基于变压器铁心多点接地故障的有限元仿真研究

冯 伟,贾 辉,李倩倩

(1.国网河北省电力公司邢台供电分公司,河北 邢台 054000;2.河北辉弘电力工程设计有限公司,河北 邢台 054000)

基于变压器铁心多点接地故障的有限元仿真研究

冯 伟1,贾 辉1,李倩倩2

(1.国网河北省电力公司邢台供电分公司,河北 邢台 054000;2.河北辉弘电力工程设计有限公司,河北 邢台 054000)

通过分析变压器接地故障,建立了铁心多点接地故障模型,并基于有限元方法进行仿真计算,得出了温度场分布情况和故障电流分布情况,以及铁心环流与故障点温度的关系,为铁心多点接地故障的检测提供理论依据。

变压器;铁心多点接地故障;有限元仿真;温度场

变压器发生故障而导致停电,不仅电力部门自身损失惨重,而且用电部门也会遭受重大经济损失,可见变压器影响着整个电力系统的可靠性及安全性。统计资料表明,因铁心绝缘问题造成的故障率占变压器各种故障的第3位[1]。因此,必须最大限度地预防变压器铁心故障的发生,及时发现,及时处理,确保变压器的安全可靠运行。

1 建立铁心多点接地故障模型

电力变压器在正常运行时,铁心有且只有一点接地。当铁心出现两点以上接地时,铁心间的不均匀电位就会在接地点之间形成环流,造成铁心多点接地发热故障,铁心局部接触电阻增大,引起铁心局部过热[2]。根据实际的铁心多点接地故障形式,金属异物造成的铁心碰夹件,建立了接地故障模型,如图1所示。

图1 铁心多点接地故障模型

以220 k V变压器铁心为例,对铁心模型了进行简化,任取铁心上轭的一段,根据故障模型设定铁心故障接地点,并将故障接地点作为多点接地引起的热源。利用仿真软件集成的建模功能,画出铁心多点接地故障的三维几何模型,如图2所示。

图2 铁心多点接地故障的三维几何模型

2 基于有限元的电热耦合场仿真

2.1 有限元方法

有限元方法的基础是变分原理和加权余量法,其基本思路是把求解域离散成有限个互不重叠的单元,在每个单元内选择一些合适的节点作为插值点,然后把待求的偏微分方程中的因变量改写成依据节点上值的插值函数组成的线性方程组,即所谓的刚度矩阵,从而可以通过适当的数值方法求解所需要的解。

Comsol Multiphysics是一款基于有限元方法的仿真计算软件,其特点在于多物理场耦合计算。多物理场的本质就是偏微分方程组,复杂的物理现场可以用一系列的偏微分方程组来描述,进而通过Comsol Multiphysic完成仿真计算。

2.2 电-传热耦合

一般情况下,电场与温度场之间存在密不可分的相互作用。在电场中,基本的物质属性会随着温度发生变化,使得电场强度发生相应的变化。由于电阻发热效应,在场中产生热源,整个场中的温度分布会受到热源的影响,然而这个热源的大小实际上却是随着电磁场的强弱而变化的。在分析这种物理现象时,必须同时考虑两种物理现象的相互作用,缺一不可。

方程组(1)是一个典型的焦耳热方程组,用来描述电场和温度场之间的相互耦合关系[3]。

式中:J为传导电流密度;Qj为初始存在的体电流密度;E为电场强度;Je为外部电流密度;ρ为物体密度;Cp为比热容;Utrans为热对流中的外场因变量,常见量是流速;T为温度;K为导热系数; Q为热量;Wp为外部做功。

在这一组方程组中,电场方程(前3个方程)中的介电常数是随温度变化的函数,而在传热方程中(第4个方程)中热源Q则是由前3个方程求解得到的电生热结果。通过定义这4个方程的因变量之间相互调用的关系,就得到了电-热耦合方程组。简言之,电-传热方程之间存在相互耦合,相互影响的关系。

3 铁心多点接地故障的仿真计算分析

3.1 铁心内部温度场分布的仿真分析

3.1.1 铁心的温升

在变压器设计中通常控制与变压器油接触的铁心表面温升不超过75 K,考虑油的允许温升是55 K,所以铁心表面对油的温升应是75 K-55 K =20 K。铁心内部损耗产生的热量通过沿铁心片方向和垂直铁心片方向的热传导散出;铁心的表面热量通过油的对流散出。油浸式变压器中铁心柱表面和油直接接触,对流传热良好;铁轭的上表面和油直接接触,侧面的对流条件虽好,但受夹件绝缘的遮盖,散热面减少。因此铁心表面的温度是不一样的。

铁心内部的温升计算是比较复杂的工作,原因为:

a.铁心内的损耗分布是不均匀的,在接缝处损耗大,特别是在中柱的T形接缝处。

b.铁心材料的导热性能是不均匀的,因为在硅钢片的表面有绝缘膜,冷轧硅钢片沿硅钢片平面内的热导率为λ1=21 W/(m2·℃),而垂直硅钢片的热导率为λ2=3.3 W/(m2·℃)。

c.铁心的散热有3个方向,即垂直铁心柱平面的2个方向和沿高度的方向。散热边界复杂,沿铁心高度的油温是变化的,铁心表面和油的接触条件也不同,因此,铁心的散热将是三维问题。

