基于流体分析的并联电抗器局部放电的识别与定位研究

何毅帆

（美国雪城大学L·C·史密斯计算机科学与工程学院，美国 纽约 13244）

基于流体分析的并联电抗器局部放电的识别与定位研究

何毅帆

（美国雪城大学L·C·史密斯计算机科学与工程学院，美国 纽约 13244）

针对目前电抗器需要进行内检才能确定放电点个数的问题，基于流体力学以及溶质扩散的相关理论，分析了电抗器内部绝缘油的流型特征，建立了不同位置局放后乙炔的运动轨迹及在线气相色谱信号的变化模型，提出了利用在线色谱数据判断局放点数目和位置的方法，并对实际案例进行了分析。结果表明，乙炔在油箱中的运动主要依赖于油箱中绝缘油的流动，呈现出多阶段的振动衰减变化模式，可以利用乙炔浓度曲线的峰值平台期个数和不同采样口间曲线峰值时间指纹判断局放点数目和位置，并在实际案例中得到了验证。

在线监测；并联电抗器；局部放电；乙炔

0 引言

并联电抗器常用于超高压、特高压输变电系统中，其功能为补偿长线路电容效应，限制系统电压升高和操作过电压的产生，改善供电质量并保护有电设备，保证线路的可靠运行，增加系统安全性[1-2]。

由于运行工况或自身设计、质量等问题，在运行过程中电抗器内部可能会引发表面间歇性放电，缓慢改变放电部位的表面结构，逐步发展成较为稳定的小放电通道，造成电抗器效能与稳定性下降，严重时可能会危及电网的运行安全[3-4]。

目前通行的电抗器局部表面放电诊断方法为电抗器油样内特征气体含量的色谱分析[5-6]。仅利用特征气体含量与发展趋势来判断电抗器的运行状态和放电严重程度，最终通过停役解体、人工介入等手段来确定故障点的数目和位置。但单纯依据特征气体含量诊断电抗器故障的方法，一方面使得在线色谱所提供的大量信息被浪费，另一方面也无法准确判断电抗器的内部局部放电（简称局放）情况，威胁设备运行安全。

基于流体力学及气体扩散等相关理论，分析了电抗器内部绝缘油的流型特征，讨论了不同位置局放后乙炔的运动轨迹及在线气相色谱信号的变化模式，提出了利用在线色谱数据判断局放点数目和位置的方法，并以实际案例数据进行了验证与分析。

1 并联式电抗器典型结构

通过电抗器油色谱特征气体的变化信息来判断局放点的数目和位置，关键是分析特征气体在电抗器内部的流动规律和流动方式，这与并联电抗器的内部结构有关[7]，并联电抗器的典型结构如图1所示。

图1 并联电抗器典型结构

一般电抗器的核心结构为油槽以及浸没入油槽中的铁心。铁心为侧立日字形结构，心柱上缠有线圈，线圈上有连接结构且线圈完全被绝缘油浸润。心柱为由多个硅钢片-大理石铁心饼叠加而成，呈塔板结构，如图2所示。

图2 铁心饼结构

这种塔板结构的主要优点是：在保证足够的机械强度且最小化磁通绕行损耗的同时，最大限度提升线圈热交换面积，降低电抗器温升。

铁心外侧的框体为铁轭，由冷轧硅钢片组成，最外侧除少量附加结构外基本光滑。铁心与油箱壁之间留有较大的空隙[8]。

2 并联式电抗器绝缘油的流型分析

液体在开放管道中流动时，其流动方式主要受液体流速、当量直径、液体粘度、液体密度和流经长度的影响。通常以雷诺数来判断开放管道中液体的流动模式[9]。

式中：Re为雷诺数；ρ为液体密度；v为液体流速；μ为液体粘度系数[10]；d为特征长度、等效直径（若管道不为圆形，通常以等效浸润直径作为d[11]）；A为管道截面面积；P为湿周周长，油箱中为其垂直流向截面周长。

