基于有限元分析法的电抗器匝间短路检测仿真

王志强,韩冬阳,范兴明,黎家言,周巧岚,王子楠

(桂林电子科技大学 机电工程学院,广西 桂林 541004)

随着电力系统的不断发展与完善,干式电抗器在电力系统中发挥的作用越来越重要,因其具有成本低、内部结构简单、电抗值稳定等特点,在电网中广泛应用[1]。作为电力系统重要的电力设备之一,电抗器在市场上的需求也越来越大。干式电抗器主要分为串联式和并联式2种,前者主要是为了限制短路电流,后者主要是为了进行无功补偿[2-3]。近年来,电抗器由于短路故障引起的火灾事故频发,其中超过一半的故障为匝间短路故障[4]。引起短路的主要原因是电抗器长期运行下绕组绝缘性能降低,进而引发绕组的绝缘层脱落,导致相邻线圈接触发生短路。短路电流过大将造成故障位置温度急剧升高,最终导致电抗器烧毁[5]。

目前为止,国内外常用匝间短路故障检测方法有红外摄影法和功率方向检测法,但存在不能观测电抗器内部温度变化和测量灵敏度不高等问题,都有一定的局限性,不能完全满足故障在线检测的全部要求[6]。当电抗器出现匝间短路故障时,由于绝缘层被破坏,在交变磁场的影响下,短路环线圈产生涡流,在涡流的去磁效应作用下,电抗器整体磁感应强度将会减小。根据这种特性,基于有限元分析法应用ANSYS电磁仿真软件对电抗器短路模型进行仿真,对比分析正常状态与不同位置短路状态的电流和磁场变化,提出了一种结合电流检测和磁场检测的电抗器匝间短路故障在线检测方案。

1 匝间短路原理分析

1.1 干式空心电抗器结构分析

相比油浸式电抗器,干式空心电抗器优势更为明显。其拥有更为简单的结构,更为低廉的价格以及低损耗、方便维护等优势,在电网中受到大力推广和应用。目前干式空心电抗器多为环氧树脂包封式,通常由双股或多股铝制绕线叠加制作成同轴筒型,能有效减少电抗器的各种损耗。电抗器的绕组采用浸渍环氧树脂玻璃纤维包封,经高温固化后,具有整体性好、机械强度高、抗短路电流冲击能力强等优点,满足动态和热稳定性要求[7-8]。其绝缘结构为多层式复合绝缘结构,具有高绝缘性能及低介质损耗和温升的优点。干式空心电抗器结构示意图如图1所示。

图1 干式空心电抗器结构示意图

1.2 电抗器匝间短路故障等效电路

干式空心电抗器等效电路由若干带有直流电阻Ri及自感和互感Li的支路并联组合而成。假设一个干式空心电抗器共有N层并联线圈,当其中第m层并联线圈发生匝间短路故障时,故障处绕组两端导线未熔断之前的等效电路模型[9]如图2所示。

图2 电抗器匝间短路等效电路

1.3 磁场检测法分析

在正常工作状态下,干式空心电抗器在其周围产生对称分布的磁场。当电抗器内部发生匝间短路故障时,电抗器内部会产生一个或多个闭合的短路环,且线圈中会产生很大的短路电流[10]。

一旦发生匝间短路故障,其局部位置的磁场分布情况会受到严重影响。磁场检测的基本原理是通过在电抗器模型的顶端和底端位置各安装一个磁场信号探测线圈a、b,由于交变的磁场会在探测线圈内产生感应电流,可将a、b的磁场信号转化为电流信号。因大多数通信采用的信号都是电压信号,将采集的电流信号转化为电压信号后,再传输至通信控制中心进行比较查验,即可实时监测电抗器的运行状态是否正常。若a、b的电压信号差值很大且超过设定阈值,则说明电抗器内部发生了匝间短路故障。磁场检测法示意图如图3所示。

图3 磁场检测法示意图

1.4 磁场解析原理

由于存在电流的磁效应,在通电导体的周围会产生磁场[11-12]。由图1可知,电抗器是由多个同轴通电线圈互相并联组成,每个通电线圈均由若干匝数的螺线圈组成。因此,电抗器中每个通电线圈的自感等效于每个螺旋圈的自感,线圈之间的互感也就等效于螺旋圈之间的互感,则包含N匝线圈的螺旋圈相当于N个半径相等的等电流线圈。

