1、第51 卷 第4 期 电力系统保护与控制 Vol.51 No.4 2023年2月16日 Power System Protection and Control Feb.16,2023 DOI:10.19783/ki.pspc.220782 基于电压、电流不平衡度差值的干式变压器匝间 短路故障识别方法 郝 艳1，咸日常1，冷学冰2，王 玮1，李 璨1，李佳琪1(1.山东理工大学电气与电子工程学院，山东 淄博 255000；2.山东七星电气科技发展有限公司，山东 淄博 255000)摘要：干式变压器绕组发生轻微匝间短路时，相电压、相电流等电气量变化甚微，不能作为表征匝间短路故障的敏感特征量，导致相
2、应保护措施缺失，运行过程中设备烧毁事故时有发生。通过建立干式变压器“场-路”耦合仿真模型，利用实际试验和工程计算获取的状态参数，验证模型的准确性。通过建立和分析其绕组匝间短路故障数学模型，提取相电压、相电流不平衡度标幺值的差值，作为判断匝间短路故障的特征量。通过仿真分析不同工况下其绕组发生匝间短路故障时不同电气量的变化情况，论证了所提新故障特征量不仅能提前感知绕组匝间短路故障，而且能够克服固有的三相不对称及不平衡运行带来的影响，有效性、灵敏性兼顾，为实时监测干式变压器绕组匝间绝缘状态提供一种新方法。关键词：干式变压器；电压不平衡度；电流不平衡度；匝间短路；故障识别方法 Identificati
3、on method for an inter-turn short circuit fault of a dry-type transformer based on voltage and current imbalance difference HAO Yan1,XIAN Richang1,LENG Xuebing2,WANG Wei1,LI Can1,LI Jiaqi1(1.School of Electrical and Electronic Engineering,Shandong University of Technology,Zibo 255000,China;2.Shandon
4、g Qixing Electric Technology Development Co.,Ltd.,Zibo 255000,China)Abstract:When a slight inter-turn short circuit occurs in the winding of a dry-type transformer,electrical quantities such as phase voltage and phase current change little,and thus cannot be used as a sensitive characteristic quanti
5、ty to characterize the inter-turn short circuit fault.This results in the lack of corresponding protection measures,and equipment burning accidents occur frequently during operation.In this paper,a field-circuit coupling simulation model of a dry-type transformer is established,and the state paramet
6、ers obtained by actual test and engineering calculation are used to verify the accuracy of the model.By establishing and analyzing the mathematical model of an inter-turn short circuit fault of a dry-type transformer winding,the difference of per unit value of phase voltage and phase current imbalan
7、ce is extracted as the characteristic quantity to judge the inter-turn short circuit fault of the winding.Through the simulation analysis of the changes of different electrical quantities when the inter-turn short circuit fault occurs in the dry-type transformer winding under different working condi
8、tions,it is demonstrated that the new fault characteristic quantity proposed in this paper can not only perceive the inter-turn short circuit fault of the winding in advance,but also overcome the inherent three-phase asymmetry and unbalanced operation.Effectiveness and sensitivity are taken into acc
