基于有限元分析法的電抗器匝間短路檢測仿真

王志強,韓冬陽,范興明,黎家言,周巧嵐,王子楠

(桂林電子科技大學 機電工程學院,廣西 桂林 541004)

隨著電力系統的不斷發展與完善,干式電抗器在電力系統中發揮的作用越來越重要,因其具有成本低、內部結構簡單、電抗值穩定等特點,在電網中廣泛應用[1]。作為電力系統重要的電力設備之一,電抗器在市場上的需求也越來越大。干式電抗器主要分為串聯式和并聯式2種,前者主要是為了限制短路電流,后者主要是為了進行無功補償[2-3]。近年來,電抗器由于短路故障引起的火災事故頻發,其中超過一半的故障為匝間短路故障[4]。引起短路的主要原因是電抗器長期運行下繞組絕緣性能降低,進而引發繞組的絕緣層脫落,導致相鄰線圈接觸發生短路。短路電流過大將造成故障位置溫度急劇升高,最終導致電抗器燒毀[5]。

目前為止,國內外常用匝間短路故障檢測方法有紅外攝影法和功率方向檢測法,但存在不能觀測電抗器內部溫度變化和測量靈敏度不高等問題,都有一定的局限性,不能完全滿足故障在線檢測的全部要求[6]。當電抗器出現匝間短路故障時,由于絕緣層被破壞,在交變磁場的影響下,短路環線圈產生渦流,在渦流的去磁效應作用下,電抗器整體磁感應強度將會減小。根據這種特性,基于有限元分析法應用ANSYS電磁仿真軟件對電抗器短路模型進行仿真,對比分析正常狀態與不同位置短路狀態的電流和磁場變化,提出了一種結合電流檢測和磁場檢測的電抗器匝間短路故障在線檢測方案。

1 匝間短路原理分析

1.1 干式空心電抗器結構分析

相比油浸式電抗器,干式空心電抗器優勢更為明顯。其擁有更為簡單的結構,更為低廉的價格以及低損耗、方便維護等優勢,在電網中受到大力推廣和應用。目前干式空心電抗器多為環氧樹脂包封式,通常由雙股或多股鋁制繞線疊加制作成同軸筒型,能有效減少電抗器的各種損耗。電抗器的繞組采用浸漬環氧樹脂玻璃纖維包封,經高溫固化后,具有整體性好、機械強度高、抗短路電流沖擊能力強等優點,滿足動態和熱穩定性要求[7-8]。其絕緣結構為多層式復合絕緣結構,具有高絕緣性能及低介質損耗和溫升的優點。干式空心電抗器結構示意圖如圖1所示。

圖1 干式空心電抗器結構示意圖

1.2 電抗器匝間短路故障等效電路

干式空心電抗器等效電路由若干帶有直流電阻Ri及自感和互感Li的支路并聯組合而成。假設一個干式空心電抗器共有N層并聯線圈,當其中第m層并聯線圈發生匝間短路故障時,故障處繞組兩端導線未熔斷之前的等效電路模型[9]如圖2所示。

圖2 電抗器匝間短路等效電路

1.3 磁場檢測法分析

在正常工作狀態下,干式空心電抗器在其周圍產生對稱分布的磁場。當電抗器內部發生匝間短路故障時,電抗器內部會產生一個或多個閉合的短路環,且線圈中會產生很大的短路電流[10]。

一旦發生匝間短路故障,其局部位置的磁場分布情況會受到嚴重影響。磁場檢測的基本原理是通過在電抗器模型的頂端和底端位置各安裝一個磁場信號探測線圈a、b,由于交變的磁場會在探測線圈內產生感應電流,可將a、b的磁場信號轉化為電流信號。因大多數通信采用的信號都是電壓信號,將采集的電流信號轉化為電壓信號后,再傳輸至通信控制中心進行比較查驗,即可實時監測電抗器的運行狀態是否正常。若a、b的電壓信號差值很大且超過設定閾值,則說明電抗器內部發生了匝間短路故障。磁場檢測法示意圖如圖3所示。

圖3 磁場檢測法示意圖

1.4 磁場解析原理

由于存在電流的磁效應,在通電導體的周圍會產生磁場[11-12]。由圖1可知,電抗器是由多個同軸通電線圈互相并聯組成,每個通電線圈均由若干匝數的螺線圈組成。因此,電抗器中每個通電線圈的自感等效于每個螺旋圈的自感,線圈之間的互感也就等效于螺旋圈之間的互感,則包含N匝線圈的螺旋圈相當于N個半徑相等的等電流線圈。

