學(xué)校名稱

長(zhǎng)沙理工大學(xué)

學(xué)生姓名

學(xué)  號(hào)

專      業(yè)

性 別

入 學(xué) 年 份

于佳文

201552030124

電氣工程及其自動(dòng)化

男

2015年

楊心瑤

201549060103

電氣工程及其自動(dòng)化

女

2015年

曹威

201549060126

電氣工程及其自動(dòng)化

男

2015年

廖興輝

201569030220

電氣工程及其自動(dòng)化

男

2015年

指導(dǎo)教師

楊鑫

職稱

副教授

項(xiàng)目所屬

一級(jí)學(xué)科

電氣工程

項(xiàng)目科類(理科/文科)

理科

學(xué)生曾經(jīng)參與科研的情況

在導(dǎo)師指導(dǎo)下參與 “飽和鐵芯型緊耦合超導(dǎo)限流器可行性研究”項(xiàng)目研究，對(duì)電路設(shè)計(jì)有一定的了解。

指導(dǎo)教師承擔(dān)科研課題情況

1、 主持國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目：液氮中微秒級(jí)脈沖下沿面放電路徑的影響因素及其作用機(jī)理研究，2015年1月-2017年12月，24萬(wàn)元。

2、 主持橫向課題：山區(qū)配電網(wǎng)的防雷保護(hù)措施研究，2015年1月-2015年12月，34萬(wàn)元。

3、 主持橫向課題：背場(chǎng)磁體設(shè)計(jì)開發(fā)測(cè)試研究，2016年1月-2016年12月，64萬(wàn)元

4、 主持橫向課題：飽和鐵芯型緊耦合超導(dǎo)限流器可行性研究，2016年1月-2016年12月，20萬(wàn)元。

5、 主持橫向課題：高壓電纜接頭防火防爆防水關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用研究，2017年9月-2019年6月，167萬(wàn)元。

項(xiàng)目研究和實(shí)驗(yàn)的目的、內(nèi)容和要解決的主要問(wèn)題

1、 項(xiàng)目研究和實(shí)驗(yàn)的目的

在電力系統(tǒng)的變壓器類產(chǎn)品中，電抗器的應(yīng)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(bǔ)償系統(tǒng)的電容電流。我國(guó)電網(wǎng)的規(guī)模在迅速擴(kuò)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(diǎn)：1、無(wú)導(dǎo)磁材料，不存在磁飽和現(xiàn)象，電流變化不會(huì)使電感值發(fā)生改變；2、便于維護(hù)，運(yùn)行安全；3、線性度較好；4、采用鋁合金星形支撐夾緊結(jié)構(gòu)，機(jī)械強(qiáng)度高，渦流損耗小；5、因?yàn)椴捎脽o(wú)油結(jié)構(gòu)，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(hù)性和電抗值的線性，使得這種電抗器在電力系統(tǒng)應(yīng)用非常普遍。

從空心電抗器故障來(lái)看，匝間絕緣故障是影響電抗器正常運(yùn)行的最重要的因素。運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明：這種電抗器的匝間絕緣性能是保證其正常運(yùn)行的關(guān)鍵。在生產(chǎn)巧程中對(duì)電抗器的匝間絕緣進(jìn)行有效的檢驗(yàn)便成為保證電抗器產(chǎn)品質(zhì)量的非常重要的環(huán)節(jié)。

本項(xiàng)目旨在通過(guò)對(duì)現(xiàn)有的空心電抗器匝間絕緣故障檢測(cè)方法存在的問(wèn)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(cè)方法，并基于該方法對(duì)10kV空心電抗器的匝間絕緣故障檢測(cè)電路的軟件和硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2、 項(xiàng)目研究和實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容