在管流中Re小于2 300时为层流，Re大于4 000则为湍流。对于铁芯和油箱箱壁之间的部分，由于铁心外侧和油箱壁内侧均相对光滑，在液体流动方向上没有阻碍物，因此此部分的油体运动可认为管道流[12]。

在以变压器油为绝缘油的情况下，其流动的雷诺数为：

式（2）中管径长度一般为数米，管道流速一般约为1 m/s；显然上式中Re远大于4 000，所以在铁心外侧和油箱壁之间，绝缘油以湍流方式流动。

常见的并联式电抗器并无油泵，绝缘油主要依赖受热后产生的密度变化引起的自下而上对流运动，在散热器中冷却后重新回到油箱中。这种无机械力扰动的流动主要特征为垂直无返混，保持连续的密度梯度，而在横向上无流动限制。结合式（2）的结果，可以推断：在油箱壁和铁心外侧之间绝缘油做横向充分混匀，垂直方向无混匀的湍流流动。

心柱内绝缘油的流动受到大理石柱以及塔板的阻碍，在纵向方向上无法流动，横向方向具有大量支流回路。因此可认为在心柱内绝缘油纵向速度为0，两层塔板间绝缘油快速充分混匀。流出心柱的绝缘油首先会经过致密的线圈层，在线圈层内，上下几层塔板的绝缘油会部分混合，但距离太远塔板的绝缘油不参与该混匀过程。流出线圈层之后剩下的空间基本是开放且无阻碍的，此部分的流动与铁心和油箱壁之间的流动方式相同[13]。

3 乙炔在绝缘油中的运动规律

图3 局放后短时间内乙炔分布示意

并联电抗器内部局放后产生的主要特征气体为乙炔[14-15]，是绝缘油在放电作用下碳链断裂生成。因此在实际的故障诊断中，乙炔的浓度变化也是判断电抗器内部是否有局放的重要判断依据[16]。因单次局放时间极短（ns或μs级别），放电点不会有明显的气泡生成，且乙炔易溶于于绝缘油，因而每次局放产生的乙炔会快速溶于局放点附近的绝缘油中[7]。此时，乙炔在绝缘油中的扩散运行遵守菲克定律[17-18]。

式中：c为浓度，场量；D为扩散系数，二阶张量；t为时间；▽为梯度算子；J为扩散通量，三维向场量。

因乙炔自身的扩散通量小、扩散速度慢，因此溶解的乙炔在油中的运动主要分为两部分，一部分为被动扩散，依赖于绝缘油的流动；另一部分为由热运动引起的自由扩散。自由扩散的速度取决于物质浓度和温度，物质浓度越大，温度越高，自由扩散越快。在局放发生后，放电区域内绝缘油中的乙炔仍然保持相当低的浓度（一般小于100 L/mg），同时并联式电抗器的温度在300～350 K之间，在低浓度低温度下自由扩散速度远小于依赖流体的被动扩散。因此，局部放电发生后乙炔在油箱中的运动主要依赖于油箱中绝缘油的流动。

当局放发生的部位为铁心内时，由于塔板层间的不规则湍流，乙炔会迅速扩散至塔板间所有的绝缘油内，形成一个高乙炔层。从塔板间流出经过线圈时，由于上下部分绝缘油参与混匀，这个高乙炔层的厚度会增加。进入铁心和油箱壁之间后，由于在此部分绝缘油横向完全混匀，故而在短时间后将在铁心和油箱壁之间形成一个具有一定厚度的乙炔层，此时层内各处乙炔浓度基本一致，如图3所示。图3中以灰度表征乙炔的浓度大小。

当局放点在线圈内侧靠近塔板时，在局放发生的短时间内，放电产生的乙炔主要聚集在放电部位附近的两层塔板之间。少量放电产生的乙炔扩散至线圈以外的油箱区域形成一层厚度略大于塔板间隔的含乙炔层，该层内乙炔的浓度相同。

