針對多點接地故障的變壓器鐵芯建模優化與電流特征研究

郭欣,曾成碧,鄧紫榮,苗虹,白維,張志輝

(1.四川大學 電氣工程學院,成都 610065; 2.四川革什扎水電開發有限責任公司,四川 丹巴 626300)

0 引 言

電力變壓器作為電力系統中既昂貴又重要的設備,肩負著能量轉換的重要使命,能及時發現并解決其故障,保障其良好運轉,對整個電力系統的安全穩定運行都有著及其重要的意義[1-3]。據統計鐵芯故障在整個變壓器故障里占比超過20%[4],鐵芯故障通常有片間短路、接地不良和多點接地,其中又以多點接地出現頻率最高,以及影響最為嚴重。正常情況下,鐵芯只有一點接地,若出現鐵芯多點接地情況,接地點之間將構成回路,可產生高達數十安培的環流。長期下來將造成鐵芯疊片片間短路[5-6],局部過熱,使絕緣材質加速老化,絕緣油分解,甚至燒毀接地線等部件,給變壓器安全運行帶來巨大壓力[7]。因此對變壓器鐵芯多點接地故障的研究顯得尤為重要。

變壓器鐵芯多點接地故障監測一般只是通過異常的電流或者溶解氣體的氣相色譜明顯變化得出故障出現與否的單一判斷,具體情況還得停機后吊罩檢查才能確定[8-9]。通過研究短路電流特征將能改進監測系統智能性,減少檢修人員工作量。同時由于實物的變壓器鐵芯多點接地實驗具有不可逆的破壞性,更適合采用建模仿真來進行重復的實驗操作。

鐵芯接地故障情況下主要是渦流帶來影響,因此需要建模分析渦流走勢。文獻[10]采用集中參數建立的變壓器模型,對變壓器鐵芯一點接地的電流進行了計算,這類模型不能模擬鐵芯故障細節上的差異造成的結果。文獻[11]提出了一種各向異性電導率模型,計算過程太過復雜,但是其所用的均值化理論對于鐵芯渦流的分析十分有利。文獻[12-14]利用有限元法分析渦流場損耗,提出了一個更簡潔的等效電導率模型計算疊片鐵芯渦流。文獻[15]利用均值化方式計算渦流及損耗,簡化了等效電導率的計算公式,通過與直接法的對比驗證了其方法在低頻情況下的有效性,但是頻率提高之后將不具有可參考性。

對變壓器鐵芯多點接地時的渦流進行精確計算是相當繁瑣的,實際生產中不具有可操作性,通常情況下我們可以通過均值法來簡化分析過程,并且能獲得滿足精度要求的結果。文中提出一種簡化的鐵芯均勻化模型,并在Maxwell中驗證模型有效性,在3D瞬態場下著重仿真模擬幾種典型接地情況,分析總結出不同情況下鐵芯多點接地故障的電流分布特點,極具實際參考意義。

1 均勻化方法

變壓器鐵芯在正常情況下只有一個接地點,用于消除電勢差。在故障情況下出現兩點及多點接地,兩接地點間構成通路,交鏈通路上的所有磁通,產生感應環流,如圖1中虛線部分。故障電流在鐵芯上產生焦耳熱將使鐵芯局部過熱,且增加鐵損。

圖1 鐵芯多點接地故障接地環流

鐵芯的硅鋼片數量極多,片間又包含絕緣層,如果直接對其進行有限元仿真計算渦流損耗,存在剖分單元過多,計算量巨大的問題,費時費力的同時可能還得不到有效的結果。目前比較合理的建模方法是采用均勻化模型等效疊片模型。均勻化方法通過內部參數(主要為等效電導率)的設置,使不連續的疊片模型能通過連續的均勻化模型表達出來,如圖2所示。該方法將極大減少變壓器鐵芯渦輪損耗在有限元仿真時的工作量。

圖2 均勻化模型等效示意圖

最新的研究里,文獻[16]提出的改進的多點接地故障時的各向異性等效電導率張量,其考慮的影響因素更多,精度較高,見式(1):

(1)

