學校名稱

長沙理工大學

學生姓名

學  號

專      業(yè)

性 別

入 學 年 份

于佳文

201552030124

電氣工程及其自動化

男

2015年

楊心瑤

201549060103

電氣工程及其自動化

女

2015年

曹威

201549060126

電氣工程及其自動化

男

2015年

廖興輝

201569030220

電氣工程及其自動化

男

2015年

指導教師

楊鑫

職稱

副教授

項目所屬

一級學科

電氣工程

項目科類(理科/文科)

理科

學生曾經(jīng)參與科研的情況

在導師指導下參與 “飽和鐵芯型緊耦合超導限流器可行性研究”項目研究，對電路設計有一定的了解。

指導教師承擔科研課題情況

1、 主持國家自然科學基金青年基金項目：液氮中微秒級脈沖下沿面放電路徑的影響因素及其作用機理研究，2015年1月-2017年12月，24萬元。

2、 主持橫向課題：山區(qū)配電網(wǎng)的防雷保護措施研究，2015年1月-2015年12月，34萬元。

3、 主持橫向課題：背場磁體設計開發(fā)測試研究，2016年1月-2016年12月，64萬元

4、 主持橫向課題：飽和鐵芯型緊耦合超導限流器可行性研究，2016年1月-2016年12月，20萬元。

5、 主持橫向課題：高壓電纜接頭防火防爆防水關鍵技術及其應用研究，2017年9月-2019年6月，167萬元。

項目研究和實驗的目的、內(nèi)容和要解決的主要問題

1、 項目研究和實驗的目的

在電力系統(tǒng)的變壓器類產(chǎn)品中，電抗器的應用范圍僅次于電力變壓器。它的主要功能是限制系統(tǒng)的短路電流和補償系統(tǒng)的電容電流。我國電網(wǎng)的規(guī)模在迅速擴大，變電站逐漸增多，所需求電抗器的數(shù)量也在逐漸增加。干式空心電抗器具有下列優(yōu)點：1、無導磁材料，不存在磁飽和現(xiàn)象，電流變化不會使電感值發(fā)生改變；2、便于維護，運行安全；3、線性度較好；4、采用鋁合金星形支撐夾緊結構，機械強度高，渦流損耗??；5、因為采用無油結構，可避免發(fā)生漏油、易燃等情況。由于干式空心電抗器的免維護性和電抗值的線性，使得這種電抗器在電力系統(tǒng)應用非常普遍。

從空心電抗器故障來看，匝間絕緣故障是影響電抗器正常運行的最重要的因素。運行經(jīng)驗表明：這種電抗器的匝間絕緣性能是保證其正常運行的關鍵。在生產(chǎn)巧程中對電抗器的匝間絕緣進行有效的檢驗便成為保證電抗器產(chǎn)品質量的非常重要的環(huán)節(jié)。

本項目旨在通過對現(xiàn)有的空心電抗器匝間絕緣故障檢測方法存在的問題分析，提出基于頻域衰減比較判據(jù)的空心電抗器匝間絕緣故障檢測方法，并基于該方法對10kV空心電抗器的匝間絕緣故障檢測電路的軟件和硬件進行設計。

2、 項目研究和實驗的內(nèi)容

（1）建立空心電抗器匝間絕緣故障檢測模型，對脈沖振蕩回路頻率響應進行傅立葉變換，將時域波形轉換為頻域分析，優(yōu)化脈沖電壓檢測匝間絕緣故障的方法；

（2）根據(jù)匝間絕緣故障后的頻域波形特征，提出基于頻域衰減比較法的空心電抗器匝間絕緣故障診斷判據(jù)；

（3）設計10kV干式空心電抗器匝間絕緣短路故障監(jiān)測的硬件電路，并對硬件參數(shù)進行取值；

（4）基于硬件電路設計及其參數(shù)取值，設計基于頻域衰減特征的匝間絕緣故障診斷電路的軟件部分；

（5）集成基于頻域衰減特征的空心電抗器匝間絕緣故障診斷電路的軟件和硬件部分。

3.項目研究和實驗要解決的主要問題

（1）建立空心電抗器匝間絕緣故障檢測模型，對脈沖振蕩回路頻率響應進行傅立葉變換，根據(jù)匝間絕緣故障后的頻域波形特征，提出基于頻域衰減比較法的空心電抗器匝間絕緣故障診斷判據(jù)。

