一种变压器绕组股间短路故障的等效电路模型的制作方法

本发明属于变压器绕组故障在线监测，具体涉及一种变压器绕组股间短路故障的等效电路模型。

背景技术：

1、变压器是电力系统中广泛使用的重要电气设备，关系到电网的安全稳定运行与供电可靠性。在变压器实际生产制造中，为限制导体内部电流集肤效应和涡流损耗，同时减小大面积导线绕制带来的工艺困难，变压器低压绕组通常采用截面积较小的多根导线并联绕制而成。然而，由于变压器绕组抗短路能力不足、长期过负荷等因素的影响，绕组绝缘劣化，导致变压器绕组股间短路故障时有发生，造成了一定的经济损失和不可忽视的安全隐患，因此对变压器绕组股间绝缘状态进行评估是非常必要的。

2、变压器绕组股间短路的原因主要包括两个方面：一是过电压的冲击超过了变压器绕组股间绝缘的耐受强度；二是绕组绝缘劣化导致无法承受正常工作电压。其本质均是变压器绕组绝缘损坏引起的。绕组股间短路故障的形成过程为：变压器并绕导线之间某一位置处绝缘破损，随着该位置导线间绝缘强度的降低，并绕两股导线被分为四个部分，当短路点的绝缘电阻非常小时，变压器绕组发生股间短路故障。在绕组形成股间短路早期，若不能及时发现并采取有效措施，将引起变压器铁芯局部饱和，改变漏磁场大小和分布，对绕组的动稳定性和热稳定性产生影响，随着绕组股间绝缘进一步劣化，可能导致绕组变形、局部过热甚至设备整体烧毁事故，对电力系统的运行维护造成极大威胁。

3、目前，尽管分析变压器绕组内部故障监测方法有所发展，但均不完善，且缺乏成熟有效的对变压器绕组股间绝缘状态进行预测和评估的方法，影响了电气设备高度智能化的进程。因此，设计一种能够表征变压器绕组股间短路故障的等效电路模型，通过数值仿真重现绕组股间绝缘劣化过程，分析绕组绝缘劣化过程中各参数的变化特征及分布规律，从而寻找反映绕组股间短路故障的诊断方法，成为本领域亟待解决的热点问题。

4、现有专利中，cn112379223a是针对于配电变压器绕组匝间绝缘劣化而设计的一种等效电路模型，其能够重现配电变压器绕组匝间绝缘劣化过程，便于仿真分析各性能参数的变化规律，寻找匝间绝缘状态的诊断方法。但是，该专利是针对于配电变压器绕组匝间的绝缘劣化造成的短路，属于匝间短路，但是匝间短路与层间短路(股间短路)并不相同，两者的绕组短路匝数和电位差完全不同，因此该专利中的等效电路模型并不能适用于变压器绕组股间短路故障的监测。

技术实现思路

1、根据以上现有技术中的不足，本发明提供了一种变压器绕组股间短路故障的等效电路模型，能够重现变压器绕组股间绝缘劣化过程，便于仿真分析各参数的变化特征及分布规律，从而便于寻找绕组股间短路的诊断方法。

2、为达到以上目的，本发明提供了一种变压器绕组股间短路故障的等效电路模型，包括变压器的高压绕组和低压绕组，高压绕组和低压绕组分别等效为第一电路和第二电路，在第一电路中，高压绕组的每一相均包括电源、电感以及电阻；

3、在第二电路中，低压绕组的每一相等效为电感、电阻以及负载阻抗；同时，在低压绕组的任意一相中连接有用于表示该相绕组股间绝缘劣化状态的第三电路，第三电路包括串联在低压绕组相应相线中的等效电感和等效电阻，以及连接于两股导线接触点之间的绝缘电阻。

4、所述的第一电路中，电源为电压源，高压绕组每一相中的电压源一端短接后接地，每一相电压源的另一端连接变压器相应相线的等效电阻及等效电感。

5、所述的第一电路的回路电压方程为：

6、

7、式中，uab为高压绕组a相与b相之间的电压；ubc为高压绕组b相与c相之间的电压；uca为高压绕组c相与a相之间的电压；ia、ib、ic分别为高压绕组a相、b相、c相的相电流；ib、ic分别为低压绕组b相、c相的相电流；ra、rb、rc分别为高压绕组a相、b相、c相的等效电阻；la、lb、lc分别为高压绕组a相、b相、c相的等效电感；la11、la12、la21、la22分别为a相低压绕组发生股间短路后，并联导线被分割为四条支路所对应的等效电感；ia11、ia12、ia21、ia22分别对应a相低压绕组发生股间短路后流过la11、la12、la21、la22的电流；maa11为等效电感la与la11之间的互感；maa12为等效电感la与la12之间的互感；maa21为等效电感la与la21之间的互感；maa22为等效电感la与la22之间的互感；mbb为等效电感lb与lb之间的互感；mcc为等效电感lc与lc之间的互感。

