CN110489929A - 空心并联电抗器匝间故障的仿真模型及建模和仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供空心并联电抗器匝间故障的仿真模型及建模和仿真方法，属于电力系统计算机模拟仿真技术领域。通过将故障匝等效为有限个按照非线性阶梯式发展扩大的有限阶梯单元模型组成，并根据发展过程的非线性阶梯时序控制有限阶梯单元模型的投入，每个单元及阶梯式的投入在阶梯单元理想变压器回路通过切除ΔL_N，接入ΔR_N来实现，从而模拟真实的匝间短路动态发展变化过程，展示动态过程中有关电气量变化特性，利用此动态特性在RTDS实时数字仿真系统中搭建动态数字物理模型，用于检验、检测基于各种技术原理及方法的在线监测及保护装置能否在复杂的动态故障特性过程中有效快速发现故障，进行有效快速保护，防止出现电抗器起火燃烧事故。

Description

空心并联电抗器匝间故障的仿真模型及建模和仿真方法

【技术领域】

本发明涉及电力系统计算机模拟仿真技术领域，具体涉及适用于RTDS实时数字仿真和 PSCAD/EMTD等非实时仿真系统模拟电力系统空心并联电抗器匝间故障动态过程的建模及仿真方法。

【背景技术】

电抗器作为输电系统主要的感性元件，在系统中起到无功补偿、限制短路电流，滤除谐波等作用。与干式铁心电抗器相比，干式空心电抗器具有噪声低，免维护，不存在磁饱和现象，电抗器线性度好等优点，在电网应用中越来越广泛。

行业统计显示，匝间短路是最为常见的干式空心电抗器故障。许多公开的参考文献及技术专利均提到通过研究电抗器静态(按照几匝故障后持续在稳定状态为假设条件进行计算或仿真)模型结构计算出匝间故障前后诸如相位角变化，阻抗变化，电流电压序分量变化、功率变化，以及漏磁通变化等特征量。但均与真实的故障发展特性相比较均存在着很大差距及严重的不足，真实的匝间匝间短路故障发展过程大致如下：

首先，某处一匝发生了偶然的匝间短路后，进而会出现由一匝故障发展成几十匝或更大规模的匝间短路，其整个发展为一种特别的动态非线性的台阶式发展扩大的故障模式。

其次，多包封、多并联支路的某处线圈因为绝缘失效或损坏发生一处相邻线匝之间的匝间短路(即所谓的匝间短路)，短路电流为电磁感应原理产生的内部环流，由于空心并联电抗器总匝数很大，因此根据电磁感应安匝平衡趋势产生的反向去磁匝间短路环流可以在几十倍到几百倍正常未短路匝导线的电流值。短路环流以电流平方值大小在导线电阻上可产生约几千倍到上万倍的附加焦耳热量，导致金属导线温度剧增到几百度高温并导致邻近匝的绝缘在极短的数个工频周波时间内出现绝缘热失效损坏，最初的一匝短路在几个周波之内发展为几匝同时短路的匝间故障。同时，新出现的匝间短路又以同样的方式感染并破坏与其相邻的线圈线匝绝缘，随着时间的推移，第一匝短路线匝导线的温度持续上升到了金属熔化的温度，熔化的金属在电弧作用下形成高温等离子体向外喷射，造成了更大规模的周边线匝绝缘损坏及环氧材料燃烧起火。

开发在线监测或保护装置需要进行空心电抗器匝间短路动态特性研究。同时，为了检验及检测匝间短路在线监测或保护装置，也需要研究分析以及模拟实际的匝间短路动态特性。

研究模型及试验检验模型大体有两种类型：

一是可以采用实际的物理动态模型，即采用真实的电抗器物理模型进行有关监测、保护装置性能测试及保护功能试验验证；

二是采用行业界普遍采用的RTDS实时数字模拟仿真系统进行复杂的动态过程模拟，利用 RTDS的数字及模拟量输出检测、测试实际的保护、在线监测装置的检测性能及保护装置的保护功能。

