干式空心电抗器匝间短路故障暂态特性仿真研究

(云南电网有限责任公司大理供电局，云南 大理 671000)

0 引言

干式空心电抗器已作为限制过电流、滤除谐波和补偿无功功率的重要设备在电力系统中被广泛使用[1- 3]。由于干式空心电抗器通常安装在恶劣的户外环境中，经常发生匝间短路的事故。匝间短路是最常见的干式电抗器故障，占发生的全部故障的50%以上。短路会导致干式电抗器局部过热，导致绝缘老化加速，甚至损坏电抗器，从而危及电力系统的安全运行[4- 7]。到目前为止，匝间短路在线检测方法通常基于电抗器的稳态特性，对小匝短路不敏感[8- 9]。实际上，早期的检测和警告预计会避免对电力系统造成损害，因此研究早期检测的匝间故障暂态特性是极为重要的[10]。

本研究基于干式空心电抗器从正常运行状态到匝间短路故障状态的电磁理论，详细分析了匝间短路的动态物理过程，并采用ANSYS Maxwell分析软件建立了干式电抗器的暂态计算模型。最后通过仿真试验对所模拟的匝间短路故障的暂态特性进行了验证。

1 匝间短路的动态过程

干式空心电抗器由多个绕组封装构成，并与相邻两个间隔器之间的冷却通道并联，每个绕组封装由多个并联的绕组层组成，如图1a所示。图1b给出了电抗器的相应电路，其中u(t)和i(t)分别为电抗器的电压和电流。ik(t)，Rk和Lk(k=1,2，...，n，n是绕组层数)分别为第k个绕组层的分支电流、电阻和自感。Mkj(j=1,2，...，n，j≠k)是第k层和第j层之间的互感。

图1 干式空心电抗器的结构和电路模型

在电抗器匝间短路的动态物理过程中包括3个阶段：正常运行期，早期故障期和故障期[11- 12]。

在正常运行期间，2个相邻的匝串联并具有相同的电流，如图2a所示。第m转的电流与第m+1转的电流相同。根据安培力定律，2个相邻的匝间相互吸引而不是短路，因为它们之间具有良好的绝缘。

当匝间绝缘发生故障时，绝缘故障中的两匝触点将通过电磁吸引力形成短路环，但在碰撞后会立即通过电磁排斥力分离，因为短路方向根据电磁感应定律，短路电流与正常匝数相反，如图2b所示，第m匝是短路环。这可以被称为早期故障时段，在此期间2个相邻转弯重复碰撞和分离。

短路环的大感应电流可能会引起局部高温并加剧绝缘损伤，导致金属线缠绕成整数。这就是所谓的失效期，在此期间接触到的匝数不会再分离，并形成一个稳定的短路环，可能导致更严重的短路，甚至烧毁电抗器[13- 15]。

图2 干式空心电抗器的电流

2 电抗器暂态磁场耦合电路模型

利用ANSYS Maxwell的“瞬态”模块可以模拟电抗器匝间短路的动态过程[16]。额定电气参数和结构参数分别如表1和表2所示。

表1 电抗器的额定电参数

表2 电抗器的结构参数

2.1 有限元几何模型

根据电抗器的结构，可以建立圆柱坐标系下的二维轴对称有限元模型(圆柱型Z)，如图3所示。

图3 干式空心电抗器的有限元几何模型

由图3可知，短路绕组由3个子绕组组成：上绕组，短路电路环和下绕组。此外，检测线圈和检测区域也在图中标识出来。

2.2 边界和激励加载

由于解域是无限的，因此可以通过在检测区域的边界上分配气球边界条件来完成边界加载。

在端口和线圈分配到绕组后，可以通过将外部电路引入绕组端口来完成励磁加载。

2.3 外部电路模型

外部电路模型由ANSYS Maxwell电路编辑器构建，如图4所示。

图4 电抗器匝间短路的暂态仿真电路模型

在匝间早期短路期，电抗器的电路结构发生了变化，这可以通过一个受控开关S_18来实现，如图4a所示。其中ModelIV为S_18的开关模型，L绕组1，L绕组2和L绕组3是第1到第3绕组。 假定第4绕组发生匝间短路，L绕组6代表短路环，L绕组4和L绕组7分别为上绕组和下绕组。R9，R10和R11分别是第1绕组到第3绕组的电阻，R6是短路环的电阻，R4和R7分别是上绕组和下绕组的电阻。开关的受控电路如图4b所示，其中，V21为脉冲电压源，R22为限流电阻和IVs为电压表。在图4c中，L绕线5表示探测线圈，R13是开路电阻，取值为109 Ω。

3 仿真实验

仿真实验中，在第4绕组线圈中沿轴向设置在离电抗器中心100 mm的距离处设置短路环。短路环的模拟电流如图5所示。能够检测短路过程中磁场暂态特性的检测线圈的感应电压如图6所示。

图5 短路环的仿真电流波形

图6 检测线圈的仿真感应电压波形

从图5可以看出，正常线圈的电流会在短路故障发生瞬间变成一个很大的值，同时会变成一个短路环，这会引起电抗器磁场的明显变化，因此，感应电压会明显变化，如图6所示。因此，可以很容易地通过检测线圈的感应电压来检测早期短路故障。

在上述人为设置的匝间短路动态过程中，设置了一个实验平台，以获取检测线圈的实际感应电压。选择NI PCI- 6221，采样率为30 kHz/s。感应电压如图7所示。由图7可以看出，感应电压在短路瞬间有明显变化。实验波形(图7)和仿真波形(图6)中，具有明显特征的感应电压所出现的时间和幅值大小基本相同，这说明实验结果和仿真结果具有较好的一致性，也证明了仿真计算的正确性。

图7 实验中检测线圈的感应电压波形

4 结束语

基于电磁场理论，对干式空心电抗器从正常运行状态到匝间短路故障状态的正常运行期、早期故障期和故障期3个动态过程进行了分析，并使用ANSYS Maxwell仿真软件对电抗器的匝间短路暂态过程进行建模，得到在电抗器的匝间早期短路期间短路环中的大电流会引起电抗器磁场的显着变化的计算结果。通过对仿真实验的结果进行分析，表明上述计算结果的正确性，也证明了采用感应电压检测方法可以在较早的故障期间检测到干式空心电抗器的匝间短路故障。