有限元法對干式空心電抗器匝間絕緣故障的研究

伍陽陽，譚向宇，劉友寬，徐鵬，張潔，陳文雯，徐雯，李蕊

(1.云南電網(wǎng)公司研究生工作站，昆明 650217；2.云南電網(wǎng)公司電力研究院，昆明 650217；3.華北電力大學(xué)，河北 保定 071000)

有限元法對干式空心電抗器匝間絕緣故障的研究

伍陽陽1，3，譚向宇2，劉友寬2，徐鵬1，張潔1，陳文雯1，徐雯1，李蕊1

(1.云南電網(wǎng)公司研究生工作站，昆明 650217；2.云南電網(wǎng)公司電力研究院，昆明 650217；3.華北電力大學(xué)，河北 保定 071000)

通過ANSYS軟件，利用有限元法對干式空心電抗器的匝間絕緣特性以及絕緣故障進行分析研究，結(jié)果表明，匝間絕緣故障時會導(dǎo)致其周圍電場強度激增，從而導(dǎo)致該區(qū)域溫度升高，從而加劇了對干式空心電抗器絕緣結(jié)構(gòu)的損害。

干式空心電抗器；匝間絕緣；有限元法

0 前言

干式空心電抗器由于沒有鐵心，所以不存在磁飽和現(xiàn)象。且由于干式空心電抗器與傳統(tǒng)的油浸式鐵心電抗器相比，具有結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕、體積小、線性度好、損耗低、維護方便等優(yōu)點，在維持電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定、限制短路電流、進行無功補償?shù)确矫嬗兄匾饔茫湓验g絕緣狀態(tài)是影響干式電抗器安全穩(wěn)定運行的一個非常重要的因素[3][4]。因此，對即將投運或已經(jīng)投運的干式電抗器匝間絕緣狀態(tài)進行現(xiàn)場試驗，將對發(fā)現(xiàn)其安全隱患、避免事故發(fā)生和防止事故擴大都有非常積極的作用。干式電抗器匝間絕緣狀態(tài)現(xiàn)場試驗技術(shù)的研究與推廣是狀態(tài)檢修和智能電網(wǎng)發(fā)展戰(zhàn)略中的重要環(huán)節(jié)，對提高電力系統(tǒng)設(shè)備安全運行水平具有重要意義。

然而，干式空心電抗器由于其層數(shù)和匝數(shù)較多，匝間絕緣故障的靈敏檢測一直是難以解決的問題。通常采用的試驗方法有倍頻倍壓試驗和沖擊電壓試驗。倍頻倍壓試驗作用時間較長，能量較高，但試驗電壓比較低，電抗器匝數(shù)較多時難以檢測缺陷；沖擊電壓試驗作用電壓較高，但是作用時間較短，能量較低，也難以發(fā)現(xiàn)電抗器故障[1-2]。

本文將通過ANSYS軟件，利用有限元法對干式空心電抗器進行建模，并分析其匝間絕緣特性以及匝間絕緣故障時，匝間電場強度的變化。分析結(jié)果表明：當(dāng)匝間絕緣故障時會導(dǎo)致其周圍電場強度激增，從而導(dǎo)致該區(qū)域溫度升高，從而加劇了對干式空心電抗器絕緣結(jié)構(gòu)的損害。

1 ANSYS仿真模型建立

ANSYS將模型分為實體模型和有限元模型兩大類。實體模型由關(guān)鍵點、線、面和體組成，用來直接描述所求問題的幾何特性[5]。

有限元模型是實際結(jié)構(gòu)和物質(zhì)的數(shù)學(xué)表示方法。在ANSYS中，可以用單元來對實體模型進行劃分，以產(chǎn)生有限元模型，這個過程稱為實體模型網(wǎng)格化。另外也可以直接利用單元和節(jié)點生成有限元模型。

1.1 建立模型

本文以BKGKL-20 000 kvar/35 kV型并聯(lián)電抗器第二包封為例，包封壁材料為環(huán)氧樹脂浸漬過的玻璃纖維，電抗器線圈采用鋁導(dǎo)線，匝間絕緣材料以及層間絕緣材料為絕緣性能優(yōu)良的聚酯薄膜材料。對電抗器的匝間絕緣和層間絕緣進行電場仿真分析，結(jié)構(gòu)尺寸見表1。圖1和圖2為電抗器第二包封模型。