以单匝圆环载流线圈的磁场为例,其计算过程如下:如图4所示,以R1为半径的单匝圆环通电线圈1位于XOY平面上方沿Z轴正方向Z1处,轴线与Z轴重合,通过该线圈的电流为I,在该线圈上随机取一线元dl;另有一个半径为R2的圆环通电线圈2与上述线圈同轴,与XOY平面距离为Z2,在该圆环基本面上随机取一点P0,分析并计算通电线圈在该点的磁通密度[13]。根据Biot-Savart定律,通电圆环线圈2的磁场分布高度对称,磁通密度大小相等,方向对称。线圈1上电流元Idl对P0点产生的磁感应强度dB分解为径向分量dBr和轴向分量dBz,由叠加定理可知,线圈1对P0点产生的磁场等于各段电流元在该点产生的磁场矢量和,则P0处的磁感应强度为

图4 通电导体模型

其中,θ为dl与X轴的夹角。

2 基于有限元分析法的新型电抗器匝间短路检测装置

本装置通过第一探测线圈采集电力电抗器第一磁场信号,第二探测线圈采集电力电抗器第二磁场信号。电力电抗器绕组电流信号通过电流互感器进行采集,并经信号放大模块将采集到的磁场信号和电流信号进行放大处理,再将放大处理后的信号经滤波模块进行滤波处理;经滤波处理后,由模数转换模块进行模数转换,并由控制处理模块将电流信号与电流报警值进行比较,若采集的电流信号大于电流报警值,则通过显示和报警模块发出短路报警。同理,将第一磁场的采集信号与磁场报警值相比较,若该采集信号大于磁场报警值,则显示和报警模块发出绕组磁场过大报警[14]。

经上述步骤后,继续将第二磁场信号与所述磁场报警值相比较,若第二磁场的信号大于磁场预设报警值,则通过显示和报警模块发出绕组磁场过大报警。

继续将采集的第一磁场信号与第二磁场信号进行计算,将所得差值与磁场差值报警值相比较。若该差值大于磁场差值预设报警值,则由显示与报警模块发出报警信号;当报警模块检测到报警信号时,由控制处理模块进行断电保护模块的控制并实施断电操作。控制通信模块将电力电抗器匝间短路检测装置的检测信号上传至监控中心。

基于有限元分析法,综合电流检测和磁场检测,设计出一种电流和磁场检测结合的电力电抗器匝间短路检测装置[15-16],如图5所示。若电抗器发生匝间短路故障,电抗器磁场分布将出现关于电抗器水平中轴不对称的现象以及绕组电流变化较明显,通过比较2个对称点磁场差别和电流变化量判断电抗器是否出现匝间短路故障,并及时进行报警和断电保护。该装置可有效提高电力电抗器匝间短路故障检测效率,有利于及时发现故障并防止事故扩大。

图5 装置结构框图

3 仿真分析

3.1 建模参数

采用Maxwell 2D/3D对10 k V干式空心串联电抗器进行仿真,其型号为CKDK-10/100-5。该电抗器常用于10 k V 电力系统中,主要用于抑制电网电压波形畸变,改善系统的电压波形,提高电网的功率因数,故常与并联电容器串联连接,以提高电力传输过程中众多电力设备的可靠性。CKDK-10/100-5电抗器主要参数如表1所示。

表1 CKDK-10/100-5型电抗器主要参数

3.2 仿真设置与步骤

根据电抗器模型的结构和磁力线分布特点,对电抗器模型作以下简化:

根据电抗器的轴对称性,对电抗器模型的三维磁场仿真简化为二维磁场仿真,且只取一半剖面进行求解计算;假设每层绕组的电流密度分布均匀,通电导体的电导率设为常数,空气和绝缘体的磁导率为常数1。忽略电抗器外部物理结构对磁场分布产生的影响。

选取的CKDK-10/100-5型电抗器关于中心线轴对称,根据其实际几何尺寸建立三维ANSYS 有限元模型,根据上述要求简化为二维平面上的RZ模型[17-18]。

根据电抗器匝间短路方式设置相关参数。以下以短路位置为最外层绕组1/2 H 高度处为例进行说明,设置其中一匝线圈短路,短路电流方向为负向,其他线圈电流设置为正向,即不短路状态。设置边界类型为气球边界,长1 900 mm,宽900 mm,最外边设置为理想空气环境(Mag=0),网格划分最大长度为30 mm,仿真时长为1 s,步长设置为0.005 s。仿真分析流程如图6所示。