（1）建立空心電抗器匝間絕緣故障檢測(cè)模型，對(duì)脈沖振蕩回路頻率響應(yīng)進(jìn)行傅立葉變換，將時(shí)域波形轉(zhuǎn)換為頻域分析，優(yōu)化脈沖電壓檢測(cè)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(shè)計(jì)10kV干式空心電抗器匝間絕緣短路故障監(jiān)測(cè)的硬件電路，并對(duì)硬件參數(shù)進(jìn)行取值；

（4）基于硬件電路設(shè)計(jì)及其參數(shù)取值，設(shè)計(jì)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(xiàng)目研究和實(shí)驗(yàn)要解決的主要問(wèn)題

（1）建立空心電抗器匝間絕緣故障檢測(cè)模型，對(duì)脈沖振蕩回路頻率響應(yīng)進(jìn)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(cè)系統(tǒng)電路中施加在電抗器上的試驗(yàn)電壓精確度遠(yuǎn)高于僅依靠放電球隙間電壓自然擊穿的放電方式，要求點(diǎn)火控制器的觸發(fā)時(shí)刻精確可調(diào)。

國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展動(dòng)態(tài)

伴隨著國(guó)家對(duì)電網(wǎng)建設(shè)的進(jìn)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(yùn)行時(shí)常發(fā)生燒毀事故,究其原因大多數(shù)是因?yàn)榇嬖谠验g絕緣缺陷。目前,國(guó)外已經(jīng)生產(chǎn)出了電抗器匝間絕緣檢測(cè)設(shè)備,但是造價(jià)比較高,不能為國(guó)內(nèi)廣大電抗器生產(chǎn)廠家所接受。而國(guó)內(nèi)空心電抗器生產(chǎn)廠家眾多,但具有匝間絕緣檢測(cè)能力的很少,大多數(shù)生產(chǎn)廠家憑經(jīng)驗(yàn)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(yùn)行的極少。

國(guó)內(nèi)電抗器匝間絕緣的檢測(cè)方法主要有以下幾種：（1）漏磁場(chǎng)檢測(cè)法。該方法利用霍爾傳感器測(cè)量漏磁場(chǎng)圖,可以測(cè)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(duì)于隱形匝間故障是檢測(cè)不出來(lái)的。（2）高頻振蕩能量吸收法。該方法的原理是當(dāng)通以高頻電流的線圈靠近一個(gè)發(fā)生匝間短路的線圈時(shí),會(huì)產(chǎn)生能量被吸收的現(xiàn)象,若能量被吸收則說(shuō)明該線圈存在匝間短路。（3）雷電沖擊試驗(yàn)法。傳統(tǒng)的雷電沖擊試驗(yàn)對(duì)繞組的縱絕緣,即匝間、層間、段間絕緣等的電氣強(qiáng)度進(jìn)行考核。由于雷電沖擊電壓施加的時(shí)間較短,所以檢測(cè)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(guò)開關(guān)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(yàn)頻率確定在試驗(yàn)所要求的范圍。該試驗(yàn)利用檢測(cè)和對(duì)比施加較低電壓和全電壓下高頻脈沖振蕩電壓波形，對(duì)電抗器的匝間絕緣情況進(jìn)行判斷。該可以產(chǎn)生較高的試驗(yàn)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(cè)匝間絕緣中的優(yōu)勢(shì)，國(guó)內(nèi)大連理工大學(xué)和哈爾濱理工大學(xué)已利用該方法研制出35kV、66kV電壓等級(jí)的干式空心電抗器匝間絕緣裝置。

然而，利用脈沖電壓法進(jìn)行匝間絕緣檢測(cè)時(shí)，所得到的均為電壓的時(shí)域響應(yīng)波形，只有進(jìn)一步分析時(shí)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(yīng)電壓的時(shí)域波形上無(wú)法判斷匝間絕緣故障，需要對(duì)波形進(jìn)行進(jìn)一步處理。

