干式空心電抗器匝間絕緣檢測仿真研究

王璐璐，范友鵬，康婉瑩

（國網(wǎng)技術(shù)學(xué)院，山東 濟南 250002）

干式空心電抗器匝間絕緣檢測仿真研究

王璐璐，范友鵬，康婉瑩

（國網(wǎng)技術(shù)學(xué)院，山東 濟南 250002）

電抗器是無功補償和濾波裝置中的重要部件，需要對其進行檢測，目前國內(nèi)對干式空心電抗器絕緣狀態(tài)的檢測方法研究較少。基于脈沖電壓法原理，本著降低試驗費用的原則，建立干式空心電抗器的數(shù)學(xué)模型，并輸入實際參數(shù)進行仿真分析。仿真結(jié)果驗證了利用脈沖電壓法對干式空心電抗器進行匝間絕緣檢測的可行性,對干式空心電抗器絕緣檢測有指導(dǎo)作用。

干式空心電抗器；脈沖電壓法；匝間絕緣檢測；仿真分析

0 引言

干式空心電抗器由多個同軸繞組包封組成，這些包封在電氣上是并聯(lián)的，每個包封中又有若干個并聯(lián)的線圈，每一層線圈又有數(shù)根小截面金屬導(dǎo)線并繞而成，導(dǎo)線上涂有聚酷薄膜或玻璃絲構(gòu)成絕緣，包封全部采用環(huán)氧樹脂處理的長玻璃絲纖維經(jīng)包繞制。當(dāng)電抗器繞組制成后，經(jīng)多道工序后加熱固化，用于調(diào)節(jié)電網(wǎng)中的無功功率，隨著投運數(shù)量和投運時間的增加，故障也開始逐漸增多。根據(jù)目前電抗器的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)和文獻資料表明，空心電抗器運行故障絕大多數(shù)是因繞組線圈的匝間絕緣破壞，而且由該故障導(dǎo)致的電抗器匝間絕緣短路事故頻發(fā)，甚至造成電抗器整體燒毀，給電網(wǎng)帶來重大的經(jīng)濟損失［1-2］。所以近年來電抗器生產(chǎn)者和使用者都十分關(guān)注繞組匝間絕緣問題。

解決該問題一方面需要提高電抗器制造廠家線圈的生產(chǎn)質(zhì)量；另一方面應(yīng)該研究有效的檢測方法。目前，國內(nèi)對于干式空心電抗器匝間絕緣故障檢測設(shè)備的研究較少。但國外已有商業(yè)化產(chǎn)品，但價格昂貴，國內(nèi)多數(shù)企業(yè)無力采購。變壓器匝間絕緣故障檢測，通常采用感應(yīng)電壓法，即在變壓器其中一個繞組上施加高頻電壓，在繞組上產(chǎn)生感應(yīng)試驗電壓實現(xiàn)對絕緣檢測目的［3］。但對于空心電抗器，繞組唯一而且磁路多為開放式，導(dǎo)致無法用感應(yīng)電壓法進行測試。另外，采用分離變壓器產(chǎn)生正弦電壓波也可以測試電抗器的匝間絕緣狀態(tài)，但變壓器容量需求較大，實際應(yīng)用中存在很多問題。容性補償裝置可以降低變壓器電源的容量需求，但由此所產(chǎn)生經(jīng)濟費用反而有可能更高［4］。根據(jù)脈沖電壓法基本原理，提出采用脈沖電壓測試干式空心電抗器匝間絕緣新方法。通過建立干式空心電抗器的數(shù)學(xué)模型，運用仿真方法，驗證檢測方法的正確性并對該方法的實際工業(yè)應(yīng)用可行性進行論述。

1 脈沖電壓法的基本原理

脈沖電壓法是一種對被試線圈直接施加脈沖電壓的方法，基本原理電路如圖1所示。

圖1 脈沖電壓法基本原理

直流電源DC對電容C充電；S開關(guān)為球隙開關(guān)，當(dāng)電容C上的電壓達到開關(guān)S間介質(zhì)的擊穿電壓時，電容C放電，放電瞬間電抗器的電壓短時間提升到需要的試驗電壓值。此時，電容C與電抗器整體構(gòu)成了阻尼振蕩電路。