由于实际的物理模型需要做破坏性试验，成本很高，同时空心电抗器匝间短路试验需要很大空间场地，以及非常大的电源系统。另外，模拟空心电抗器匝间短路发展性动态特性过程中的热绝缘破坏及金属导体熔化电弧放电等离子体喷射扩大破坏及环氧材料着火过程，存在很大的安全危险。而采用RTDS实时数字模拟仿真系统可以进行复杂的动态过程模拟，可以反复进行检测及测试实际的保护或在线监测装置性能，因此，开发基于RTDS实时数字模拟仿真系统的空心电抗器匝间短路动态仿真模型及的建模及仿真方法非常有必要。

目前，尚未发现对特定形式例如大型干式空心并联电抗器匝间故障动态发展过程的RTDS 实时仿真研究及建模介绍。

【发明内容】

本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供空心并联电抗器匝间故障的仿真模型、建模及仿真方法，通过模拟真实的匝间短路动态发展变化过程，展示动态过程中有关电气量变化特性，同时可利用此动态特性在RTDS实时数字仿真系统中搭建动态数字物理模型，用于检验、检测基于各种技术原理及方法的在线监测及保护装置能否在复杂的动态故障特性过程中有效快速发现故障，并进行有效快速保护，防止出现电抗器起火燃烧事故。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种空心并联电抗器匝间故障仿真模型，包括电抗器的三相，分别设为A相、B相和C 相，其中，A相设有固有正常交流电阻R_AC-A和电感L_A，B相上设有固有正常交流电阻R_AC-B和电感L_B，C相上设有固有正常交流电阻R_AC-C，所述C相上的电感被分解成N个串联的非线性阶梯时序控制有限阶梯单元模型，每个非线性阶梯时序控制有限阶梯单元模型包含一个理想变压器，其中理想变压器的一次侧初级线圈串联有耦合电感ΔL_N和开关K_n2，理想变压器的二次侧次级线圈串联有新增电阻ΔR_N和开关K_n1；C相电感所述A相、B相和C相公共连接点(中性点)设置有接地线，且接地线上设有接地开关K_g，模拟匝间过程出现的次生接地故障，接地开关可通过时序控制投入与退出。

一种空心并联电抗器匝间故障的建模及仿真方法，包括以下步骤：

S1、采用RTDS实时数字仿真系统或PSCAD/EMTDC非实时计算机仿真系统，建立空心并联电抗器匝间故障仿真模型，该模型中包括电抗器的三相，分别设为A相、B相和C相，其中， A相设有固有正常交流电阻R_AC-A和电感L_A，B相上设有固有正常交流电阻R_AC-B和电感L_B，C 相上设有R_AC-C固有正常交流电阻，所述C相上的电感被分解成N个串联的非线性阶梯时序控制有限阶梯单元模型，每个非线性阶梯时序控制有限阶梯单元模型包含一个理想变压器，其中理想变压器的一次侧初级线圈串联有耦合电感ΔL_N和开关K_n2，理想变压器的二次侧次级线圈串联有新增电阻ΔR_N和开关K_n1；C相电感所述A相、B相和C 相公共连接点(中性点)设置有接地线，且接地线上设有接地开关K_g，模拟匝间过程出现的次生接地故障，接地开关可通过时序控制投入与退出；

S2、在仿真系统中设置各元件的参数，包括获取电抗器额定电流I_N、总损耗P_t、电抗器导线层数N_i及对应的匝数C_j，并按照公式进行计算和设置以下参数：电抗器线圈的有效匝数N，故障前电抗器平均匝等效交流电阻R₀、平均匝等效电流I₀、平均匝损耗P₀；

S3、在仿真系统中设置发生故障时的参数，包括短路的层数N_i、短路的匝数N_k、短路环电流的放大倍数为A_k、绝缘失效温度θ₁、导线熔点温度、铝心导线的电密、耦合系数K_n，计算确定电抗器匝间故障发展非线性阶梯式发展的动态时序，即随着电抗器匝间短路故障发展至到达绝缘失效温度和/或导线熔点温度时，所需的时间与投切的新增电阻ΔR_N、耦合电感ΔL_N之间的关系；

S4、按照确定的动态时序，通过时序控制开关演示故障发展过程，得到三相电压电流的波形，并得出匝间短路暂态谐波电流曲线、三相有功无功曲线、三相电流的各序分量变化曲线，从各个波形和曲线分析出可作为判定电抗器是否发生匝间故障有效条件的量。

