干式空心并联电抗器匝间短路状态下损耗分析

王和杰，徐广鹦，周徐达，陈 炯，冯铖铖

(1.国网上海市电力公司检修公司，上海 200063；2.上海电力学院，上海 200090)

干式空心电抗器与传统的油浸式铁心电抗器相比，具有结构简单、重量轻、体积小、线性度好、损耗低、维护方便等优点，因此得到了迅速发展和广泛应用，确保其可靠运行对于保证电网的安全具有重要意义[1-3]。经研究分析表明，匝间短路是导致干式电抗器事故的主要因素。为了实现对干式空心电抗器匝间短路状态的在线监测，需对其匝间故障状态下的电气参数进行分析。本文就匝间短路故障状态下故障线圈所形成的环流对干式空心电抗器损耗的影响进行研究。

1 匝间短路下干式空心电抗器的模型

在工频电压下，干式空心并联电抗器可以由各线圈的自感、互感和导线电阻等效。干式空心并联电抗器为多包封多层线圈并绕结构，以层为单位，建立的等值电路如图1所示。

图1 干式空心并联电抗器等值电路

干式空心电抗器匝间绝缘在高场、高温的作用下会发生绝缘老化，随着匝间绝缘的老化，线圈内部会形成短路环，这里称为匝间短路故障[4-7]。由此可见，干式空心电抗器在发生匝间绝缘老化时，故障层线圈可以分成两部分：短路匝构成第n+1个支路，剩余匝构成第i个支路。含匝间短路故障并联电抗器的等值电路如图2所示。

图2 匝间短路故障干式空心并联电抗器等值电路

2 匝间短路故障电抗器等值电路的电压方程

当匝间短路时，根据图2等值电路，以层为单位建立电压方程，第i层线圈的电压方程为

(1)

短路匝的电压方程为

(2)

式(1)与式2)构成n+1阶方程组，有n+1个电流变量，解方程组可以得到各电流值。则电抗器总电流为

(3)

根据欧姆定律，匝间短路后干式空心电抗器的总体等值电阻和电感为

(4)

3 计算分析

以BKK-20,000/63型干式空心并联电抗器为实例进行分析，它有11个包封、49层线圈，每层线圈2股并绕。在匝间短路状态下，对电流、阻抗和电感变化进行了分析。

3.1 各层电流变化

为了解故障位置对各层电流的影响，假设匝间短路轴向位置分别在端部、1/8高度、1/4高度、3/8高度及1/2高度，以层为单位，计算各层电流变化量与短路位置的关系，匝间短路故障后各层电流变化量如图3所示。由图3可知，当在发生匝间短路时，电抗器内部层间形成了环流，含短路故障层电流变化非常明显。轴向位置变化对层电流变化量的影响规律比较明显，端部短路引起的变化量小，中间短路引起的变化量大。

图3 不同位置匝间短路引起的各层电流变化量

3.2 电抗器总电流变化

在第1、11、21、31和41层及不同轴向位置发生股间短路，考察电抗器总体电流变化，电流变化量与短路位置的关系曲线如图4所示。

图4 匝间短路故障后总电流变化量

匝间短路故障后，电抗器总体电流变化量也比较小，最大值为0.8%左右。同一层中间位置短路引起的变化量最大，不同层也有差异，外层短路引起的变化量大，这是由于外层的短路线圈与其他线圈磁耦合大造成的。

3.3 阻抗和电感量变化

在上述层和轴向位置发生匝间短路，考察电抗器阻抗变化，电阻变化量与短路位置的关系曲线如图5所示，电抗变化量与短路位置的关系曲线如图6所示。

图5 匝间短路故障后电抗器等值电阻变化量

图6 匝间短路故障后电抗器电抗变化量

匝间短路后，电抗器等值串联电阻发生了显著变化，最大值为1 600%左右。同一层中间位置短路引起的变化量最大，不同层也有差异，外层短路引起的变化量大。

匝间短路后，电抗器等值电抗值减小比较小，最大值为0.9%左右。同一层中间位置短路引起的变化量最大，不同层也有差异，外层短路引起的变化量大。

4 结语

通过建立匝间短路故障干式空心并联电抗器等值电路，给出了等值电阻的求取方法，建立了等值电路的电压方程。以BKK-20000/63型干式空心并联电抗器为例，数值解析了短路故障对层电流、总电流、等值电阻及等值电抗值随短路故障位置的变化量，得到如下结论。

(1)出现匝间短路故障后，在层间形成环流，故障层电流明显变大，总电流变化比较小。

(2)匝间短路引起的等值电阻与等值电抗变大，其随幅随着短路位置由内层向外层改变，匝间短路引起的等值电阻与等值电抗变化量都逐渐增大；随轴向位置由端部向中间改变，匝间短路引起的等值电阻与等值电抗的变化量逐渐增加。

(3)匝间短路引起的等值电阻变化量最大，可见依靠监测等值电阻，或者与其相关的损耗、损耗角和损失角正切可实现对干式空心电抗器匝间短路的诊断。

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