油浸式變壓器繞組匝間短路故障對其內(nèi)部電場分布的影響分析

馮婷娜 王 濤 王碧霞 孫建明 王 明 楊 萍

（1.國網(wǎng)新疆電力有限公司哈密供電公司 2.國網(wǎng)新疆電力有限公司昌吉供電公司）

0 引言

油浸式變壓器是電力系統(tǒng)的重要設(shè)備，其安全穩(wěn)定運(yùn)行對電力系統(tǒng)具有重要意義[1-3]。變壓器繞組短路時(shí)短路電流可達(dá)到額定電流的十幾倍，嚴(yán)重?fù)p壞變壓器絕緣材料的絕緣性能，從而引起絕緣故障[4-6]。研究表明，變壓器繞組匝間短路故障的發(fā)生率最高，據(jù)統(tǒng)計(jì)，繞組匝間短路故障約占變壓器繞組故障的50%~60%[7-9]。

目前，針對油浸式電力變壓器內(nèi)部電場分布問題，國內(nèi)外有許多學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行研究。韓金華分析了一起220kV 發(fā)電廠變壓器匝間短路故障的現(xiàn)象及原因，并采用Matlab 對變壓器的故障類型進(jìn)行模擬[10]。饒章權(quán)、郭志楠及劉杰等學(xué)者利用有限元法對500kV的變壓器高壓繞組內(nèi)屏線段匝間及段間的電場進(jìn)行仿真分析，得到絕緣厚度和油道尺寸對匝間和段間的影響規(guī)律[11]。變壓器絕緣分為主絕緣和縱絕緣，主絕緣主要指繞組之間的絕緣，劉建軍和李巖對500kV 的電力變壓器的主絕緣結(jié)構(gòu)的電場進(jìn)行仿真計(jì)算，并得到電場強(qiáng)度最大的地方在高壓繞組的端部內(nèi)表面[12]。福州大學(xué)的莊少豐對110kV 油浸式電力變壓器的電場進(jìn)行仿真計(jì)算，得到無短路時(shí)變壓器電場強(qiáng)度較強(qiáng)的位置分布在高低壓繞組之間的油隙撐條簾處，且變壓器高低壓繞組的上、下兩端部電場強(qiáng)度較大[13]。A. Sinha 和S. Kaur 建立了變壓器二十三段繞組短路模型，且利用有限元法仿真分析了變壓器繞組在短路故障下的電磁力且計(jì)算得到最嚴(yán)重短路故障下的短路電流[14]。但對于油浸式電力變壓器高壓繞組發(fā)生匝間短路和層間短路后的電場分布的研究較少，由于變壓器繞組匝間或?qū)娱g發(fā)生短路故障后，繞組匝數(shù)會(huì)發(fā)生變化，電壓也會(huì)發(fā)生變化，即電場強(qiáng)度發(fā)生改變。因此，開展變壓器繞組短路電場分布的研究對變壓器的運(yùn)行維護(hù)和安全使用具有重要作用。

本文以S9-M-10000/10 型號的油浸式變壓器為研究對象，采用有限元軟件COMSOL 仿真分析不同類型的繞組短路故障對其內(nèi)部電場分布的影響，仿真結(jié)果可為解釋繞組匝間短路故障對變壓器內(nèi)部電場的影響程度提供參考。

1 仿真模型

1.1 電場計(jì)算模型

在靜電場各相同性、線性、均勻的介質(zhì)中，其電位與電荷密度之間的關(guān)系都可以用泊松方程和拉普拉斯方程計(jì)算，如下所示：

式中，ρ為自由電荷體密度；ε 為相對介電常數(shù)；φ為電位標(biāo)量。

求解變壓器二維電場時(shí)，在坐標(biāo)系中，可用邊值問題來表示，主要邊值問題如下所示[13]：

式中，G為整個(gè)求解域；Γ1為已知電位邊界；Γ2為電壓為零的邊界；Γin為不同介質(zhì)之間的分界線。

在變壓器中的任意兩個(gè)相鄰的介質(zhì)分界面上，均滿足如下方程[15]：

式中，φ1、φ2為兩種介質(zhì)分界面電位；ε1和ε2為兩種介質(zhì)的相對介電常數(shù)；n為法向量。

1.2 變壓器幾何模型

1.2.1 變壓器繞組無短路模型

油浸式變壓器（S9-M-10000/10）的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1 所示，根據(jù)表1 中變壓器結(jié)構(gòu)參數(shù)建立變壓器二維結(jié)構(gòu)模型，由于變壓器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如果完全按照變壓器的實(shí)際結(jié)構(gòu)參數(shù)建模具有一定的困難。因此將變壓器實(shí)際模型進(jìn)行合理簡化，將低壓線圈簡化為與兩根銅芯等效的單根導(dǎo)線；瓦楞紙及撐條簾利用同等厚度的絕緣紙來代替，考慮到變壓器結(jié)構(gòu)的對稱性，為了提高計(jì)算速度，本文只繪制變壓器中間相繞組進(jìn)行仿真計(jì)算。簡化后的變壓器幾何模型如圖1、圖2 所示，圖中白色的區(qū)域全部為絕緣油。

