基于有限元法的变电站短路电动力引流线偏移故障分析

2023-11-11王泽朗付文诚和晓辉严敬义杨洪灿

云南电力技术 2023年5期

王泽朗，付文诚，和晓辉，严敬义，杨洪灿

（1. 云南电网有限责任公司，云南昆明 650011；2. 云南电网有限责任公司电力科学研究院，云南昆明 650127；3. 云南电网有限责任公司曲靖供电局，云南曲靖 655000）

0 前言

变压器是电力系统中重要的设备之一，承担着电压变换的重要任务，其运行安全稳定直接影响着整个电力系统的稳定性。然而，在实际应用中，由于电气故障或机械故障等原因，变压器停运，导致停电时间延长、事故范围扩大甚至引发系统解列等严重后果。

近年来，变电站的近区短路故障频发，该故障会使短路电流通过主变压器的出线引流线，导致出线引流线受到安培力的作用而产生摆动，进而使得引流线之间的间距缩小。当引流线的相间距离小于安全距离时，可能会在出线引流线上再次发生短路，导致主变压器跳闸，破坏电力系统的稳定性，危及电网的安全稳定运行[1-2]。

正常情况下，变电站内的引流线之间具有一定的裕度，不容易发生相间短路现象。但在极端情况下，两相引流线同时向内偏移，可能会因为短路电动力的作用导致相间短路故障发生[3-7]。最近，某变电站就发生了一起由于短路电动力引起的引流线偏移导致的相间短路故障，导致主变差动保护动作跳闸，造成主变停运的事件。因此，研究引流线在短路电流作用下的偏移特性对于消除变电站内的固有风险、确保电网的安全稳定运行具有重要意义[8-10]。

本文针对某变电站内由于短路电动力引起的引流线偏移导致的相间短路故障进行了研究分析。通过有限元多物理场耦合方法，详细分析了不同长度和线径引流线在短路电动力作用下的偏移特性，并提出了两种解决方案和一种临时性措施来减少短路电动力引起的引流线偏移。本文基于有限元仿真分析方法，通过故障分析和仿真计算，为解决由于短路电动力引起的引流线偏移导致的相间短路故障提供了一种解决思路。

1 故障概况

2023 年4 月2 日11 时39 分45 秒511 毫秒，220 kV 某变电站35 kV 某线线路保护启动（如图1 所示），197 ms 过流Ⅱ段动作，BC相间短路，35 kV 某断路器跳闸。11 时39 分46秒，220 kV 某变电站220 kV#2 主变第一套保护0 ms 采样值差动保护动作、8 ms 纵差差动保护动作、9 ms 纵差差动速断动作，第二套保护11 ms 比例差动动作、差动速断动作、20 ms 工频变化量差动动作，跳开220 kV#2 主变三侧断路器，造成220 kV 某变电站220 kV#2 主变停运，损失负荷9.5 MW。

图1 220 kV#2主变35 kV侧架空引流线布置方案

经查明，本次220 kV 某变#2 主变差动保护动作原因为：35 kV 某线#1 塔T 接点靠35 kV 某线创界T 接线侧C 相电缆头与B 相避雷器放电，穿越短路电流（14.822 kA）流过站内220 kV#2 主变35 kV 侧架空引流线，架空引流线由于短路电动力影响下引流线间发生摆动，导致B、C 相的相间距离过近，从而发生相间短路。

2 故障分析

根据上文可知，在变电站发生近区短路故障时，故障产生的短路电流流过主变出线的引流线，导致主变出线引流线受到安培力而发生摆动，引流线相间距离变小，在引流线相间距离小于安全距离情况下会在主变出线引流线上再次发生短路，引发主变跳闸的严重后果。因此，下面通过理论计算结合有限元仿真计算对本次故障进行详细分析。

2.1 短路电动力下引流线摆动计算模型

在发生两相相间短路时，流过两相引流线的短路电流大小相等，方向相反，引流线受到相反的安培力，故短路电流一致的情况下，引流线因安培力发生摆动时的相间距离最小。

现要计算给定短路电流值情况下，引流线摆动位移大小，计算模型如图2 所示，首先根据电磁学相关理论计算出给定电流下两相引流线之间的安培力，其次在COMSOl 软件中建立引流线摆动的结构力学计算模型，将计算得到的安培力作为模型的激励，计算得到最大摆动位移，最后根据计算得到的摆动位移结合《DL/T 5352-1985 高压配电装置设计规范》中的相关要求，判断摆动后的引流线是否会发生相间放电。

图2 短路电动力下引流线摆动计算模型

2.2 案例引流线所受点动力计算

以概况所述案例为例，发生短路时，短路电流通过两相引流线行程回路，两相引流线上流过14.8 kA 的电流，周期相等，方向相反。根据电磁原理及安培定则，两段平行引流线上流过电流方向相反时，引流线之间电动力使两段引流线相互排斥，距离变远，受力情况如图3所示。

图3 相间短路两相引流线受力图

继电保护装置动作，切断短路电流后，两相引流线上的倒短电流骤减，引流线之间的电动排斥力基本消失，受力变化情况如图4 所示。图4 中虚线为引流线在重力G作用下自由下垂时情况。左图为存在引流线间电动排斥力FB的情况，该情况下引流线在排斥力及重力的共同作用下，向外侧分开。右图为失去引流线间电动排斥力后，在重力作用下，引流线回荡向内收敛，引流线间间距变短。根据机械能守恒，向外侧分开的距离与向内收敛的距离基本相等。