以單匝圓環載流線圈的磁場為例,其計算過程如下:如圖4所示,以R1為半徑的單匝圓環通電線圈1位于XOY平面上方沿Z軸正方向Z1處,軸線與Z軸重合,通過該線圈的電流為I,在該線圈上隨機取一線元dl;另有一個半徑為R2的圓環通電線圈2與上述線圈同軸,與XOY平面距離為Z2,在該圓環基本面上隨機取一點P0,分析并計算通電線圈在該點的磁通密度[13]。根據Biot-Savart定律,通電圓環線圈2的磁場分布高度對稱,磁通密度大小相等,方向對稱。線圈1上電流元Idl對P0點產生的磁感應強度dB分解為徑向分量dBr和軸向分量dBz,由疊加定理可知,線圈1對P0點產生的磁場等于各段電流元在該點產生的磁場矢量和,則P0處的磁感應強度為

圖4 通電導體模型

其中,θ為dl與X軸的夾角。

2 基于有限元分析法的新型電抗器匝間短路檢測裝置

本裝置通過第一探測線圈采集電力電抗器第一磁場信號,第二探測線圈采集電力電抗器第二磁場信號。電力電抗器繞組電流信號通過電流互感器進行采集,并經信號放大模塊將采集到的磁場信號和電流信號進行放大處理,再將放大處理后的信號經濾波模塊進行濾波處理;經濾波處理后,由模數轉換模塊進行模數轉換,并由控制處理模塊將電流信號與電流報警值進行比較,若采集的電流信號大于電流報警值,則通過顯示和報警模塊發出短路報警。同理,將第一磁場的采集信號與磁場報警值相比較,若該采集信號大于磁場報警值,則顯示和報警模塊發出繞組磁場過大報警[14]。

經上述步驟后,繼續將第二磁場信號與所述磁場報警值相比較,若第二磁場的信號大于磁場預設報警值,則通過顯示和報警模塊發出繞組磁場過大報警。

繼續將采集的第一磁場信號與第二磁場信號進行計算,將所得差值與磁場差值報警值相比較。若該差值大于磁場差值預設報警值,則由顯示與報警模塊發出報警信號;當報警模塊檢測到報警信號時,由控制處理模塊進行斷電保護模塊的控制并實施斷電操作。控制通信模塊將電力電抗器匝間短路檢測裝置的檢測信號上傳至監控中心。

基于有限元分析法,綜合電流檢測和磁場檢測,設計出一種電流和磁場檢測結合的電力電抗器匝間短路檢測裝置[15-16],如圖5所示。若電抗器發生匝間短路故障,電抗器磁場分布將出現關于電抗器水平中軸不對稱的現象以及繞組電流變化較明顯,通過比較2個對稱點磁場差別和電流變化量判斷電抗器是否出現匝間短路故障,并及時進行報警和斷電保護。該裝置可有效提高電力電抗器匝間短路故障檢測效率,有利于及時發現故障并防止事故擴大。

圖5 裝置結構框圖

3 仿真分析

3.1 建模參數

采用Maxwell 2D/3D對10 k V干式空心串聯電抗器進行仿真,其型號為CKDK-10/100-5。該電抗器常用于10 k V 電力系統中,主要用于抑制電網電壓波形畸變,改善系統的電壓波形,提高電網的功率因數,故常與并聯電容器串聯連接,以提高電力傳輸過程中眾多電力設備的可靠性。CKDK-10/100-5電抗器主要參數如表1所示。

表1 CKDK-10/100-5型電抗器主要參數

3.2 仿真設置與步驟

根據電抗器模型的結構和磁力線分布特點,對電抗器模型作以下簡化:

根據電抗器的軸對稱性,對電抗器模型的三維磁場仿真簡化為二維磁場仿真,且只取一半剖面進行求解計算;假設每層繞組的電流密度分布均勻,通電導體的電導率設為常數,空氣和絕緣體的磁導率為常數1。忽略電抗器外部物理結構對磁場分布產生的影響。

選取的CKDK-10/100-5型電抗器關于中心線軸對稱,根據其實際幾何尺寸建立三維ANSYS 有限元模型,根據上述要求簡化為二維平面上的RZ模型[17-18]。

根據電抗器匝間短路方式設置相關參數。以下以短路位置為最外層繞組1/2 H 高度處為例進行說明,設置其中一匝線圈短路,短路電流方向為負向,其他線圈電流設置為正向,即不短路狀態。設置邊界類型為氣球邊界,長1 900 mm,寬900 mm,最外邊設置為理想空氣環境(Mag=0),網格劃分最大長度為30 mm,仿真時長為1 s,步長設置為0.005 s。仿真分析流程如圖6所示。

