干式空心电抗器匝间绝缘检测仿真研究

王璐璐，范友鹏，康婉莹

（国网技术学院，山东 济南 250002）

干式空心电抗器匝间绝缘检测仿真研究

王璐璐，范友鹏，康婉莹

（国网技术学院，山东 济南 250002）

电抗器是无功补偿和滤波装置中的重要部件，需要对其进行检测，目前国内对干式空心电抗器绝缘状态的检测方法研究较少。基于脉冲电压法原理，本着降低试验费用的原则，建立干式空心电抗器的数学模型，并输入实际参数进行仿真分析。仿真结果验证了利用脉冲电压法对干式空心电抗器进行匝间绝缘检测的可行性,对干式空心电抗器绝缘检测有指导作用。

干式空心电抗器；脉冲电压法；匝间绝缘检测；仿真分析

0 引言

干式空心电抗器由多个同轴绕组包封组成，这些包封在电气上是并联的，每个包封中又有若干个并联的线圈，每一层线圈又有数根小截面金属导线并绕而成，导线上涂有聚酷薄膜或玻璃丝构成绝缘，包封全部采用环氧树脂处理的长玻璃丝纤维经包绕制。当电抗器绕组制成后，经多道工序后加热固化，用于调节电网中的无功功率，随着投运数量和投运时间的增加，故障也开始逐渐增多。根据目前电抗器的运行状态数据和文献资料表明，空心电抗器运行故障绝大多数是因绕组线圈的匝间绝缘破坏，而且由该故障导致的电抗器匝间绝缘短路事故频发，甚至造成电抗器整体烧毁，给电网带来重大的经济损失［1-2］。所以近年来电抗器生产者和使用者都十分关注绕组匝间绝缘问题。

解决该问题一方面需要提高电抗器制造厂家线圈的生产质量；另一方面应该研究有效的检测方法。目前，国内对于干式空心电抗器匝间绝缘故障检测设备的研究较少。但国外已有商业化产品，但价格昂贵，国内多数企业无力采购。变压器匝间绝缘故障检测，通常采用感应电压法，即在变压器其中一个绕组上施加高频电压，在绕组上产生感应试验电压实现对绝缘检测目的［3］。但对于空心电抗器，绕组唯一而且磁路多为开放式，导致无法用感应电压法进行测试。另外，采用分离变压器产生正弦电压波也可以测试电抗器的匝间绝缘状态，但变压器容量需求较大，实际应用中存在很多问题。容性补偿装置可以降低变压器电源的容量需求，但由此所产生经济费用反而有可能更高［4］。根据脉冲电压法基本原理，提出采用脉冲电压测试干式空心电抗器匝间绝缘新方法。通过建立干式空心电抗器的数学模型，运用仿真方法，验证检测方法的正确性并对该方法的实际工业应用可行性进行论述。

1 脉冲电压法的基本原理

脉冲电压法是一种对被试线圈直接施加脉冲电压的方法，基本原理电路如图1所示。

图1 脉冲电压法基本原理

直流电源DC对电容C充电；S开关为球隙开关，当电容C上的电压达到开关S间介质的击穿电压时，电容C放电，放电瞬间电抗器的电压短时间提升到需要的试验电压值。此时，电容C与电抗器整体构成了阻尼振荡电路。

加载在电抗器上的电压可表示为

电抗器的电流可表示为

式中：U为电容C的充电电压，其中

由于实际电抗器阻值很小，故式（1）和（2）可化简为

振荡频率为

随时间推移，振荡电流衰减至零值时，由于Rs电阻的限制，直流电源功率过小，球隙开关S之间的放电电弧无法持续电弧熄灭。电弧熄灭后，电容C重新进行充电，当充电电压再次达到球隙开关间空气介质的击穿电压时，球隙开关再次发生电弧放电，电容器和电抗器重新产生阻尼振荡。上述放电熄灭过程不断重复发生。另外，由于减幅振荡的频率远高于电抗器的工作频率50 Hz，所以匝间绝缘可在无需加载大电流情况下获得需求的试验电压，无需大容量试验电源提供能量。

2 脉冲电压法测试的仿真分析

将电抗器接于上述电路的被试线圈部分，如果电抗器存在短路匝，因为线圈之间存在互感，势必会引起振荡频率等参数发生变化。

1）整个振荡电路的振荡频率会发生改变。引起变化的原因有两点，一是因为电抗器线圈匝数减少，导致整个电抗器的电感量有所减少；二是短路匝以外的其他线圈再短路，匝中有感应电动势产生，这一感应电动势将引起短路匝内有很大的电流，这一环电流会产生去磁场，减少整个线圈中的总磁场，使电抗器的电感量减少，进而导致整个振荡电路的振荡频率发生改变。

2）整个振荡电路的电压和电流衰减速度会大幅度加快，一是由于短路匝内的环电流导致电抗器损耗的增加；二是原来的磁势平衡关系被短路匝破坏，导致电抗器线圈的电流变大，贯穿整个线圈的环电流出现，进一步增加了电抗器的损耗。

综上所述，短路匝的存在，引起试验电路中电压或电流的衰减速度和振荡频率发生变化。基于这一理论基础，提出可以通过观察线圈两端的电压或者流过线圈的电流波形变化的情况的方法，来判断电抗器线圈匝绝缘的好坏。

频率的变化和衰减速度受匝数的数量影响很严重。一匝或几匝短路对匝数很多的电抗器（如高压并联电抗器）影响不大，反之，一匝或几匝短路对匝数很少的电抗器（如串联电抗器）就很大，对总电感的影响也是很大的。