进一步地，所述步骤S2中，通过下述公式计算电抗器线圈的有效匝数N，故障前电抗器平均匝等效交流电阻R₀、平均匝等效电流I₀、平均匝损耗P₀：

进一步地，所述步骤S3中，确定电抗器匝间故障发展非线性阶梯式发展的动态时序的方法具体为：

S3.1根据磁动势平衡原理，计算故障后短路环电流大小I₀′，即根据

FK_n＝N_kI′₀

可得：

其中，式(5)中，I₀′为故障后短路环电流大小，F为电抗器正常时总的磁动势，N_k为短路匝数，K_n为反映短路环去磁能力的耦合系数，可通过计算或实测得到；

S3.2按照下式计算短路后的温度θ₁和短路持续时间t；

变化可得：

式(7)中，J为故障后绕组电密(A/mm²)，θ₀为故障前绕组温度(℃),θ₁为绝缘失效温度或导线熔点温度(℃)，t为短路持续时间(S)；

S3.3设某相发生匝间短路故障后，某短路环电流的放大倍数为A_k，计算导致的损失电感ΔL_N及新增交流电阻ΔR_N，估算公式如下：

I′_N为故障后流入电抗器的总电流，在故障的初始匝，可认为I′_N≈I_N，式(8)、(9)进一步简化为：

将计算值分别输入仿真系统中，即设定好ΔL_N、ΔR_N的具体值，以步骤S3.2到达绝缘失效温度和/或导线熔点温度时，计算出的短路持续时间t为X轴、以公式(10)、(11)计算的需要投切的新增电阻ΔR_N、损失的耦合电感ΔL_N为Y轴，进而得到匝间故障过程电感电阻的动态时序控制图。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明通过将故障匝等效为有限个按照非线性阶梯式发展扩大的有限阶梯单元模型组成，并根据发展过程的非线性阶梯时序控制有限阶梯单元模型的投入，每个单元及阶梯式的投入在阶梯单元理想变压器回路通过切除ΔL_N，接入ΔR_N来实现，从而模拟真实的匝间短路动态发展变化过程，展示动态过程中有关电气量变化特性，同时可利用此动态特性在RTDS 实时数字仿真系统中搭建动态数字物理模型，用于检验、检测基于各种技术原理及方法的在线监测及保护装置能否在复杂的动态故障特性过程中有效快速发现故障，并进行有效快速保护，防止出现电抗器起火燃烧事故。

2、本发明的方法相对于物理模型需要做破坏性试验、成本很高、占用很大空间场地、且不安全的缺点，具有成本低、安全可以反复进行检测及测试的优点。

3、本发明相比于电抗器静态仿真模型对匝间故障的研究，故障的模拟更加接近于实际故障的发展特征，仿真得到的结果更加准确可靠。

【附图说明】

图1为本发明的空心并联电抗器匝间故障仿真模型；

图2为短路环流的放大倍数与铝线到达绝缘热失效温度、金属熔点温度分别所需时间的关系曲线图；

图3为本发明的空心并联电抗器匝间故障过程电感电阻时序控制图的样图；

图4为实施例1中的空心并联电抗器匝间故障发展阶梯时序控制示意图；

图5为实施例1中空心并联电抗器匝间故障过程实时系统仿真模型；

图6为实施例1中仿真得出的电源侧三相电压电流波形图；其中6a中加粗的波形为A相的波形图，6b中加粗的波形为B相的波形图，6c中加粗的波形为C相的波形图；

图7为实施例1中得出的故障相非线性阶梯式匝间短路暂态谐波电流曲线；

图8为实施例1中得出的三相有功无功曲线；

图9为实施例1中得出的三相有功/三相无功比值曲线；

图10为实施例1中得出的三相电流的各序分量变化曲线。

【具体实施方式】

为了更清楚地表达本发明，以下通过具体实施方式对本发明作进一步说明。

一、有限单元简化模型的提出与参数确定

根据电磁学电磁感应原理的楞次定律，电抗器发生匝间故障时，故障匝短路环流与正常匝电流方向相反，短路匝环流试图完全抵消与其交链部分的正常线匝产生的安匝磁通。随着短路匝按照非线性台阶式发展规律进行发展扩大，短路匝扩大规模到一定程度时，短路环流产生的总安匝磁通几乎等于全部正常匝总安匝磁通，此时电抗器会呈现无感状态，即电抗器电感从故障前的L最终降为0。

