750kV高压并联电抗器的振动测试与故障分析

赵若希

（国网陕西省电力有限公司超高压公司，陕西 西安 710038）

并联电抗器可有效补偿特高压电网的电能[1]，抑制过高工频过压，是特高压远距离输电线的一种重要装置。在这2类装置中，由铁芯异常和线圈变形引起的故障所占的比重较大。振动过大等一系列问题日益凸显，750kV并联电抗器发生波纹管破坏事故的主要原因是振动过大。因此，对铁芯、线圈的工作情况进行检测与分析是对变压器、并联电抗器工作情况进行监控的关键。

文献[1]使用振动信号进行高压并联电抗器故障诊断方法与监测系统研究。对于高压并联电抗器的纵向绝缘，无论是在电压冲击下，还是在系统超出额定电压的情况下，对铁心线圈的电压梯度分布和铁心的安全性均进行了研究。因此，该文提出750kV高压并联电抗器的振动测试与故障分析。

1 750kV高压并联电抗器的振动测试与故障分析方法

1.1 布置高压并联电抗器的测点

表示高压并联电抗器的振动特征的频率、功率和能量等信息保留在设备运行的实际运行记录中。分析高压并联电抗器的主要问题是绕组末端的电场分布比较复杂，为保证其绝缘的可靠性，需要明确其在工作中承受多种不同类型的过电压作用下的场强分布。对于高压并联电抗的纵绝缘结构，也要了解当工作电压超出额定电压时，绕组的纵绝缘电压分布[2]。

测点的设置不仅要能反映出电抗器的真实振动状态，还要保证测试点设置的合理性和安全性。由于反应器罐顶与高压荷电较接近，因此为了安全起见，布置测点位置时，测点不应该直接设在并联电抗器的罐顶上，而应该设置在罐顶周围的壁面上。这样可以远离高压荷电极，降低潜在的安全风险。该文将电抗器箱壁的每个面划分成若干长方形区域，每个长方形区域的中心点即为一个测点。建议按照规定的方向和顺序对测点进行编号，以便进行数据分析和处理时能够准确地对应每个测点的位置和信息。布置测点间的距离时，通常不超过50cm，确保测点间有足够的空间用于放置测点，并且能够覆盖整个电抗器的表面，以准确反映其振动特征。需要注意的是，具体的测点布置可能受设备类型、规格要求以及安全规范等的限制，在实际应用中可以根据具体情况进行评估和决策调整。

1.2 采集振动信号特性

完成布置测点后，采集750kV高压并联电抗器的振动信号，将电抗器设定为正常情况的75%，或者彻底松开，利用振动传感器和信号采集卡获得每个测点的振动信号。750kV高压并联电抗器在运行过程中会产生部分周期性振动现象，一个原因是当电流流经铁心时，铁心硅钢板将发生磁致伸缩效应，使其横向延长，纵向缩短，引起其周期振动。另一个原因是主磁路的磁场通过具有不同导磁性的铁心饼与间隙介质，并在2种介质间形成了电磁力，引起间隙介质膨胀，进而引起振动。因为电磁力的方向在一个电流循环中有2次改变，所有电感的铁心振动频率是95Hz[3]。

由于在运行过程中，高压并联电抗器内部的磁场、受力等会发生变化，并引起其振动信号的变化，从而为利用电抗器的振动信号进行线圈、铁心等故障的诊断提供理论基础。因此，当高压并联电抗器松脱后发生故障时，振动信号幅值、波形均将产生变化，除幅值、主元系数Mhc外，还应考虑其他能够表征频率和波形的参量[4]，通过对振动信号的幅值（如95Hz或150Hz）等方面进行指标提取，实现故障诊断。偏态度量的是信号资料分布的对称性，尖峰程度是指振动故障信号分布的平坦程度。因为振动信号中的有效成分多为低频成分[5]，所以该文对1kHz以下的频率成分进行了分析。

上文中的分段离散功率谱表示的是一种信号功率谱，如公式（1）所示。

式中：N为测量的采样点数；f为测量的采样率；o（k）为80Hz～100Hz中所有频率分量幅值平方之和。

由于高压并联电抗器的结构较复杂，因此在电抗器中会产生反射和折射等多种非线性因素。不同情况下，每个谐波分量的幅度都会不同。

1.3 诊断750kV高压并联电抗器内部故障

高压并联电抗器是电力系统中最主要的一种无功补偿装置，其工作的安全、稳定和可靠将影响整个电力系统的安全和稳定。高压并联电抗器是可控电抗器中的一类，其结构与其他可控高抗相比有一定的特殊性，其失效机制也比较复杂。故障发生时，电力系统中将会产生巨大的过流、过压，进而危及整个系统[6]。

当750kV高压并联电抗器控制绕组出现大容量大匝间故障时，会造成匝数不对称，也即控制绕组谐波除了包括直流和偶次谐波外，还包括其他奇次谐波。此外，因为故障控制绕组左、右芯柱感应电动势不再相同，所有会在故障相控制绕组上产生不平衡感应电动势Δe，如公式（2）所示。

式中：w为电抗器的短路匝比；χ为控制绕组的额定电压。

振动信号中的幅值、成分系数、均方差以及公式（2）中的不平衡感应电动势Δe，一起构成了电抗器内部故障特性，其故障诊断如公式（3）所示。

可以看出，所提取的特征只与电抗器的机械状态有较强的相关性，和工作电压的相关性并不显著。因此，该文提出的特征值能够有效降低电网波动对振动的影响，提高故障诊断的准确性。