3.1.2 温度分布的仿真分析

铁心接地点的功率P=I2R,I为接地电流, R为故障点接触电阻。在现场可以测量铁心运行中的接地电流,同时可以测量获得整个接地回路的直流电阻。变压器正常运行中,根据铁心运行状态可对电热耦合模型做一下参数设定:油温为328.15 K,沿硅钢片平面内的热导率为λ1=21 W/(m2·℃),而垂直硅钢片的热导率为λ2=3.3 W/(m2·℃),变压器油的热对流系数为104.5 W/(m2·K)。另外,通过测量铁心接地引下线中电流,一般情况下,铁心对地电流的大小不会超过0.1 A;如果电流值超过0.3 A,则可判断为铁心多点接地故障。在模型中,设定铁心环流为2 A,故障点发热功率为4 W,仿真计算结果如图3所示。

可见,铁心内部温度分布,以铁心表面接地故障点为中心,从高到低向铁心内部延伸。因为垂直于硅钢片方向上热导率小于沿着硅钢片方向上的,所以沿着铁心柱方向的温度下降的更快。

图3 故障点附近铁心内部温度场分布示意

3.2 接地电流在铁心内部分布情况的仿真研究

当发生铁心多点接地故障时,接地电流会在铁心内部流动。其分布情况需要进一步的仿真分析。

铁心质量对于叠片间的绝缘强度是有一定要求的,片间绝缘过小时,片间电导率增大,穿过片间绝缘的泄露电流增大,将使铁心增加一部分附加的介质损耗。片间绝缘过大时,铁心本身就不能认为是一个等电位体。在实际生产中,铁心的片间绝缘要有一个合理的数值[4]。我们现在所普遍采用的高导磁冷轧硅钢片其表面一般具有一层绝缘涂层,绝缘电阻一般在70Ω·cm左右,而冷轧硅钢片在20℃时的电阻率为0.22×10-6Ω·cm。因此,电流在铁心内部流动时,先在接地故障点附近沿着硅钢片的方向流动,然后再跨过硅钢片流动。

沿着硅钢片方向的电阻率是一致的,所以可以建立一个二维模型:叠放的16片长100 mm的硅钢片。根据以上分析进行硅钢片的电阻率参数设置,仿真结果如图4所示,可以直观地看到铁心内部故障电流的分布情况。

图4 接地故障点铁心内部电流分布示意

同理,在分析接地片附近接地电流分布时,可建立相似的模型。易知,接地电流平行地跨越硅钢片流动,最后在接地片附近汇聚流出,接地片附近铁心内部电流分布见图5。

图5 接地片附近铁心内部电流分布示意

3.3 铁心环流与故障点温度的关系

根据故障程度的不同,对不同的电流值进行了相关的10组仿真计算,电流值依次为1 A、2 A、3 A、4 A、5 A、6 A、7 A、8 A、9 A、10 A。计算结果表示为电流大小与故障点最高温度的关系,如图6所示。

图6 铁心环流与故障点温度的关系示意图

在实际工作中,运行人员使用钳型电流表测量铁心接地电流。电流值超过0.3 A时,则判断为铁心多点接地故障。仿真中,设定铁心环流为0.3 A时,故障点最高温度仅为294.3 K。当电流较小时,故障点温度较低,气相色谱分析的方法还无法反应出铁心多点接地故障。说明在检测铁心多点接地故障时,与测量铁心接地电流相比较,气相色谱法分析的方法具有明显的滞后性。

4 结论

以上基于有限元法对铁心多点接地故障进行了多物理场耦合仿真计算,得出如下结论:

a.铁心内部温度分布,以铁心表面接地故障点为中心,从高到低向铁心内部延伸,且沿着铁心柱方向的温度下降的更快。

b.接地电流在接地故障点先沿着硅钢片流动,然后再跨过硅钢片流动,经过几层硅钢片之后,电流平行地跨过硅钢片流动,最终汇聚到接地片流出。

c.仿真数据显示,在检测铁心多点接地故障时,测量铁心接地电流的方法具有及时性的优点。在现场检测时,可以优先采用检测铁心对地电流的方法,以达到及时发现故障,有效指导检修的目的。

[1] 陈晓娟,赵 峰.变压器铁心多点接地故障的诊断与处理[J].变压器,2012,49(4)

[2] 赵静月.变压器制造工艺[M].北京:中国电力出版社,2009.

[3] 王 刚,安 琳.COMSOL Multiphysics工程实践与理论仿真:多物理场数值分析技术[M].北京:电子工业出版社, 2012.

[4] 刘传彝,侯世勇,许长华.电力变压器设计与计算[J].变压器,2012,49(4):

[5] 李 钢,戚革庆,柳尚一,等.一起66 k V变电站主变铁心多点接地故障的分析与处理[J].电气自动化,2016(5)81.

[6] 王径迤,赵景峰,支淼川,等.110 k V变压器铁心接地故障分析及实例研究[J].华北电力技术,2016,38(1)

[7] 张 庚,孟玲梅.变压器铁心多点接地故障及其诊断[J].华北电力技术,2011(4):3738,54.

本文责任编辑:秦明娟

Finite Element Simulation Research Based on Multipoint Grounding Fault Transformer Core

Feng Wei1,Jia Hui1,Li Qianqian2

(1.State Grid Hebei Electric Power Corperation Xingtai Power Supply Branch,Xingtai 054000,China; 2.Hebei Huihong Electric Power Construction Design Ltd.,Xingtai 054000,China)

Multipoint grounding of trans-former core is one of the common faults of transformer.In this paper,using the multiphysics coupling calculation software based on the finite element method the simulation of electric-thermal field of the core model with defects have been done.Finally,the distribution of internal temperature field and the distribution of current are described.

transformer;core;multipoint grounding fault;finite element simulation;temperature field

TM407

:B

:10019898(2017)01003503

冯 伟(1988-),男,助理工程师,主要从事变电运维工作。