通過(guò)對(duì)時(shí)域響應(yīng)波形進(jìn)行傅里葉變換，可以得到響應(yīng)的頻譜特性。當(dāng)空心電抗器匝間絕緣故障時(shí)，等效電感參數(shù)將發(fā)生變化，會(huì)導(dǎo)致頻率響應(yīng)出現(xiàn)明顯特征的變化。因而，本項(xiàng)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(cè)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(cè)裝置，以準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)空心電抗器的匝間絕緣故障，保證其可靠運(yùn)行，提高電網(wǎng)運(yùn)行的安全性。

本項(xiàng)目學(xué)生有關(guān)的研究積累和已取得的成績(jī)

團(tuán)隊(duì)成員自進(jìn)校以來(lái)就在導(dǎo)師的指導(dǎo)下進(jìn)行科研學(xué)習(xí)，對(duì)高電壓技術(shù)和電機(jī)學(xué)等相關(guān)專業(yè)課程已有前期的了解。在導(dǎo)師指導(dǎo)下參與“飽和鐵芯型緊耦合超導(dǎo)限流器可行性研究”項(xiàng)目研究，對(duì)電路設(shè)計(jì)有一定的了解。

項(xiàng)目的創(chuàng)新點(diǎn)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(zhuǎn)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(zhǔn)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(cè)硬件電路和基于頻域衰減特性比較法的故障檢測(cè)軟件，為進(jìn)一步開展空心電抗器故障檢測(cè)奠定理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

項(xiàng)目的技術(shù)路線及預(yù)期成果

項(xiàng)目的技術(shù)路線

（1） 利用脈沖電壓法檢測(cè)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(jié)構(gòu)的特殊性,確定用脈沖電壓法測(cè)量匝間絕緣的可行性。試驗(yàn)分別在電抗器兩端施加半電壓和全電壓,對(duì)比兩種情況下高頻脈沖振蕩電壓波形,以此來(lái)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(cè)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(hù)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(shí)驗(yàn)時(shí),經(jīng)過(guò)半波或全波整流的電源對(duì)高壓脈沖電容充電,當(dāng)充電電壓達(dá)到指定要求時(shí)。放電球隙導(dǎo)通,脈沖電容與試驗(yàn)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(zhǔn)備。經(jīng)過(guò)數(shù)千次的沖擊,試驗(yàn)繞組沒(méi)有燒毀,并且全壓和半壓波形頻率相等,則可認(rèn)為繞組是完好的。

基于此原理，設(shè)計(jì)出檢測(cè)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(cè)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(cè)硬件電路的設(shè)計(jì)和參數(shù)選擇

電抗器匝間絕緣試驗(yàn)裝置中，由充電回路把電網(wǎng)的電能通過(guò)調(diào)壓器、高壓變壓器、高壓整流珪堆、限流電阻，送到電容器中儲(chǔ)存起來(lái)，這就是電容器的充電過(guò)程。最簡(jiǎn)單的充電回路是由調(diào)壓器T_I、試驗(yàn)變壓器T₂、高壓桂堆Ｄ、保護(hù)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(guò)整流之后，送入電容器Ｃ中儲(chǔ)存起來(lái)。用脈沖電壓法進(jìn)行電抗器匝間過(guò)電壓試驗(yàn)時(shí)，采用正極性沖擊電壓對(duì)試品進(jìn)行絕緣考核時(shí)，擬采用的試驗(yàn)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(shí)間內(nèi)，釋放掉電容器所儲(chǔ)存的大量能量，并使其通過(guò)試品以達(dá)到對(duì)試品進(jìn)行考核的目的。所以放電回路應(yīng)包含主電容、被試品和起快速通斷作用的觸發(fā)開關(guān)。該觸發(fā)開關(guān)選取為球隙開關(guān)，為了減

少球隙上多次試驗(yàn)產(chǎn)生的麻點(diǎn)，串聯(lián)阻尼電阻用以限制球隙放電時(shí)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(cè)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(cè)法等效電路圖