（2）為了保證檢測系統(tǒng)電路中施加在電抗器上的試驗電壓精確度遠高于僅依靠放電球隙間電壓自然擊穿的放電方式，要求點火控制器的觸發(fā)時刻精確可調。

國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展動態(tài)

伴隨著國家對電網(wǎng)建設的進一步加快，電抗器在電網(wǎng)中的作用逐漸被人們所重視。但電抗器掛網(wǎng)運行時常發(fā)生燒毀事故,究其原因大多數(shù)是因為存在匝間絕緣缺陷。目前,國外已經(jīng)生產(chǎn)出了電抗器匝間絕緣檢測設備,但是造價比較高,不能為國內(nèi)廣大電抗器生產(chǎn)廠家所接受。而國內(nèi)空心電抗器生產(chǎn)廠家眾多,但具有匝間絕緣檢測能力的很少,大多數(shù)生產(chǎn)廠家憑經(jīng)驗生產(chǎn),所以這些廠家的產(chǎn)品一般用在工礦企業(yè),能夠掛網(wǎng)運行的極少。

國內(nèi)電抗器匝間絕緣的檢測方法主要有以下幾種：（1）漏磁場檢測法。該方法利用霍爾傳感器測量漏磁場圖,可以測量出鐵芯式繞組匝間故障,并可判斷出短路出現(xiàn)的位置。但是這種方法只適用于直接短路故障,對于隱形匝間故障是檢測不出來的。（2）高頻振蕩能量吸收法。該方法的原理是當通以高頻電流的線圈靠近一個發(fā)生匝間短路的線圈時,會產(chǎn)生能量被吸收的現(xiàn)象,若能量被吸收則說明該線圈存在匝間短路。（3）雷電沖擊試驗法。傳統(tǒng)的雷電沖擊試驗對繞組的縱絕緣,即匝間、層間、段間絕緣等的電氣強度進行考核。由于雷電沖擊電壓施加的時間較短,所以檢測的效果不是很好。（4）脈沖振蕩電壓法。脈沖電壓法是利用充電后的電容器通過開關與被試線圈形成振蕩電路，其振蕩頻率為電感與電容的函數(shù)，選擇確定的充電電容就可將該試驗頻率確定在試驗所要求的范圍。該試驗利用檢測和對比施加較低電壓和全電壓下高頻脈沖振蕩電壓波形，對電抗器的匝間絕緣情況進行判斷。該可以產(chǎn)生較高的試驗電壓，從而有利于發(fā)現(xiàn)匝間絕緣缺陷。因而，基于脈沖電壓法是檢測匝間絕緣中的優(yōu)勢，國內(nèi)大連理工大學和哈爾濱理工大學已利用該方法研制出35kV、66kV電壓等級的干式空心電抗器匝間絕緣裝置。

然而，利用脈沖電壓法進行匝間絕緣檢測時，所得到的均為電壓的時域響應波形，只有進一步分析時域波形的周期特性和衰減特性，才能推斷空心電抗器線圈是否存在匝間絕緣故障，僅從響應電壓的時域波形上無法判斷匝間絕緣故障，需要對波形進行進一步處理。

通過對時域響應波形進行傅里葉變換，可以得到響應的頻譜特性。當空心電抗器匝間絕緣故障時，等效電感參數(shù)將發(fā)生變化，會導致頻率響應出現(xiàn)明顯特征的變化。因而，本項目提出了基于頻域衰減特性的空心電抗器匝間絕緣故障檢測方法，并基于此方法，開發(fā)出10kV空心電抗器匝間絕緣故障檢測裝置，以準確發(fā)現(xiàn)空心電抗器的匝間絕緣故障，保證其可靠運行，提高電網(wǎng)運行的安全性。

本項目學生有關的研究積累和已取得的成績

團隊成員自進校以來就在導師的指導下進行科研學習，對高電壓技術和電機學等相關專業(yè)課程已有前期的了解。在導師指導下參與“飽和鐵芯型緊耦合超導限流器可行性研究”項目研究，對電路設計有一定的了解。

