空芯电感器的无线差动保护外文翻译资料

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空芯电感器的无线差动保护

D.李察布朗.III，杰瑞米·斯莱特，亚力山大E.伊曼纽尔

摘要：本文介绍了一种检测空芯电感器匝间错误的新型无线差动保护系统。所提出的系统由放置在空芯电感器的相对底部的一对悬浮的磁场传感器组成，通过无线方式传输他们的测量结果到远程接收器, 接收器比较来自来自传感器的磁场测量结果，并触发报警，如果均方字段差值超过指定的阈值，就会中断电路。本文的主要贡献：基于几个新特点提出了具体实现此差动无心电感器保护系统，基于表明了灵敏度和延迟的实验结果提出的保护系统。我们的研究结果表明，在并联电感器中部署已设计好的系统有助于在早期诊察和解决由匝间错误引起的电力灾难后果。

关键词：信息交流系统，电感器，保护，变压器。

1引言

交流输电线路中的分布电容会导致输电线路的接收端电压明显超过发送端电压，这种被称为电容效应的现象，在轻载、远距离交流高压输电线路中尤为明显。如果不进行补偿，由电容效应产生的过电压会导致明显的开关和设备损坏。轻载交流输电线路中解决过电压的通用方案是在高压（高压或超高压）的接收端直接并联电感器^[1]。这种高压或超高压的并联电感通常需要仔细进行机械设计、绝缘油和冷却设计。另一个常用方法是在降压变压器或自耦变压器的第三方使用并联电感^[2]。这些中压（MV）电感设备相比之下比较简单，大多数通常设计为干式简单筒状线圈。以上这两种方法，并联电感器是为了改变轻载输电线路的电气特性，减轻由于电容效应引起的过电压^[3]，[4]。这两种方案都已被证实有效，且在实践中广泛应用。

两种补偿方式的一个共同的特征问题是在并联电感初期检测匝间故障的难度。挑战源于一个事实，即一个内部故障，它涉及少量的匝数不增加线路电流的水平，需要跳闸一个典型的过流继电器。虽然故障电流足够大，以加剧由电感器产生的热损害，而电感线电流的需求，只有在内部故障的开始阶段略有增加。只有当电弧故障升级到一定显著程度时，才能通过线电流的观察值检测到故障。然而在这个阶段，电感的热损伤往往是广泛的，是失去电感特性而不可挽救的，并在许多情况下发生附带损害。

在20世纪70年代，基于保护系统的传感器线圈，被提出作为用于检测并联电感匝间故障^[5]，[6]。这些传感器线圈保护系统在检测早期阶段的匝间故障是有效的。不幸的是，文献[ 5 ] [ 6 ]描述的系统，需要在电感接地结构的两端安装大型传感线圈。而这种设计对安装在充油高压和超高压线路的并联电感而言是可行的，对常用在降压变压器和自耦变压器第三方、安装在中压干式线路的简单柱形传感器线圈而言是不可行的。

本文提出了一种新的差动式传感器线圈为基础的保护系统，解决了原来的传感器线圈保护系统在文献[ 5 ]，[ 6 ]中涉及的这个问题和其他几个缺点。具体而言，我们建议的无线差动保护系统采用了一对小，价格低廉，浮动传感器，同时配备无线数字发射机。浮动传感器安装在干式圆柱形电感两端，但不需要布线或对电感进行大范围修改。该传感器传输包含在该电感器的相对端的磁场强度的数字化信息，并且是时间复用的，以便它们不互相干扰。接收机调谐到和发射器相同的频率，解码传输获得传感器的现场测量。然后这种信息用于计算平均平方字段的差异，可以用来激活一个报警或跳闸信号。本文的主要贡献是对一个特定的无线差动保护系统的描述和以我们的无线差动保护系统为原型演示的实验结果，结果表明该系统能够有效的快速识别空气芯电感的小型匝间错误。

本文组织结构如下。第二节评论差动保护的基本概念，并提供了一个理论分析的线电流、故障处电流和发生在一个故障的圆柱形空气芯电感的各种大小和位置故障的磁场差异。第三节介绍了拟议的无线差动保护，并提供了一个用于实验室实验的具体的设计实例的原型系统。第四节介绍了使用一个空气芯电感、原型传感器/发射对，和原型接收机的无线差动保护系统的灵敏度和保护延迟的实验结果。最后，第五节总结了论文的主要贡献，并概述了未来研究的潜力领域。

2使用传感器线圈的方式处理并联电抗器内部故障

用于并联电感器的传感器线圈保护方案由匝间错误这个现实所激发，特别是在早期阶段，通常只会在线路电流需求的故障电感器处产生小的增量。因此，传统的过流保护对用于在其早期阶段检测这种类型的故障而言是不够的。传感器线圈保护系统试着解决这一问题，它测量的是磁场干扰，而不是由于匝间错误引起的通过电感的线电流。本节介绍了在文献[ 5 ]和[ 6 ]提到的用于并联电感的原始传感器保护系统的基本操作原理，并将这一想法拓展到干式圆柱形电感的研究。