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

其阻尼振蕩過(guò)程中電流i為

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

其中：

主電容的電容量C計(jì)算公式為

同時(shí)標(biāo)準(zhǔn)要求脈沖振蕩頻率應(yīng)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(shí)際情況可在0.2~100之間帶入運(yùn)算。

充電過(guò)程中主電容倆端的電壓為

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

在分析脈沖電壓法檢測(cè)匝間故障的原理基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出10kV空心電抗器匝間絕緣故障檢測(cè)的硬件電路，并根據(jù)常用空心電抗器型號(hào)，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(cè)判據(jù)的研究及對(duì)應(yīng)的軟件開發(fā)。

通過(guò)分析可知在脈沖電容與試品電抗器阻尼振蕩過(guò)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(yīng),致使整個(gè)電抗器的固定電抗率發(fā)生改變,整個(gè)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(yán)重。整個(gè)振蕩電路的電壓和電流衰減速度加快。

圖5 時(shí)域下有無(wú)匝間絕緣故障的響應(yīng)波形（原始波形截圖）

圖6 檢測(cè)回路電壓響應(yīng)的頻域波形

目前，利用脈沖電壓法進(jìn)行匝間絕緣檢測(cè)時(shí)，所得到的均為電壓的時(shí)域響應(yīng)波形，如圖5所示。有無(wú)匝間絕緣故障的時(shí)域波形并無(wú)明顯變化特征，僅從響應(yīng)電壓的時(shí)域波形上無(wú)法判斷匝間絕緣故障，需要對(duì)波形進(jìn)行進(jìn)一步處理。只有進(jìn)一步分析時(shí)域波形的周期特性和衰減特性，通過(guò)對(duì)比試品電抗器在系統(tǒng)額定電壓下和振蕩波試驗(yàn)電壓下兩端的電壓或電流波形頻率及過(guò)零點(diǎn)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(guò)對(duì)時(shí)域響應(yīng)波形進(jìn)行傅里葉變換，可以得到響應(yīng)的頻譜特性，典型的頻譜特征如圖6所示。當(dāng)空心電抗器匝間絕緣故障時(shí)，等效電感參數(shù)將發(fā)生變化，會(huì)導(dǎo)致頻率響應(yīng)出現(xiàn)明顯特征的變化。頻域響應(yīng)波形比時(shí)域波形更易判斷匝間絕緣故障。通過(guò)傅里葉變換將時(shí)域波形轉(zhuǎn)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(cè)判據(jù)的研究及對(duì)應(yīng)的軟件開發(fā)，可以更加準(zhǔn)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(cè)試

基于本項(xiàng)目提出的方法對(duì)10kV空心電抗器的匝間絕緣故障檢測(cè)電路的軟件和硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)，并進(jìn)行集成測(cè)試，為進(jìn)一步開展空心電抗器故障檢測(cè)奠定理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

2.預(yù)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(cè)硬件電路和基于頻域衰減特性比較法的故障檢測(cè)軟件。

年度目標(biāo)和工作內(nèi)容（分年度寫）

（1）2018年4月-2018年5月，查閱資料，對(duì)脈沖電壓和頻域變換方法進(jìn)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(cè)模型，進(jìn)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(shè)計(jì)10kV干式空心電抗器匝間絕緣短路故障監(jiān)測(cè)的硬件電路，并對(duì)硬件參數(shù)進(jìn)行取值；

（5）2019年3月，設(shè)計(jì)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(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，完成結(jié)題工作。

指導(dǎo)教師意見

該項(xiàng)目切合電力生產(chǎn)實(shí)踐，內(nèi)容難度適中，研究方案合理。該小組同學(xué)已具備一定的基礎(chǔ)知識(shí)鋪墊，具有該方向的研究經(jīng)驗(yàn)，可保證項(xiàng)目順利實(shí)施。同意申報(bào)。

簽字：楊鑫        日期：2018.4.26