有限元法对干式空心电抗器匝间绝缘故障的研究

伍阳阳，谭向宇，刘友宽，徐鹏，张洁，陈文雯，徐雯，李蕊

(1.云南电网公司研究生工作站，昆明 650217；2.云南电网公司电力研究院，昆明 650217；3.华北电力大学，河北 保定 071000)

有限元法对干式空心电抗器匝间绝缘故障的研究

伍阳阳1，3，谭向宇2，刘友宽2，徐鹏1，张洁1，陈文雯1，徐雯1，李蕊1

(1.云南电网公司研究生工作站，昆明 650217；2.云南电网公司电力研究院，昆明 650217；3.华北电力大学，河北 保定 071000)

通过ANSYS软件，利用有限元法对干式空心电抗器的匝间绝缘特性以及绝缘故障进行分析研究，结果表明，匝间绝缘故障时会导致其周围电场强度激增，从而导致该区域温度升高，从而加剧了对干式空心电抗器绝缘结构的损害。

干式空心电抗器；匝间绝缘；有限元法

0 前言

干式空心电抗器由于没有铁心，所以不存在磁饱和现象。且由于干式空心电抗器与传统的油浸式铁心电抗器相比，具有结构简单、质量轻、体积小、线性度好、损耗低、维护方便等优点，在维持电力系统电压稳定、限制短路电流、进行无功补偿等方面有重要作用，而其匝间绝缘状态是影响干式电抗器安全稳定运行的一个非常重要的因素[3][4]。因此，对即将投运或已经投运的干式电抗器匝间绝缘状态进行现场试验，将对发现其安全隐患、避免事故发生和防止事故扩大都有非常积极的作用。干式电抗器匝间绝缘状态现场试验技术的研究与推广是状态检修和智能电网发展战略中的重要环节，对提高电力系统设备安全运行水平具有重要意义。

然而，干式空心电抗器由于其层数和匝数较多，匝间绝缘故障的灵敏检测一直是难以解决的问题。通常采用的试验方法有倍频倍压试验和冲击电压试验。倍频倍压试验作用时间较长，能量较高，但试验电压比较低，电抗器匝数较多时难以检测缺陷；冲击电压试验作用电压较高，但是作用时间较短，能量较低，也难以发现电抗器故障[1-2]。

本文将通过ANSYS软件，利用有限元法对干式空心电抗器进行建模，并分析其匝间绝缘特性以及匝间绝缘故障时，匝间电场强度的变化。分析结果表明：当匝间绝缘故障时会导致其周围电场强度激增，从而导致该区域温度升高，从而加剧了对干式空心电抗器绝缘结构的损害。

1 ANSYS仿真模型建立

ANSYS将模型分为实体模型和有限元模型两大类。实体模型由关键点、线、面和体组成，用来直接描述所求问题的几何特性[5]。

有限元模型是实际结构和物质的数学表示方法。在ANSYS中，可以用单元来对实体模型进行划分，以产生有限元模型，这个过程称为实体模型网格化。另外也可以直接利用单元和节点生成有限元模型。

1.1 建立模型

本文以BKGKL-20 000 kvar/35 kV型并联电抗器第二包封为例，包封壁材料为环氧树脂浸渍过的玻璃纤维，电抗器线圈采用铝导线，匝间绝缘材料以及层间绝缘材料为绝缘性能优良的聚酯薄膜材料。对电抗器的匝间绝缘和层间绝缘进行电场仿真分析，结构尺寸见表1。图1和图2为电抗器第二包封模型。

图1 干式空心电抗器现场实物图

图2 第二包封ANSOFT简化模型图

表1 第二包封结构尺寸表

图3 第二包封正常运行时电场强度图

图4 第二包封正常运行时电位图

1.2 模型加载

在电抗器模型中，采用电压激励源，由于电抗器额定电压为KV，如前所述，假定在电压峰值时电抗器不会放电击穿，则在其他电压值下也不被击穿，故加入的瞬时电压值为峰值电压28 171 V，而在包封外表面则认为电压是0 V。因此，需要加入的是两个电压值作为激励源条件。

2 ANSOFT模型仿真结果

假设电抗器内每一层绕组上的电压是呈线性分布，即电抗器顶端与接地端之间的电压是平均加载在每一匝绕组上的，为一个常数。图3、图4为正常运行时ansoft对电抗器第二包封的电场及电位仿真情况。由图3可以看出，电抗器顶端场强最大，约为1.132 7∗e7V/m，这是因为顶端第一匝绕组所加电压是最高值，因此电抗器最大场强分布在电抗器顶端。越靠近接地端，所加电压越小，因此场强值越小。层间和匝间场强相对较小，分别约为5.219∗e6V/m和0 V/m。

3 绝缘故障仿真结果与分析

国内外空心电抗器的实际运行情况表明：线圈匝间绝缘短路故障是干式空心电抗器烧毁的主要原因。而且这种事故往往会造成电抗器发生匝间绝缘短路，导致电抗器烧毁，造成很大的直接或间接损失。