图6 仿真分析流程

3.3 仿真结果

1)正常运行状态

在仿真过程中,最外层绕组(第19层)电流波形如图7所示,0.605 s 时刻电抗器的磁场强度分布和磁力线分布分别如图8、9所示。

图7 第19层绕组(最外层)电流波形

图8 正常运行状态下的磁感应强度分布

2)匝间短路状态

在最外层绕组(第19层)1/2 H 高度位置发生匝间短路时,0.605 s 时刻电抗器的磁场强度分布和磁力线分布分别如图10、11所示。

图10 1/2H 匝间短路时的磁感应强度分布

图11 1/2H 匝间短路时的磁力线分布

在二维平面模型中,取2条经过1/2 H 短路位置的路径,分别平行于X轴和R轴,其中平行于X轴的路径坐标设置为(0,0)～(600,0),平行于R轴的路径坐标设置为(0,-300)～(0,300)。2条路径上磁感应强度变化曲线分别如图12、13所示。

图12 平行于X 轴路径的磁感应强度变化曲线

图13 平行于R 轴路径的磁感应强度变化曲线

3.4 仿真结果分析

从图7可看出,当电抗器正常运行时,在0.6 s前电抗器运行存在过电流的暂态过程,0.6 s后各绕组的电流与周围磁场达到稳定状态。从图8、9可看出,磁感应强度分布主要集中于第一个包封周围,且关于X轴高度对称。磁力线分布越靠近电抗器中间位置越密集,磁感应强度也越大;越靠近电抗器内部绕组,磁力线越密集,磁感应强度越大。

从图9可看出,当电抗器最外层绕组1/2 H高度位置发生匝间短路时,在短路位置附近的磁感应强度很大,且其方向与正常运行下的磁感应强度方向相反,对短路位置附近的磁场分布影响较大。通过设置2条不同路径观察短路位置的磁感应强度大小,如图10、11所示。在(440 mm,300 mm)位置处,即匝间短路故障处的磁感应强度大小约是其他正常工作位置的50倍,可见匝间短路对电抗器局部磁场分布影响严重。

图9 正常运行状态下的磁力线分布

通过对相同层绕组不同高度和相同高度不同层位置匝间短路,即轴向匝间短路和径向匝间短路,2种短路情况对故障处和整个电抗器模型的磁通密度对比分析如下:

轴向匝间短路时,故障处的磁通密度增大数倍,同时整个电抗器模型的磁场分布情况也发生很大变化;当故障位置在电抗器的中部附近时,磁通量变化最大,则对磁场分布影响最大。通过对仿真结果的分析可知,匝间短路会产生阻抗值较小的短路环,当故障位置靠近中部时,线圈之间的互感效应作用逐渐增强,产生的互感电流也越大,这严重影响到所处高度位置的磁场分布,同时也会使电抗器总体的磁场分布受到一定程度的影响。仿真得到的数据显示,当出现匝间短路故障时,尽管故障处的磁感应强度呈明显增大趋势,但电抗器总的磁感应强度却呈减小趋势。这是由于匝间短路形成的短路环产生的感应电流与正常运行状态下电流方向相反,产生了反方向的磁通,从而导致电抗器总的磁感应强度减弱。

径向匝间短路时,在相同高度、不同径向上,外层线圈发生短路故障时的磁场变化大于内层。当最外层绕组出现故障时,故障周围的磁感应强度变化最明显。根据正常工作状态下电抗器的磁场分布可知,越靠近电抗器的内层,磁感应强度越大。但由于此时产生的短路电流相对较小,磁通变化对磁场分布影响较小。而当短路位置靠近外层时,电抗器的线圈阻抗值相对较小,故短路时的电流相对较大。同理,其产生的磁通变化对电抗器磁场分布的影响也较大。

综上所述,当匝间短路故障在电抗器内部发生时,故障位置的电流变化能引起其周围的磁感应强度变化。在轴向上,越靠近电抗器的两端,电流变化越小;越靠近中部,短路电流变化越大。在径向上,越靠近外层绕组,发生故障时电流变化越大;越靠近内层绕组,发生故障时电流变化越小[19]。

通过以上分析,可将仿真结果作为理论依据,并为后续电抗器匝间短路在线监测方案的有效理论数据提供参考。

4 结束语

基于有限元分析法,设计了一种综合电流检测和磁场检测的电抗器匝间短路在线监测装置。利用ANSYS有限元分析软件对电抗器匝间短路进行仿真,验证了在线监测装置方案的可行性。

由仿真结果可知,当电抗器正常运行时,其空间磁场分布呈现一定规律,即电抗器整体磁场分布关于中心轴对称,最内层绕组中部位置的磁感应强度最大。根据这一特性,通过对电抗器不同短路位置的磁场仿真结果进行分析可知,当电抗器发生匝间短路故障时,短路位置的磁感应强度明显增大,但同时也会一定程度削弱电抗器整体的磁感应强度。将仿真得到的电流和磁感应强度数据作为监测装置的预警值,满足了电抗器匝间短路故障的在线监测及实时且准确的故障预警要求。