电力系统保护与控制 第 49 卷 第 18 期 2021 年 9 月 16 日 Power System Protection and Control Vol.49 No.18 Sep. 16, 2021 DOI: 10.19783/j.cnki.pspc.201295 干式空心串联电抗器匝间短路故障特征研究 咸日常 1，鲁 尧 1，陈 蕾 1，耿 凯 2，王艳萍 1，尹宝林 3 (1.山东理工大学电气与电子工程学院，山东 淄博 255000；2.山东汇能电气有限公司，山东 淄博 255089； 3.智洋创新科技股份有限公司，山东 淄博 255086) 摘要：干式空心串联电抗器是电力系统无功补偿回路中的重要电气设备，其主绝缘通常采用环氧浇注结构，在实 际研究中其匝间绝缘故障设置困难、试验验证成本高。为了监测是否发生匝间短路故障、提高在线监测灵敏度， 借助有限元软件 Comsol 仿真研究了电抗器发生匝间短路时各电气参数的变化情况。首先仿真计算正常状态下电 抗器的电感值和电流值，通过与解析计算结果进行比较，验证所建模型的正确性。然后在不同位置分别设置匝间 短路故障点以得到电抗器各线圈层电流。最后得出其等效电阻、等效电抗、等效阻抗、功率因数、损耗因数等电 气参数的变化情况。仿真分析结果表明：电抗器匝间短路故障点的位置不同，各电气参数变化率也不同，其绝对 值由端部向中部、由内层向外层呈现增大趋势，且损耗因数和功率因数变化率较大，对匝间短路故障反应灵敏， 可用于干式空心串联电抗器匝间短路故障的在线监测与保护。 关键词：干式空心串联电抗器；有限元；匝间短路；损耗因数；功率因数 Fault characteristics of an inter-turn short circuit of a dry-type air core series reactor XIAN Richang1, LU Yao1, CHEN Lei1, GENG Kai2, WANG Yanping1, YIN Baolin3 (1. School of Electrical and Electronic Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 255000, China; 2. Shandong Huineng Electric Co., Ltd., Zibo 255089, China; 3. Zhiyang Innovation Technology Co., Ltd., Zibo 255086, China) Abstract: The dry-type air-core series reactor is an important component in the reactive power compensation loop of a power system. Its main insulation usually adopts an epoxy casting structure. It is difficult to set the inter-turn insulation fault and the test verification cost is high. There is a need to monitor whether turn-to-turn short-circuit faults occur and improve online monitoring sensitivity. In this paper, the finite element software Comsol is used to simulate the changes of electrical parameters when inter-turn short circuits occur. First, the inductance and current values of the reactor under normal conditions are simulated and calculated, and the correctness of the model is verified by comparing with the results obtained by analytical calculation methods. Then the inter-turn short-circuit fault points at different positions are set to obtain the current of each coil layer of the reactor. Finally, the change of electrical parameters such as equivalent resistance, reactance, mpedance, and power and loss factors of the reactor is calculated. The simulation analysis shows that the different electrical parameters of the reactor have different rates of change because of different short-circuit locations. The absolute values of the reactor have a tendency to increase from the end to the middle and from the inner layer to the outer layer. Among the parameters, the change rate of the loss factor of the reactor and power factor change rate are large, and sensitive to reactor short-circuit faults between turns. The system can be used for on-line monitoring and protection of inter-turn short-circuit faults in dry-type air-core series reactors. This work is supported by the National “Thirteen-Five Year” Research and Development Program of China (No. 2016YFB0901303). Key words: dry-type air core series reactor; finite element; inter-turn short circuit; loss factor; power factor 0 引言 随着电力系统感性负荷的增加，系统对无功的 基金项目：国家“十三五”重点研发计划(2016YFB0901303) 需求越来越高，在我国的无功补偿装置中，电力电 容器成套装置数量最多也最为经济[1]。为抑制因投 入电力电容器而引起的电网高次谐波放大问题和限 制电容器合闸涌流，电力电容器成套装置中往往会 接入一定电抗率的串联电抗器[2-4]，其中，干式空心 咸日常，等 干式空心串联电抗器匝间短路故障特征研究 串联电抗器(以下简称电抗器)由于具有线性度好、 损耗低、机械强度高、无油化、维护方便等优点而 得到广泛应用[5-9]。然而在实际的运行过程中电抗器 往往会发生不同类型的故障，其中匝间短路故障发 生比例最大，当电抗器发生匝间短路故障而又无法 得到有效监测时极易造成电抗器烧毁[10-14]，甚至引 发火灾事故危及整个变电站的安全运行。因此，研 究电抗器匝间短路故障时各电气参数的变化情况、 提高监测灵敏度有着极其重要的现实意义。 诸多专家学者对此进行了相关研究与探索。文 献[15]提出利用无线热点测温的方法来判断电抗器 的整体绝缘状态，该方法虽可反映电抗器的匝间绝 缘状态，但需布置大量传感器。因此更多学者注重 于研究可反映电抗器匝间短路本质特征的相关电气 量变化情况。文献[16]通过解析计算方法计算了并 联电抗器匝间短路电抗和电阻，得出了电抗器等值 电阻变化量最大的结论。该方法满足精度要求但计 算量较大。文献[17]采用有限元法分析了电抗器短 路状态下的短路电流和电动力。有限元计算方法基 于磁场—电路耦合原理能够对电抗器各种运行工况 进行模拟，在提高运算速度与精度的同时也大大节 省了计算量，其强大的后处理功能使得计算结果更 为直观。因此本文采用有限元计算方法对电抗器匝 间短路故障下电气参数的变化情况展开研究。 本文以一台型号为 CKGKL-50/10-5%的户外干 式空心串联电抗器为仿真研究对象。首先在有限元 仿真软件 Comsol 中建立了电抗器匝间绝缘正常情 况下的仿真模型，该模型下计算得到的各层线圈电 感值和电流值与解析值吻合度较高，验证了模型的 准确性。然后，建立电抗器匝间短路仿真模型，研 究了电抗器等效电阻、等效电抗、等效阻抗、功率 因数、损耗因数等电气参数的变化情况，为在线监 测电抗器是否发生匝间短路故障提供了数据支持， 有利于实现电抗器的保护。 1 有限元计算 在 Comsol 中建立的电抗器仿真模型如图 1 所示。 求解区域内控制方程为[18]   H  J e  B    A   Ε   j A  J e   E  j D (1) 式中：H 为磁场强度；Je 为电流密度；B 为磁通密 度；A 为磁矢势；E 为电场强度；D 为电位移矢量。 - 11 - 图 1 电抗器仿真模型 Fig. 1 Reactor simulation model 线圈几何分析方程为 N Vcoil  Vind  Je  ecoil ARcoil (2) 式中：Je 为沿导线方向的电流密度分量；N 为线圈 匝数；Vcoil 为施加的线圈电压；Vind 为沿线圈积分电 场计算出的感应电压；ecoil 为线圈的方向矢量；A 为线圈区域的总横截面面积； Rcoil 为线圈总电阻。 线圈电阻计算公式为 Rcoil   A NL  coil acoil A (3) 式中：L 为线圈长度；σcoil 为导线电导率；acoil 为导 线横截面面积。 边界