變壓器短路阻抗變化規(guī)律的場路耦合分析

王錄亮 黃松 江子豪

（1.海南電力技術(shù)研究院 2. 武漢三相電力科技有限公司）

變壓器短路阻抗變化規(guī)律的場路耦合分析

王錄亮1黃松1江子豪2

（1.海南電力技術(shù)研究院 2. 武漢三相電力科技有限公司）

本文針對電力變壓器繞組變形故障進行仿真研究，基于110kV電力變壓器模型，仿真分析了繞組線餅發(fā)生位移時短路阻抗的變化規(guī)律，得出線餅位移程度與短路阻抗在一定范圍內(nèi)呈線性關(guān)系的結(jié)論。對于該仿真模型，當位移程度增加時，短路阻抗按照線性規(guī)律下降。文中提出的仿真分析方法，驗證了利用短路阻抗檢測繞組變形的可行性，本文的結(jié)果給變壓器設(shè)計與現(xiàn)場繞組故障分析提供了數(shù)據(jù)與指導(dǎo)。

有限元計算；場路耦合；短路阻抗

0 引言

當變壓器受到外界較大的沖擊電流或因長期運行而發(fā)生老化后，易形成變壓器繞組變形，從而改變匝間絕緣距離并降低繞組機械性能，形成極大的安全隱患[1-3]。本文結(jié)合電路分析和有限元分析的場路耦合法，對某三相雙繞組110kV電力變壓器進行了仿真，驗證了方法的可行性，并通過模擬繞組位移故障，計算并分析了短路阻抗隨繞組變形程度的變化規(guī)律。

1 場路分析

有限元法主要用于解決不規(guī)則模型的電磁場計算問題，用有限元法能夠有效地求解變壓器繞組復(fù)雜的磁場。但變壓器繞組接于電路中，電路導(dǎo)線中的電壓電流無法在有限元法中體現(xiàn)，電路法更適合分析這類方法。本文結(jié)合兩種方法對變壓器進行場路耦合計算，分析繞組變形時短路阻抗的變化規(guī)律。

下圖中的L1和L2分別為變壓器兩個繞組，其感應(yīng)電壓、漏電抗、主磁通均利用有限元法進行計算。圖中的R1和R2為繞組銅耗的等效電阻，由于有限元的磁場模型中不考慮電阻的作用，因此等效電阻位于電路模型中，U為施加的交流電壓源，Zload為添加的等效負載。

圖 場路分析模型

變壓器磁路集中在鐵心中，取一定的空氣區(qū)域后使用自然邊界作為邊界條件，邊界條件方程如式（2）所示：

電路模型中基于KVL和KCL方程進行求解，仿真采用暫態(tài)模型，取電壓電流穩(wěn)定后的數(shù)據(jù)進行計算。

2 仿真分析

2.1 計算方法

仿真中計算短路阻抗的方法有兩種，一是通過T形等效電路，求解電流方程計算短路阻抗大小；二是通過將等效負載設(shè)置為0，源端增加適當電壓并測量此時電流值數(shù)量級與額定電流數(shù)量級可比，用電壓電流之比作為短路阻抗大小。此時源端電壓應(yīng)當較小，從而減小勵磁阻抗的影響。本文通過第二種方法計算短路阻抗的大小，并分析不同種類繞組變形帶來的影響。

本文計算針對110kV電力變壓器，將負載阻抗設(shè)置為0，相電壓有效值設(shè)置為5kV，計算此時的短路電流，從而計算短路阻抗。測量中通過傅里葉級數(shù)計算基波幅值和相位，所有計算結(jié)果均為經(jīng)過變換的基波結(jié)果。

2.2 繞組輻向位移

電力變壓器由于高、低壓繞組的電流方向相反，從而輻向電動力是對外繞組產(chǎn)生的外擴張力，而對內(nèi)繞組是向內(nèi)的力[4]，容易產(chǎn)生輻向變形。

仿真中將繞組向外側(cè)（鐵心反方向）進行輻向位移，分析移動程度不同時短路阻抗的變化規(guī)律，仿真結(jié)果如表1所示。

表1 繞組輻向移動短路阻抗變化規(guī)律

當輻向位移程度增加時，由于漏磁通減小，導(dǎo)致短路阻抗從39.43Ω減小到37.17Ω，位移程度每增加2%，短路阻抗約減少0.5Ω。

2.3 繞組軸向位移

在變壓器中，電流以及漏磁場的輻向分量互相作用，使得繞組受到軸向電動力作用，軸向電動力會使線餅軸向位移，從而改變變壓器漏磁造成短路阻抗變化。

仿真中將低壓繞組第一個線餅軸向（鐵心平行方向）向上變形進行軸向位移，分析移動程度不同時短路阻抗的變化規(guī)律，仿真結(jié)果如表2所示。

表2 繞組軸向移動短路阻抗變化規(guī)律

從表2看出，當輻向位移程度增加時，由于漏磁通減小，導(dǎo)致短路阻抗從39.46Ω減小到37.99Ω，位移程度每增加2%，短路阻抗約減少0.4Ω。

3 結(jié)果分析及結(jié)論

分析上述結(jié)果，得到以下結(jié)論：

1）當繞組發(fā)生向外側(cè)的輻向位移時，此時繞組在空氣中的面積不發(fā)生變化，而對應(yīng)部分的磁場強度變小，從而漏磁通減小，導(dǎo)致短路阻抗減小。且變化規(guī)律基本上呈線性關(guān)系。

2）當繞組頂端的第一個線餅發(fā)生向上的軸向位移時，由于繞組與鐵心之間的距離增加，通過其空氣部分的磁場減小，從而漏磁通減小，導(dǎo)致短路阻抗減小。且變化規(guī)律基本上呈線性關(guān)系。

3） 本文驗證了場路耦合法求解變壓器短路阻抗的正確性，結(jié)果表明短路阻抗隨輻向、軸向位移程度的增加而降低。從分析過程可以看出，短路阻抗變化的本質(zhì)是繞組的磁通量發(fā)生了變化，對于實際情況需要進行對應(yīng)的仿真分析，不能直接簡單地通過位移形式來判斷短路阻抗變化規(guī)律。

4）本文所描述的仿真方法給電力變壓器的短路阻抗仿真提供了有效的分析手段，能夠為實際裝置的制作提供理論基礎(chǔ)及數(shù)據(jù)支持。

[1]林劍，馬明，林堅. 低壓短路阻抗法在變壓器繞組變形試驗中的應(yīng)用[J]. 電工技術(shù)，2010(9)：16-17.

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[4]何文林，陳全紅. 短路阻抗法變壓器繞組變形測試技術(shù)探討[J]. 浙江電力，2000(1)：25-26，35.

[5]張琛. 變壓器繞組變形測試方法及應(yīng)用[J]. 變壓器，2007(2)：35-37.

2017-03-01）