基于磁场信号的干式空心电抗器故障检测

摘要

干式空心电抗器作为电力系统中重要的电力设备，主要用来限制短路电流和吸收电网中的容性无功，不仅减少了线路损耗，提高了电能输送质量，而且凭借其电抗值线性、结构简单、重量轻、安装维护方便等优点而广泛应用于电力系统中，保证了电力系统的安全稳定运行。　　但自从电抗器投入运行以来，由于其长期工作在高电压环境中，且经常出现局部放电、匝间绝缘缺陷而引发的匝间短路等故障，导致电抗器烧毁事故频发。为了减少电抗器的故障发生率，有必要提出有效的故障检测方法。而一般的故障检测方法普遍存在灵敏度低的缺点，提高了电抗器故障检测的不确定性，影响了系统的正常运行。因此探究可靠性更高或者更灵敏的故障检测方法具有重要的工程意义。　　本文主要将电抗器周围的空间磁场作为一种信号，通过电抗器不同运行状态下磁通密度的分布云图以及磁力线的分布规律来判断电抗器是否故障。针对此问题，本文首先建立了干式空心电抗器正常状态以及不同短路故障状态下的物理模型，在此基础上利用解析法得到了不同包封各绕组电流的数学解析模型以及空间磁场的解析模型，并利用MATLAB编写了电感与磁场的计算程序。为了避免该方法计算量大、运行速度慢等缺点，最终将有限元法作为干式空心电抗器磁场的研究方法。其次利用ANSYS软件建立了66kV干式空心电抗器的二维有限元模型，并结合场-路耦合分析模型，从解析原理和软件仿真两个方向出发，将所得到的计算结果进行对比分析，最终验证的该方法的可行性。与此同时针对电抗器在运行过程中经常出现的股间短路或匝间短路故障，模拟了电抗器在不同包封不同位置发生股间短路以及匝间短路时电抗器的运行状态，并得到了不同故障状态下磁通密度和磁力线的分布规律以及不同位置故障电流的变化规律。　　最后，通过搭建实验平台，得到了电抗器在不同运行状态下各支路绕组的稳态电流以及故障前后的暂态数据，得到了故障电流与短路位置的关系，并与仿真规律进行对比，进而验证该方法的可行性，为电抗器故障的有效监测提供了参考意见，也为电力系统安全稳定运行以及电抗器的制造提供了新的思路和理论基础。

目录

声明

1 绪论

1.1 电抗器的研究背景与意义

1.2 干式空心电抗器概述及国内外研究现状

1.2.1 电抗器磁场计算的研究现状

1.2.2 电抗器故障检测的研究现状

1.3 本文的主要研究内容

1.4 本章小结

2 干式空心电抗器空间磁场理论计算分析

2.1 干式空心电抗器的物理模型

2.2 干式空心电抗器物理参数及空间磁场的计算

2.2.1 汇流母排各支路绕组电流的计算

2.2.2 干式空心电抗器自感及互感计算

2.2.3干式空心电抗器空间磁场解析计算

2.3 干式空心电抗器磁场研究方法的确定

2.4 本章小结

3 干式空心电抗器短路故障磁场分析

3.1 有限元仿真基本原理

3.1.1 有限元仿真软件ANSYS简介

3.1.2 ANSYS电磁场问题的计算原理

3.2 电抗器有限元仿真模型建立

3.3 干式空心电抗器正常运行磁场仿真分析

3.3.1电抗器正常稳态下电流对比校验

3.3.2 电抗器正常稳态下磁场对比校验

3.4 干式空心电抗器股间短路状态磁场仿真分析

3.5 干式空心电抗器匝间短路状态磁场仿真分析

3.5.1 匝间短路故障电流变化规律

3.5.2 匝间短路磁场变化规律

3.6 本章小结

4 干式空心电抗器故障实验研究

4.1 实验方案与实验平台

4.1.1 实验方案与实验设备

4.1.2 稳态实验电路设计

4.2 稳态试验结果分析

4.2.1 股间短路稳态分析

4.2.2 匝间短路稳态分析

4.3 暂态试验结果分析

4.3.1 暂态实验电路设计

4.3.2 股间短路暂态分析

4.3.3 匝间短路暂态分析

4.4 故障检测试验

4.4.1 器件选择

4.4.2 下位机控制设计

4.4.3 上位机控制设计

4.4.4 检测系统验证

4.5 本章小结

5 总结与展望

5.1 工作总结

5.2 后期工作展望

致谢

参考文献

个人简历、在学期间发表的学术论文及取得的研究成果