圖1 變壓器二維結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 變壓器二維結(jié)構(gòu)局部示意圖

表1 變壓器基本結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2.2 變壓器繞組匝間短路模型

匝間短路是指相鄰的兩匝線圈之間由于匝絕緣破損而造成的電路短路，因此利用分割域指令對無短路狀態(tài)下的變壓器模型進(jìn)行分割，破壞相鄰兩匝繞組之間的一半絕緣層，并將兩匝繞組之間的部分的材料設(shè)置為銅導(dǎo)體，達(dá)到匝間短路的效果，等效后的變壓器匝間短路模型如圖3 所示。

圖3 匝間短路模型

1.3 仿真模型

本文對工頻電壓下的油浸式變壓器內(nèi)部電場進(jìn)行仿真分析。在仿真過程中，高壓繞組施加8165V（相電壓賦值）的電壓，根據(jù)S9-M-10000/10 油浸式變壓器的變比1：25，繞組連接方式為Yyn 形式，因此，低壓繞組施加326.6V（相電壓賦值）的電壓，將變壓器油區(qū)域的邊界位置設(shè)置為零電位。設(shè)置變壓器中各部件材料的屬性，絕緣油的相對介電常數(shù)為2~2.4，取2.2，絕緣紙本身的相對介電常數(shù)為6.5，油浸絕緣紙的相對介電常數(shù)為3.2~4，取3.7，各部件材料的相對介電常數(shù)如表2 所示。網(wǎng)格剖分時(shí)將網(wǎng)格的序列類型選擇為物理場控制網(wǎng)格，網(wǎng)格的單元大小設(shè)置為超細(xì)化，設(shè)置完成后進(jìn)行計(jì)算。

表2 材料相對介電常數(shù)

2 仿真結(jié)果分析

2.1 繞組無短路時(shí)電場分布

計(jì)算完成后得到油浸式變壓器內(nèi)部電場強(qiáng)度分布云圖，由于變壓器結(jié)構(gòu)左右對稱，因此截取變壓器中間相左半邊的電場強(qiáng)度分布云圖如圖4 所示，變壓器繞組首端電場強(qiáng)度分布云圖如圖5 所示。

圖4 變壓器整體電場分布云圖

圖5 變壓器上端部電場分布云圖

從圖4 和圖5 可以看出，電場強(qiáng)度較強(qiáng)的位置分布于低壓繞組與高壓繞組之間的油隙撐條簾處，且電場強(qiáng)度較大的區(qū)域主要集中在高壓繞組和低壓繞組的上、下兩端部，最大電場強(qiáng)度為4.81kV/mm。這是因?yàn)橛拖吨须妶鼍€分布比較密集，在繞組端部周圍電場分布極不均勻，且在變壓器的實(shí)際結(jié)構(gòu)中鐵軛的不對稱造成電場分布不對稱[13]，使得繞組端部的等勢面比較密集，端部電場強(qiáng)度增大。由于此變壓器的油隙撐條簾寬度為8mm，通過最小擊穿場強(qiáng)曲線可知允許擊穿場強(qiáng)為10kV/mm，因此，變壓器高壓繞組首端和尾端絕緣裕度為10/4.81=2.079，絕緣裕度符合要求。

2.2 匝間短路故障對其內(nèi)部電場的影響

在無短路時(shí)，變壓器電場強(qiáng)度較強(qiáng)的位置分布在高壓繞組端部的油隙撐條簾處，且距離油隙撐條簾位置越近電場強(qiáng)度越強(qiáng)，因此距離油隙撐條簾位置越近的位置發(fā)生故障時(shí)對電場的影響最大，同時(shí)變壓器在雷電沖擊電壓與操作過電壓作用下對繞組端部電場的影響最大[13]。因此，本文選取接近油隙撐條簾的高壓繞組設(shè)置匝間短路進(jìn)行仿真計(jì)算，仿真所得高壓繞組匝間短路電場強(qiáng)度分布云圖如圖6 所示，在油隙撐條簾中靠近高壓繞組的位置縱向繪制一條二維截線，提取二維截線上的電場強(qiáng)度進(jìn)行對比所得曲線如圖7 所示。

