伍陽(yáng)陽(yáng)，譚向宇，劉友寬，徐鵬，張潔，陳文雯，徐雯，李蕊

(1.云南電網(wǎng)公司研究生工作站，昆明 650217；2.云南電網(wǎng)公司電力研究院，昆明 650217；3.華北電力大學(xué)，河北 保定 071000)

有限元法對(duì)干式空心電抗器匝間絕緣故障的研究

伍陽(yáng)陽(yáng)1，3，譚向宇2，劉友寬2，徐鵬1，張潔1，陳文雯1，徐雯1，李蕊1

(1.云南電網(wǎng)公司研究生工作站，昆明 650217；2.云南電網(wǎng)公司電力研究院，昆明 650217；3.華北電力大學(xué)，河北 保定 071000)

通過(guò)ANSYS軟件，利用有限元法對(duì)干式空心電抗器的匝間絕緣特性以及絕緣故障進(jìn)行分析研究，結(jié)果表明，匝間絕緣故障時(shí)會(huì)導(dǎo)致其周圍電場(chǎng)強(qiáng)度激增，從而導(dǎo)致該區(qū)域溫度升高，從而加劇了對(duì)干式空心電抗器絕緣結(jié)構(gòu)的損害。

干式空心電抗器；匝間絕緣；有限元法

0 前言

干式空心電抗器由于沒(méi)有鐵心，所以不存在磁飽和現(xiàn)象。且由于干式空心電抗器與傳統(tǒng)的油浸式鐵心電抗器相比，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕、體積小、線性度好、損耗低、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，在維持電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定、限制短路電流、進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償?shù)确矫嬗兄匾饔?，而其匝間絕緣狀態(tài)是影響干式電抗器安全穩(wěn)定運(yùn)行的一個(gè)非常重要的因素[3][4]。因此，對(duì)即將投運(yùn)或已經(jīng)投運(yùn)的干式電抗器匝間絕緣狀態(tài)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，將對(duì)發(fā)現(xiàn)其安全隱患、避免事故發(fā)生和防止事故擴(kuò)大都有非常積極的作用。干式電抗器匝間絕緣狀態(tài)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)技術(shù)的研究與推廣是狀態(tài)檢修和智能電網(wǎng)發(fā)展戰(zhàn)略中的重要環(huán)節(jié)，對(duì)提高電力系統(tǒng)設(shè)備安全運(yùn)行水平具有重要意義。

然而，干式空心電抗器由于其層數(shù)和匝數(shù)較多，匝間絕緣故障的靈敏檢測(cè)一直是難以解決的問(wèn)題。通常采用的試驗(yàn)方法有倍頻倍壓試驗(yàn)和沖擊電壓試驗(yàn)。倍頻倍壓試驗(yàn)作用時(shí)間較長(zhǎng)，能量較高，但試驗(yàn)電壓比較低，電抗器匝數(shù)較多時(shí)難以檢測(cè)缺陷；沖擊電壓試驗(yàn)作用電壓較高，但是作用時(shí)間較短，能量較低，也難以發(fā)現(xiàn)電抗器故障[1-2]。

本文將通過(guò)ANSYS軟件，利用有限元法對(duì)干式空心電抗器進(jìn)行建模，并分析其匝間絕緣特性以及匝間絕緣故障時(shí)，匝間電場(chǎng)強(qiáng)度的變化。分析結(jié)果表明：當(dāng)匝間絕緣故障時(shí)會(huì)導(dǎo)致其周圍電場(chǎng)強(qiáng)度激增，從而導(dǎo)致該區(qū)域溫度升高，從而加劇了對(duì)干式空心電抗器絕緣結(jié)構(gòu)的損害。

1 ANSYS仿真模型建立

ANSYS將模型分為實(shí)體模型和有限元模型兩大類。實(shí)體模型由關(guān)鍵點(diǎn)、線、面和體組成，用來(lái)直接描述所求問(wèn)題的幾何特性[5]。

有限元模型是實(shí)際結(jié)構(gòu)和物質(zhì)的數(shù)學(xué)表示方法。在ANSYS中，可以用單元來(lái)對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行劃分，以產(chǎn)生有限元模型，這個(gè)過(guò)程稱為實(shí)體模型網(wǎng)格化。另外也可以直接利用單元和節(jié)點(diǎn)生成有限元模型。

1.1 建立模型

本文以BKGKL-20 000 kvar/35 kV型并聯(lián)電抗器第二包封為例，包封壁材料為環(huán)氧樹(shù)脂浸漬過(guò)的玻璃纖維，電抗器線圈采用鋁導(dǎo)線，匝間絕緣材料以及層間絕緣材料為絕緣性能優(yōu)良的聚酯薄膜材料。對(duì)電抗器的匝間絕緣和層間絕緣進(jìn)行電場(chǎng)仿真分析，結(jié)構(gòu)尺寸見(jiàn)表1。圖1和圖2為電抗器第二包封模型。

