基于有限元法的變電站短路電動力引流線偏移故障分析

王澤朗，付文誠，和曉輝，嚴敬義，楊洪燦

（1. 云南電網有限責任公司，云南 昆明 650011；2. 云南電網有限責任公司電力科學研究院，云南 昆明 650127；3. 云南電網有限責任公司曲靖供電局，云南 曲靖 655000）

0 前言

變壓器是電力系統中重要的設備之一，承擔著電壓變換的重要任務，其運行安全穩定直接影響著整個電力系統的穩定性。然而，在實際應用中，由于電氣故障或機械故障等原因，變壓器停運，導致停電時間延長、事故范圍擴大甚至引發系統解列等嚴重后果。

近年來，變電站的近區短路故障頻發，該故障會使短路電流通過主變壓器的出線引流線，導致出線引流線受到安培力的作用而產生擺動，進而使得引流線之間的間距縮小。當引流線的相間距離小于安全距離時，可能會在出線引流線上再次發生短路，導致主變壓器跳閘，破壞電力系統的穩定性，危及電網的安全穩定運行[1-2]。

正常情況下，變電站內的引流線之間具有一定的裕度，不容易發生相間短路現象。但在極端情況下，兩相引流線同時向內偏移，可能會因為短路電動力的作用導致相間短路故障發生[3-7]。最近，某變電站就發生了一起由于短路電動力引起的引流線偏移導致的相間短路故障，導致主變差動保護動作跳閘，造成主變停運的事件。因此，研究引流線在短路電流作用下的偏移特性對于消除變電站內的固有風險、確保電網的安全穩定運行具有重要意義[8-10]。

本文針對某變電站內由于短路電動力引起的引流線偏移導致的相間短路故障進行了研究分析。通過有限元多物理場耦合方法，詳細分析了不同長度和線徑引流線在短路電動力作用下的偏移特性，并提出了兩種解決方案和一種臨時性措施來減少短路電動力引起的引流線偏移。本文基于有限元仿真分析方法，通過故障分析和仿真計算，為解決由于短路電動力引起的引流線偏移導致的相間短路故障提供了一種解決思路。

1 故障概況

2023 年4 月2 日11 時39 分45 秒511 毫秒，220 kV 某變電站35 kV 某線線路保護啟動（如圖1 所示），197 ms 過流Ⅱ段動作，BC相間短路，35 kV 某斷路器跳閘。11 時39 分46秒，220 kV 某變電站220 kV#2 主變第一套保護0 ms 采樣值差動保護動作、8 ms 縱差差動保護動作、9 ms 縱差差動速斷動作，第二套保護11 ms 比例差動動作、差動速斷動作、20 ms 工頻變化量差動動作，跳開220 kV#2 主變三側斷路器，造成220 kV 某變電站220 kV#2 主變停運，損失負荷9.5 MW。

圖1 220 kV#2主變35 kV側架空引流線布置方案

經查明，本次220 kV 某變#2 主變差動保護動作原因為：35 kV 某線#1 塔T 接點靠35 kV 某線創界T 接線側C 相電纜頭與B 相避雷器放電，穿越短路電流（14.822 kA）流過站內220 kV#2 主變35 kV 側架空引流線，架空引流線由于短路電動力影響下引流線間發生擺動，導致B、C 相的相間距離過近，從而發生相間短路。

2 故障分析

根據上文可知，在變電站發生近區短路故障時，故障產生的短路電流流過主變出線的引流線，導致主變出線引流線受到安培力而發生擺動，引流線相間距離變小，在引流線相間距離小于安全距離情況下會在主變出線引流線上再次發生短路，引發主變跳閘的嚴重后果。因此，下面通過理論計算結合有限元仿真計算對本次故障進行詳細分析。

2.1 短路電動力下引流線擺動計算模型

在發生兩相相間短路時，流過兩相引流線的短路電流大小相等，方向相反，引流線受到相反的安培力，故短路電流一致的情況下，引流線因安培力發生擺動時的相間距離最小。

現要計算給定短路電流值情況下，引流線擺動位移大小，計算模型如圖2 所示，首先根據電磁學相關理論計算出給定電流下兩相引流線之間的安培力，其次在COMSOl 軟件中建立引流線擺動的結構力學計算模型，將計算得到的安培力作為模型的激勵，計算得到最大擺動位移，最后根據計算得到的擺動位移結合《DL/T 5352-1985 高壓配電裝置設計規范》中的相關要求，判斷擺動后的引流線是否會發生相間放電。