加載在電抗器上的電壓可表示為

電抗器的電流可表示為

式中：U為電容C的充電電壓，其中

由于實際電抗器阻值很小，故式（1）和（2）可化簡為

振蕩頻率為

隨時間推移，振蕩電流衰減至零值時，由于Rs電阻的限制，直流電源功率過小，球隙開關(guān)S之間的放電電弧無法持續(xù)電弧熄滅。電弧熄滅后，電容C重新進行充電，當(dāng)充電電壓再次達到球隙開關(guān)間空氣介質(zhì)的擊穿電壓時，球隙開關(guān)再次發(fā)生電弧放電，電容器和電抗器重新產(chǎn)生阻尼振蕩。上述放電熄滅過程不斷重復(fù)發(fā)生。另外，由于減幅振蕩的頻率遠高于電抗器的工作頻率50 Hz，所以匝間絕緣可在無需加載大電流情況下獲得需求的試驗電壓，無需大容量試驗電源提供能量。

2 脈沖電壓法測試的仿真分析

將電抗器接于上述電路的被試線圈部分，如果電抗器存在短路匝，因為線圈之間存在互感，勢必會引起振蕩頻率等參數(shù)發(fā)生變化。

1）整個振蕩電路的振蕩頻率會發(fā)生改變。引起變化的原因有兩點，一是因為電抗器線圈匝數(shù)減少，導(dǎo)致整個電抗器的電感量有所減少；二是短路匝以外的其他線圈再短路，匝中有感應(yīng)電動勢產(chǎn)生，這一感應(yīng)電動勢將引起短路匝內(nèi)有很大的電流，這一環(huán)電流會產(chǎn)生去磁場，減少整個線圈中的總磁場，使電抗器的電感量減少，進而導(dǎo)致整個振蕩電路的振蕩頻率發(fā)生改變。

2）整個振蕩電路的電壓和電流衰減速度會大幅度加快，一是由于短路匝內(nèi)的環(huán)電流導(dǎo)致電抗器損耗的增加；二是原來的磁勢平衡關(guān)系被短路匝破壞，導(dǎo)致電抗器線圈的電流變大，貫穿整個線圈的環(huán)電流出現(xiàn)，進一步增加了電抗器的損耗。

綜上所述，短路匝的存在，引起試驗電路中電壓或電流的衰減速度和振蕩頻率發(fā)生變化。基于這一理論基礎(chǔ)，提出可以通過觀察線圈兩端的電壓或者流過線圈的電流波形變化的情況的方法，來判斷電抗器線圈匝絕緣的好壞。

頻率的變化和衰減速度受匝數(shù)的數(shù)量影響很嚴重。一匝或幾匝短路對匝數(shù)很多的電抗器（如高壓并聯(lián)電抗器）影響不大，反之，一匝或幾匝短路對匝數(shù)很少的電抗器（如串聯(lián)電抗器）就很大，對總電感的影響也是很大的。

采用脈沖電壓法，對干式空心電抗器匝間絕緣檢測進行仿真研究。利用PSPICE軟件進行仿真分析，根據(jù)上述電壓和電流的變化規(guī)律，觀察輸出電壓波形和電流波形在正常和短路匝這兩種情況下的不同，從而確定方法的可行性以及電路中的參數(shù)值。

電抗器中的參數(shù)設(shè)置是準(zhǔn)確進行計算機仿真的前提，根據(jù)空心電抗器高度和內(nèi)半徑等尺寸、層數(shù)和匝數(shù)計算各繞組間的電感、層層之間互感和等效電阻等。同時電抗器各層繞組對短路匝的互感和自感，也是電抗器匝間試驗重要仿真參數(shù)。根據(jù)Bartky方法并且應(yīng)用C語言編程，對結(jié)構(gòu)參數(shù)為5個包封和20層線圈的并聯(lián)空心電抗器計算自感、層與層間的互感和等效電阻等。根據(jù)上述關(guān)系，在PSPICE中所設(shè)計的仿真電路模型如圖2所示。

圖2 仿真電路

其中：L1～Ln為第1層到第20層繞組的感抗值；R1～Rn為第1層到第20層繞組等效電阻；Ln+1為短路繞組的電感，Rn+1為短路匝的阻值；空心電抗器的電路仿真圖設(shè)計后，進行仿真分析。

1）電抗器匝間無絕緣故障。當(dāng)無絕緣故障存在于電抗器匝間時，得到的總電壓和電流波形如圖3所示。從圖中可以看出電壓和電流都是衰減和振蕩的。

圖3 匝間無故障的電壓電流波形

2）匝間故障出現(xiàn)在電抗器端部。短路匝和電抗器其他部分線圈之間的互感比較小，經(jīng)過仿真得到電壓電流的波形如圖4所示。為了容易比較，圖中給出了電抗器匝間無絕緣故障的電壓和電流波形。其中：Un（In）表示匝間無絕緣故障的電抗器上的電壓（電流），Uef（Ief）表示匝間絕緣故障位置在端部的電抗器上的電壓（電流）。圖4更加清晰地告訴我們當(dāng)匝間絕緣故障的位置出現(xiàn)在電抗器端部時，電抗器的電壓和電流的衰減速度比匝間絕緣無故障時快，并且，振蕩頻率也高。