圖1 干式空心電抗器現(xiàn)場實物圖

圖2 第二包封ANSOFT簡化模型圖

表1 第二包封結(jié)構(gòu)尺寸表

圖3 第二包封正常運行時電場強度圖

圖4 第二包封正常運行時電位圖

1.2 模型加載

在電抗器模型中，采用電壓激勵源，由于電抗器額定電壓為KV，如前所述，假定在電壓峰值時電抗器不會放電擊穿，則在其他電壓值下也不被擊穿，故加入的瞬時電壓值為峰值電壓28 171 V，而在包封外表面則認為電壓是0 V。因此，需要加入的是兩個電壓值作為激勵源條件。

2 ANSOFT模型仿真結(jié)果

假設(shè)電抗器內(nèi)每一層繞組上的電壓是呈線性分布，即電抗器頂端與接地端之間的電壓是平均加載在每一匝繞組上的，為一個常數(shù)。圖3、圖4為正常運行時ansoft對電抗器第二包封的電場及電位仿真情況。由圖3可以看出，電抗器頂端場強最大，約為1.132 7?e7V/m，這是因為頂端第一匝繞組所加電壓是最高值，因此電抗器最大場強分布在電抗器頂端。越靠近接地端，所加電壓越小，因此場強值越小。層間和匝間場強相對較小，分別約為5.219?e6V/m和0 V/m。

3 絕緣故障仿真結(jié)果與分析

國內(nèi)外空心電抗器的實際運行情況表明：線圈匝間絕緣短路故障是干式空心電抗器燒毀的主要原因。而且這種事故往往會造成電抗器發(fā)生匝間絕緣短路，導(dǎo)致電抗器燒毀，造成很大的直接或間接損失。

3.1 線圈結(jié)構(gòu)

當(dāng)包封內(nèi)出現(xiàn)匝間絕緣故障時，表現(xiàn)為兩匝線圈之間的絕緣層破壞，使得本應(yīng)由絕緣層分隔開的兩匝線圈相互接觸。因此本節(jié)采用將短路的上層線圈向下平移與下層線圈接觸的形式來表現(xiàn)由結(jié)構(gòu)變化引起的匝間絕緣。

圖5(a)為包封內(nèi)第三匝和第四匝絕緣短路的仿真結(jié)果。仿真結(jié)果可知，兩種情況下，電抗器包封內(nèi)最大場強為1.332?e7V/m。與正常運行情況下包封內(nèi)匝間電場強度為5.219?e6 V/m相比，出現(xiàn)匝間絕緣短路故障的包封在第四匝和第五匝線圈之間的電場較高，約為10.5?e6V/ m。圖5(b)為在兩匝短路線圈下方場強較高的區(qū)域，圖5(c)為區(qū)域內(nèi)線上的場強分布。

圖5 包封內(nèi)第三匝和第四匝絕緣短路的電場強度仿真結(jié)果

出現(xiàn)這種結(jié)果是由于當(dāng)?shù)谌押偷谒脑丫€圈相接觸的時候，第四匝線圈的電壓明顯升高，電壓值與第三匝線圈電壓值相同。這就造成了第四匝和第五匝線圈之間的電勢差升高，電場強度增大。

3.2 工藝缺陷

在實際生產(chǎn)中，由于工藝水平的差異，包封內(nèi)部每層匝數(shù)并不都是相同的。因此在同一個包封內(nèi)部的匝間與層間的絕緣，由于其剖面幾何形狀極其不均勻，所以包封內(nèi)部的層間的電場分布也極其不均勻。本例中包封2的三層線圈中，從左到右匝數(shù)分別為55、53、47。由圖6可看出，層間最大場強出現(xiàn)在中間層和最右層線圈之間，出現(xiàn)這種情況的原因是由于中間層和最右層線圈的匝數(shù)差最大。因此，兩層線圈的電勢差也相差最大，從而導(dǎo)致了兩層線圈之間的場強增大。

