白 維

(國(guó)能大渡河革什扎水電開發(fā)有限公司，四川 丹巴 626302)

0 引 言

主變是電廠主要和昂貴的設(shè)備之一，變壓器一旦發(fā)生故障，將給發(fā)供電造成巨大經(jīng)濟(jì)損失和影響。引發(fā)變壓器故障有多方面的原因，變壓器的故障類型也有多種。其中鐵芯多點(diǎn)接地出現(xiàn)頻率最高，而又往往不易及早發(fā)現(xiàn)。正常情況下，鐵芯只有一點(diǎn)接地，若出現(xiàn)鐵芯多點(diǎn)接地情況，接地點(diǎn)之間將構(gòu)成回路，可產(chǎn)生高達(dá)數(shù)十安培的環(huán)流。長(zhǎng)期運(yùn)行將造成鐵芯疊片片間短路，局部過熱，使絕緣材料加速老化，絕緣油分解，甚至燒毀接地線等部件，給變壓器安全運(yùn)行帶來巨大壓力。

現(xiàn)場(chǎng)通過監(jiān)測(cè)接地線電流的大小可診斷出多點(diǎn)接地故障是否存在，但對(duì)于故障位置的判斷往往需吊罩后逐一排查，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。實(shí)際工作中，變壓器故障電流可以通過模擬試驗(yàn)得到，但在試驗(yàn)研究中，由于基于實(shí)體變壓器的試驗(yàn)具有破壞性及操作難度高，不能夠獲取大量的數(shù)據(jù)來進(jìn)行規(guī)律分析。所以對(duì)變壓器鐵芯多點(diǎn)接地故障的仿真模擬尤為重要，探究故障電流隨故障位置的變化規(guī)律，進(jìn)而為故障位置預(yù)測(cè)、絕緣優(yōu)化等提供參考，目前多采用均勻化模型代替[1-2]。通過各向異性電導(dǎo)率設(shè)置可以達(dá)到模擬鐵芯疊片間的絕緣效果，文獻(xiàn)[3-6]提出了針對(duì)疊片鐵芯的各向異性電導(dǎo)率公式，并在不同頻率下進(jìn)行了驗(yàn)證，沒有考慮絕緣層的影響。文獻(xiàn)[7]綜合考慮了各種阻抗，但公式迭代次數(shù)過多，推導(dǎo)復(fù)雜。本文通過maxwell建立仿真，然后針對(duì)水電站三相主變壓器進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，探尋鐵芯多點(diǎn)接地故障下的電流規(guī)律，提出相應(yīng)的防護(hù)建議。

1 主變的有限元仿真分析

本文以吉牛電廠SFP10-H-135000/220型變壓器為例進(jìn)行3D渦流場(chǎng)建模仿真研究，變壓器實(shí)際參數(shù)如表1所示。

表1 變壓器基本參數(shù)

1.1 三相變壓器模型設(shè)置

1.1.1 模型構(gòu)建

在ansys的RMxprt模塊，構(gòu)建三相變壓器鐵芯外部實(shí)體3D模型(圖1)，根據(jù)上表數(shù)據(jù)調(diào)整尺寸參數(shù)，線圈匝數(shù)比設(shè)置為2420:138。

圖1 變壓器繞組與鐵心

1.1.2 內(nèi)部接線

變壓器采用YND11聯(lián)結(jié)方式，聯(lián)結(jié)示意圖2，通過Maxwell Circuit Design電路編輯器聯(lián)合編輯，高壓二次側(cè)電阻設(shè)置108Ω，模擬空載開路情況。

圖2 變壓器的聯(lián)結(jié)

1.1.3 材料B-H曲線

材料庫中尚未錄入韓國(guó)浦項(xiàng)冷軋取向硅鋼參數(shù)，可在自定義材料庫逐個(gè)錄入，這里選取韓國(guó)浦項(xiàng)硅鋼30PG130的交流磁化參數(shù)，生成硅鋼片的交流磁化曲線如圖3。線圈材料可直接取庫中已有的銅參數(shù)。