9、ount,and this provides a new method for real-time monitoring of the inter-turn insulation state of a dry-type transformer winding.This work is supported by the National Key Research and Development Program of China(No.2017YFB0902800).Key words:dry transformer;voltage imbalance;current imbalance;inte
10、r-turn short circuit;fault identification method 0 引言 近几十年来，干式变压器制造技术快速发展，因 基金项目：国家重点研发计划项目资助(2017YFB0902800)其具有环境性能好、运行效率高、防火防爆等优点，在配电系统中应用日益广泛，用量已经占到配电变压器约一半的比例。随着社会用电量的不断增加，对设备绝缘及其运行可靠性的要求越来越高1-6。干式变压器绕组故障是其主要的故障类型，占总故障郝 艳，等 基于电压、电流不平衡度差值的干式变压器匝间短路故障识别方法 -13-的 48%。由于干式变压器的绝缘结构不同于油浸式变压器，油浸式变压器的油中包
11、含了大量运行状态信息，其匝间绝缘故障可以通过油中气体的色谱分析加以实时诊断和预警，而干式变压器因为无油化，其绕组绝缘特别是匝间绝缘的状态检测手段不能满足实际运行要求。由于干式变压器绕组轻微的匝间短路故障不易检测，且极易快速演变为严重的多匝短路故障，导致绕组绝缘烧坏事故发生，直接威胁配电网的安全运行7-11。目前，实际工程中干式变压器的继电保护多采用电流差动保护和过流保护。虽然发生绕组匝间短路故障时短路匝的电流变化极大，但受绕组固有结构的限制，无法对绕组短路匝的电磁参数进行实际测量，而由此引起的主回路相电压、相电流变化微弱12-17，不能使干式变压器过流保护及差动保护动作，从而可能引起干式变压器
12、严重损坏甚至爆炸起火18-22。因此，能够提前感知并及时识别干式变压器绕组早期轻微匝间短路故障变得尤为重要，一直是干式变压器状态检测技术研究的热点和难点问题。近年来国内外许多学者对干式变压器内部故障及其检测进行了研究，其研究主要集中在温度场和电磁场的耦合建模方面23-25。文献26基于有限元的方法，对干式变压器正常运行时的电磁温度耦合场的分布情况进行了仿真分析，但未对干式变压器发生故障时的耦合场进行仿真分析；文献27对干式变压器涡流场、变压器绕组短路机械力、短路阻抗与负载损耗等进行了数值计算分析，分析了出口侧短路的故障特征，但未对干式变压器的内部故障进行分析；文献28通过干式变压器外支处的磁芯
13、漏磁通的基本分量，检测各种负载和电源电压不平衡条件下的绕组匝间短路故障，但未涉及提前感知绕组轻微匝间短路故障的检测，且不能够消除干式变压器固有结构导致的不平衡因素的影响。基于上述分析可知，目前针对提前感知并及时发现干式变压器低压绕组发生轻微匝间短路故障的问题研究不足，绕组匝间绝缘状态检测手段缺失。为保证配电网安全稳定运行、预防设备损坏事故，提高干式变压器运行故障预警能力，有必要进一步研究其绕组匝间短路故障的发生机理，分析绕组发生匝间短路故障前后特征电气量的变化情况，探索并提出一种敏感有效且适用于干式变压器匝间绝缘状态在线监测的故障特征量。众所周知：绝缘受潮、电热效应、机械电动力等是引起干式变压
14、器绕组匝间绝缘劣化的主要原因，其中绝缘受潮会导致绕组绝缘整体下降，机械电动力引起绕组相对位移会直接造成线匝绝缘损伤，从而匝间绝缘降低。而针对电热效应，一方面绝缘材料在局部放电的过程中存在累积效应，造成电树枝的存在，随着长时间的运行，放电通道会逐渐延伸，绕组匝间绝缘电阻会逐渐降低；另一方面在高温、过负载等运行工况下，干式变压器本体或局部温度升高，导致的绕组绝缘材料热老化问题，也会引起绕组匝间绝缘降低，而匝间短路故障往往发生在绕组绝缘最薄弱部位。本文以匝间接触电阻的大小表征绕组绝缘状态，量化分析匝间绝缘的破坏程度，进而探究匝间短路故障识别的敏感状态量。本文以一台型号为SCB10-250的干式变压器
15、为研究对象。首先，在工程应用方面采用 ANSYS 有限元仿真软件构建了与实际变压器一致的“场-路”耦合模型，在验证模型可靠准确的前提下，搭建了干式变压器匝间短路故障外电路进行仿真试验分析；其次，对干式变压器发生匝间短路故障的机理进行等效分析。在理论上提出将电流不平衡度标幺值与电压不平衡度标幺值的差值作为一种新的故障特征量，以提前感知并及时辨识干式变压器绕组发生轻微匝间短路故障。最后，通过仿真验证了所提出的故障特征量，在不同运行工况下监测绕组匝间短路故障的有效性，以评估其在不同故障严重程度下的性能。该匝间短路故障特征量不仅灵敏度高，能够提前感知干式变压器绕组的绝缘劣化情况，同时克服了干式变压器固
16、有不对称及不平衡运行对匝间短路故障检测误差的影响。1 干式变压器模型的建立与验证 1.1 干式变压器模型的建立 本文以一台型号为SCB10-250的干式变压器为仿真对象，其主要电气参数和结构尺寸分别如表 1和表 2 所示。表 1 干式变压器主要电气参数 Table 1 Main electrical parameters of dry transformer 名称 参数值 名称 参数值 额定容量 250 kVA 联结组号 Dyn11 额定电压 10 kV/0.4 kV 高压绕组匝数 1091 匝 额定电流 14.4 A/360.8 A 低压绕组匝数 24 匝 表 2 干式变压器结构尺寸 Table 2 Structure size of dry transformer 名称 尺寸 名称 尺寸 铁心直径 140 mm 高压绕组截面积 3.9 mm2 铁心窗高 520 mm 低压绕组截面积 171.8 mm2中心距 355 mm 高压绕组高度 410 mm 铁轭高度 70 mm 低压绕组高度 430 mm-14-电力系统保护与控制 在有限元仿真软件中建立的干式变压器三维仿真模型如图 1 所