圖1 干式空心電抗器現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物圖

圖2 第二包封ANSOFT簡(jiǎn)化模型圖

表1 第二包封結(jié)構(gòu)尺寸表

圖3 第二包封正常運(yùn)行時(shí)電場(chǎng)強(qiáng)度圖

圖4 第二包封正常運(yùn)行時(shí)電位圖

1.2 模型加載

在電抗器模型中，采用電壓激勵(lì)源，由于電抗器額定電壓為KV，如前所述，假定在電壓峰值時(shí)電抗器不會(huì)放電擊穿，則在其他電壓值下也不被擊穿，故加入的瞬時(shí)電壓值為峰值電壓28 171 V，而在包封外表面則認(rèn)為電壓是0 V。因此，需要加入的是兩個(gè)電壓值作為激勵(lì)源條件。

2 ANSOFT模型仿真結(jié)果

假設(shè)電抗器內(nèi)每一層繞組上的電壓是呈線性分布，即電抗器頂端與接地端之間的電壓是平均加載在每一匝繞組上的，為一個(gè)常數(shù)。圖3、圖4為正常運(yùn)行時(shí)ansoft對(duì)電抗器第二包封的電場(chǎng)及電位仿真情況。由圖3可以看出，電抗器頂端場(chǎng)強(qiáng)最大，約為1.132 7?e7V/m，這是因?yàn)轫敹说谝辉牙@組所加電壓是最高值，因此電抗器最大場(chǎng)強(qiáng)分布在電抗器頂端。越靠近接地端，所加電壓越小，因此場(chǎng)強(qiáng)值越小。層間和匝間場(chǎng)強(qiáng)相對(duì)較小，分別約為5.219?e6V/m和0 V/m。

3 絕緣故障仿真結(jié)果與分析

國(guó)內(nèi)外空心電抗器的實(shí)際運(yùn)行情況表明：線圈匝間絕緣短路故障是干式空心電抗器燒毀的主要原因。而且這種事故往往會(huì)造成電抗器發(fā)生匝間絕緣短路，導(dǎo)致電抗器燒毀，造成很大的直接或間接損失。

3.1 線圈結(jié)構(gòu)

當(dāng)包封內(nèi)出現(xiàn)匝間絕緣故障時(shí)，表現(xiàn)為兩匝線圈之間的絕緣層破壞，使得本應(yīng)由絕緣層分隔開(kāi)的兩匝線圈相互接觸。因此本節(jié)采用將短路的上層線圈向下平移與下層線圈接觸的形式來(lái)表現(xiàn)由結(jié)構(gòu)變化引起的匝間絕緣。

圖5(a)為包封內(nèi)第三匝和第四匝絕緣短路的仿真結(jié)果。仿真結(jié)果可知，兩種情況下，電抗器包封內(nèi)最大場(chǎng)強(qiáng)為1.332?e7V/m。與正常運(yùn)行情況下包封內(nèi)匝間電場(chǎng)強(qiáng)度為5.219?e6 V/m相比，出現(xiàn)匝間絕緣短路故障的包封在第四匝和第五匝線圈之間的電場(chǎng)較高，約為10.5?e6V/ m。圖5(b)為在兩匝短路線圈下方場(chǎng)強(qiáng)較高的區(qū)域，圖5(c)為區(qū)域內(nèi)線上的場(chǎng)強(qiáng)分布。

圖5 包封內(nèi)第三匝和第四匝絕緣短路的電場(chǎng)強(qiáng)度仿真結(jié)果

出現(xiàn)這種結(jié)果是由于當(dāng)?shù)谌押偷谒脑丫€圈相接觸的時(shí)候，第四匝線圈的電壓明顯升高，電壓值與第三匝線圈電壓值相同。這就造成了第四匝和第五匝線圈之間的電勢(shì)差升高，電場(chǎng)強(qiáng)度增大。

3.2 工藝缺陷

在實(shí)際生產(chǎn)中，由于工藝水平的差異，包封內(nèi)部每層匝數(shù)并不都是相同的。因此在同一個(gè)包封內(nèi)部的匝間與層間的絕緣，由于其剖面幾何形狀極其不均勻，所以包封內(nèi)部的層間的電場(chǎng)分布也極其不均勻。本例中包封2的三層線圈中，從左到右匝數(shù)分別為55、53、47。由圖6可看出，層間最大場(chǎng)強(qiáng)出現(xiàn)在中間層和最右層線圈之間，出現(xiàn)這種情況的原因是由于中間層和最右層線圈的匝數(shù)差最大。因此，兩層線圈的電勢(shì)差也相差最大，從而導(dǎo)致了兩層線圈之間的場(chǎng)強(qiáng)增大。