圖2 短路電動力下引流線擺動計算模型

2.2 案例引流線所受點動力計算

以概況所述案例為例，發生短路時，短路電流通過兩相引流線行程回路，兩相引流線上流過14.8 kA 的電流，周期相等，方向相反。根據電磁原理及安培定則，兩段平行引流線上流過電流方向相反時，引流線之間電動力使兩段引流線相互排斥，距離變遠，受力情況如圖3所示。

圖3 相間短路兩相引流線受力圖

繼電保護裝置動作，切斷短路電流后，兩相引流線上的倒短電流驟減，引流線之間的電動排斥力基本消失，受力變化情況如圖4 所示。圖4 中虛線為引流線在重力G作用下自由下垂時情況。左圖為存在引流線間電動排斥力FB的情況，該情況下引流線在排斥力及重力的共同作用下，向外側分開。右圖為失去引流線間電動排斥力后，在重力作用下，引流線回蕩向內收斂，引流線間間距變短。根據機械能守恒，向外側分開的距離與向內收斂的距離基本相等。

圖4 引流線受電動排斥力的位移變化情況分析

220 kV 某變#2 主變35 kV 出線側引流線在故障期間可以看出，11:38:57 時為正常運行時的引流線間距，11:38:58 時為35 kV 某線#1 塔B、C 相短路電流下，220 kV#2 主變35 kV 側架空引流線受到相互排斥的電動力而分開，11:38:59時為失去引流線間電動排斥力后，在重力作用下發生回擺，220 kV 某變#2 主變35 kV 出線側引流線B、C 相相間距離明顯變小。

對兩平行引流線之間電流導致的排斥力進行計算，各引流線間的電動力FB為：

載流直引流線外距離引流線r處磁感應強度B表達式：

式中：μ取真空磁引流率4π×10-7，r為該點到直引流線的距離。

由以上公式可推出單位距離下兩平行引流線間的電動力為：

式中：引流線間的距離為a，兩引流線通過的電流為＋I及－I。

220 kV 某變#2 主變35 kV 出線側引流線間距離為1.23 m，第一次故障時最大故障電流為14.822 kA，可得單位距離下BC 相引流線間的電動力為：

2.3 短路電動力下引流線擺動有限元仿真計算

根據電力設計院的設計圖紙尺寸及現場勘測數據，對站內架空引流線在電動力作用下發生偏移開展仿真建模。仿真模型中，引流線檔距為26 m，弧垂為400 mm，引流線相間距離為1230 mm，引流線材質為鋼芯鋁絞線，引流線橫截面積為500 mm2，楊氏模量設置為6.5×1010，泊松比為0.2，密度為2386.2 kg/m3。對引流線兩端施加固定約束條件，考慮引流線的重力，沿水平方向施加電動力，采用穩態模型進行計算，如圖5 所示。

表1 幾何參數

圖5 幾何模型

圖6 電動排斥力下的引流線位移示意圖

引流線間電動排斥力達到35.722 N/m 時，單根引流線的位移量將達到547 mm，兩根引流線的位移為1094 mm，此時BC 相引流線間最近距離為136 mm，如圖7 所示。根據《DL/T 5352-1985 高壓配電裝置設計規范》，工頻電壓下35 kV 相間最小空氣間隙170 mm，該距離下BC 兩相引流線會發生相間放電。

圖7 架空引流線不同長度下引流線位移示意圖

3 解決方案仿真分析

為了解決短路電動力下引流線擺動帶來的故障隱患，考慮引流線長度和引流線線徑對其最大位移的影響。下面將對不同引流線長度在一定短路電流情況下的最大位移以及不同引流線線徑在一定短路電流情況下的最大位移進行仿真研究。針對不同引流線長度的影響研究，將使用有限元多物理場耦合方法進行分析。通過改變引流線的長度，將一定的短路電流施加在引流線上，進行仿真計算，可以得到在不同長度引流線情況下的最大位移，從而評估引流線長度與位移量之間的關系。

