摘要：干式空心并联电抗器是电力系统中一种重要的装置，其运行的稳定性直接关系着电力系统中输送电能的质量。电抗器在运行过程中，往往会因为一些外部环境、自身结构等原因，导致电抗器在运行过程中会产生局部温升过高、过热等情况。电抗器包封绝缘开裂可能会引起匝间或股间短路故障，进而引起电抗器的损坏，其运行状况可通过电抗器周围的温升来反映。本文通过对电抗器故障电流的分析，并采用理论模型计算电抗器温度场分布并进行仿真实验，并通过选择合适的测温系统、实时监测电抗器内部温度分布的研究，具有重要的意义和重大的实用价值。
关键词：电抗器；温度场；电力系统；绝缘
0 引言
电抗器是远距离输电系统的主要辅助设备之一，用于补偿电力系统的无功容量，降低动态电压。电力电容器与电抗器串联后，通过选取合适的参数，可以有效抑制网络中的高次谐波，同时限制电力电容器的合闸电流和操作过电压，对电力电容器的安全运行、改善系统电压波形起到良好作用[1]。
干式空心并联电抗器20世纪八十年代引入中国，广泛应用于长距离输电线路容性无功功率的补偿。电力系统对电力电抗器的性能要求主要为电感值、通流能力。电抗器在运行过程中，往往会因为一些外部环境、自身结构等原因，导致电抗器在运行过程中会产生局部温升过高、过热,并最终导致电抗器的局部烧坏，甚至报废，包封绝缘发生开裂后，由于雨水和脏污侵袭，会伴随受潮、脏污和局部放电发生，造成绝缘性能快速下降，造成了很多事故，给国家和企业带来较大的经济损失。
电抗器在运行过程中，匝间绝缘的薄弱易导致股间短路和匝间短路故障的发生，因此针对其发生匝间短路和股间短路时的短路电流大小及分布特点进行理论和仿真分析，因此，采用理论模型计算电抗器温度场分布及选择合适的测温系统[2,3]、实时监测电抗器内部温度分布的研究[4,5]，对电抗器的生产制造和长期稳定运行具有重要的意义和重大的实用价值。
1干式空心电抗器的结构和原理
电抗器是远距离输电系统的主要辅助设备之一，用于补偿电力系统的无功容量，降低动态电压。电力电容器与电抗器串联后，通过选取合适的参数，可以有效抑制网络中的高次谐波，同时限制电力电容器的合闸电流和操作过电压，对电力电容器的安全运行、改善系统电压波形起到良好作用。按照其发展历程，空心电力电抗器的结构方式包括传统的水泥电抗器、夹持式空心电抗器以及新型的环氧包封型空心电抗器。按用途可以分为并联电抗器、串联电抗器、限流电抗器、滤波七抗器、平波电抗器、双分裂电抗器、线路平衡电抗器私中性点接地电抗器等。
筒式多包封空心电抗器本体包括线圈包封、汇流星形架、气道等主要组成部分。电抗器由多个同轴的包封组成，各包封在电气上并联在每个包封中又有多根并联的铜线或者铝线根据设计需要绕制多层而成，包封内的层数设计是由温升所决定的。
空心电抗器由多包封组成，当电抗器通交流电工作时，受到的总阻抗包括电容的容抗、电感的感抗和电阻的阻抗。其中电容和电感用来储能，电阻用来发热。由于我们只考虑生热，故只考虑铝导线电阻生热情况。铝导线一方面由于其 自身直流电阻损耗生热，另一方面又因为每包封内有数层铝导线并联绕制，其通过电磁感应而相互引起的涡流损耗生热。电抗器总的电阻损耗生热即为直流电阻损耗生热和涡流损耗生热之和。
直流电阻损耗生热，又称铜耗。其计算公式为：
其中，I为每根导线中通过的交流有效电流值，ρ为铝导线的电阻率，L为每根导线的总长度，S为每根导线的截面积，Q为单位时间每根导线因电流通过而产生的电阻铜耗生热。
电抗器工作时，铝导线生热并通过其周围的环氧树脂与玻璃纤维向周围空气散热。易知，包封内绕组的散热应为热传导，而在包封外侧表面，包封向空气传递热量应为热对流。而在整个空间中，处于相对高温的电抗器始终会存在热辐射散热。因此，三种散热方式都参与在其中。
2 电抗器短路电流分析
2.1 股间短路故障电流
由于电流在导线中流动时会有集肤效应，会减少电流通过绕组的能力，所以在电抗器设计中，同样截面积的情况下，多股并绕通过电流的能力比单绕线要好。因此绝大多数电抗器采用多股并绕的方式，不仅提高了电流通过效率，且较易进行加工和整形。
为了简化计算模型的复杂度，以三股并绕的电抗器为例进行分析。若两股导线间的绝缘有损坏，则易发生股间短路，即不同匝之间相邻的两股发生了短路，会对支路内电流产生影响。本节将针对电抗器不同位置处发生股间短路故障时产生的故障电流大小及分布，采用场-路耦合方法分析，利用有限元建模方法，建立各股线圈的有限元场-路耦合模型。
当发生股间短路时，将相邻两匝之间的两股用导线相连，以最内层上端发生股间短路为例，由于该电抗器各层绕组最上端均不足一整圈，所以假设最上端股间短路故障发生在第二、三匝之间，即第二匝第三股的尾端与第三匝第一股的尾端相连，在该短路层第一、三股之间形成上下两个闭环，未短路股不变。由于电抗器几何尺寸和磁场分布均沿中心高度对称分布，短路故障发生在对称位置时，出现的影响一致，所以讨论上半部分发生股间短路故障对电抗器的影响。
2.2 匝间短路故障电流分析
当匝间短路发生在最内层时，短路电流最小，发生在最外层时，短路电流最大。虽然正常运行时最内层的磁场最强，但绕组导线截面积由内向外逐渐增大，最内层发生匝间短路时，短路环的截面积最小，因而电阻最大，且该处的互感最小，额定电流最小，所以其短路电流最小。在轴向上，各层绕组匝间短路发生的位置沿高度变化的规律基本一致，由于中心高度处短路匝与其它线圈的互感最大，所以越靠近中心高度处，短路电流越大。
当电抗器发生匝间短路时，短路匝内的三股首尾分别连接在一起，相当于一根粗导线形成的短路环，其内部电流主要是由此处交变的磁场在该短路环内产生的感应电流所得，而短路环的阻抗很小，所以短路电流非常大，易引起电抗器起火燃烧。