圖6 工藝缺陷對包封內(nèi)電場強度的影響

3.3 匝間絕緣層破壞

在電抗器繞制的過程中，鋁線的選擇是十分重要的。若構(gòu)成包封繞組的鋁導(dǎo)線表面有微小的毛刺，則包封內(nèi)的聚酯薄膜絕緣層很容易被刺穿，而聚酯薄膜的損傷會直接從內(nèi)部引起鋁導(dǎo)線的匝間短路。所以在生產(chǎn)時應(yīng)該特別注意對鋁導(dǎo)線表面毛刺和內(nèi)部雜質(zhì)的檢驗，決不能采用不合格的鋁導(dǎo)線繞制電抗器。下圖為被鋁導(dǎo)線表面直徑為0.02 mm的毛刺刺穿絕緣層發(fā)生匝間短路的情況。由圖7可知，在兩匝短路的線圈下方，出現(xiàn)了高場強值。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因與線圈結(jié)構(gòu)變化時所導(dǎo)致的場強升高情況原因相同。

圖7 匝間絕緣層破壞時包封內(nèi)電場強度分布

4 結(jié)束語

根據(jù)干式空心電抗器出現(xiàn)的三種匝間絕緣故障仿真分析：

1)當(dāng)匝間絕緣故障時會導(dǎo)致其周圍電場強度激增，從而導(dǎo)致該區(qū)域溫度升高，從而加劇了對干式空心電抗器絕緣結(jié)構(gòu)的損害；

2)電抗器制造過程中，應(yīng)改善工藝條件，提高工藝水平，改善工藝環(huán)境；

3)絕緣膠應(yīng)保證與導(dǎo)線具有良好的親和性，在運行條件和運行環(huán)境下，確保不產(chǎn)生裂紋和開裂現(xiàn)象；

4)加強對鋁導(dǎo)線表面毛刺和內(nèi)部雜質(zhì)的檢驗，決不能采用不合格的鋁導(dǎo)線繞制電抗器。

[1] 夏長根.一起35 kV干式并聯(lián)空心電抗器故障分析 [J].電力電容器與無功補償，2009，30(5)：43-45.

[2] 劉?，?，魏賓.干式空心電抗器的運行分析及故障處理[J].高壓電器，2004，(3).

[3] 張麗，徐玉琴.并聯(lián)電抗器在超 (特)高壓電網(wǎng)中發(fā)展與應(yīng)用 [J].電力自動化設(shè)備，2007，27(4)：75-78.

[4] 何東平，孫白.35 kV干式空芯并聯(lián)電抗器運行情況及故障電抗器的解剖分析 [J].電力設(shè)備，2004，5(2)：48 -51.

[5] 胡仁喜，等，編著.ANSYS 13.0電磁學(xué)有限元分析從入門到精通 [M].北京：機械工業(yè)出版社，2011，12.

Research on Dry-type Air-core Reactor Turn-to-turn Insulation Fault Based on Finite Element Method

WU Yangyang1，3，TAN Xiangyu1，LIU Youkuan1，XU Peng1，ZHANG Jie1，CHEN Wenwen1，XU Wen1，LI Rui1
(1.Yunnan Power Grid Corporation Graduate Workstation，Kunming 650217，China；2.Yunnan Electric Power Research Institute，Kunming 650217，China；3.Department of Automation，North China Electric Power University，Baoding，Hebei 071000，China)

Based on the ANSYS software，the article makes use of the finite element method to analysis of dry-type air-core reactor turn-to-turn insulation and insulation fault，The results show that the turn-to-turn insulation fault will cause the electric field intensity around the surge，which leads to the regional temperature，adding to the damage of dry-type air-core reactor insulation structure.

dry-type air-core reactor；turn-to-turn insulation；finite element method

TM76

B

1006-7345(2014)06-0060-03

2014-08-09

伍陽陽 (1988)，男，碩士研究生，云南電網(wǎng)公司研究生工作站，研究方向為分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的功率控制 (e-mail) 445800890＠qq.com。