现匝间短路故障，通过设置在汇流排上的光纤电流传感器，测量接触器开关合闸时刻前后的电流分布变化。

3.2 试验结果及分析

当匝间短路故障出现时，不同试验电流下故障时刻点前后电流分布变化如表4所示。500 A试验电流下匝间短路故障引起的第6包封层电流分布变化波形如图6所示。

由表4可知，在模拟第6包封层出现匝间短路故障时，在不同的试验电流下，第6包封层电流增大了约26%，电流变化最大，主要原因是第6包封层出现的短路环在磁场作用下产生与原绕组电流方向相反的感应电流，由此产生与原电抗器磁场方向相反的磁场。距离发生匝间短路故障越近的包封层磁场抵消越多，包封层之间的互感越小，由于电抗器端电压是定值，所以电流越大。通过表3与表4数据对比可知，试验结果与仿真计算得出的电抗器匝间短路故障的暂态过程一致。

表4 电流分布试验结果
Tab.4 Current distribution test results

图6 匝间短路故障引起的电流变化
Fig.6 Current changes caused by turn-to-turn short circuit fault

同理，当电抗器其他包封层出现匝间短路故障时，故障包封层的电流变化较大，非故障层的电流变化较小。

在时效方面，该在线电流监测系统在20 ms(图中20～40 ms时间段)时间内监测到各个包封层的电流分布变化。考虑到电力系统波动和监测软件采集误差导致出现某个跳点数据的情况，系统设置“采三取二”原则：在60 ms内每20 ms采集一组数据，当出现两组数据增大的情况，判断电抗器出现匝间短路故障，向上位机报警。

4 结论

本文提出了一个干式空心电抗器在线电流监测的方案，给出了方案的理论基础(法拉第磁光效应)和应用创新(在汇流排上布置监测实现3个周波内确定故障)，结合仿真与试验验证，证明本方案的有效性。方案的特点如下。

1)数据传输采用光信号，可有效避免空心电抗器高强磁场对信号传输的影响；

2)通过监测汇流排电流可在3个周波(0.06 s)内检测确定匝间故障，避免事故扩大；

3)通过数据分析后处理，可以定位干式空心电抗器故障包封层。