吉牛電站主變鐵芯多點接地故障仿真分析

白 維

(國能大渡河革什扎水電開發有限公司，四川 丹巴 626302)

0 引 言

主變是電廠主要和昂貴的設備之一，變壓器一旦發生故障，將給發供電造成巨大經濟損失和影響。引發變壓器故障有多方面的原因，變壓器的故障類型也有多種。其中鐵芯多點接地出現頻率最高，而又往往不易及早發現。正常情況下，鐵芯只有一點接地，若出現鐵芯多點接地情況，接地點之間將構成回路，可產生高達數十安培的環流。長期運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，給變壓器安全運行帶來巨大壓力。

現場通過監測接地線電流的大小可診斷出多點接地故障是否存在，但對于故障位置的判斷往往需吊罩后逐一排查，費時費力。實際工作中，變壓器故障電流可以通過模擬試驗得到，但在試驗研究中，由于基于實體變壓器的試驗具有破壞性及操作難度高，不能夠獲取大量的數據來進行規律分析。所以對變壓器鐵芯多點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律，進而為故障位置預測、絕緣優化等提供參考，目前多采用均勻化模型代替[1-2]。通過各向異性電導率設置可以達到模擬鐵芯疊片間的絕緣效果，文獻[3-6]提出了針對疊片鐵芯的各向異性電導率公式，并在不同頻率下進行了驗證，沒有考慮絕緣層的影響。文獻[7]綜合考慮了各種阻抗，但公式迭代次數過多，推導復雜。本文通過maxwell建立仿真，然后針對水電站三相主變壓器進行仿真實驗，探尋鐵芯多點接地故障下的電流規律，提出相應的防護建議。

1 主變的有限元仿真分析

本文以吉牛電廠SFP10-H-135000/220型變壓器為例進行3D渦流場建模仿真研究，變壓器實際參數如表1所示。

表1 變壓器基本參數

1.1 三相變壓器模型設置

1.1.1 模型構建

在ansys的RMxprt模塊，構建三相變壓器鐵芯外部實體3D模型(圖1)，根據上表數據調整尺寸參數，線圈匝數比設置為2420:138。

圖1 變壓器繞組與鐵心

1.1.2 內部接線

變壓器采用YND11聯結方式，聯結示意圖2，通過Maxwell Circuit Design電路編輯器聯合編輯，高壓二次側電阻設置108Ω，模擬空載開路情況。

圖2 變壓器的聯結

1.1.3 材料B-H曲線

材料庫中尚未錄入韓國浦項冷軋取向硅鋼參數，可在自定義材料庫逐個錄入，這里選取韓國浦項硅鋼30PG130的交流磁化參數，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。

30PG130性冷軋取向硅鋼片參數如表2。

1.1.4 自適應網格剖分

ANSYS程序提供了近似的技術自動估計特定分析，類型中因為網格劃分帶來的誤差，通過這種誤差估計，程序可以確定網格是否足夠細。如果不夠，程序將自動細化網格以減少誤差。這一自動估計網格劃分誤差并細化網格的過程就叫做自適應網格劃分，然后通過一系列的求解過程使得誤差低于用戶指定的數值。

圖3 硅鋼片的交流磁化曲線

表2 30PG130硅鋼基本參數

整體自適應剖分數據元最大值設置為105，然后對硅鋼片再自適應剖分一次，數據元設置為8×104。這樣設置不僅有足夠的剖分精度，而且又在計算機算力內(圖4)。

圖4 網格剖分示意圖

1.2 變壓器正常運行鐵芯勵磁情況分析

通過運行變壓器空載仿真，監測主磁通分布情況、電壓電流分布情況，辨識環境變量設置的合理性(圖5為空載時，鐵芯主磁通分布)。由圖5可知，瞬態環境下呈周期性變化的狀態，主磁通均勻分布于主回路，磁場強度沿主回路向外逐漸減弱，漏磁通主要分布于鐵芯兩側，磁通分布范圍合理。

從圖6可以看出，在一次低壓側設置的電壓源參數，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，模擬電源參數與實際相符，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 低壓一次側輸入電壓

圖7為高壓側電壓，作為二次側，這里的電壓為感應電壓，對應產生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 高壓二次側感應電壓

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，這是因為變壓器鐵芯的磁路并不相同，中間b相磁路更短，導致空載時電流會小很多，這與電磁物理機理相符，屬于正常狀態。副邊電流本來應該有三條線，但空載試驗的高壓側設置為開路，所以理應是電流為零，在圖8所示中，A、B、C三相的電流與軸線0重合，在圖8中呈淡藍色直線，與理論相符合。