圖6 匝間短路電場分布云圖

圖7 匝間短路電場強(qiáng)度對比曲線

由圖6 可知，變壓器高壓繞組首端兩匝線圈的絕緣層被破壞后發(fā)生短路，使得首端的電場發(fā)生了變化，在兩匝線圈絕緣層的切口處電場畸變最明顯，最大電場強(qiáng)度分別為5.08kV/mm、3.68kV/mm。除短路附近位置以外，其余區(qū)域的電場基本沒有發(fā)生變化，末端電場依舊為4.08kV/mm。

由圖7 可知，在0~0.006m 的區(qū)域內(nèi)，匝間短路位置的電場與無短路時(shí)相比發(fā)生了明顯的畸變，最大電場強(qiáng)度從4.81kV/mm上升到5.06kV/mm，上升了5.2%；隨著距離的增大，電場強(qiáng)度急劇下降，在0.001m 處電場強(qiáng)度下降至最小值，最小電場強(qiáng)度為1.03kV/mm；之后又開始逐漸上升，基本不受短路故障的影響，直到大于0.006m 的區(qū)域，匝間短路后與無短路時(shí)的曲線基本重合。這是因?yàn)槔@組短路后，變壓器繞組變比改變，而本文匝間短路位置在高壓繞組上，即匝數(shù)高壓側(cè)的匝數(shù)減小，由于變壓器的電壓比等于其匝數(shù)比，高壓側(cè)電壓隨之減小，電勢也隨之減小，故電場強(qiáng)度減小。

2.3 不同短路匝數(shù)對其內(nèi)部電場的影響

變壓器匝間短路故障附近的電場強(qiáng)度與匝數(shù)有關(guān)，因此進(jìn)行對比分析不同數(shù)量短路匝數(shù)對其內(nèi)部電場的影響情況，根據(jù)控制變量法，在不改變短路位置的同時(shí)，建立變壓器高壓繞組首端不同短路匝數(shù)的短路故障模型，仿真分析不同短路匝數(shù)的故障對其內(nèi)部電場的影響程度。對比曲線如圖8 所示。

圖8 不同短路匝數(shù)電場強(qiáng)度對比曲線

由圖8 可知，變壓器高壓繞組首端不同短路匝數(shù)對其內(nèi)部電場的影響程度不同，繞組首端線圈短路一、兩匝時(shí)，對其內(nèi)部電場強(qiáng)度的影響基本一致；而當(dāng)繞組首端線圈短路三匝時(shí)，電場強(qiáng)度在0.011m之后才開始趨于正常。所以隨高壓繞組首端短路匝數(shù)的增加，局部最大電場強(qiáng)度增大，短路位置電場強(qiáng)度下降越明顯，影響范圍也越大。

2.4 匝間短路的位置對其內(nèi)部電場的影響

變壓器匝間短路的位置不同也會(huì)影響其內(nèi)部電場，因此進(jìn)行對比分析不同位置匝間短路故障對其內(nèi)部電場的影響，根據(jù)控制變量法，在不改變短路匝數(shù)的同時(shí)，建立變壓器高壓繞組首端不同位置的短路故障模型，仿真分析不同位置的匝間短路故障對其內(nèi)部電場的影響規(guī)律。對比曲線如圖9 所示。

圖9 不同位置匝間短路電場強(qiáng)度對比曲線

由圖9 可知，發(fā)生匝間短路的位置不同，其對電場的影響也不相同。三種短路情況均使其內(nèi)部電場發(fā)生畸變而減小，但第一層首端發(fā)生匝間短路后對其內(nèi)部電場的影響較明顯，第二層、第三層短路與無短路時(shí)的電場強(qiáng)度曲線基本重合，這是因?yàn)榈谝粚涌拷拖稉螚l簾位置，而距離油隙撐條簾越近電場強(qiáng)度強(qiáng)。所以短路位置距離油隙撐條簾越近電場強(qiáng)度畸變越明顯。因此當(dāng)油隙撐條簾附近發(fā)生大面積匝間短路時(shí)，對周圍電場有較大影響。

3 結(jié)束語

本文仿真分析了10kV 油浸式變壓器無短路時(shí)及發(fā)生匝間短路故障時(shí)對其內(nèi)部電場的影響，結(jié)論如下：

1） 變壓器無短路狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，高、低壓繞組之間的油隙撐條簾處電場強(qiáng)度較強(qiáng)，且電場強(qiáng)度較大的區(qū)域主要集中在高、低壓繞組的上、下兩端部。

2） 變壓器繞組發(fā)生匝間短路后，短路位置的電場強(qiáng)度呈現(xiàn)先減小后增大最后趨于穩(wěn)定。

3） 匝間短路的數(shù)量和位置對其內(nèi)部電場有較大影響，隨高壓繞組首端短路匝數(shù)的增加，局部最大電場強(qiáng)度增大，匝間短路局部電場畸變越明顯，且短路位置距離油隙撐條簾越近電場強(qiáng)度畸變越明顯。