某匝短路后其环流比短路前急剧增大，由于此电流为穿越性电流，从能量损耗的角度看，可等效为短路环电流不变但短路环电阻急剧增大。

电抗器短路一匝或若干匝时，其去磁能力是有限的，只能平衡局部空间尺寸内其能够耦合的那部分磁通，迫使其耦合的电感ΔL_N消失，同时，等效认为环流不变时，回路接入新增电阻ΔR_N。此部分完全进行磁通耦合的短路匝与局部正常匝的物理模型可用有限单元无感电阻模型代替，即短路安匝与局部正常匝的安匝磁通完全相互抵消。计算机等值计算时按照理想变压器一次侧并电感(ΔL_N取决于匝间短路去磁电感)，二次侧并电阻(决定于短路环导线电阻)，变压器变比取决于短路环流倍数，然后按照控制开关进行接入或短路投入进行建模及时序控制。

由此，建立空心并联电抗器匝间故障仿真模型，参见图1，包括电抗器的三相，分别设为A相、B相和C相，其中，A相设有固有正常交流电阻R_AC-A和电感L_A，B相上设有固有正常交流电阻R_AC-B和电感L_B，C相上设有固有正常交流电阻R_AC-C，所述C相上的电感被分解成N个串联的非线性阶梯时序控制有限阶梯单元模型，每个非线性阶梯时序控制有限阶梯单元模型包含一个理想变压器，其中理想变压器的一次侧初级线圈串联有耦合电感ΔL_N和开关 K_n2，理想变压器的二次侧次级线圈串联有新增电阻ΔR_N和开关K_n1；C相电感所述A相、B相和C相公共连接点(中性点)设置有接地线，且接地线上设有接地开关K_g，模拟匝间过程出现的次生接地故障，接地开关可通过时序控制投入与退出；

根据该仿真模型，将电抗器匝间故障过程等效为有限个按照非线性阶梯式发展扩大的有限阶梯单元模型组成，并根据发展过程的非线性阶梯时序控制有限阶梯单元模型的投入，每个单元及阶梯式的投入可在阶梯单元理想变压器回路通过ΔL_N切除，ΔR_N接入来实现。通过设置理想变压器的变比大小来模拟短路环流大小，以及短路环流在短路匝电阻上产生的与变比N平方成正比的环流热效应。

正常状态下，所有K_n1开关断开，所有K_n2开关闭合，当某一匝或数匝同时发生短路时，例如图1的第一个有限梯度单元模型，K₁₁开关闭合，K₁₂开关断开，变比N₁与该短路匝与线圈的耦合系数K_n相关。模型中的K_g开关用于模拟匝间短路后伴随的故障相电抗器中性点侧次生接地故障。

本发明提出的这种简化模型，利用诸如电感，电阻，变压器及开关等标准电力元件为模块，不同于于业内常用的多支路匝间短路计算模型，不必进行大量复杂的微积分计算，可直接用于RTDS实时数字仿真系统，用于模拟空心电抗器匝间短路故障的动态特性，用于检测检验在线监测及保护装置的检测或保护性能及时效。

二、空心并联电抗器匝间故障的建模及仿真方法

本发明还提供利用上述仿真模型进行空心并联电抗器匝间故障的建模及仿真的方法，具体包括以下步骤：

S1、采用RTDS实时数字仿真系统或PSCAD/EMTDC非实时计算机仿真系统，建立如图1所示的仿真模型；

S2、在仿真系统中设置各元件的参数，包括获取电抗器额定电流I_N、总损耗P_t、电抗器导线层数N_i及对应的匝数C_j；并根据以下公式计算和设置以下参数：电抗器线圈的有效匝数 N，故障前电抗器平均匝等效交流电阻R₀、平均匝等效电流I₀、平均匝损耗P₀；