圖8 一二次測電流分布

至此，驗證了所有運行參數，設置合理。

1.3 主變三相變壓器鐵芯多點接地仿真

由于變壓器鐵芯多點接地故障在最初是兩點接地，本著盡早發現故障的原則，實驗設計為兩點接地故障的仿真，模型如圖9。鐵芯接地實質上是通過大地讓多點相連，仿真實驗中以一根銅導線代替大地，模擬兩點接地狀態的發生。

圖9 鐵芯兩點接地故障模擬示意圖

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

設置三組獨立對照實驗，分別為：

(1)兩個接地點分別為z1―z24中的兩個點；

(2)兩個接地點分別為x1―x9中的兩個點；

(3)兩個接地點分別為y1―y8中的兩個點。

實驗一探尋鐵芯中同一塊硅鋼片出現多點接地的電流情況，實驗二探尋不同硅鋼片層數間發生多點接地時，垂直于硅鋼片疊裝方向接地電流情況，實驗三探尋不同硅鋼片層數間發生多點接地時，沿硅鋼片疊裝方向接地電流情況。

2 主變鐵芯多點接地故障仿真實驗結果

2.1 實驗一

前半部分實驗，z1固定為一個接地點，依次連接z2、z3、z4……z12，進行分布式參數分析，故障電流有效值結果輸出，繪制成更加直觀的折線統計圖，如圖11，圖中橫坐標從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)鐵芯側面示意圖圖10 故障點設置示意圖

圖11 鐵芯正面同邊接地點電流趨勢圖

縱坐標表示電流大小。

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

后半部分實驗中，z1固定為一個接地點，依次連接z13、z14……z24，其仿真結果繪制折線統計圖如圖12所示，其中橫坐標從1到12分別表示 (z1,z13)、(z1,z14)……(z1,z24)的位置信息,縱坐標表示電流大小：

圖12 鐵芯正面異邊接地點電流趨勢圖

此處實驗模擬在同一硅鋼片上，但是分別是上下鐵軛發生多點接地的情況。從總體趨勢可以看出，接地電流隨著兩接地點間距離增大呈先增大后減小的趨勢；除第一個點外，其余電流在相鄰位置間電流差值比較小；前半部分的增大趨勢原因同上所述，后半部分下降趨勢是由于兩接地點間的阻抗增加比感應電勢增加更快；而第一個位置由于其設置的特殊性，其連線垂直于地面，接地回路沒有磁通通過，造成接地點間沒有產生感應電勢，所以故障電流幾乎為零。

2.2 實驗二

實驗結果直接統計成折線圖13年示，x1固定為一個接地點，圖中橫坐標從1―8分別表示(x1,x2)、(x1,x3)……(x1,x9)的位置信息，縱坐標表示電流大小。

圖13 鐵芯上邊接地點電流趨勢圖

由圖13可知，1―4點都是位于同一側，5為中心點，隨著接地點間硅鋼片級數增加，故障電流呈明顯的增大趨勢，且在其中一個接地點到達硅鋼疊片中心時達到最大值，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電勢大，所以接地電流又呈減小趨勢。

2.3 實驗三

實驗結果直接統計成折線圖14，y1固定為一個接地點，圖中橫坐標從1―7分別表示(y1,y2)、(y1,y3)……(y1,y8)的位置信息，縱坐標表示電流大小。

圖14 鐵芯側邊接地點電流趨勢圖

該實驗與上面實驗一的區別在于接地點接入方式的不同，上面的實驗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，區別模擬兩種不同接入方式在幾乎相同位置造成多點接地故障的電流異同。從折線統計圖的趨勢可以看出，總體電流趨勢沒變。隨著故障回路間硅鋼級數的增加，電流呈先增大后減小的趨勢，但是，整體的接地電流比上一個實驗要小，也就是從側面接地硅鋼片比從正面接地硅鋼片的接地電流要小。

4 結 語

針對變壓器鐵芯多點接地故障發生率高、不易發現，變壓器接地危害性大，接地試驗操作難度大特性，推導了變壓器鐵芯的均勻體等效電導率，并于Maxwell電磁仿真軟件中搭建了SFP10-H-135000/220型變壓器的3D渦流場模型，設計了多種多點接地故障可能出現的情況，通過有限元仿真獲得了一系列故障電流參數，歸納出鐵芯多點接地故障發生在不同接觸點上的故障電流發展規律。

從仿真試驗總結可知，不同接地面接地點所產生的多點接地故障電流間有很大差異，后續可以借此特征，通過多點接地電流的異同進行故障定位方向的研究。