原始传感器线圈保护系统的设计是为了保护通常用于高压和超高压传输系统的昂贵的充油绝缘芯电感。这个想法的第一个应用程序是一双柱电感器，结构如图1所示。在这一示例中，相同的一对（接地）轭放在双柱电感结构的两端。传感器线圈被放置在每一磁轭附近。在正常工作条件下，进入每个传感器线圈的总磁通等于离开每个传感器线圈的总磁通，因此，在每个传感器线圈引起的电压约等于零。当一个匝间故障发生，即一个磁干扰发生的瞬间，磁通分布变得不平衡，由此导致传感器线圈电压将不等于零。原来在文献[5]中提到的传感器线圈保护系统利用感应线圈的串联电压来触发电压驱动继电器，以便快速地发现故障，并保护电感器免受任何额外的热损害。

图1双柱并联电感线圈保护系统（文献[5]）

虽然文献[5]中提到的原始的方法是专为特定的双柱电感结构设计的，传感器线圈的概念也适用于单柱圆柱形电感，如图2所示。在这种情况下，大型磁轭和传感器线圈被一对相对小的、结构相同的“冰球”型传感器线圈（称为传感器和传感器B）所替换。这些传感器被放置在圆筒形电感器的相对两端，并对其进行串联，使串联电压是等于电压差。在正常运行时，由于在电感器相对两端磁场的对称性，由传感器连接的磁通量是近似相等的。因此，在传感器输出线圈的感应电压和将是大致相同的，电压差将约为零。需要注意的是，不像图1所示的原始系统，在正常运行时，该系统的电压和不等于零。但是，电压差将约等于零。因此，我们称这个系统为一个差分传感器线圈保护系统。当匝间故障发生在一个非中心段（）的电感，电感的内部磁场的分布变得不均匀。假设在一般情况下，上述故障发生在圆柱形电感器的中点，传感器A将比传感器B通过更小的磁通量，电压差变为负值。就如同在原始系统中，该电压可以用来驱动保护继电器来快速切除故障。

图2 一种单柱圆柱形电感的差动式传感器线圈保护系统

以下部分对单柱圆柱形电感的差动保护系统进行了直观的描述，其精度更为精确。首先，我们描述了一个发生故障的圆柱形电感器的集总电路模型，以此来获得由匝间错误导致的线电流增量的理论预测值。然后，我们推导出电感两端磁场的理论值，以便准确地描述的差动保护系统的工作原理。

2.1柱形电感线圈匝间错误的线电流分析

为了进一步研究有故障的柱形电感线圈的线电流理论值，提出了一个简单的有故障电感器的集总电路模型，如图3所示。为了分析这个系统，首先，我们导出控制方程，得到该系统中作为功能性电阻、电感、线路互感的电流和电压。然后，对这些电路元件，我们推导出电感器的物理特性。

图3一种柱形电感的故障等效电路

假设故障阻抗为零，在图3中所示的电路中的电流和电压，由矩阵表达式控制:

（1）

其中，，f是电力系统的频率，=，V是电力系统的有效电压。

表1 电感两端之间的距离和所用互感的计算

为了获得图3中电路元件电感的物理性质表达式，设定附加符号会更加便捷。我们定义段长度l（米）为：

（2）

（3）

l3= （4）

其中，h，和的定义如图2所示。假设故障发生在上述提到的电感中点，这些量分别对应较短的无故障段，有故障段，和较长的无故障段。除去另外说明，所有长度单位是米。

根据设定的标号，公式（1）中的电阻计算方式为：

（5）

其中，D是电感线圈的直径，h是电感线圈的高度，N是总匝数，是用于构建电感线圈导线的单位标称电阻。公式（1）中，对于矩形截面的环状线圈（文献[7]，143页）的自感L1，L2，L3，可以使用标准方法计算。

其中Li的单位是uH，文献[7]中提到的函数比率Ki lt; 1是长冈校正，需要查表。

由于电感L1，L2，L3同轴，互感M12，M13，M23可以采用文献（[7]，123页）提到的标准方法计算。简便起见，定义x1(i,j)hellip;x4(i,j)为电感器i和电感器j底部之间的四个距离。l1，l2，l3的距离表达式在表I中已经给出。

在三个互感的计算中，电感器的直径D和卷绕密度D/h相同。定义：

互感可以写为：

其中，Mik的单位是uH，Bk(i,j)是一个在文献[7]中一个函数的比率，其值需要查表得到。

图4 标准化故障部位和归一化大小函数的归一化电流

利用这些分析结果，图5中绘制出线电流的归一化均方根（I/I0，其中I0是线电流正常值）作为故障定位x/h和故障区段归一化大小的函数。图4也针对x/h和绘制了电流通过故障部分的归一化均方根电流（I2/I0）。用于获得这些结果的参数为：R0=8.6毫欧/米，N=333匝，h=0.9398米，D=0.6.96米，V=120伏。

