干式空心并聯(lián)電抗器匝間短路狀態(tài)下?lián)p耗分析

王和杰，徐廣鸚，周徐達(dá)，陳 炯，馮鋮鋮

(1.國(guó)網(wǎng)上海市電力公司檢修公司，上海 200063；2.上海電力學(xué)院，上海 200090)

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、重量輕、體積小、線性度好、損耗低、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，因此得到了迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，確保其可靠運(yùn)行對(duì)于保證電網(wǎng)的安全具有重要意義[1-3]。經(jīng)研究分析表明，匝間短路是導(dǎo)致干式電抗器事故的主要因素。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)干式空心電抗器匝間短路狀態(tài)的在線監(jiān)測(cè)，需對(duì)其匝間故障狀態(tài)下的電氣參數(shù)進(jìn)行分析。本文就匝間短路故障狀態(tài)下故障線圈所形成的環(huán)流對(duì)干式空心電抗器損耗的影響進(jìn)行研究。

1 匝間短路下干式空心電抗器的模型

在工頻電壓下，干式空心并聯(lián)電抗器可以由各線圈的自感、互感和導(dǎo)線電阻等效。干式空心并聯(lián)電抗器為多包封多層線圈并繞結(jié)構(gòu)，以層為單位，建立的等值電路如圖1所示。

圖1 干式空心并聯(lián)電抗器等值電路

干式空心電抗器匝間絕緣在高場(chǎng)、高溫的作用下會(huì)發(fā)生絕緣老化，隨著匝間絕緣的老化，線圈內(nèi)部會(huì)形成短路環(huán)，這里稱(chēng)為匝間短路故障[4-7]。由此可見(jiàn)，干式空心電抗器在發(fā)生匝間絕緣老化時(shí)，故障層線圈可以分成兩部分：短路匝構(gòu)成第n+1個(gè)支路，剩余匝構(gòu)成第i個(gè)支路。含匝間短路故障并聯(lián)電抗器的等值電路如圖2所示。

圖2 匝間短路故障干式空心并聯(lián)電抗器等值電路

2 匝間短路故障電抗器等值電路的電壓方程

當(dāng)匝間短路時(shí)，根據(jù)圖2等值電路，以層為單位建立電壓方程，第i層線圈的電壓方程為

(1)

短路匝的電壓方程為

(2)

式(1)與式2)構(gòu)成n+1階方程組，有n+1個(gè)電流變量，解方程組可以得到各電流值。則電抗器總電流為

(3)

根據(jù)歐姆定律，匝間短路后干式空心電抗器的總體等值電阻和電感為

(4)

3 計(jì)算分析

以BKK-20,000/63型干式空心并聯(lián)電抗器為實(shí)例進(jìn)行分析，它有11個(gè)包封、49層線圈，每層線圈2股并繞。在匝間短路狀態(tài)下，對(duì)電流、阻抗和電感變化進(jìn)行了分析。

3.1 各層電流變化

為了解故障位置對(duì)各層電流的影響，假設(shè)匝間短路軸向位置分別在端部、1/8高度、1/4高度、3/8高度及1/2高度，以層為單位，計(jì)算各層電流變化量與短路位置的關(guān)系，匝間短路故障后各層電流變化量如圖3所示。由圖3可知，當(dāng)在發(fā)生匝間短路時(shí)，電抗器內(nèi)部層間形成了環(huán)流，含短路故障層電流變化非常明顯。軸向位置變化對(duì)層電流變化量的影響規(guī)律比較明顯，端部短路引起的變化量小，中間短路引起的變化量大。

圖3 不同位置匝間短路引起的各層電流變化量

3.2 電抗器總電流變化

在第1、11、21、31和41層及不同軸向位置發(fā)生股間短路，考察電抗器總體電流變化，電流變化量與短路位置的關(guān)系曲線如圖4所示。

圖4 匝間短路故障后總電流變化量

匝間短路故障后，電抗器總體電流變化量也比較小，最大值為0.8%左右。同一層中間位置短路引起的變化量最大，不同層也有差異，外層短路引起的變化量大，這是由于外層的短路線圈與其他線圈磁耦合大造成的。

3.3 阻抗和電感量變化

在上述層和軸向位置發(fā)生匝間短路，考察電抗器阻抗變化，電阻變化量與短路位置的關(guān)系曲線如圖5所示，電抗變化量與短路位置的關(guān)系曲線如圖6所示。

圖5 匝間短路故障后電抗器等值電阻變化量

圖6 匝間短路故障后電抗器電抗變化量

匝間短路后，電抗器等值串聯(lián)電阻發(fā)生了顯著變化，最大值為1 600%左右。同一層中間位置短路引起的變化量最大，不同層也有差異，外層短路引起的變化量大。

匝間短路后，電抗器等值電抗值減小比較小，最大值為0.9%左右。同一層中間位置短路引起的變化量最大，不同層也有差異，外層短路引起的變化量大。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)建立匝間短路故障干式空心并聯(lián)電抗器等值電路，給出了等值電阻的求取方法，建立了等值電路的電壓方程。以BKK-20000/63型干式空心并聯(lián)電抗器為例，數(shù)值解析了短路故障對(duì)層電流、總電流、等值電阻及等值電抗值隨短路故障位置的變化量，得到如下結(jié)論。

(1)出現(xiàn)匝間短路故障后，在層間形成環(huán)流，故障層電流明顯變大，總電流變化比較小。

(2)匝間短路引起的等值電阻與等值電抗變大，其隨幅隨著短路位置由內(nèi)層向外層改變，匝間短路引起的等值電阻與等值電抗變化量都逐漸增大；隨軸向位置由端部向中間改變，匝間短路引起的等值電阻與等值電抗的變化量逐漸增加。

(3)匝間短路引起的等值電阻變化量最大，可見(jiàn)依靠監(jiān)測(cè)等值電阻，或者與其相關(guān)的損耗、損耗角和損失角正切可實(shí)現(xiàn)對(duì)干式空心電抗器匝間短路的診斷。

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