式中d為一片硅鋼片的厚度(mm);h為硅鋼片平行于磁通方向的寬度(mm);σ為硅鋼片本身的電導率;ω為角頻率;F為疊裝系數;Req是通過數值迭代計算出的一層絕緣層與其兩面硅鋼片間組合成的等效電阻。其中Req的推導是通過將垂直于電流方向的硅鋼片涂層電阻和硅鋼片電阻均分為2n份,將平行于電流方向考慮了集膚深度的硅鋼片電阻均分為2,再根據電路的對稱性進行疊代n次運算得到的。該式的迭代次數太多,改變鐵芯之后重新推導過程十分復雜,不利于工程實際的應用。因此需要推導一個計算過程更簡便且滿足工程需求的模型。

2 簡化均勻化模型

2.1 等效電導率優化

交變電流在流經導體時,由于集膚效應將導致電流只聚集在導體表面,而不是均勻通過整個截面部分。在鐵芯疊片間的渦流,將依次交替地穿過硅鋼片與絕緣層,由于絕緣層的趨膚深度遠大于硅鋼片的趨膚深度,因此絕緣層可以考慮全部阻抗,對比之下的硅鋼片只需要考慮趨膚深度以上的表層阻抗,兩者之間串聯。等效電路如圖3所示。此處假設絕緣層阻抗均勻分布,又由于垂直于電流方向的阻抗對電流影響很小,所以幾乎可以忽略。

圖3 鐵芯兩點接地故障等效電路圖

Rs為硅鋼片沿平行于電流方向且考慮集膚深度的阻抗。因為電流在硅鋼片上會匯聚到兩側流過,且集膚深度阻抗計算值相同,所以此處考慮作兩個相同阻抗并聯。Rc為絕緣層沿平行于電流方向的阻抗,絕緣層集膚深度極大,可以考慮電流幾乎完全穿過絕緣層,如式(2)所示,兩者總體上是串聯流過電流。

(2)

式中σ為硅鋼片原始電導率;d為硅鋼片厚度(mm);h為硅鋼片長度(mm);Rave為絕緣層間電阻(Ω·cm2);S為絕緣層表面積(cm2);δ為硅鋼片在垂直于電流方向上的集膚深度,其計算公式見式(3):

(3)

式中ω為角頻率;μ為磁導率。

于是可得有n塊硅鋼片組成的鐵芯等效阻抗見式(4):

(4)

其中硅鋼片Z方向的集膚深度見式(5):

(5)

代入式(5)可得硅鋼片沿X方向作數值化簡后的等效電導率,見式(6):

(6)

因此,最后各向異性的鐵芯發生多點接地時的等效電導率可以設置為式(7):

(7)

式中F為疊片系數;σ為硅鋼片原始電導率。此公式根據電路原理直接推導得到,無需反復迭代,計算過程簡化了許多,應用性增強。

2.2 模型驗證

目前國內外常用的電工鋼涂的一層絕緣涂層的電阻在5 Ω·cm2～50 Ω·cm2之間,用于變壓器的無取向電工鋼還會根據變壓器具體容量決定刷1層～3層不等,以此滿足不同的絕緣要求。鐵芯發生兩點及以上接地故障時故障環流將沿鐵芯表面流過。如圖4為10層1 mm硅鋼片和9層0.03 mm絕緣層組成的疊片模型,在Maxwell渦流場里,連通的導線模擬兩點接地效果,導線中設置380 kV電壓源。可見因集膚效應的原因,電流走線在經過第一塊疊片時就開始向硅鋼片平面的四周開始擴散,而并非直接穿過疊片層。

圖4 疊片模型內部電流走勢

運用前面推導的等效電導率設置一個同樣環境中的均勻化模型,見圖5。其電流走勢與疊片模型幾乎相同,由于集膚效應,電流沿表面擴散出來,最后又收斂于另一端導線接口。通過Maxwell后處理器積分計算銅線在模型導入口的電流,疊片模型注入電流為189.342 A,均勻化模型注入電流為181.579 A,誤差僅為4.1%,可見均勻化模型準確性基本能滿足要求。

圖5 均勻化模型內部電流走勢

3 有限元仿真分析

3.1 變壓器有限元模型設置

文中將以一臺EI型控制變壓器為仿真對象,運用以上的鐵芯均勻化模型,進行有限元建模。變壓器鐵芯材料選用JEF鋼鐵公司的30JG130取向性硅鋼片,其具體參數如表1所示。