S3、在仿真系统中设置发生故障时的参数，包括短路的层数N_i、短路的匝数N_k、短路环电流的放大倍数为A_k、绝缘失效温度θ₁、导线熔点温度、铝心导线的电密、耦合系数K_n，计算确定电抗器匝间故障发展非线性阶梯式发展的动态时序，即随着电抗器匝间短路故障发展至到达绝缘失效温度和/或导线熔点温度时，所需的时间与投切的新增电阻ΔR_N、耦合电感ΔL_N之间的关系。其中，确定电抗器匝间故障发展非线性阶梯式发展的动态时序，按照以下方法进行：

S3.1根据磁动势平衡原理，计算故障后短路环电流大小I₀′，即根据

FK_N＝N_kI₀

可得：

其中，式(5)中，I₀′为故障后短路环电流大小，F为电抗器正常时总的磁动势，N_k为短路匝数，K_n为反映短路环去磁能力的耦合系数，可通过计算或实测得到；

S3.2按照下式计算短路后的温度θ₁和短路持续时间t；

变化可得：

式(7)中，J为故障后绕组电密(A/mm²)，θ₀为故障前绕组温度(℃),θ₁为绝缘失效温度或导线熔点温度(℃)，t为短路持续时间(S)；

国网公司标准要求额度电流下并联电抗器铝心导线的电密≤1.2A/mm²。假设故障前导线电密为1.2A/mm²，导线温度为100℃。根据式(7)可计算并联电抗器发生故障后不同电密所对应的铝线到达熔点温度的时间，以及绝缘到达失效温度的时间，如下表1所示。

表1

据上表1短路环流的放大倍数与绝缘热失效、金属熔点(熔化后开始电弧放电等离子体喷射扩大匝间规模)绘制出的时间曲线如图2所示。根据理论计算及实测数据，相同短路匝下匝间故障发展最严重(电感损失最大，损耗损失最大)的位置为最外包封中部，最轻的位置为里包封端部。由于匝间故障发展极为迅速，为保证电抗器匝间监测或保护技术的有效性，需考虑最严重位置故障情况下，其快速性及灵敏性是否满足。例如，当初始某匝发生匝间故障时，电密到达360A/mm²，经过47ms，绝缘失效，导致邻近几匝受“感染”，发生匝间故障，再经过47ms后，邻近匝又达到绝缘失效温度，继续往外“传染”，如此扩大短路规模……，当最初始的一匝的导体温度升至熔点温度时，进而会发生金属熔化并形电弧放电及金属溶液等离子体喷射，导致瞬间扩大匝间规模及引起局部包封起火。

S3.3设某相发生匝间短路故障后，某短路环电流的放大倍数为A_k，计算导致的损失电感ΔL_N及新增交流电阻ΔR_N，估算公式如下：

I'_N为故障后流入电抗器的总电流，在故障的初始匝，可认为I'_N≈I_N，式(8)、(9)进一步简化为：

将计算值分别输入仿真系统中，即设定好ΔL_N、ΔR_N的具体值，以步骤S3.2到达绝缘失效温度和/或导线熔点温度时，计算出的短路持续时间t为X轴、以公式(10)、(11)计算的需要投切的新增电阻ΔR_N、损失的耦合电感ΔL_N为Y轴，进而得到匝间故障过程电感电阻的动态时序控制图的样图，如图3所示。

S4、按照确定的动态时序，通过时序控制开关演示故障发展过程，得到三相电压电流的波形，并得出匝间短路暂态谐波电流曲线、三相有功无功曲线、三相电流的各序分量变化曲线，从各个波形和曲线分析出可作为判定电抗器是否发生匝间故障有效条件的量。

实施例1

下面通过实际案例，介绍匝间故障实时仿真系统的建模及其仿真方法。

以下为基于电力系统仿真软件PSCAD仿真系统(RTDS系统建模及其仿真完全同PSCAD, 只是RTDS的计算能力强大，数字及模拟电气量输出具有实时性)搭建的匝间故障实时有限阶梯单元简化模型，并通过时序控制开关演示故障发展过程，输出波形。