項目的創(chuàng)新點和特色

（1） 提出基于頻域衰減特性的空心電抗器匝間絕緣故障診斷方法，將脈沖振蕩的電壓波形轉換為頻域波形，得到基于頻域特征的匝間絕緣故障診斷判據(jù)，更加準確、方便的判斷出匝間絕緣故障的存在，提高電力系統(tǒng)的安全可靠性。

（2） 開發(fā)利用脈沖震蕩法的10kV空心電抗器匝間絕緣故障檢測硬件電路和基于頻域衰減特性比較法的故障檢測軟件，為進一步開展空心電抗器故障檢測奠定理論和實驗基礎。

項目的技術路線及預期成果

項目的技術路線

（1） 利用脈沖電壓法檢測空心電抗器匝間絕緣的原理分析和電路模型搭建

由于干式空心電抗器結構的特殊性,確定用脈沖電壓法測量匝間絕緣的可行性。試驗分別在電抗器兩端施加半電壓和全電壓,對比兩種情況下高頻脈沖振蕩電壓波形,以此來判斷電抗器是否存在匝間絕緣缺陷。等效電路可用下圖表示：

圖1 脈沖電壓法檢測匝間絕緣基本原理圖

圖1中U 為220kV交流電源，R_S為充電保護水電阻,S為放電球隙，C為脈沖高壓電容,L為試品電抗器等效電感。

實驗時,經(jīng)過半波或全波整流的電源對高壓脈沖電容充電,當充電電壓達到指定要求時。放電球隙導通,脈沖電容與試驗繞組形成一定頻率的阻尼振蕩電路,其振蕩頻率為

放電電流逐漸衰減,直至衰減到不足以維持電弧,因此電弧熄滅,電弧熄滅后,脈沖電容又開始充電,為下一次沖擊做好準備。經(jīng)過數(shù)千次的沖擊,試驗繞組沒有燒毀,并且全壓和半壓波形頻率相等,則可認為繞組是完好的。

基于此原理，設計出檢測空心電抗器匝間絕緣故障的仿真電路，建立空心電抗器匝間絕緣故障檢測模型。

（2）利用脈沖震蕩法的10kV空心電抗器匝間絕緣故障檢測硬件電路的設計和參數(shù)選擇

電抗器匝間絕緣試驗裝置中，由充電回路把電網(wǎng)的電能通過調壓器、高壓變壓器、高壓整流珪堆、限流電阻，送到電容器中儲存起來，這就是電容器的充電過程。最簡單的充電回路是由調壓器T_I、試驗變壓器T₂、高壓桂堆Ｄ、保護電阻R_S以及充電電容Ｃ組成。充電回路是將電網(wǎng)中的交流電通過整流之后，送入電容器Ｃ中儲存起來。用脈沖電壓法進行電抗器匝間過電壓試驗時，采用正極性沖擊電壓對試品進行絕緣考核時，擬采用的試驗充電電路如圖2所示：

圖2 擬采用的硬件電路充電電路

放電回路的作用，就是起到在比較短的時間內(nèi)，釋放掉電容器所儲存的大量能量，并使其通過試品以達到對試品進行考核的目的。所以放電回路應包含主電容、被試品和起快速通斷作用的觸發(fā)開關。該觸發(fā)開關選取為球隙開關，為了減

少球隙上多次試驗產(chǎn)生的麻點，串聯(lián)阻尼電阻用以限制球隙放電時的電流幅值。放電電路圖3如下所示：

圖3 硬件電路放電電路

則干式空心電抗器脈沖振蕩匝間絕緣故障檢測法的等效電路圖如圖4所示：

圖4 干式空心電抗器脈沖振蕩匝間絕緣故障檢測法等效電路圖

    圖4中，D為整流硅堆，Rs為保護水電阻，S為放電球隙，C為主電容，L為被測電感線圈，R為電抗器內(nèi)部電阻值。

其阻尼振蕩過程中電流i為

式中,U_c為電容兩端電壓；U_cO為初始時刻的U_c值；電感在阻尼振蕩過程中的電壓U_L如式所示:

其中：

主電容的電容量C計算公式為

同時標準要求脈沖振蕩頻率應在100KHz左右,且6~35kV試品電抗器的電感量L主要在0.1~20mH之間,可選C=3nF。R值根據(jù)實際情況可在0.2~100之間帶入運算。