当局放点位于线圈外侧时，只有少量乙炔能够通过线圈进入塔板，其在外产生的等浓度乙炔区域的高度小于局放点在线圈内侧下的情形。

含乙炔层的绝缘油从局放点开始随油箱内绝缘油流动而上升。因铁心和油箱壁之间绝缘油上下间不会发生混匀，所以在运动时高乙炔浓度层的厚度不会进一步增长。但是，由于热运动的存在，部分乙炔会脱离高乙炔层，形成一个扩散层。在扩散层内，从靠近含乙炔层侧开始直至外延乙炔浓度逐渐降低，并且在延绝缘油运动正方向上扩散层具有较小的厚度。形成这种现象的原因主要有以下两点：

（1）在沿绝缘油运动正方向上，绝缘油运动抵消了大部分乙炔的扩散。

（2）在沿绝缘油运动负方向上，铁心内部的高乙炔层在短时间内不能完全流出，使得持续含有乙炔的绝缘油进入铁心和油箱壁之间的区域，一定程度增加了扩散层的厚度。

当绝缘油运动到最顶层后将会进入散热器，在散热器内绝缘油将持续发生混匀。由于散热器内部管道容积小于油箱，在再次流入油箱的绝缘油中仍然存在浓度较高的部分。这部分绝缘油最高浓度小于未经散热器混匀前，但仍具有一定的浓度，散热器内部管道的体积越大，最大和最小浓度之间的差值越小。

4 气相色谱信号模式分析

气相色谱结果反映的是采样口附近绝缘油中乙炔的浓度。对于单次局放来说，色谱结果将保持稳定直到扩散层的前沿流至采样口附近。扩散层前沿到达后，采样口附近的乙炔含量将快速上升直至高乙炔层流至该处附近，但乙炔含量增长速度将快速下降，直至进入一个平台期。在含乙炔层全部通过采样口附近后，色谱结果中的乙炔含量将开始逐渐降低，该降低速度将低于前一阶段上升的速度。至扩散层完全通过采样口后，色谱结果中乙炔的含量达到最低值。

之后，当散热器中含乙炔的绝缘油进入油箱并通过采样口，此时色谱中的乙炔将重复之前的上升下降，类似驼峰曲线的过程。但此时，乙炔上升和下降的速度都将显著放缓，并且其最大值将明显变小。该过程将重复若干次，每次的上升和下降速度均较前一次缓慢，且最大值依次变小，最低值依次变大。最后油箱内的绝缘油完全混匀，乙炔稳定在一个较高的含量值。

图4所示是一个单一位置单次局放后，在顶端采样口可能监测到的乙炔浓度随时间变化曲线的示意图。T=0时为放电发生时刻，在T=0和阶段1之间，放电产生的乙炔尚未到达采样口，此时采样口附近的乙炔浓度维持在基础浓度。阶段1为含乙炔层及前扩散层流至采样口附近，此时乙炔浓度将在短时间内快速上升。阶段2为后扩散层通过采样口附近，此时乙炔的浓度随时间下降，其下降速度小于阶段1的上升速度。阶段3为含较高乙炔含量的绝缘油在散热器内混匀后重新进入油箱并经过采样口时，此时采样口附近的乙炔浓度再次上升但速度较慢，最大值小于阶段1下的峰值。阶段3后会继续观测到乙炔浓度随时间振荡直到维持在一个新的基础值上。

图4 局放后色谱中乙炔含量随时间变化曲线

在阶段1和阶段2之间，色谱中的乙炔浓度有一个较为平缓的平台期。当局放点位于线圈内侧靠近塔板时，该区域会出现一个比较明显的平直平台期。当局放点在线圈外侧时，其平台期并不明显。