图4中的结果表明匝间故障，包括那些只涉及有限匝数的，能够导致故障部分的电流增加到由于热损坏导致电感不能正常工作。然而，故障部分增加的电流不会导致电感类似增加线电流。图5中的结果表明，故障部分的线电流不会在匝间故障发生的最初阶段显著增加，也就是说，此时的值很小。事实上，当lt; 0.05的时候，归一化均方根电流的增值不超过I/I0lt; 1.10。由于线电流的增值不太可能被过流保护系统检测到，这些结果刺激了不依赖于线电流检测匝间故障的保护方案的发展。以下部分显示，在电感两端的磁场分布，可以作为在匝间故障初期阶段检验的更加灵敏的指标。

图5 电感器标准化线电流故障区段的归一化故障定位与归一化大小的函数

2.2螺线管电感匝间故障的磁场强度分析

沿轴向创建的、流过线圈匝半径D/2的电流i，线圈匝半径平面的距离为z，由文献[8]第289页可知，其磁场强度为：

这个表达式用以计算螺线管电感匝间故障的两端的磁场强度为：

和

其中，段长度l1，l2，l3在前面部分已经定义，I和I2在图3中已经定义，h=l1 l2 l3是电感的整体高度。归一化电压差值利用磁场相量和的差值定义为：

其中，定义为当==时正常（无误）运行时磁场强度的基准值。图6中绘制的值是归一化故障定位x/h和归一化故障大小的函数。

图6中的结果表明，测量磁场强度差异是其在早期阶段检测匝间故障的一种有效方法。这一事实取代了标准的过流保护系统，促进了差动保护系统在检测空气芯电感匝间故障的使用。如果匝间故障发生在x=0以外的任何地方，差动保护系统就可以检测到由此产生的不平衡的磁场强度，在发生更大的热损伤之前快速切断流向电感的电流。虽然差动保护提供了几种优于标准的过流保护，但如图2所示仍有一些实际的限制，我们在下面的部分讨论。

图6 故障电感中的标准电压差

2.3差动保护系统的实际限制

虽然之前的部分表明差动保护不像传统的过流保护那样，能够检测出空气芯电感在初期阶段的匝间故障，如图2所示也有一些实际的限制。也许最重要的限制是需要从传感器A和传感器B的架设信号线以实现继电保护。在大多数情况下，信号线需要一个地面参考点，但这即使在中压应用中也是困难或者不可行的。此外，由于电感周围存在高磁场强度，从传感器A到传感器B的信号有可能会被外部字段或噪声有意或无意地影响。如果信号线没有很好地掩埋或屏蔽，这些电线接收的噪音可能会导致差动保护系统产生错误警报或跳闸。

接下来将会介绍一种新型无线的差动保护系统，它是使用浮动传感器和无线数字通信链路来解决这些限制的。首先提出之前介绍的无线系统的基础，然后描述其原型实现对的具体细节。

3空芯电感的无线差动保护系统

在本节中，我们描述了一个无线差动保护系统，它是针对第二部分中提及的最重要的现实限制，即需要实际接线的差动保护系统的。主要的区别是，我们所提出的系统用数字无线通信链路取代了传感器和继电保护器之间的实际接线。虽然无线通信链路解决了接地要求、信号线铺设精密要求和常见的传感器导线之间的问题（同时，通信链路数字信号的特性也能够提高实地测量的保真度），由于传感器中的有源电子器件的存在，对此功能提出了新的挑战，以期能够实现有效的无线通信链路。所提系统的一个重要功能是它的每个传感器都具有一个附加电源线圈和一个电压调节器，以此来独立自足地给传感器的有源电子器件供电，无需电池或外部电源的连接。这些功能使得无线传感器很容易被安装，同时几乎免维护。

图7展示了拟议的无线差动保护系统的主要特点。如图2所示的原始差动保护系统一样，该系统基于相同的基本操作原理，但相比原来的方法，它同时满足了安装的简单性，提高了安全性、准确性和灵活性。

图7所示的系统原型是用现成的电子元件构建的。本节描述了无线差动保护系统原型的具体细节，以验证所提出的方法的有效性，并用于获得第四节所给出的实验结果。然而本节提出的设计并不是独一无二的，在此处提到它是为我们的方法作为一个实际示范，同时从认可的非常实用的系统中做出具体的设计选择。

图7空气芯电感的无线差动保护系统

3.1传感器/变送器

无线传感器/发射机的无线差动保护系统原型开发的框图如图8所示。传感器/变送器的一个重要特点是，不同于传感器顺序连接（传感器B必须在传感器A之后）同一装置被同时用在传感器A和传感器B上。此外，传感器

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