圖4 匝間絕緣故障出現(xiàn)在電抗器端部波形

3）匝間故障發(fā)生在電抗器中間。短路匝和電抗器其他線圈之間的互感比較大，經(jīng)過仿真軟件的分析得到的電壓和電流波形如圖5所示。其中：Un（In）表示匝間無絕緣故障情況下的電抗器上的電壓（電流），Umf（Imf）表示匝間絕緣故障在中部的電抗器上的電壓（電流）。圖5說明了當(dāng)匝間絕緣故障發(fā)生在電抗器中間比匝間無絕緣故障仿真得到的電壓和電流衰減速度更快，并且振蕩的頻率也更高。與圖4相比較，電壓和電流的衰減速度更快，振蕩頻率也比其高。

通過上面的分析，能發(fā)現(xiàn)：如果電抗器匝間有短路故障，電抗器上電壓和電流波形衰減速度比完好的電抗器快，電壓和電流波形的振蕩頻率也高；仿真得到的電壓和電流的波形衰減程度在匝間絕緣出現(xiàn)在端部的時候不如匝間絕緣出現(xiàn)在中間的時候明顯，換而言之，當(dāng)匝間絕緣發(fā)生在中間時，更容易判斷出匝間是否存在故障。

通過上述分析可知，利用脈沖電壓法比較電抗器線圈兩端的電壓和流過線圈的電流的波形變化和衰減情況的方法來判斷干式空心電抗器的匝間絕緣的好壞是可行的。采用測量衰減振蕩電壓（電流）波形的頻率變化的方法來判斷干式空心電抗器的匝間絕緣的好壞也是可行的。如果電抗器存在匝間短路故障，可能會伴隨著煙霧、發(fā)出噪音以及火花放電等現(xiàn)象，這些也有助于判斷匝間短路故障。

圖5 匝間絕緣發(fā)生在電抗器中間波形

3 結(jié)語

用脈沖電壓法檢測干式空心電抗器的匝間絕緣狀況，并且對實際空心電抗器的結(jié)構(gòu)進行計算機仿真分析。仿真結(jié)果證實了該方法可以用于干式空心電抗器的匝間絕緣檢測。

［1］廖敏夫，程顯，翟云飛，等.干式空心電抗器脈沖振蕩匝間絕緣檢測系統(tǒng)的仿真與試驗［J］.高電壓技術(shù)，2011，37（6）：1343-1348.

［2］徐林峰.一起干式空心串聯(lián)電抗器的故障分析［J］.電力電容器與無功補償，2008，29（2）：50-54.

［3］駱曉龍，張良，王永紅，等.干式空心電抗器匝間絕緣試驗方法有效性分析［J］.哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報，2014，19（1）：74-78.

［4］IEEE Std C57.16-1996，IEEE Standard Requirements，Terminology，and Test Code for Dry-type Air-core Series-connected reactors［S］.New York USA：Printed in the United States of America，1997.

Simulation Research on Dry-Type Air-Core Reactor Turn-to-Turn Insulation Test

WANG Lulu，F(xiàn)AN Youpeng，KANG Wanying
（State Grid of China Technology College，Jinan 250002，China）

The dry-type air-core reactor is the key component of reactive power compensation and filter device，which needs to be tested to ensure the safety of the system.There were few researches on the method for detecting the insulation failures of the dry-type air-core reactor.Based on the principle of pulse-voltage method and aiming at reducing the cost of test，the mathematical model of dry-type air-core reactor with actual parameters measured from real applications is established to carry out simulation analysis.The simulation results verified the feasibility of using the pulse-voltage method to detect the failure of turn-to-turn insulation between the dry-type air-core reactors，which can guide the actual dry-type air-core reactor insulation failure detection.

dry-type air-core reactor；pulse-voltage method；turn-to-turn insulation test；simulation analysis

TM47

B

1007－9904（2017）10－0029－04

2017-03-20

王璐璐（1986），女，講師，主要研究方向為高電壓絕緣技術(shù)、自動化運維關(guān)鍵技術(shù)。