楊振寶,黃文武,趙彥珍,吳玉坤,孟 波

(1.深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518052;2.西安交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，陜西 西安 710049;3.北京電力自動化設(shè)備有限公司，北京 海淀區(qū) 100044)

匝間短路是干式空芯電抗器的常見故障，短路電流產(chǎn)生的局部高溫會加速電抗器絕緣老化，甚至?xí)苯訉㈦娍蛊鳠龤В斐赏ｋ娛鹿?。尤其是串?lián)在系統(tǒng)中的電抗器，如500kV串聯(lián)限流電抗器，一旦發(fā)生故障會影響線路斷路器的開斷能力，嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行[1-5]。目前，干式空芯電抗器匝間短路故障的在線檢測方法都是基于匝間短路之后的穩(wěn)態(tài)特征進(jìn)行的，其對小匝數(shù)匝間短路故障不靈敏[6-9]。實際上，電力系統(tǒng)更希望在匝間短路早期就能夠?qū)收线M(jìn)行預(yù)警，避免給系統(tǒng)帶來危害，防患于未然。

本文將詳細(xì)分析干式空芯電抗器從正常工作狀態(tài)到匝間短路故障發(fā)生的動態(tài)物理過程；基于ANSYS Maxwell軟件平臺[10]，建立電抗器匝間短路故障的瞬態(tài)場路耦合計算模型；通過仿真計算深入研究電抗器匝間短路故障的瞬態(tài)響應(yīng)特性，并進(jìn)行實驗驗證，為干式空芯電抗器的早期故障診斷提供理論和實驗依據(jù)。

1 電抗器匝間短路動態(tài)物理過程分析

干式空芯電抗器從正常工作到匝間短路故障形成可分為三個階段：正常工作期、匝間短路故障早期以及匝間短路故障期[9,11]。

在正常工作期，電抗器每層線圈匝與匝之間為串聯(lián)連接，電流同向，如圖1(a)所示。第k匝與第k+1匝中的電流方向相同，根據(jù)安培力定律，匝與匝呈相互吸引狀態(tài)[12]，良好的匝間絕緣保障匝間不會出現(xiàn)匝間短路故障。當(dāng)匝間絕緣有破損時，電磁力的作用將使絕緣破損處的金屬導(dǎo)線相接觸，形成短路環(huán)，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，短路環(huán)中會產(chǎn)生與原線圈電流方向相反且幅值遠(yuǎn)大于原線圈電流的感應(yīng)電流，如圖1(b)所示。發(fā)生匝間短路后，第k匝成為短路環(huán)，此時，電磁力作用會使短路環(huán)與其相鄰線匝相互排斥，因此，在匝間短路最初，短路點處的相鄰線匝會出現(xiàn)碰撞、分離的重復(fù)過程，稱之為匝間短路故障早期。相鄰匝觸碰時形成的短路環(huán)中的感應(yīng)電流會使短路點附近出現(xiàn)局部高溫，致使匝間絕緣損傷加重，一般情況下，該過程會持續(xù)相當(dāng)長的一段時間。隨著故障的惡化，短路點形成和分離的頻次逐漸增加，最終金屬導(dǎo)線熔化黏結(jié)到一起，此時進(jìn)入匝間短路故障期，形成穩(wěn)定的短路環(huán)，其環(huán)中的感應(yīng)大電流持續(xù)產(chǎn)生熱量，加速絕緣老化，致使匝間短路范圍迅速擴(kuò)大，乃至燒毀電抗器。

(a)正常工作時的線圈匝電流同向

(b)短路環(huán)電流與線圈匝電流反向

2 瞬態(tài)場路耦合仿真計算模型

采用ANSYS Maxwell的瞬態(tài)場(Transient)模塊仿真計算干式空芯電抗器匝間短路故障的動態(tài)過程。電抗器由2個包封并聯(lián)組成，每個包封又由2層同心線圈并聯(lián)連接而成。電抗器的額定電氣參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)分別如表1和表2[11]所示。

表1 電抗器額定電氣參數(shù)

表2 電抗器的結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.1 有限元幾何模型

根據(jù)電抗器結(jié)構(gòu)，其場分布呈軸對稱特征，因此，選擇圓柱坐標(biāo)系(Cylindrical about Z)，建立二維幾何模型，如圖2所示。電抗器各層線圈截面以矩形面表示，其中，設(shè)短路發(fā)生在第4層線圈，則該層需特殊處理，可由三個矩形面來表示，分別代表短路環(huán)、位于短路環(huán)上部的線圈和短路環(huán)下部的線圈。此外，還需繪制探測線圈(Detective coil)和求解域(Region)。此處，探測線圈繞制在電抗器包封最外層，通過探測線圈的感應(yīng)電壓來觀測電抗器匝間短路瞬態(tài)電磁變化特性。