8、所述的第二电路中，低压绕组每一相中等效电感的一端短接，等效电感的另一端串联电阻和负载阻抗短接后接地。

9、所述的第二电路中，负载等效为等值阻抗。

10、所述的第二电路的回路电压方程为：

11、

12、式中，ia、ib、ic分别为高压绕组a相、b相、c相的相电流；ia、ib、ic分别为低压绕组a相、b相、c相的相电流；la11、la12、la21、la22分别为a相低压绕组发生股间短路后，并联导线被分割为四条支路所对应的等效电感；ra11、ra12、ra21、ra22分别为a相低压绕组发生股间短路后，并联导线被分割为四条支路所对应的等效电阻；ia11、ia12、ia21、ia22分别对应a相低压绕组发生股间短路后流过ra11、ra12、ra21、ra22的电流；maa11为等效电感la与la11之间的互感；maa12为等效电感la与la12之间的互感；ma11a12为等效电感la11与la12之间的互感；ma11a21为等效电感la11与la21之间的互感；ma11a22为等效电感la11与la22之间的互感；ma12a21为等效电感la12与la21之间的互感；ma12a22为等效电感la12与la22之间的互感；mbb为等效电感lb与lb之间的互感；mcc为等效电感lc与lc之间的互感；za、zb、zc分别表示变压器a相、b相、c相的负载阻抗。

13、所述的第三电路中，故障相绕组由绝缘电阻将并绕两股导线分为四条支路，该相绕组的等效电感和等效电阻均被分为四个部分。

14、所述的第三电路的回路电压方程为：

15、

16、式中，ia为高压绕组a相的相电流；la11、la12、la21、la22分别为a相低压绕组发生股间短路后，并联导线被分割为四条支路所对应的电感；ra11、ra12、ra21、ra22分别为a相低压绕组发生股间短路后，并联导线被分割为四条支路所对应的电阻；ia11、ia12、ia21、ia22分别对应a相低压绕组发生股间短路后流过ra11、ra12、ra21、ra22的电流；maa11为等效电感la与la11之间的互感；maa12为等效电感la与la12之间的互感；maa21为等效电感la与la21之间的互感；maa22为等效电感la与la22之间的互感；ma11a12为等效电感la11与la12之间的互感；ma11a21为等效电感la11与la21之间的互感；ma11a22为等效电感la11与la22之间的互感；ma12a21为等效电感la12与la21之间的互感；ma12a22为等效电感la12与la22之间的互感；ma21a22为等效电感la21与la22之间的互感；rd为绕组股间劣化位置处的绝缘电阻；id为流过绝缘电阻的电流。

17、本发明涉及的模型和算法可以通过电子设备执行，电子设备包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，通过处理器执行软件实现上述的模型和算法。

18、本发明所具有的有益效果是：

19、本发明将变压器的高压绕组和低压绕组分别等效为第一电路和第二电路，在第二电路的任意一相中设置用于表示该相绕组股间绝缘劣化状态的第三电路，并可通过改变第三电路中的绝缘电阻阻值，重现变压器绕组股间绝缘劣化过程，便于仿真分析各参数的变化特征及分布规律，寻找绕组股间短路的诊断方法。

20、本发明根据绕组两短路点之间的相对位置，变压器绕组股间短路可以分为同匝股间短路和异匝股间短路。仅通过改变第三电路中等效电阻和等效电感值，即可实现对上述两种股间短路故障类型的模拟，以及绕组股间短路不同故障位置的模拟。

21、本发明的变压器绕组股间短路故障的等效电路模型可作为数值仿真软件的外电路，通过数值仿真重现变压器绕组股间绝缘劣化过程，同时精确计算出变压器绕组股间绝缘劣化过程中各参数的变化特征及分布规律。

22、本发明通过改变第三电路中绝缘电阻的阻值，体现绕组绝缘从“良好”至“短路”这一绕组股间绝缘劣化过程，仿真与计算结果可为提升变压器抗短路能力，实现股间绝缘状态在线检测提供理论依据，同时为变压器绕组股间短路故障诊断方法提供新的思路。