30PG130性冷軋取向硅鋼片參數(shù)如表2。

1.1.4 自適應(yīng)網(wǎng)格剖分

ANSYS程序提供了近似的技術(shù)自動(dòng)估計(jì)特定分析，類型中因?yàn)榫W(wǎng)格劃分帶來的誤差，通過這種誤差估計(jì)，程序可以確定網(wǎng)格是否足夠細(xì)。如果不夠，程序?qū)⒆詣?dòng)細(xì)化網(wǎng)格以減少誤差。這一自動(dòng)估計(jì)網(wǎng)格劃分誤差并細(xì)化網(wǎng)格的過程就叫做自適應(yīng)網(wǎng)格劃分，然后通過一系列的求解過程使得誤差低于用戶指定的數(shù)值。

圖3 硅鋼片的交流磁化曲線

表2 30PG130硅鋼基本參數(shù)

整體自適應(yīng)剖分?jǐn)?shù)據(jù)元最大值設(shè)置為105，然后對(duì)硅鋼片再自適應(yīng)剖分一次，數(shù)據(jù)元設(shè)置為8×104。這樣設(shè)置不僅有足夠的剖分精度，而且又在計(jì)算機(jī)算力內(nèi)(圖4)。

圖4 網(wǎng)格剖分示意圖

1.2 變壓器正常運(yùn)行鐵芯勵(lì)磁情況分析

通過運(yùn)行變壓器空載仿真，監(jiān)測(cè)主磁通分布情況、電壓電流分布情況，辨識(shí)環(huán)境變量設(shè)置的合理性(圖5為空載時(shí)，鐵芯主磁通分布)。由圖5可知，瞬態(tài)環(huán)境下呈周期性變化的狀態(tài)，主磁通均勻分布于主回路，磁場(chǎng)強(qiáng)度沿主回路向外逐漸減弱，漏磁通主要分布于鐵芯兩側(cè)，磁通分布范圍合理。

從圖6可以看出，在一次低壓側(cè)設(shè)置的電壓源參數(shù)，模擬電源A相、B相、C相幅值為13.8 kV,相位差120°，周期為20 ms，模擬電源參數(shù)與實(shí)際相符，其波形、幅值、相位等都十分合適。

圖5 變壓器空載情況下主磁通分布

圖6 低壓一次側(cè)輸入電壓

圖7為高壓側(cè)電壓，作為二次側(cè)，這里的電壓為感應(yīng)電壓，對(duì)應(yīng)產(chǎn)生A相、B相、C相幅值為242 kV，相位差120°，周期為20 ms的電壓，波形相位良好，滿足額定變比242∶13.8。

圖7 高壓二次側(cè)感應(yīng)電壓

圖8為繞組上的電流分布，原邊電流波形良好，a、c兩相為圖中幅值最大的兩條波形曲線，其幅值相同，b相為圖中波形較小的波形曲線，幅值減小很多，這是因?yàn)樽儔浩麒F芯的磁路并不相同，中間b相磁路更短，導(dǎo)致空載時(shí)電流會(huì)小很多，這與電磁物理機(jī)理相符，屬于正常狀態(tài)。副邊電流本來應(yīng)該有三條線，但空載試驗(yàn)的高壓側(cè)設(shè)置為開路，所以理應(yīng)是電流為零，在圖8所示中，A、B、C三相的電流與軸線0重合，在圖8中呈淡藍(lán)色直線，與理論相符合。