某干式空心并联电抗器，型号为BKGKL-20000/35，额定电流I_N为990A，总损耗P_t为200kW，额定电压35/√3＝20207V，额定电感为65mH(电抗为20.4Ω)，品质因数Q＝100，总层数N_i为 44层。计算得到电抗器线圈的有效匝数N为9592，故障前电抗器平均匝等效交流电阻R₀为 0.04Ω、平均匝等效电流I₀为22.5A、平均匝损耗P₀为20.25W。

假设匝间故障发展阶梯时序如图4所示，电抗器初始匝故障发生在包封的第一层序1导线位置，初始短路匝情况：N₁＝1，A₁＝250，ΔT₁＝70ms，即经过70ms后，N₂＝5，A₂＝200，ΔT₂＝105ms；即再经过105ms后，N₃＝12，A₃＝150，ΔT₃＝188ms，但实际上，ΔT₂时序后再继续经过不到58ms，初始匝已到了金属铝熔化温度，开始电弧放电及电抗器着火，即未到ΔT₃＝188ms扩展到下一步时，电抗器已着火，监测或保护装置必须在此时间之前切断电抗器。从0时刻起到233ms后，即第二次扩大匝短路规模到12匝故障后经过约58ms铝线熔化发生电弧燃烧并引起环氧材料着火燃烧。

具体的仿真模型如图5所示，根据上述参数计算设置了三个有限阶梯单元，按照阶梯时序点控制阶梯单元的断路器的分合。电源采用三相理想电压源，50HZ，线电压35kV(RMS)；各阶梯单元采用理想变压器标准模型，变比依次为5.7、4.5及3.4；平均每匝电阻为R₀＝20.4/100*44/218＝0.04Ω，模拟1匝、5匝、12匝匝间短路过程，电感损失分别为ΔL₁％＝2.5％,ΔL₂％＝10％,ΔL₃％＝18％；新增交流电阻ΔR_N分别为ΔR₁％＝650％,ΔR2％＝2025％，ΔR₃％＝2800％；将计算的数值分别输入仿真系统中，并得到时序控制图和投切方案。

按照时序控制方案进行投切控制，得到电源侧三相电流波形如图6所示，可以看出AC相电流呈现增大趋势，而B相电流为下降趋势。故障相非线性阶梯式匝间短路暂态谐波电流曲线见图7，故障相(C相)出现具有变压器励磁涌流特征频率谐波电流，尤以2次，3次，4次，5次为主。

三相有功无功曲线见图8，三相有功/三相无功比值曲线见图9，可以看出，三相有功损耗从故障前的0.59MW剧增到故障后15.6MW，增大约26.5倍，三相无功损耗变化不大，约增加5％，但三相有功P与三相无功Q的比值从正常的1％增大到25.6％，因此，完全可以通过监测三相有功与无功的比值关系作为判定电抗器是否发生匝间故障有效条件，而比值大小反映故障发展所处的不同阶段。

三相电流的各序分量曲线如图10，从图中可以看出故障后，由于不接地系统，发展初期不存在零序分量(只有当后期着火出现绝缘子闪络接地时才出现零序电流，如9S时刻)，正序分量变化很小，但负序分量急剧增大，近250A。因而，也可通过负序分量与正序分量的比值关系作为判定电抗器是否发生匝间故障有效条件，比值大小反映故障发展的不同阶段。

上述说明是针对本发明较佳可行实施例的详细说明，但实施例并非用以限定本发明的专利申请范围，凡本发明所提示的技术精神下所完成的同等变化或修饰变更，均应属于本发明所涵盖专利范围。

Claims (4)

1.一种空心并联电抗器匝间故障仿真模型，包括电抗器的三相，分别设为A相、B相和C相，其中，A相设有固有正常交流电阻R_AC-A和电感L_A，B相上设有固有正常交流电阻R_AC-B和电感L_B，C相上设有固有正常交流电阻R_AC-C，其特征在于：所述C相上的电感被分解成N个串联的非线性阶梯时序控制有限阶梯单元模型，每个非线性阶梯时序控制有限阶梯单元模型包含一个理想变压器，其中理想变压器的一次侧初级线圈串联有耦合电感ΔL_N和开关K_n2，理想变压器的二次侧次级线圈串联有新增电阻ΔR_N和开关K_n1；C相电感各理想变压器的变比等于短路环流倍数，所述A相、B相和C相公共连接点设置有接地线，且接地线上设有接地开关K_g。

