匝間故障條件下干式電抗器電氣參數變化規律研究

王和杰，徐廣鸚，周徐達，陳 炯

(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)

近年來，干式空心電抗器在運行中常有故障發生，從國內外干式空心電抗器的實際運行狀況和大量統計資料來看，造成干式空心電抗器燒毀的原因主要是匝間短路故障。目前對于干式空心電抗器的電感計算方法主要有感應系數法、BARTKY變換法、能量變換法等,這些方法在應用過程中，只是將故障線圈去掉，忽略了故障線圈環流對其影響，從而造成匝間故障狀態下的電感量計算不準確。針對這些問題，通過對干式空心電抗器模型的構建，利用磁矢位法對其電感量進行計算分析，同時也對電抗器的等值阻抗進行分析。

1 匝間故障狀態下電感量分析

由磁矢位法計算電感量原理可知，電抗器電感量L1計算公式：

為了了解匝間故障對干式空心電抗器電感量的影響，構建了空心電抗器模型，如圖1所示。

圖1 空心電抗器多線圈模型

假設點Q(in1，jn1)表示位于第in1行，第jn1列的短路環，此時Q處總磁矢位Aθ(in1，jn1)為

此時磁矢位累加計算時不計短路匝。短路匝上耦合電感M為

假設短路環的交流電阻與電感為R短和L短，可得在短路環上電壓平衡方程為

R短+jωL短)I短+jωMI=0

則短路匝上短路電流I短可表示為

I短=-jωMI/(R短+jωL短)

利用磁矢位法對短路電流產生的磁鏈ψ反進行計算得到：

短路故障后，不計短路匝磁鏈，其余線圈產生的磁鏈ψ為

由于環流形成的磁鏈和正常線圈在正常電流下形成的磁鏈方向相反疊加之后相互抵消，故干式空心電抗器在發生單匝短路時所形成的總磁鏈ψ總為

ψ總=ψ-ψ反

則由此可得干式空心電抗器發生匝間短路故障后的電感L的精確表達式為

通過的理論分析得出的干式空心電抗器匝間故障狀態下電抗器的解析表達式可以看出。

這些只是針對單個短路線圈進行計算，在實際中干式電抗器在匝間短路狀態下可能會在不同的位置發生多個線圈短路。由于磁鏈的計算遵循疊加原理，故可以首先通過對不同位置的故障線圈進行單個計算，然后將單個故障線圈所形成的磁鏈進行疊加計算。從而計算得到干式空心電抗器發生匝間短路時的電感量。

2 電抗器等值電阻分析

當匝間短路時，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)

由式(1)和式(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

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

(3)

3 結果分析

為了了解匝間故障過程中，干式空心電抗器電氣參數的變化，對解析方程進行了計算分析。

3.1 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見圖2。匝間短路故障后，電抗器總體電流變化量也比較小，最大值約為0.8%。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。

圖2 匝間短路故障后總電流變化量

3.2 阻抗變化

仍然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3所示，電抗變化量與短路位置的關系曲線如圖4所示。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。

圖3 匝間短路故障后電抗器等值電阻變化量

圖4 電抗變化量與短路位置的關系曲線

隨著電源頻率的增加，相同短路匝數的電抗器電感量變化越大，為了了解電源頻率對電感量變化的影響，繞制了一個電抗器，對其進行了測量，測量的結果如圖5和圖6所示。

通過對磁矢位法計算匝間短路故障電感的編程計算，在忽略短路匝間交流電阻的情況下計算電抗器短路前電感為26.18 mH，短路后電感為24.38 mH，對實際電抗器端部短路電感量利用instek LCR-819儀器進行實際測量得到的電感值。

圖5 匝間短路故障前后電感量變化曲線

結合圖6及匝間短路故障后電感量計算公式可知，實際電感量與仿真電感量變化一致，隨著頻率增大逐漸增大，并趨于穩定。本文提出的故障狀態下干式空心電抗器解析式與實際情況一致。

圖6 不同頻率匝間短路后電感變化情況

4 結語

在考慮環流對電感量影響過程中，提出干式空心電抗器電感量解析表達式符合實際情況。

對不同頻率下干式空心電抗器電感測試發現：隨著頻率增加，故障前后電感變化增大，對干式空心電抗器匝間絕緣檢測建議使用高頻方法，以提高對故障測量的靈敏度。由等值電阻計算分析可知，電抗器匝間短路導致等值電阻變化量增加，即可通過相關損耗的監測實現對短路故障的檢測。