对于具有多个采样口的电抗器，若发生局部放电的部位明显高于采样口位置，则该采样口将不会出现典型色谱结果中阶段1与2而直接呈现阶段3的结果。对于同一次放电，不同的采样口出现第一个乙炔峰值的时间也不同，高峰之间的时间差可作为放电位置的指纹。对于具有3个或更多在垂直位置不重叠分布的采样口的电抗器，可通过采样口间的峰值时差指纹来区分不同高度的局放。

对于多次放电，最顶端采样口的色谱结果将呈现出多个单次放电的叠加结果。按照峰值平台期出现的次数可以判断放电点的数目。但若同一高度短时间内有多个放电点，按照该方式分析得到的放电点数目将少于实际的放电点。

5 案例分析

2014年12月1日至2015年1月30日期间，某变电站运行中的高压电抗器A相曾出现局放缺陷。期间，该电抗器底部采样口处的在线乙炔数据如图5所示。从图5的原始数据中可见，1 000 h前后2次乙炔浓度降至0，这是因为滤油的原因。第一次滤油后由于电抗器内绝缘纸和其他结构的储油，造成滤油后段时间内乙炔含量快速上升。

图5 高压电抗器A相在线乙炔含量

从图5可见，在线乙炔含量曲线中的毛刺噪声较为明显，为了更明显地看出数据规律，将图5中的波形进行平滑处理，如图6所示。

从图6可见，乙炔含量在采集时间内共有3次阶跃上升，并且最大值不断增大，因此可推断在2014年12月1日至2015年1月31日间该高压电抗器共发生3次局放，这一结论与相关单位出具的内检报告一致。

由于在线色谱采样口仅有一个且在电抗器底部，因此未出现图4中的阶段1和阶段2的结构，只有阶段3及之后的部分，并不能很好地看出乙炔变化曲线的完整精细结构；单个采样口只有一条浓度-时间曲线，无多个浓度-时间曲线间的指纹结构，也就无法判断3次局放是否由同一放电点产生。同时因3次放电的时间较为接近，浓度-时间曲线叠加程度高，3个突跃峰分离度较差，因此，无法通过该在线色谱数据判断局放点的大致位置。

图6 经平滑处理后的高压电抗器A相在线乙炔含量

6 结论

通过分析不同位置下电抗器内部局放后乙炔在绝缘油的变化特征，认为乙炔在油箱中的运动主要依赖于油箱中绝缘油的流动；讨论了不同位置局放后乙炔的运动轨迹及在线气相色谱信号的变化模式，提出了利用乙炔浓度曲线峰值平台期的个数和不同采样口间曲线峰值时间指纹来判断局放点数目和位置的方法，并在实际案例中得到了一定的验证。

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（本文编辑：杨 勇）

Recognition and Location on Multiple Partial Discharge in Shunt Reactor Based on Fluid Analysis of Chromatogram Data

HE Yifan
（L.C.Smith College of Engineering and Computer Science，Syracuse University，NY USA 13244）

In order to avoid the number of partial discharge（PD）in shunt reactor must be determined by internal examination，the fluid flow characteristics of insulation oil in the reactor is analyzed based on the hydrodynamics and diffusion theory.The movement track of acetylene and variation model of on-line chromatogram with different PD positions are built in this paper.A new method to determine the PD number and position by employing the on-line chromatogram is proposed.Finally，a practical case is analyzed by using the proposed method.The results show that the acetylene movement is mainly determined by the flow of insulation oil in oil tank and it presents several variation modes with oscillation attenuation.The PD number can be diagnosed through the number of peak platform in acetylene variation curve，and the PD position can be deduced by comparing the peak time finger chromatogram of acetylene variation curve between different sampling ports.Finally，the proposed method is verified by the reality case.

online-monitor；shunt reactor；partial discharge；acetylene

TM866

B

1007-1881（2015）09-0010-05

2015-07-13

何毅帆（1991），男，硕士研究生，研究方向为化学工程。