針對不同引流線線徑的影響研究，同樣使用有限元多物理場耦合方法進行分析。通過改變引流線的線徑，施加一定的短路電流，進行仿真計算，可以得到在不同線徑引流線情況下的最大位移，以評估引流線線徑與位移量之間的關系。

通過對不同長度和線徑引流線的仿真計算，可以獲得引流線長度和線徑對短路電動力下引流線位移的影響規律。在此基礎上，提出相應的解決方案，如優化引流線長度和線徑，以減少短路電動力引起的引流線偏移，從而降低相間短路故障的風險，確保電網的安全穩定運行。

3.1 引流線長度的影響

根據綜合考慮的變電站布置方案，在設置了不同長度的架空引流線（分別為14 m、17 m、20 m、23 m、25 m 和26 m），最大短路電流大小均為17.53 kA，并且引流線相間距離為1230 mm 的前提下，利用COMSOL 軟件平臺進行仿真建模來計算引流線的最大擺動位移。具體結果如圖8 所示。

圖8 短路電動力下引流線擺動隨引流線長度變化示意圖

由圖可知，在短路電動力作用下，引流線長度逐漸增加會導致引流線擺動的最大位移增大。在引流線長度小于25 m 的情況下，短路電動力作用下引流線擺動后，不會出現相間短路的情況。然而，當引流線長度超過25 m 時，短路電動力作用下引流線擺動后，相間距離會變得過小，有可能導致相間放電的發生。因此，為了防止架空引流線發生相間放電，需要在引流線長度大于25 m 的引流線采取加裝支撐絕緣子或橫向復合絕緣子的安全措施，可以有效提高架空引流線的穩定性和安全性。在滿足規范要求的前提下，防止相間放電的發生。

3.2 引流線線徑的影響

根據變電站引流線選用標準，進行了兩組不同長度引流線的仿真建模。其中，第一組引流線長度為640 m，第二組引流線長度為1440 m，最大短路電流保持為17.53 kA，引流線的相間距離始終維持在1230 mm 下進行仿真，具體仿真結果如圖9 所示。

圖9 架空引流線不同線經下引流線位移示意圖

由圖9(a) 可知，架空引流線線經為640 m時，單根架空引流線的最大位移為268 mm，兩根引流線的位移為536 mm，此時兩相架空引流線相間最短距離為694 mm；由圖9(b) 可知，架空引流線線經為1440 m 時，單根架空引流線的最大位移為55.6 mm，兩根引流線的位移為111.2 mm，此時兩相架空引流線相間最短距離為1118.8 mm。

根據仿真計算結果，可以得出以下結論：當引流線線徑增加時，短路電動力下引流線擺動的最大位移減小。在分別使用640 m 和1440 m 的引流線線徑進行仿真時，兩種情況下的相間最短距離都遠大于170 mm，因此不會出現由于短路電動力引起的引流線擺動而導致相間短路的情況。針對那些存在固有風險的變電站，可能因短路電動力引起引流線的擺動而導致故障的情況，可以考慮采用更換更粗線徑的引流線的解決方案，進一步降低引流線擺動的風險，提高變電站的安全性和可靠性。

4 結束語

本文研究了某220kV 變電站在近區短路故障時，故障產生的短路電流對主變出線引流線的影響，導致引流線發生安培力引起的擺動，最終引發主變跳閘的嚴重故障。基于此情況，提出以下解決方案：

1）加裝支撐絕緣子或橫向復合絕緣子：通過在引流線的中間位置加裝支撐絕緣子或橫向復合絕緣子，通過把引流線分段的形式，減小引流線長度，從而減少短路電動力對架空引流線的影響，降低擺動位移，從而有效提高引流線的抗電動力沖擊能力；

2）更換更大線徑的引流線：采用更大線徑的引流線可以有效減少短路電動力對引流線的影響，降低擺動位移。這樣可以提高引流線的穩定性，減少因短路電動力引起的故障風險；

3）臨時絕緣包裹措施：對于沒有施工條件的變電站，可以采取臨時絕緣包裹措施來應對可能發生的因短路電動力引起的引流線擺動導致相間短路的風險。這樣可以在不需要較長停電時間的情況下，提供臨時的絕緣保護，避免此類故障的發生。