圖6 仿真分析流程

3.3 仿真結果

1)正常運行狀態

在仿真過程中,最外層繞組(第19層)電流波形如圖7所示,0.605 s 時刻電抗器的磁場強度分布和磁力線分布分別如圖8、9所示。

圖7 第19層繞組(最外層)電流波形

圖8 正常運行狀態下的磁感應強度分布

2)匝間短路狀態

在最外層繞組(第19層)1/2 H 高度位置發生匝間短路時,0.605 s 時刻電抗器的磁場強度分布和磁力線分布分別如圖10、11所示。

圖10 1/2H 匝間短路時的磁感應強度分布

圖11 1/2H 匝間短路時的磁力線分布

在二維平面模型中,取2條經過1/2 H 短路位置的路徑,分別平行于X軸和R軸,其中平行于X軸的路徑坐標設置為(0,0)～(600,0),平行于R軸的路徑坐標設置為(0,-300)～(0,300)。2條路徑上磁感應強度變化曲線分別如圖12、13所示。

圖12 平行于X 軸路徑的磁感應強度變化曲線

圖13 平行于R 軸路徑的磁感應強度變化曲線

3.4 仿真結果分析

從圖7可看出,當電抗器正常運行時,在0.6 s前電抗器運行存在過電流的暫態過程,0.6 s后各繞組的電流與周圍磁場達到穩定狀態。從圖8、9可看出,磁感應強度分布主要集中于第一個包封周圍,且關于X軸高度對稱。磁力線分布越靠近電抗器中間位置越密集,磁感應強度也越大;越靠近電抗器內部繞組,磁力線越密集,磁感應強度越大。

從圖9可看出,當電抗器最外層繞組1/2 H高度位置發生匝間短路時,在短路位置附近的磁感應強度很大,且其方向與正常運行下的磁感應強度方向相反,對短路位置附近的磁場分布影響較大。通過設置2條不同路徑觀察短路位置的磁感應強度大小,如圖10、11所示。在(440 mm,300 mm)位置處,即匝間短路故障處的磁感應強度大小約是其他正常工作位置的50倍,可見匝間短路對電抗器局部磁場分布影響嚴重。

圖9 正常運行狀態下的磁力線分布

通過對相同層繞組不同高度和相同高度不同層位置匝間短路,即軸向匝間短路和徑向匝間短路,2種短路情況對故障處和整個電抗器模型的磁通密度對比分析如下:

軸向匝間短路時,故障處的磁通密度增大數倍,同時整個電抗器模型的磁場分布情況也發生很大變化;當故障位置在電抗器的中部附近時,磁通量變化最大,則對磁場分布影響最大。通過對仿真結果的分析可知,匝間短路會產生阻抗值較小的短路環,當故障位置靠近中部時,線圈之間的互感效應作用逐漸增強,產生的互感電流也越大,這嚴重影響到所處高度位置的磁場分布,同時也會使電抗器總體的磁場分布受到一定程度的影響。仿真得到的數據顯示,當出現匝間短路故障時,盡管故障處的磁感應強度呈明顯增大趨勢,但電抗器總的磁感應強度卻呈減小趨勢。這是由于匝間短路形成的短路環產生的感應電流與正常運行狀態下電流方向相反,產生了反方向的磁通,從而導致電抗器總的磁感應強度減弱。

徑向匝間短路時,在相同高度、不同徑向上,外層線圈發生短路故障時的磁場變化大于內層。當最外層繞組出現故障時,故障周圍的磁感應強度變化最明顯。根據正常工作狀態下電抗器的磁場分布可知,越靠近電抗器的內層,磁感應強度越大。但由于此時產生的短路電流相對較小,磁通變化對磁場分布影響較小。而當短路位置靠近外層時,電抗器的線圈阻抗值相對較小,故短路時的電流相對較大。同理,其產生的磁通變化對電抗器磁場分布的影響也較大。

綜上所述,當匝間短路故障在電抗器內部發生時,故障位置的電流變化能引起其周圍的磁感應強度變化。在軸向上,越靠近電抗器的兩端,電流變化越小;越靠近中部,短路電流變化越大。在徑向上,越靠近外層繞組,發生故障時電流變化越大;越靠近內層繞組,發生故障時電流變化越小[19]。

通過以上分析,可將仿真結果作為理論依據,并為后續電抗器匝間短路在線監測方案的有效理論數據提供參考。

4 結束語

基于有限元分析法,設計了一種綜合電流檢測和磁場檢測的電抗器匝間短路在線監測裝置。利用ANSYS有限元分析軟件對電抗器匝間短路進行仿真,驗證了在線監測裝置方案的可行性。

由仿真結果可知,當電抗器正常運行時,其空間磁場分布呈現一定規律,即電抗器整體磁場分布關于中心軸對稱,最內層繞組中部位置的磁感應強度最大。根據這一特性,通過對電抗器不同短路位置的磁場仿真結果進行分析可知,當電抗器發生匝間短路故障時,短路位置的磁感應強度明顯增大,但同時也會一定程度削弱電抗器整體的磁感應強度。將仿真得到的電流和磁感應強度數據作為監測裝置的預警值,滿足了電抗器匝間短路故障的在線監測及實時且準確的故障預警要求。