圖8 一二次測(cè)電流分布

至此，驗(yàn)證了所有運(yùn)行參數(shù)，設(shè)置合理。

1.3 主變?nèi)嘧儔浩麒F芯多點(diǎn)接地仿真

由于變壓器鐵芯多點(diǎn)接地故障在最初是兩點(diǎn)接地，本著盡早發(fā)現(xiàn)故障的原則，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為兩點(diǎn)接地故障的仿真，模型如圖9。鐵芯接地實(shí)質(zhì)上是通過大地讓多點(diǎn)相連，仿真實(shí)驗(yàn)中以一根銅導(dǎo)線代替大地，模擬兩點(diǎn)接地狀態(tài)的發(fā)生。

圖9 鐵芯兩點(diǎn)接地故障模擬示意圖

在鐵芯正面，上下兩邊設(shè)置的接地點(diǎn)如圖10鐵芯正面示意圖，z1―z24分別在同一塊硅鋼片，等距排列；在鐵芯側(cè)面，設(shè)置的接地點(diǎn)如圖10鐵芯側(cè)面示意圖，y1和y8接觸點(diǎn)都在側(cè)面，x1―x9接觸面都在上面。

設(shè)置三組獨(dú)立對(duì)照實(shí)驗(yàn)，分別為：

(1)兩個(gè)接地點(diǎn)分別為z1―z24中的兩個(gè)點(diǎn)；

(2)兩個(gè)接地點(diǎn)分別為x1―x9中的兩個(gè)點(diǎn)；

(3)兩個(gè)接地點(diǎn)分別為y1―y8中的兩個(gè)點(diǎn)。

實(shí)驗(yàn)一探尋鐵芯中同一塊硅鋼片出現(xiàn)多點(diǎn)接地的電流情況，實(shí)驗(yàn)二探尋不同硅鋼片層數(shù)間發(fā)生多點(diǎn)接地時(shí)，垂直于硅鋼片疊裝方向接地電流情況，實(shí)驗(yàn)三探尋不同硅鋼片層數(shù)間發(fā)生多點(diǎn)接地時(shí)，沿硅鋼片疊裝方向接地電流情況。

2 主變鐵芯多點(diǎn)接地故障仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 實(shí)驗(yàn)一

前半部分實(shí)驗(yàn)，z1固定為一個(gè)接地點(diǎn)，依次連接z2、z3、z4……z12，進(jìn)行分布式參數(shù)分析，故障電流有效值結(jié)果輸出，繪制成更加直觀的折線統(tǒng)計(jì)圖，如圖11，圖中橫坐標(biāo)從1到11分別表示(z1,z2)、z1,z3)、(z1,z4)……(z1,z12)的位置信息,

(a)鐵芯正面示意圖

(b)鐵芯側(cè)面示意圖圖10 故障點(diǎn)設(shè)置示意圖

圖11 鐵芯正面同邊接地點(diǎn)電流趨勢(shì)圖

縱坐標(biāo)表示電流大小。

由圖11可以看出，當(dāng)接地點(diǎn)出現(xiàn)在同一塊硅鋼片上，且在鐵芯繞組的同一邊時(shí)，隨著接地點(diǎn)間距離不斷增大，接地電流總體是呈增大趨勢(shì)；其中，鐵芯中芯部分由于有不止一相磁路通過，由此產(chǎn)生的感應(yīng)磁勢(shì)也比兩邊大，所以接地電流相比邊緣接地點(diǎn)也會(huì)突然增大很多，這也是圖中位置6電流凸起的原因。

后半部分實(shí)驗(yàn)中，z1固定為一個(gè)接地點(diǎn)，依次連接z13、z14……z24，其仿真結(jié)果繪制折線統(tǒng)計(jì)圖如圖12所示，其中橫坐標(biāo)從1到12分別表示 (z1,z13)、(z1,z14)……(z1,z24)的位置信息,縱坐標(biāo)表示電流大?。?/p>