2.一种空心并联电抗器匝间故障的建模及仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、采用RTDS实时数字仿真系统或PSCAD/EMTDC非实时计算机仿真系统，建立空心并联电抗器匝间故障仿真模型，该模型中包括电抗器的三相，分别设为A相、B相和C相，其中，A相设有固有正常交流电阻R_AC-A和电感L_A，B相上设有固有正常交流电阻R_AC-B和电感L_B，C相上设有固有正常交流电阻R_AC-C，所述C相上的电感被分解成N个串联的非线性阶梯时序控制有限阶梯单元模型，每个非线性阶梯时序控制有限阶梯单元模型包含一个理想变压器，其中理想变压器的一次侧初级线圈串联有耦合电感ΔL_N和开关K_n2，理想变压器的二次侧次级线圈串联有新增电阻ΔR_N和开关K_n1；C相电感所述A相、B相和C相公共连接点设置有接地线，且接地线上设有接地开关K_g，模拟匝间过程出现的次生接地故障，接地开关可通过时序控制投入与退出；

S2、在仿真系统中设置各元件的参数，包括获取电抗器额定电流I_N、总损耗P_t、电抗器导线层数N_i及对应的匝数C_j；并按照公式计算和设置以下参数：电抗器线圈的有效匝数N，故障前电抗器平均匝等效交流电阻R₀、平均匝等效电流I₀、平均匝损耗P₀；

S3、在仿真系统中设置发生故障时的参数，包括短路的层数N_i、短路的匝数N_k、短路环电流的放大倍数为A_k、绝缘失效温度θ₁、导线熔点温度、铝心导线的电密、耦合系数K_n，计算确定电抗器匝间故障发展非线性阶梯式发展的动态时序，即随着电抗器匝间短路故障发展至到达绝缘失效温度和/或导线熔点温度时，所需的时间与投切的新增电阻ΔR_N、耦合电感ΔL_N之间的关系；

S4、按照确定的动态时序，通过时序控制开关演示故障发展过程，得到三相电压电流的波形，并得出匝间短路暂态谐波电流曲线、三相有功无功曲线、三相电流的各序分量变化曲线，从各个波形和曲线分析出可作为判定电抗器是否发生匝间故障有效条件的量。

3.根据权利要求2所述的空心并联电抗器匝间故障的建模及仿真方法，其特征在于：所述步骤S2中，通过下述公式计算和设置参数电抗器线圈的有效匝数N、故障前电抗器平均匝等效交流电阻R₀、平均匝等效电流I₀、平均匝损耗P₀：

4.根据权利要求1所述的空心并联电抗器匝间故障的建模及仿真方法，其特征在于：所述步骤S3中，确定电抗器匝间故障发展非线性阶梯式发展的动态时序的方法具体为：

S3.1 根据磁动势平衡原理，计算故障后短路环电流大小I₀′，即根据

FK_n＝N_kI′₀

可得：

其中，式(5)中，I₀′为故障后短路环电流大小，F为电抗器正常时总的磁动势，N_k为短路匝数，K_n为反映短路环去磁能力的耦合系数，可通过计算或实测得到；

S3.2 按照下式计算短路后的温度θ₁和短路持续时间t；

变化可得：

式(7)中，J为故障后绕组电密(A/mm²)，θ₀为故障前绕组温度(℃),θ₁为绝缘失效温度或导线熔点温度(℃)，t为短路持续时间(S)；

S3.3 设某相发生匝间短路故障后，某短路环电流的放大倍数为A_k，计算导致的损失电感ΔL_N及新增交流电阻ΔR_N，估算公式如下：

I'_N为故障后流入电抗器的总电流，在故障的初始匝，可认为I'_N≈I_N，式(8)、(9)进一步简化为：

将计算值分别输入仿真系统中，即设定好ΔL_N、ΔR_N的具体值，以步骤S3.2到达绝缘失效温度和/或导线熔点温度时，计算出的短路持续时间t为X轴、以公式(10)、(11)计算的需要投切的新增电阻ΔR_N、损失的耦合电感ΔL_N为Y轴，进而得到匝间故障过程电感电阻的动态时序控制图。