当750kV高压并联电抗器正常运行时，控制绕组为三相对称，其偶次谐波可互相抵消。但单相故障会导致三相间的批次谐波无法消除，并且控制绕组母线的等效电阻较小，其过流较大，故障电流为额定电流的5倍。由于存在控制绕组故障电流，因此将其反映到网侧绕组中就会出现如下现象：网侧绕组电流涌现，为额定值的5倍左右，并且网侧绕组谐波含量较大。如果将其注入电网，就会影响电网的电能质量，引起严重后果。

2 试验测试与分析

为证明该文提出的750kV高压并联电抗器的振动测试与故障分析方法的有效性，现进行试验测试，比较该文方法与传统方法1、2的故障分析效果。将该文方法运用在试验测试中，检验其能否满足规定的测试标准和取得良好的分析效果。

2.1 试验准备

试验将二维轴对称电场作为试验环境进行模拟分析与计算。在模拟分析和计算过程中，将750kV高压并联电抗器使用的导线及其绝缘部件作为图形输入物体，在图形接口中指定导线上的电荷分布，并将特定的导线标记为悬浮点位。这样可以对导线上的电场分布进行模拟分析和计算，并将结果直接显示在图形接口中。在纵向绝缘分析中，根据线绕头端采用全波法、线绕头端采用截波法、线绕点侧采用全波法、线绕中间性点侧采用截波法对线圈电势和坡度进行模拟分析。对主绝缘进行模拟分析时，将重要的高场强区域作为重要的绝缘部件进行高压并联电抗器的振动计算与分析。该试验所用模型的额定参数见表1。

表1 额定参数

试验选用的绝缘结构示意图如图1所示。

图1 绝缘结构

2.2 试验结果与分析

对该文方法与其余2种方法进行振动故障测试，再比较3种方法的测试结果，其试验结果见表2。

表2 试验结果

由表2中的最大振动数值结果可知，和该文方法相比，其余2种方法与试验设定的最大振动值误差较大。方法1的最大振动误差数值为56μm，最小误差达12μm，方法2最大振动误差数值为77μm，最小误差到达28μm。而该文设计的750kV高压并联电抗器的振动测试与故障分析方法的最大振动误差数值仅为3μm，并且在测试序号6的试验中，高压并联电抗器的振动测试与故障分析方法检测出的最大振动值为30μm，该数值与试验设定的最大振动值一致，此时为0误差。对比3种方法的最大误差可知，该文设计方法的最大振动误差数值有所降低，和方法1、方法2相比，最大振动误差数值降低了50μm以上，并且其检测出的最大振动值与实际值最接近。该试验结果说明，该文设计的方法有效降低了最大振动误差数值，在一定程度上提高了方法的性能，也证明该文方法具备有效性。

试验进行了3号测点的频谱分析，进而分析出故障发生的原因。测试出的电抗器3号测点频谱图如图2所示。

当主磁路通过2种介质时，即高磁导率的铁饼和低磁导率的空隙，2种介质间会形成麦克斯韦力场。该力场的强度是电流的2倍，从而降低了磁场的能量。从频谱分析可知，电抗器的各测点处的振动频率均在100Hz附近，而且在测点处频谱与时间域振动值较接近，表明电抗器振动是由主磁路中绝缘体产生磁致伸缩效应导致的。

为了进一步验证该文方法对故障分析的准确性，该文以故障分析准确率为性能评估指标。该性能评估指标的数值越高，则说明方法的准确性越高，指标值的最高值为100.00%。在试验过程中模拟1000个故障样本，应用方法1、方法2和该文方法分析这些故障样本，获取故障分析准确率。不同方法的故障分析准确率试验结果见表3。

表3 不同方法的故障分析准确率

根据表3可知，3种方法的故障分析准确率均较高，其数值均在97.00%以上。虽然3种方法的准确率均存在一定波动，但波动均较小，可以满足实际需求。但是通过详细分析可知，该文方法的故障分析准确率均高于99.50%，并且在1000个故障样本数据达到99.80%。比较方法1和方法2，方法1比方法2的故障分析准确率高，但是方法1的故障分析准确率最高值仅为98.88%，最低值达98.50%。方法2的故障分析准确率的最低值为97.50%，最高值仅为97.83%。对比故障分析准确率数值可知，该文方法的故障分析准确率提高了0.92%，并且最趋近100.00%的故障分析准确率。由此可知，该文设计的750kV高压并联电抗器的振动测试与故障分析方法具备更高的故障分析准确率，有效提高了故障分析准确性，该方法的性能更优。

综上所述，该文提出的750kV高压并联电抗器的振动测试与故障分析方法可有效测试750kV高压并联电抗器的振动，并可有效分析750kv高压并联电抗器的故障。该文为了进一步验证该方法的性能，以故障分析准确率为性能评估指标，分析了该方法的故障分析准确率，该数值最高达99.80%，最低故障分析准确率也达到了99.50%，因此，试验结果充分验证了该方法可以测试750kV高压并联电抗器的振动与分析故障，对相关研究有一定参考价值。

3 结语

以往对高压并联电抗器绕组铁心松弛时的表面振动信号幅值、方差、200Hz频率成分所占比例的变化进行过研究。相关分析结果显示，在200Hz、300Hz和500Hz的情况下，高压并联电抗器的状态与其所处的频率有很大关系。利用该方法，该文对电抗器故障进行了故障诊断，其故障诊断精度较高。并通过试验验证了该文提出的高电压并联电抗器的振动测试与故障分析方法可以精确地对其进行在线检测，能满足实际生产需求，具有较高的应用价值。