基于ANSYS Maxwell的干式空芯電抗器匝間短路故障瞬態(tài)特性的仿真分析

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(dòng)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(jiàn)故障，短路電流產(chǎn)生的局部高溫會(huì)加速電抗器絕緣老化，甚至?xí)苯訉㈦娍蛊鳠龤?，造成停電事故。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(huì)影響線路斷路器的開(kāi)斷能力，嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行[1-5]。目前，干式空芯電抗器匝間短路故障的在線檢測(cè)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(duì)小匝數(shù)匝間短路故障不靈敏[6-9]。實(shí)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(lái)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(dòng)態(tài)物理過(guò)程；基于ANSYS Maxwell軟件平臺(tái)[10]，建立電抗器匝間短路故障的瞬態(tài)場(chǎng)路耦合計(jì)算模型；通過(guò)仿真計(jì)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，為干式空芯電抗器的早期故障診斷提供理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 電抗器匝間短路動(dòng)態(tài)物理過(guò)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(gè)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(huì)出現(xiàn)匝間短路故障。當(dāng)匝間絕緣有破損時(shí)，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(huì)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(shí)，電磁力作用會(huì)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(diǎn)處的相鄰線匝會(huì)出現(xiàn)碰撞、分離的重復(fù)過(guò)程，稱之為匝間短路故障早期。相鄰匝觸碰時(shí)形成的短路環(huán)中的感應(yīng)電流會(huì)使短路點(diǎn)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(guò)程會(huì)持續(xù)相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間。隨著故障的惡化，短路點(diǎn)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(shí)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(shí)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(chǎng)路耦合仿真計(jì)算模型

采用ANSYS Maxwell的瞬態(tài)場(chǎng)(Transient)模塊仿真計(jì)算干式空芯電抗器匝間短路故障的動(dòng)態(tài)過(guò)程。電抗器由2個(gè)包封并聯(lián)組成，每個(gè)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(chǎng)分布呈軸對(duì)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(gè)矩形面來(lái)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(cè)線圈(Detective coil)和求解域(Region)。此處，探測(cè)線圈繞制在電抗器包封最外層，通過(guò)探測(cè)線圈的感應(yīng)電壓來(lái)觀測(cè)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(chǎng)域

2.2 邊界條件及激勵(lì)設(shè)定

干式空芯電抗器的求解場(chǎng)域?yàn)闊o(wú)界域，可通過(guò)給域Region邊界施加氣球邊界(Balloon)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

干式空芯電抗器匝間短路故障的過(guò)程中，電路結(jié)構(gòu)也在動(dòng)態(tài)變化中，可通過(guò)Assign/Coil、Add Winding以及Add Coil選項(xiàng)完成線圈端口、匝數(shù)等設(shè)定，之后，線圈端口的激勵(lì)加載通過(guò)外電路模型(External Circuit)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.3 電路模型

基于ANSYS Maxwell Circuit Editor來(lái)建立電抗器的電路模型，采用控制開(kāi)關(guān)來(lái)模擬匝間短路的動(dòng)態(tài)過(guò)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(kāi)關(guān)S_18的開(kāi)關(guān)模型，開(kāi)關(guān)打開(kāi)表示電抗器正常運(yùn)行狀態(tài)，開(kāi)關(guān)閉合表示發(fā)生匝間短路故障；在如圖3(b)所示的開(kāi)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(cè)線圈回路如圖3(c)所示，其中，LWinding5表示探測(cè)線圈，R13為開(kāi)路電阻，其值可取109Ω及以上。

3 仿真結(jié)果及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(shí)，設(shè)置了探測(cè)線圈來(lái)觀察電抗器磁場(chǎng)的瞬態(tài)變化，如圖5所示為探測(cè)線圈的感應(yīng)電壓，其中探測(cè)線圈繞制匝數(shù)設(shè)置為5匝。

(a)主電路

(b)開(kāi)關(guān)控制電路

(c)探測(cè)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(cè)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(shì)必引起電抗器磁場(chǎng)發(fā)生顯著變化，從而探測(cè)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(cè)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)室搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖6所示，通過(guò)人為設(shè)置匝間短路故障動(dòng)作，以驗(yàn)證理論分析和仿真現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)采用NI6220數(shù)據(jù)采集卡，采樣速率為30kHz/s。實(shí)驗(yàn)測(cè)得電抗器匝間短路故障的動(dòng)態(tài)過(guò)程中探測(cè)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(shí)際工作中，可通過(guò)磁場(chǎng)探測(cè)線圈電壓的瞬態(tài)異常變化來(lái)對(duì)電抗器匝間短路早期故障實(shí)施預(yù)警。

圖6 匝間短路驗(yàn)證用電抗器

圖7 探測(cè)線圈感應(yīng)電壓實(shí)驗(yàn)波形

4 結(jié)束語(yǔ)

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(dòng)態(tài)物理過(guò)程，將其分為三個(gè)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(guò)ANSYS Maxwell軟件仿真和搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)測(cè)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(chǎng)發(fā)生突變，使安裝在電抗器包封外表面的磁場(chǎng)探測(cè)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。