表1 硅鋼片參數

經計算,該變壓器鐵芯各向異性等效電導率設置為:

(8)

變壓器在Maxwell中的故障模型如圖6所示,模型尺寸為11 mm×30 mm×26 mm,空載運行,高壓邊接入380 V電壓。用銅導線連接硅鋼疊片等效鐵芯的多點接地故障,獲得故障情況下連接線上的電流用以分析鐵芯接地電流情況。

圖6 變壓器模型

計算模型采用3D瞬態場線性求解。故障點位設置如圖7所示,總體分為三組,1-5在XY平面平行于X軸為一組,5-12在XY平面平行于Y軸為一組,a-e在左面平行于X軸,且與分布于前后兩個側面的m、n點共面為一組。同一列上的每個點之間間隔相同距離。第一組試驗固定點1,另一個接地點沿平行于疊裝方向從2到5移動;第二組試驗固定點1,另一接地點沿垂直于疊裝方向從5到12移動;第三組試驗固定點m,另一接地位置從a到n移動。

圖7 鐵芯接地點預設圖

3.2 仿真結果分析

圖8為變壓器空載時鐵芯主磁通密度分布,其規律為繞著繞組線圈呈環形減小,因此在鐵芯疊片上面,磁通密度兩頭和中間反而較小。

圖8 變壓器空載鐵芯主磁通分布

圖9所示位置皆為接地電流從硅鋼片疊裝面流入,可以看出直觀的趨勢為隨著兩接地點間距離增大,接地電流也在極速增大。因為隨著兩接地點間距離增大,其回路包圍磁通也增大,產生的感應電勢增大程度要遠大于電阻增大程度,所以電流不斷遞增。

圖9 1點固定2-5點移動時故障電流變化圖

圖10所示位置電流同樣是從硅鋼片疊裝面流入,兩點間沿X軸投影距離不變,及間隔疊片數量不變,逐步增大兩點間絕對距離,電流總體呈遞減趨勢,但是僅中間位置電流又呈遞增趨勢出現這個現象,是因為隨著兩接地點間絕對距離的增大,回路電阻持續增大,但是接地線在X軸的投影沒有改變,故一開始其回路包含的磁通其實并沒有變,短路回路間的感應電勢沒有改變,但是電阻遞增,所以電流呈遞減趨勢。接地點到8以后,過了鐵芯上面的中點,此時短路回路里將逐漸額外包含部分右邊磁通回路的磁通,磁通變化量增大,感應電勢隨之增大,且超過回路電阻的增加,結果就是電流值在該階段呈增大趨勢。隨著接地點向右推進,最終短路回路包含的磁通將不再增大,感應電勢不再增加,電流又隨著電阻的增大而呈減小趨勢。

圖10 1點固定5-12點移動時故障電流變化圖

圖11里固定了一個側面點m,另外一個接地點還是在疊裝面上移動,隨著兩點間距離增大,接地電流呈增大趨勢。但是距離最大的m、n點之間測得的電流反而大大減小。這可以解釋為電流從平行于疊裝方向的方向流入所受到的阻礙作用比從垂直于疊裝方向流入所受到的阻礙作用要大得多,所以包含側面點的圖11整體上的電流都要比圖9小,而m、n兩個側面點的接入更是大大增加了短路回路的電阻,造成電流急劇下降。

圖11 m點固定a-n點移動時故障電流變化圖

4 結束語

(1)文章提出了推導過程更為簡便的變壓器鐵芯多點接地故障時的等效電導率,得出的均勻化有限元模型更利于工程實際中應用,并且通過Maxwell驗證了其準確性;

(2)建立了380 V的EI型變壓器有限元仿真模型,得出變壓器鐵芯兩點接地時的電流規律:①沿著平行于硅鋼片疊裝方向,故障電流與兩接地點間距離呈正相關性;②沿著非平行于硅鋼片疊裝方向,若短接回路處于同一個磁路,故障電流與接地點間距離呈負相關性,若短接回路鉸鏈不止一個磁路,則不適用于此規律;③從硅鋼片正面接地,接地電流大大減小。