3.1 线圈结构

当包封内出现匝间绝缘故障时，表现为两匝线圈之间的绝缘层破坏，使得本应由绝缘层分隔开的两匝线圈相互接触。因此本节采用将短路的上层线圈向下平移与下层线圈接触的形式来表现由结构变化引起的匝间绝缘。

图5(a)为包封内第三匝和第四匝绝缘短路的仿真结果。仿真结果可知，两种情况下，电抗器包封内最大场强为1.332∗e7V/m。与正常运行情况下包封内匝间电场强度为5.219∗e6 V/m相比，出现匝间绝缘短路故障的包封在第四匝和第五匝线圈之间的电场较高，约为10.5∗e6V/ m。图5(b)为在两匝短路线圈下方场强较高的区域，图5(c)为区域内线上的场强分布。

图5 包封内第三匝和第四匝绝缘短路的电场强度仿真结果

出现这种结果是由于当第三匝和第四匝线圈相接触的时候，第四匝线圈的电压明显升高，电压值与第三匝线圈电压值相同。这就造成了第四匝和第五匝线圈之间的电势差升高，电场强度增大。

3.2 工艺缺陷

在实际生产中，由于工艺水平的差异，包封内部每层匝数并不都是相同的。因此在同一个包封内部的匝间与层间的绝缘，由于其剖面几何形状极其不均匀，所以包封内部的层间的电场分布也极其不均匀。本例中包封2的三层线圈中，从左到右匝数分别为55、53、47。由图6可看出，层间最大场强出现在中间层和最右层线圈之间，出现这种情况的原因是由于中间层和最右层线圈的匝数差最大。因此，两层线圈的电势差也相差最大，从而导致了两层线圈之间的场强增大。

图6 工艺缺陷对包封内电场强度的影响

3.3 匝间绝缘层破坏

在电抗器绕制的过程中，铝线的选择是十分重要的。若构成包封绕组的铝导线表面有微小的毛刺，则包封内的聚酯薄膜绝缘层很容易被刺穿，而聚酯薄膜的损伤会直接从内部引起铝导线的匝间短路。所以在生产时应该特别注意对铝导线表面毛刺和内部杂质的检验，决不能采用不合格的铝导线绕制电抗器。下图为被铝导线表面直径为0.02 mm的毛刺刺穿绝缘层发生匝间短路的情况。由图7可知，在两匝短路的线圈下方，出现了高场强值。出现这种现象的原因与线圈结构变化时所导致的场强升高情况原因相同。

图7 匝间绝缘层破坏时包封内电场强度分布

4 结束语

根据干式空心电抗器出现的三种匝间绝缘故障仿真分析：

1)当匝间绝缘故障时会导致其周围电场强度激增，从而导致该区域温度升高，从而加剧了对干式空心电抗器绝缘结构的损害；

2)电抗器制造过程中，应改善工艺条件，提高工艺水平，改善工艺环境；

3)绝缘胶应保证与导线具有良好的亲和性，在运行条件和运行环境下，确保不产生裂纹和开裂现象；

4)加强对铝导线表面毛刺和内部杂质的检验，决不能采用不合格的铝导线绕制电抗器。

[1] 夏长根.一起35 kV干式并联空心电抗器故障分析 [J].电力电容器与无功补偿，2009，30(5)：43-45.

[2] 刘海莹，魏宾.干式空心电抗器的运行分析及故障处理[J].高压电器，2004，(3).

[3] 张丽，徐玉琴.并联电抗器在超 (特)高压电网中发展与应用 [J].电力自动化设备，2007，27(4)：75-78.

[4] 何东平，孙白.35 kV干式空芯并联电抗器运行情况及故障电抗器的解剖分析 [J].电力设备，2004，5(2)：48 -51.

[5] 胡仁喜，等，编著.ANSYS 13.0电磁学有限元分析从入门到精通 [M].北京：机械工业出版社，2011，12.

Research on Dry-type Air-core Reactor Turn-to-turn Insulation Fault Based on Finite Element Method

WU Yangyang1，3，TAN Xiangyu1，LIU Youkuan1，XU Peng1，ZHANG Jie1，CHEN Wenwen1，XU Wen1，LI Rui1
(1.Yunnan Power Grid Corporation Graduate Workstation，Kunming 650217，China；2.Yunnan Electric Power Research Institute，Kunming 650217，China；3.Department of Automation，North China Electric Power University，Baoding，Hebei 071000，China)

Based on the ANSYS software，the article makes use of the finite element method to analysis of dry-type air-core reactor turn-to-turn insulation and insulation fault，The results show that the turn-to-turn insulation fault will cause the electric field intensity around the surge，which leads to the regional temperature，adding to the damage of dry-type air-core reactor insulation structure.

dry-type air-core reactor；turn-to-turn insulation；finite element method

TM76

B

1006-7345(2014)06-0060-03

2014-08-09

伍阳阳 (1988)，男，硕士研究生，云南电网公司研究生工作站，研究方向为分布式光伏发电系统的功率控制 (e-mail) 445800890＠qq.com。