圖2 干式空芯電抗器有限元求解場域

2.2 邊界條件及激勵設(shè)定

干式空芯電抗器的求解場域為無界域，可通過給域Region邊界施加氣球邊界(Balloon)來實現(xiàn)。

干式空芯電抗器匝間短路故障的過程中，電路結(jié)構(gòu)也在動態(tài)變化中，可通過Assign/Coil、Add Winding以及Add Coil選項完成線圈端口、匝數(shù)等設(shè)定，之后，線圈端口的激勵加載通過外電路模型(External Circuit)來實現(xiàn)。

2.3 電路模型

基于ANSYS Maxwell Circuit Editor來建立電抗器的電路模型，采用控制開關(guān)來模擬匝間短路的動態(tài)過程，如圖3所示。其中，在如圖3(a)所示的主電路中，LWinding1、LWinding2和LWinding3分別代表第1層至第3層線圈，第4層為發(fā)生匝間短路故障的線圈，該層中，LWinding6代表短路環(huán)，LWinding4和LWinding7分別代表短路環(huán)上部線圈和下部線圈，R9、R10和R11分別為第1層至第3層線圈的電阻，R14為短路環(huán)電阻，R12和R15分別為短路環(huán)上部線圈和下部線圈的電阻，ModelV為壓控開關(guān)S_18的開關(guān)模型，開關(guān)打開表示電抗器正常運行狀態(tài)，開關(guān)閉合表示發(fā)生匝間短路故障；在如圖3(b)所示的開關(guān)控制電路中，V21為脈沖電壓源，R22為限流電阻，IVc為電壓表，脈沖電壓源的電壓脈寬用以模擬線圈匝間短路的瞬間；探測線圈回路如圖3(c)所示，其中，LWinding5表示探測線圈，R13為開路電阻，其值可取109Ω及以上。

3 仿真結(jié)果及實驗驗證

3.1 仿真結(jié)果及分析

在電抗器的第4層沿軸向距離電抗器中心100mm處，設(shè)置單匝匝間短路故障，仿真得到短路環(huán)中的電流如圖4所示。同時，設(shè)置了探測線圈來觀察電抗器磁場的瞬態(tài)變化，如圖5所示為探測線圈的感應(yīng)電壓，其中探測線圈繞制匝數(shù)設(shè)置為5匝。

(a)主電路

(b)開關(guān)控制電路

(c)探測線圈回路

圖4 匝間短路故障層短路環(huán)電流仿真波形

圖5 探測線圈感應(yīng)電壓仿真波形

從圖4看到，正常線匝在匝間短路故障瞬間成為短路環(huán)，其電流由正常值突變?yōu)楹艽蟮母袘?yīng)電流，勢必引起電抗器磁場發(fā)生顯著變化，從而探測線圈感應(yīng)電壓也隨之發(fā)生突變。從圖5可以很明顯地看出探測線圈感應(yīng)電壓在匝間短路故障瞬間顯著變化，出現(xiàn)高頻脈沖分量。

3.2 實驗驗證

實驗室搭建實驗平臺如圖6所示，通過人為設(shè)置匝間短路故障動作，以驗證理論分析和仿真現(xiàn)象。實驗采用NI6220數(shù)據(jù)采集卡，采樣速率為30kHz/s。實驗測得電抗器匝間短路故障的動態(tài)過程中探測線圈的感應(yīng)電壓變化波形如圖7所示。從圖7可看出，在發(fā)生匝間短路瞬間，感應(yīng)電壓也發(fā)生了顯著的異常變化，出現(xiàn)高頻脈沖分量，與仿真現(xiàn)象一致。進(jìn)一步表明，在實際工作中，可通過磁場探測線圈電壓的瞬態(tài)異常變化來對電抗器匝間短路早期故障實施預(yù)警。

圖6 匝間短路驗證用電抗器

圖7 探測線圈感應(yīng)電壓實驗波形

4 結(jié)束語

該文分析討論了干式空芯電抗器從正常工作狀態(tài)到匝間短路故障發(fā)生的動態(tài)物理過程，將其分為三個階段：正常工作期、匝間短路故障早期和匝間短路故障期。通過ANSYS Maxwell軟件仿真和搭建實驗平臺測試，得到了電抗器匝間短路故障的瞬態(tài)響應(yīng)特性。研究表明，在電抗器匝間短路故障早期，由于短路環(huán)的瞬間形成，產(chǎn)生瞬態(tài)大感應(yīng)電流，引起短路位置處磁場發(fā)生突變，使安裝在電抗器包封外表面的磁場探測線圈感應(yīng)電壓產(chǎn)生顯著的異常變化，出現(xiàn)高頻脈沖分量。據(jù)此，可在電抗器匝間短路故障早期發(fā)現(xiàn)匝間短路故障隱患并進(jìn)行預(yù)警。