充電過程中主電容倆端的電壓為

在電容器充電電路里,當容抗占總阻抗的99%時,可以保證電容器在5ms內(nèi)充滿,即：

在分析脈沖電壓法檢測匝間故障的原理基礎上，設計出10kV空心電抗器匝間絕緣故障檢測的硬件電路，并根據(jù)常用空心電抗器型號，合理選擇電路各元件的出參數(shù)。

（3）基于頻域衰減特性比較法的空心電抗器匝間絕緣故障檢測判據(jù)的研究及對應的軟件開發(fā)。

通過分析可知在脈沖電容與試品電抗器阻尼振蕩過程中,如果電抗器存在匝間絕緣缺陷,則由于電抗器線圈匝數(shù)的減少以及去磁效應,致使整個電抗器的固定電抗率發(fā)生改變,整個振蕩電路的振蕩頻率將隨之發(fā)生變化，短路匝內(nèi)的環(huán)流將加大電抗器的損耗,短路環(huán)內(nèi)的鋁線發(fā)熱嚴重。整個振蕩電路的電壓和電流衰減速度加快。

圖5 時域下有無匝間絕緣故障的響應波形（原始波形截圖）

圖6 檢測回路電壓響應的頻域波形

目前，利用脈沖電壓法進行匝間絕緣檢測時，所得到的均為電壓的時域響應波形，如圖5所示。有無匝間絕緣故障的時域波形并無明顯變化特征，僅從響應電壓的時域波形上無法判斷匝間絕緣故障，需要對波形進行進一步處理。只有進一步分析時域波形的周期特性和衰減特性，通過對比試品電抗器在系統(tǒng)額定電壓下和振蕩波試驗電壓下兩端的電壓或電流波形頻率及過零點變化，才能推斷空心電抗器線圈是否存在匝間絕緣故障。

通過對時域響應波形進行傅里葉變換，可以得到響應的頻譜特性，典型的頻譜特征如圖6所示。當空心電抗器匝間絕緣故障時，等效電感參數(shù)將發(fā)生變化，會導致頻率響應出現(xiàn)明顯特征的變化。頻域響應波形比時域波形更易判斷匝間絕緣故障。通過傅里葉變換將時域波形轉換為頻域分析，提出基于頻域衰減特性比較法的空心電抗器匝間絕緣故障檢測判據(jù)的研究及對應的軟件開發(fā)，可以更加準確、方便的判斷電抗器線圈是否存在匝間絕緣缺陷。

（4）系統(tǒng)集成并測試

基于本項目提出的方法對10kV空心電抗器的匝間絕緣故障檢測電路的軟件和硬件進行設計，并進行集成測試，為進一步開展空心電抗器故障檢測奠定理論和實驗基礎。

2.預期成果：

（1）得到基于頻域衰減比較法的空心電抗器匝間絕緣故障診斷判據(jù)；

（2）開發(fā)利用脈沖震蕩法的10kV空心電抗器匝間絕緣故障檢測硬件電路和基于頻域衰減特性比較法的故障檢測軟件。

年度目標和工作內(nèi)容（分年度寫）

（1）2018年4月-2018年5月，查閱資料，對脈沖電壓和頻域變換方法進行深入研究；

（2）2018年6月-2018年7月，建立空心電抗器匝間絕緣故障檢測模型，進行頻域變換的分析、研究；

（3）2018年8月-2018年11月，研究基于頻域衰減比較法的空心電抗器匝間絕緣故障診斷判據(jù)；

（4）2018年12月-2019年2月，設計10kV干式空心電抗器匝間絕緣短路故障監(jiān)測的硬件電路，并對硬件參數(shù)進行取值；

（5）2019年3月，設計基于頻域衰減特征的匝間絕緣故障診斷電路的軟件部分；

2019年4月-2019年6月，集成軟件和硬件部分，并對系統(tǒng)進行測試，完成結題工作。

指導教師意見

該項目切合電力生產(chǎn)實踐，內(nèi)容難度適中，研究方案合理。該小組同學已具備一定的基礎知識鋪墊，具有該方向的研究經(jīng)驗，可保證項目順利實施。同意申報。

簽字：楊鑫        日期：2018.4.26