3 干式空心电抗器温度仿真
本文采用的红外温度传感器采用分布式无线测温的方式，针对BKK-20000/63型号的电抗器，在电抗器包封上层的关键区域放置8个温度传感探头。红外式温度传感器具有广角测量功能，拟采用MLX09614_BAA型号，具有1:3的物距测量比，可以覆盖包封上层的同时感应包封内部温度的变化。设计的静态温度场仿真实验如下：
1.建立干式空心电抗器的二维及三维模型。二维模型研究当电抗器正常工作时的各包封层温度分布情况，三维模型可以研究当电抗器包封中一点出现异常发热点后的整个电抗器温度分布情况。因电抗器整体沿轴切面对称，故取其中心轴切面建模并划分网格。设定参数后二维模型的各封温度分布情况如下图所示：
可见在二维的仿真结果中，基于热力学原理，电抗器上层的温度较高，且中间包封上层的温度高于内侧与外侧。包封导线温度最高温达到130℃，平均温度为90~100℃，气道的温度较低，最热达到50~60摄氏度，
包封下层气道最低约为30~40℃。仿真结果
符合一般规律。
2.建立电抗器三维模型，在第六、七层包封之间，高度为电抗器一半的地方放置一发热源，模拟电抗器故障情况。
根据二维仿真结果知道，电抗器上方空气的温度可以反应电抗器的运行情况。在三维的电抗器模型中进行正常状态和故障状态的对比试验。可以发现，当电抗器内部短路故障电流值增大或是绝缘破坏燃弧，出现内部的发热点，此时该气道内的温度显著升高，该点包封上方的温度也较周围出现了5℃以上的温升，因此在如图1所示在包封上方安装红外温度传感器，能够监控到每个扇区的温度变化，可以时时分析电抗器的运行状况，实现绝缘破坏预警的作用。
4 结语
电抗器是远距离输电系统的主要辅助设备之一，电抗器的安全运行，对电网的质量及安全、经济运行起到良好作用。针对电抗器在运行中出现过早烧坏的问题，本文通过对电抗器故障电流的分析，并采用理论模型计算电抗器温度场分布并进行仿真实验，并通过选择合适的测温系统、实时监测电抗器内部温度分布的研究，并用SolidWorks软件进行了模拟分析。计算和模拟结果与际情况相符，当电抗器内部存在异常温升点的时候，温度检测系统能够实时检测到，并及时有效地发出预警信号。从而达到了保护电抗器的目的。
参考文献
[1]路宝民,郑殿春.户外干式空心电抗器设计的若干问题[J].哈尔滨电工学院学报,1994,17(3):78-80.
LU Baoming, ZHENG Dianchun. Some problems in the design of outdoor dry type air reactor[J].Journal of Harbin Institute Electrical Engineering,1994,17(3)78-80.
[2]阎秀恪,代忠滨,于存湛.基于全损耗计算的空心电力电抗器温度场研究[J].电工电能新技术,2015,34(4):31-36.
YAN Xiuge, DAI Zhongbin, YU Cunzhan.Study on temperature field of air core power.reactor based on full loss calculation[J].New Technology of Electrical and Electric Power, 2015,34 (4):31-36.
[3]张奕，郭恩震.传热学[M].南京:东南大学出版社,2004年2月,1-91.
ZHANG Yi,GUO Enzhen.Heat Transfer Theory[M]. Nanijn:Southeast University Press. 2004,02,1-91.
[4]吕海宝等，激光光电检测[M]，北京国防科技大学出版社,2000,201-205.
LV Haibao, et al. Laser Photoelectric Detection [M], Beijing National University of Defense Technology Press.2000,201-205.
[5]A.A.Boiarski, V.F.McGinniss, and Gonul Turhan-Sayan Battelle. High spatial resolution distributed fiber optical temperature sensor. SPIE,1990,1338:18-30.
基金项目
国家自然科学基金重点项目(61533012），上海市自然科学基金(14ZR1421800)，流程工业综合自动化国家重点实验室开放课题基金。
This work is supported by the Key Project of NSFC (No. 61533 012), the Shanghai Natural Science Foundation (14ZR1421800), the State Key Laboratory of Synthetical Automation for Process Industries.
作者简介
李鹏（1988-04），男，汉族，籍贯：山东菏泽，学历：大学本科，研究方向：高压输电线路运维检修、带电作业、金属检测。
论文作者:李鹏,许永盛,班伟龙
论文发表刊物:《电力设备》2017年第18期
论文发表时间:2017/11/1
标签：电抗器论文; 电流论文; 导线论文; 温度论文; 故障论文; 电阻论文; 模型论文; 《电力设备》2017年第18期论文;