干式空心電抗器匝間短路故障暫態特性仿真研究

(云南電網有限責任公司大理供電局，云南 大理 671000)

0 引言

干式空心電抗器已作為限制過電流、濾除諧波和補償無功功率的重要設備在電力系統中被廣泛使用[1- 3]。由于干式空心電抗器通常安裝在惡劣的戶外環境中，經常發生匝間短路的事故。匝間短路是最常見的干式電抗器故障，占發生的全部故障的50%以上。短路會導致干式電抗器局部過熱，導致絕緣老化加速，甚至損壞電抗器，從而危及電力系統的安全運行[4- 7]。到目前為止，匝間短路在線檢測方法通常基于電抗器的穩態特性，對小匝短路不敏感[8- 9]。實際上，早期的檢測和警告預計會避免對電力系統造成損害，因此研究早期檢測的匝間故障暫態特性是極為重要的[10]。

本研究基于干式空心電抗器從正常運行狀態到匝間短路故障狀態的電磁理論，詳細分析了匝間短路的動態物理過程，并采用ANSYS Maxwell分析軟件建立了干式電抗器的暫態計算模型。最后通過仿真試驗對所模擬的匝間短路故障的暫態特性進行了驗證。

1 匝間短路的動態過程

干式空心電抗器由多個繞組封裝構成，并與相鄰兩個間隔器之間的冷卻通道并聯，每個繞組封裝由多個并聯的繞組層組成，如圖1a所示。圖1b給出了電抗器的相應電路，其中u(t)和i(t)分別為電抗器的電壓和電流。ik(t)，Rk和Lk(k=1,2，...，n，n是繞組層數)分別為第k個繞組層的分支電流、電阻和自感。Mkj(j=1,2，...，n，j≠k)是第k層和第j層之間的互感。

圖1 干式空心電抗器的結構和電路模型

在電抗器匝間短路的動態物理過程中包括3個階段：正常運行期，早期故障期和故障期[11- 12]。

在正常運行期間，2個相鄰的匝串聯并具有相同的電流，如圖2a所示。第m轉的電流與第m+1轉的電流相同。根據安培力定律，2個相鄰的匝間相互吸引而不是短路，因為它們之間具有良好的絕緣。

當匝間絕緣發生故障時，絕緣故障中的兩匝觸點將通過電磁吸引力形成短路環，但在碰撞后會立即通過電磁排斥力分離，因為短路方向根據電磁感應定律，短路電流與正常匝數相反，如圖2b所示，第m匝是短路環。這可以被稱為早期故障時段，在此期間2個相鄰轉彎重復碰撞和分離。

短路環的大感應電流可能會引起局部高溫并加劇絕緣損傷，導致金屬線纏繞成整數。這就是所謂的失效期，在此期間接觸到的匝數不會再分離，并形成一個穩定的短路環，可能導致更嚴重的短路，甚至燒毀電抗器[13- 15]。

圖2 干式空心電抗器的電流

2 電抗器暫態磁場耦合電路模型

利用ANSYS Maxwell的“瞬態”模塊可以模擬電抗器匝間短路的動態過程[16]。額定電氣參數和結構參數分別如表1和表2所示。

表1 電抗器的額定電參數

表2 電抗器的結構參數

2.1 有限元幾何模型

根據電抗器的結構，可以建立圓柱坐標系下的二維軸對稱有限元模型(圓柱型Z)，如圖3所示。

圖3 干式空心電抗器的有限元幾何模型

由圖3可知，短路繞組由3個子繞組組成：上繞組，短路電路環和下繞組。此外，檢測線圈和檢測區域也在圖中標識出來。

2.2 邊界和激勵加載

由于解域是無限的，因此可以通過在檢測區域的邊界上分配氣球邊界條件來完成邊界加載。

在端口和線圈分配到繞組后，可以通過將外部電路引入繞組端口來完成勵磁加載。

2.3 外部電路模型

外部電路模型由ANSYS Maxwell電路編輯器構建，如圖4所示。

圖4 電抗器匝間短路的暫態仿真電路模型

在匝間早期短路期，電抗器的電路結構發生了變化，這可以通過一個受控開關S_18來實現，如圖4a所示。其中ModelIV為S_18的開關模型，L繞組1，L繞組2和L繞組3是第1到第3繞組。 假定第4繞組發生匝間短路，L繞組6代表短路環，L繞組4和L繞組7分別為上繞組和下繞組。R9，R10和R11分別是第1繞組到第3繞組的電阻，R6是短路環的電阻，R4和R7分別是上繞組和下繞組的電阻。開關的受控電路如圖4b所示，其中，V21為脈沖電壓源，R22為限流電阻和IVs為電壓表。在圖4c中，L繞線5表示探測線圈，R13是開路電阻，取值為109 Ω。

3 仿真實驗

仿真實驗中，在第4繞組線圈中沿軸向設置在離電抗器中心100 mm的距離處設置短路環。短路環的模擬電流如圖5所示。能夠檢測短路過程中磁場暫態特性的檢測線圈的感應電壓如圖6所示。

圖5 短路環的仿真電流波形

圖6 檢測線圈的仿真感應電壓波形

從圖5可以看出，正常線圈的電流會在短路故障發生瞬間變成一個很大的值，同時會變成一個短路環，這會引起電抗器磁場的明顯變化，因此，感應電壓會明顯變化，如圖6所示。因此，可以很容易地通過檢測線圈的感應電壓來檢測早期短路故障。

在上述人為設置的匝間短路動態過程中，設置了一個實驗平臺，以獲取檢測線圈的實際感應電壓。選擇NI PCI- 6221，采樣率為30 kHz/s。感應電壓如圖7所示。由圖7可以看出，感應電壓在短路瞬間有明顯變化。實驗波形(圖7)和仿真波形(圖6)中，具有明顯特征的感應電壓所出現的時間和幅值大小基本相同，這說明實驗結果和仿真結果具有較好的一致性，也證明了仿真計算的正確性。

圖7 實驗中檢測線圈的感應電壓波形

4 結束語

基于電磁場理論，對干式空心電抗器從正常運行狀態到匝間短路故障狀態的正常運行期、早期故障期和故障期3個動態過程進行了分析，并使用ANSYS Maxwell仿真軟件對電抗器的匝間短路暫態過程進行建模，得到在電抗器的匝間早期短路期間短路環中的大電流會引起電抗器磁場的顯著變化的計算結果。通過對仿真實驗的結果進行分析，表明上述計算結果的正確性，也證明了采用感應電壓檢測方法可以在較早的故障期間檢測到干式空心電抗器的匝間短路故障。