圖6 工藝缺陷對(duì)包封內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度的影響

3.3 匝間絕緣層破壞

在電抗器繞制的過(guò)程中，鋁線的選擇是十分重要的。若構(gòu)成包封繞組的鋁導(dǎo)線表面有微小的毛刺，則包封內(nèi)的聚酯薄膜絕緣層很容易被刺穿，而聚酯薄膜的損傷會(huì)直接從內(nèi)部引起鋁導(dǎo)線的匝間短路。所以在生產(chǎn)時(shí)應(yīng)該特別注意對(duì)鋁導(dǎo)線表面毛刺和內(nèi)部雜質(zhì)的檢驗(yàn)，決不能采用不合格的鋁導(dǎo)線繞制電抗器。下圖為被鋁導(dǎo)線表面直徑為0.02 mm的毛刺刺穿絕緣層發(fā)生匝間短路的情況。由圖7可知，在兩匝短路的線圈下方，出現(xiàn)了高場(chǎng)強(qiáng)值。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因與線圈結(jié)構(gòu)變化時(shí)所導(dǎo)致的場(chǎng)強(qiáng)升高情況原因相同。

圖7 匝間絕緣層破壞時(shí)包封內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度分布

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)干式空心電抗器出現(xiàn)的三種匝間絕緣故障仿真分析：

1)當(dāng)匝間絕緣故障時(shí)會(huì)導(dǎo)致其周圍電場(chǎng)強(qiáng)度激增，從而導(dǎo)致該區(qū)域溫度升高，從而加劇了對(duì)干式空心電抗器絕緣結(jié)構(gòu)的損害；

2)電抗器制造過(guò)程中，應(yīng)改善工藝條件，提高工藝水平，改善工藝環(huán)境；

3)絕緣膠應(yīng)保證與導(dǎo)線具有良好的親和性，在運(yùn)行條件和運(yùn)行環(huán)境下，確保不產(chǎn)生裂紋和開(kāi)裂現(xiàn)象；

4)加強(qiáng)對(duì)鋁導(dǎo)線表面毛刺和內(nèi)部雜質(zhì)的檢驗(yàn)，決不能采用不合格的鋁導(dǎo)線繞制電抗器。

[1] 夏長(zhǎng)根.一起35 kV干式并聯(lián)空心電抗器故障分析 [J].電力電容器與無(wú)功補(bǔ)償，2009，30(5)：43-45.

[2] 劉?，摚嘿e.干式空心電抗器的運(yùn)行分析及故障處理[J].高壓電器，2004，(3).

[3] 張麗，徐玉琴.并聯(lián)電抗器在超 (特)高壓電網(wǎng)中發(fā)展與應(yīng)用 [J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2007，27(4)：75-78.

[4] 何東平，孫白.35 kV干式空芯并聯(lián)電抗器運(yùn)行情況及故障電抗器的解剖分析 [J].電力設(shè)備，2004，5(2)：48 -51.

[5] 胡仁喜，等，編著.ANSYS 13.0電磁學(xué)有限元分析從入門到精通 [M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011，12.

Research on Dry-type Air-core Reactor Turn-to-turn Insulation Fault Based on Finite Element Method

WU Yangyang1，3，TAN Xiangyu1，LIU Youkuan1，XU Peng1，ZHANG Jie1，CHEN Wenwen1，XU Wen1，LI Rui1
(1.Yunnan Power Grid Corporation Graduate Workstation，Kunming 650217，China；2.Yunnan Electric Power Research Institute，Kunming 650217，China；3.Department of Automation，North China Electric Power University，Baoding，Hebei 071000，China)

Based on the ANSYS software，the article makes use of the finite element method to analysis of dry-type air-core reactor turn-to-turn insulation and insulation fault，The results show that the turn-to-turn insulation fault will cause the electric field intensity around the surge，which leads to the regional temperature，adding to the damage of dry-type air-core reactor insulation structure.

dry-type air-core reactor；turn-to-turn insulation；finite element method

TM76

B

1006-7345(2014)06-0060-03

2014-08-09

伍陽(yáng)陽(yáng) (1988)，男，碩士研究生，云南電網(wǎng)公司研究生工作站，研究方向?yàn)榉植际焦夥l(fā)電系統(tǒng)的功率控制 (e-mail) 445800890＠qq.com。