采用脉冲电压法，对干式空心电抗器匝间绝缘检测进行仿真研究。利用PSPICE软件进行仿真分析，根据上述电压和电流的变化规律，观察输出电压波形和电流波形在正常和短路匝这两种情况下的不同，从而确定方法的可行性以及电路中的参数值。

电抗器中的参数设置是准确进行计算机仿真的前提，根据空心电抗器高度和内半径等尺寸、层数和匝数计算各绕组间的电感、层层之间互感和等效电阻等。同时电抗器各层绕组对短路匝的互感和自感，也是电抗器匝间试验重要仿真参数。根据Bartky方法并且应用C语言编程，对结构参数为5个包封和20层线圈的并联空心电抗器计算自感、层与层间的互感和等效电阻等。根据上述关系，在PSPICE中所设计的仿真电路模型如图2所示。

图2 仿真电路

其中：L1～Ln为第1层到第20层绕组的感抗值；R1～Rn为第1层到第20层绕组等效电阻；Ln+1为短路绕组的电感，Rn+1为短路匝的阻值；空心电抗器的电路仿真图设计后，进行仿真分析。

1）电抗器匝间无绝缘故障。当无绝缘故障存在于电抗器匝间时，得到的总电压和电流波形如图3所示。从图中可以看出电压和电流都是衰减和振荡的。

图3 匝间无故障的电压电流波形

2）匝间故障出现在电抗器端部。短路匝和电抗器其他部分线圈之间的互感比较小，经过仿真得到电压电流的波形如图4所示。为了容易比较，图中给出了电抗器匝间无绝缘故障的电压和电流波形。其中：Un（In）表示匝间无绝缘故障的电抗器上的电压（电流），Uef（Ief）表示匝间绝缘故障位置在端部的电抗器上的电压（电流）。图4更加清晰地告诉我们当匝间绝缘故障的位置出现在电抗器端部时，电抗器的电压和电流的衰减速度比匝间绝缘无故障时快，并且，振荡频率也高。

图4 匝间绝缘故障出现在电抗器端部波形

3）匝间故障发生在电抗器中间。短路匝和电抗器其他线圈之间的互感比较大，经过仿真软件的分析得到的电压和电流波形如图5所示。其中：Un（In）表示匝间无绝缘故障情况下的电抗器上的电压（电流），Umf（Imf）表示匝间绝缘故障在中部的电抗器上的电压（电流）。图5说明了当匝间绝缘故障发生在电抗器中间比匝间无绝缘故障仿真得到的电压和电流衰减速度更快，并且振荡的频率也更高。与图4相比较，电压和电流的衰减速度更快，振荡频率也比其高。

通过上面的分析，能发现：如果电抗器匝间有短路故障，电抗器上电压和电流波形衰减速度比完好的电抗器快，电压和电流波形的振荡频率也高；仿真得到的电压和电流的波形衰减程度在匝间绝缘出现在端部的时候不如匝间绝缘出现在中间的时候明显，换而言之，当匝间绝缘发生在中间时，更容易判断出匝间是否存在故障。

通过上述分析可知，利用脉冲电压法比较电抗器线圈两端的电压和流过线圈的电流的波形变化和衰减情况的方法来判断干式空心电抗器的匝间绝缘的好坏是可行的。采用测量衰减振荡电压（电流）波形的频率变化的方法来判断干式空心电抗器的匝间绝缘的好坏也是可行的。如果电抗器存在匝间短路故障，可能会伴随着烟雾、发出噪音以及火花放电等现象，这些也有助于判断匝间短路故障。

图5 匝间绝缘发生在电抗器中间波形

3 结语

用脉冲电压法检测干式空心电抗器的匝间绝缘状况，并且对实际空心电抗器的结构进行计算机仿真分析。仿真结果证实了该方法可以用于干式空心电抗器的匝间绝缘检测。

［1］廖敏夫，程显，翟云飞，等.干式空心电抗器脉冲振荡匝间绝缘检测系统的仿真与试验［J］.高电压技术，2011，37（6）：1343-1348.

［2］徐林峰.一起干式空心串联电抗器的故障分析［J］.电力电容器与无功补偿，2008，29（2）：50-54.

［3］骆晓龙，张良，王永红，等.干式空心电抗器匝间绝缘试验方法有效性分析［J］.哈尔滨理工大学学报，2014，19（1）：74-78.

［4］IEEE Std C57.16-1996，IEEE Standard Requirements，Terminology，and Test Code for Dry-type Air-core Series-connected reactors［S］.New York USA：Printed in the United States of America，1997.

Simulation Research on Dry-Type Air-Core Reactor Turn-to-Turn Insulation Test

WANG Lulu，FAN Youpeng，KANG Wanying
（State Grid of China Technology College，Jinan 250002，China）

The dry-type air-core reactor is the key component of reactive power compensation and filter device，which needs to be tested to ensure the safety of the system.There were few researches on the method for detecting the insulation failures of the dry-type air-core reactor.Based on the principle of pulse-voltage method and aiming at reducing the cost of test，the mathematical model of dry-type air-core reactor with actual parameters measured from real applications is established to carry out simulation analysis.The simulation results verified the feasibility of using the pulse-voltage method to detect the failure of turn-to-turn insulation between the dry-type air-core reactors，which can guide the actual dry-type air-core reactor insulation failure detection.

dry-type air-core reactor；pulse-voltage method；turn-to-turn insulation test；simulation analysis

TM47

B

1007－9904（2017）10－0029－04

2017-03-20

王璐璐（1986），女，讲师，主要研究方向为高电压绝缘技术、自动化运维关键技术。