干式空心并聯電抗器匝間短路狀態下損耗分析

王和杰，徐廣鸚，周徐達，陳 炯，馮鋮鋮

(1.國網上海市電力公司檢修公司，上海 200063；2.上海電力學院，上海 200090)

干式空心電抗器與傳統的油浸式鐵心電抗器相比，具有結構簡單、重量輕、體積小、線性度好、損耗低、維護方便等優點，因此得到了迅速發展和廣泛應用，確保其可靠運行對于保證電網的安全具有重要意義[1-3]。經研究分析表明，匝間短路是導致干式電抗器事故的主要因素。為了實現對干式空心電抗器匝間短路狀態的在線監測，需對其匝間故障狀態下的電氣參數進行分析。本文就匝間短路故障狀態下故障線圈所形成的環流對干式空心電抗器損耗的影響進行研究。

1 匝間短路下干式空心電抗器的模型

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

圖1 干式空心并聯電抗器等值電路

干式空心電抗器匝間絕緣在高場、高溫的作用下會發生絕緣老化，隨著匝間絕緣的老化，線圈內部會形成短路環，這里稱為匝間短路故障[4-7]。由此可見，干式空心電抗器在發生匝間絕緣老化時，故障層線圈可以分成兩部分：短路匝構成第n+1個支路，剩余匝構成第i個支路。含匝間短路故障并聯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

當匝間短路時，根據圖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)構成n+1階方程組，有n+1個電流變量，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 計算分析

以BKK-20,000/63型干式空心并聯電抗器為實例進行分析，它有11個包封、49層線圈，每層線圈2股并繞。在匝間短路狀態下，對電流、阻抗和電感變化進行了分析。

3.1 各層電流變化

為了解故障位置對各層電流的影響，假設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，計算各層電流變化量與短路位置的關系，匝間短路故障后各層電流變化量如圖3所示。由圖3可知，當在發生匝間短路時，電抗器內部層間形成了環流，含短路故障層電流變化非常明顯。軸向位置變化對層電流變化量的影響規律比較明顯，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系曲線如圖5所示，電抗變化量與短路位置的關系曲線如圖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，電抗器等值串聯電阻發生了顯著變化，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 結語

通過建立匝間短路故障干式空心并聯電抗器等值電路，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型干式空心并聯電抗器為例，數值解析了短路故障對層電流、總電流、等值電阻及等值電抗值隨短路故障位置的變化量，得到如下結論。

(1)出現匝間短路故障后，在層間形成環流，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，可見依靠監測等值電阻，或者與其相關的損耗、損耗角和損失角正切可實現對干式空心電抗器匝間短路的診斷。

參考文獻：

[1] 張良，呂家圣，王永紅，等. 35kV干式空心電抗器匝間絕緣現場試驗[J].電機與控制學報，2014,19(1)：66-71.

ZHANG Liang,LV Jiasheng, WANG Yonghong,et al.Field test on the turn-to-turn insulation for 35 kV dry-type air-core reactors[J]. Electric Machines and Control[J],2014,19(1):66-71.

[2]徐林峰，林一峰，王永紅，等.干式空心電抗器匝間過電壓試驗技術研究[J].高壓電器，2012，48(7)：71-75．

XU Linfeng，LIN Yifeng，WANG Yonghong，et al. Technique research on turn-to-turn overvoltage test for dry-type air-core reactors[J]. High Voltage Apparatus ，2012，48(7):71-75.

[3]杜華珠，文習山，魯海亮，等.35kV三相空心電抗器組的磁場分布[J].高電壓技術，2012，38(11)：2858-2862．

DU Huazhu, WEN Xishan，LU Hailiang， et al . Magnetic field distribution of 35 kV three phase core reactor[J].High Voltage Engineering，2012，38(11)：2858-2862.

[4]郭磊，李曉剛，樊東方，等.干式電抗器狀態監測技術綜述[J].電力電容器與無功補償，2013，34(5):51-54.

GUO Lei, LI Xiaogang, FAN Dongfang,et al.Review of on-line detection technology of dry-type reactor[J].Power Capacitor & Reactive Power Compensation, 2013,34(5):51-54.

[5]夏天偉,閆英敏，曹云東.干式空心電抗器電感的計算[J]．變壓器，1997，2(2)：15-20．

XIA Tianwei，YAN Yingmin，CAO Yundong. Calculation of inductance of dry type air core reactor [J]. Transfor-mer, 1997, 2(2)：15-20.

[6]茍烜齊，劉軒東，楊昊，等. 匝間絕緣故障對干式空心電抗器電感參數影響的仿真研究[J].高壓電器，2015，51(10):117-121.

[7]孫帆，張勇，徐路強，等.一臺750 kV高壓電抗器局部放電故障分析[J].高壓電器，2015，51(3):135-139.

SUN Fan, ZHANG Yong, XU Luqiang, et al. PD fault analysis of a 750 kV shunt reactor[J]. High Voltage Apparatus,2015,51(3):135-139.