图4 引流线受电动排斥力的位移变化情况分析

220 kV 某变#2 主变35 kV 出线侧引流线在故障期间可以看出，11:38:57 时为正常运行时的引流线间距，11:38:58 时为35 kV 某线#1 塔B、C 相短路电流下，220 kV#2 主变35 kV 侧架空引流线受到相互排斥的电动力而分开，11:38:59时为失去引流线间电动排斥力后，在重力作用下发生回摆，220 kV 某变#2 主变35 kV 出线侧引流线B、C 相相间距离明显变小。

对两平行引流线之间电流导致的排斥力进行计算，各引流线间的电动力FB为：

载流直引流线外距离引流线r处磁感应强度B表达式：

式中：μ取真空磁引流率4π×10-7，r为该点到直引流线的距离。

由以上公式可推出单位距离下两平行引流线间的电动力为：

式中：引流线间的距离为a，两引流线通过的电流为＋I及－I。

220 kV 某变#2 主变35 kV 出线侧引流线间距离为1.23 m，第一次故障时最大故障电流为14.822 kA，可得单位距离下BC 相引流线间的电动力为：

2.3 短路电动力下引流线摆动有限元仿真计算

根据电力设计院的设计图纸尺寸及现场勘测数据，对站内架空引流线在电动力作用下发生偏移开展仿真建模。仿真模型中，引流线档距为26 m，弧垂为400 mm，引流线相间距离为1230 mm，引流线材质为钢芯铝绞线，引流线横截面积为500 mm2，杨氏模量设置为6.5×1010，泊松比为0.2，密度为2386.2 kg/m3。对引流线两端施加固定约束条件，考虑引流线的重力，沿水平方向施加电动力，采用稳态模型进行计算，如图5 所示。

表1 几何参数

图5 几何模型

图6 电动排斥力下的引流线位移示意图

引流线间电动排斥力达到35.722 N/m 时，单根引流线的位移量将达到547 mm，两根引流线的位移为1094 mm，此时BC 相引流线间最近距离为136 mm，如图7 所示。根据《DL/T 5352-1985 高压配电装置设计规范》，工频电压下35 kV 相间最小空气间隙170 mm，该距离下BC 两相引流线会发生相间放电。

图7 架空引流线不同长度下引流线位移示意图

3 解决方案仿真分析

为了解决短路电动力下引流线摆动带来的故障隐患，考虑引流线长度和引流线线径对其最大位移的影响。下面将对不同引流线长度在一定短路电流情况下的最大位移以及不同引流线线径在一定短路电流情况下的最大位移进行仿真研究。针对不同引流线长度的影响研究，将使用有限元多物理场耦合方法进行分析。通过改变引流线的长度，将一定的短路电流施加在引流线上，进行仿真计算，可以得到在不同长度引流线情况下的最大位移，从而评估引流线长度与位移量之间的关系。

针对不同引流线线径的影响研究，同样使用有限元多物理场耦合方法进行分析。通过改变引流线的线径，施加一定的短路电流，进行仿真计算，可以得到在不同线径引流线情况下的最大位移，以评估引流线线径与位移量之间的关系。

通过对不同长度和线径引流线的仿真计算，可以获得引流线长度和线径对短路电动力下引流线位移的影响规律。在此基础上，提出相应的解决方案，如优化引流线长度和线径，以减少短路电动力引起的引流线偏移，从而降低相间短路故障的风险，确保电网的安全稳定运行。

3.1 引流线长度的影响

根据综合考虑的变电站布置方案，在设置了不同长度的架空引流线（分别为14 m、17 m、20 m、23 m、25 m 和26 m），最大短路电流大小均为17.53 kA，并且引流线相间距离为1230 mm 的前提下，利用COMSOL 软件平台进行仿真建模来计算引流线的最大摆动位移。具体结果如图8 所示。

图8 短路电动力下引流线摆动随引流线长度变化示意图

由图可知，在短路电动力作用下，引流线长度逐渐增加会导致引流线摆动的最大位移增大。在引流线长度小于25 m 的情况下，短路电动力作用下引流线摆动后，不会出现相间短路的情况。然而，当引流线长度超过25 m 时，短路电动力作用下引流线摆动后，相间距离会变得过小，有可能导致相间放电的发生。因此，为了防止架空引流线发生相间放电，需要在引流线长度大于25 m 的引流线采取加装支撑绝缘子或横向复合绝缘子的安全措施，可以有效提高架空引流线的稳定性和安全性。在满足规范要求的前提下，防止相间放电的发生。

3.2 引流线线径的影响

根据变电站引流线选用标准，进行了两组不同长度引流线的仿真建模。其中，第一组引流线长度为640 m，第二组引流线长度为1440 m，最大短路电流保持为17.53 kA，引流线的相间距离始终维持在1230 mm 下进行仿真，具体仿真结果如图9 所示。

图9 架空引流线不同线经下引流线位移示意图

由图9(a) 可知，架空引流线线经为640 m时，单根架空引流线的最大位移为268 mm，两根引流线的位移为536 mm，此时两相架空引流线相间最短距离为694 mm；由图9(b) 可知，架空引流线线经为1440 m 时，单根架空引流线的最大位移为55.6 mm，两根引流线的位移为111.2 mm，此时两相架空引流线相间最短距离为1118.8 mm。

根据仿真计算结果，可以得出以下结论：当引流线线径增加时，短路电动力下引流线摆动的最大位移减小。在分别使用640 m 和1440 m 的引流线线径进行仿真时，两种情况下的相间最短距离都远大于170 mm，因此不会出现由于短路电动力引起的引流线摆动而导致相间短路的情况。针对那些存在固有风险的变电站，可能因短路电动力引起引流线的摆动而导致故障的情况，可以考虑采用更换更粗线径的引流线的解决方案，进一步降低引流线摆动的风险，提高变电站的安全性和可靠性。