圖12 鐵芯正面異邊接地點(diǎn)電流趨勢(shì)圖

此處實(shí)驗(yàn)?zāi)M在同一硅鋼片上，但是分別是上下鐵軛發(fā)生多點(diǎn)接地的情況。從總體趨勢(shì)可以看出，接地電流隨著兩接地點(diǎn)間距離增大呈先增大后減小的趨勢(shì)；除第一個(gè)點(diǎn)外，其余電流在相鄰位置間電流差值比較??；前半部分的增大趨勢(shì)原因同上所述，后半部分下降趨勢(shì)是由于兩接地點(diǎn)間的阻抗增加比感應(yīng)電勢(shì)增加更快；而第一個(gè)位置由于其設(shè)置的特殊性，其連線垂直于地面，接地回路沒有磁通通過，造成接地點(diǎn)間沒有產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，所以故障電流幾乎為零。

2.2 實(shí)驗(yàn)二

實(shí)驗(yàn)結(jié)果直接統(tǒng)計(jì)成折線圖13年示，x1固定為一個(gè)接地點(diǎn)，圖中橫坐標(biāo)從1―8分別表示(x1,x2)、(x1,x3)……(x1,x9)的位置信息，縱坐標(biāo)表示電流大小。

圖13 鐵芯上邊接地點(diǎn)電流趨勢(shì)圖

由圖13可知，1―4點(diǎn)都是位于同一側(cè)，5為中心點(diǎn)，隨著接地點(diǎn)間硅鋼片級(jí)數(shù)增加，故障電流呈明顯的增大趨勢(shì)，且在其中一個(gè)接地點(diǎn)到達(dá)硅鋼疊片中心時(shí)達(dá)到最大值，之后又由于同樣的原因，故障回路間由于硅鋼片增加造成阻抗增加速度比感應(yīng)電勢(shì)大，所以接地電流又呈減小趨勢(shì)。

2.3 實(shí)驗(yàn)三

實(shí)驗(yàn)結(jié)果直接統(tǒng)計(jì)成折線圖14，y1固定為一個(gè)接地點(diǎn)，圖中橫坐標(biāo)從1―7分別表示(y1,y2)、(y1,y3)……(y1,y8)的位置信息，縱坐標(biāo)表示電流大小。

圖14 鐵芯側(cè)邊接地點(diǎn)電流趨勢(shì)圖

該實(shí)驗(yàn)與上面實(shí)驗(yàn)一的區(qū)別在于接地點(diǎn)接入方式的不同，上面的實(shí)驗(yàn)是從垂直于疊裝方向接入短路線，這里是從平行于疊裝方向接入短路線，區(qū)別模擬兩種不同接入方式在幾乎相同位置造成多點(diǎn)接地故障的電流異同。從折線統(tǒng)計(jì)圖的趨勢(shì)可以看出，總體電流趨勢(shì)沒變。隨著故障回路間硅鋼級(jí)數(shù)的增加，電流呈先增大后減小的趨勢(shì)，但是，整體的接地電流比上一個(gè)實(shí)驗(yàn)要小，也就是從側(cè)面接地硅鋼片比從正面接地硅鋼片的接地電流要小。

4 結(jié) 語

針對(duì)變壓器鐵芯多點(diǎn)接地故障發(fā)生率高、不易發(fā)現(xiàn)，變壓器接地危害性大，接地試驗(yàn)操作難度大特性，推導(dǎo)了變壓器鐵芯的均勻體等效電導(dǎo)率，并于Maxwell電磁仿真軟件中搭建了SFP10-H-135000/220型變壓器的3D渦流場(chǎng)模型，設(shè)計(jì)了多種多點(diǎn)接地故障可能出現(xiàn)的情況，通過有限元仿真獲得了一系列故障電流參數(shù)，歸納出鐵芯多點(diǎn)接地故障發(fā)生在不同接觸點(diǎn)上的故障電流發(fā)展規(guī)律。

從仿真試驗(yàn)總結(jié)可知，不同接地面接地點(diǎn)所產(chǎn)生的多點(diǎn)接地故障電流間有很大差異，后續(xù)可以借此特征，通過多點(diǎn)接地電流的異同進(jìn)行故障定位方向的研究。