提高配電變壓器抗短路能力問題分析和探索

鄭原原 顏宏偉

摘 要：目前，我國國民用電需求在不斷的擴(kuò)大，而如何有效的提高配電變壓器抗短路能力是當(dāng)前急需解決的問題之一。本文通過對國家電網(wǎng)公司的配電變壓器進(jìn)行短路能力檢測，然后針對性的提出一些有效的提高抗短路能力的措施，希望能改善當(dāng)前配電變壓器短路現(xiàn)狀。

關(guān)鍵詞：配電變壓器；短路；有限元

1、調(diào)查結(jié)果

本次廠外送檢的試驗項目包括例行性試驗、短路承受能力試驗、雷電沖擊試驗、外施耐壓試驗和空載與負(fù)載試驗等。經(jīng)過試驗鑒定最終有10臺配變試驗不合格，不合格率高達(dá)58.8%；而在不合格的配電變壓器中，由于短路承受能力問題引起的不合格又高達(dá)90%以上，故本文中就配電變壓器的短路問題進(jìn)行了詳細(xì)的分析。

2、配電變壓器短路穩(wěn)定性分析

當(dāng)變壓器突然短路時，變壓器的短路電流會增加。由于短路功率與短路電流的平方成正比，變壓器的短路功率會突然增加。如果沒有及時控制，最終會導(dǎo)致變壓器繞組中不可逆的結(jié)構(gòu)變化，在一定的程度上縮短了變壓器的使用壽命。對于變壓器來說，短路電功率通常分為徑向和軸向兩部分，在這里我們討論如何改善兩個區(qū)域的短路穩(wěn)定性。

2.1配電變壓器輻向穩(wěn)定性分析

據(jù)現(xiàn)場事故及短路試驗的數(shù)據(jù)顯示，變壓器的結(jié)構(gòu)故障主要是繞組的輻向失穩(wěn)，比例高達(dá)90%。變壓器突發(fā)短路故障后，將會導(dǎo)致低壓繞組受壓力作用而出現(xiàn)指向鐵心方向的結(jié)構(gòu)變形，高壓繞組受拉力作用而出現(xiàn)背離鐵心方向的結(jié)構(gòu)變形。

現(xiàn)以200kVA/10kV配電變壓器結(jié)合ANSYS有限元軟件進(jìn)行仿真討論，其主要參數(shù)如下。

其他：符合GB1904等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對變壓器進(jìn)行輻向短路電動力計算，得知當(dāng)t=0.01s時輻向短路電動力的值最大，其值為102.58kN/m。

在仿真建模和分析中，做出如下假設(shè)：低側(cè)保持被認(rèn)為是彈簧，并且由軸向短路力引起的振動未被計數(shù)，認(rèn)為彈簧固定在紙筒上，紙筒不動，下部與紙管的連接處受到約束，彈簧上部與導(dǎo)線的接頭為Y軸與Z軸位移約束，ROTX與ROTY角受到約束。假設(shè)支柱與濾餅之間彈性接觸，當(dāng)彈性點(diǎn)受到壓力時會產(chǎn)生反作用力和壓縮變形。當(dāng)向外突出時，彈性支撐點(diǎn)受到拉力，拉力是高壓側(cè)對低壓側(cè)的作用力。

應(yīng)用ANSYS有限元軟件對配電變壓器建立非線性屈曲分析模型，并采用后處理模塊提取非線性屈曲分析的臨界載荷，通過計算求得安全系數(shù)如表1所示。由表1可知，配電變壓器的輻向穩(wěn)定性隨著撐條分布不均勻程度的加劇而愈來愈差，當(dāng)不均勻分布角大于一定值時，會發(fā)生輻向失穩(wěn)現(xiàn)象。故可以采用改善繞組撐條分布的均勻程度來提高配電變壓器的輻向穩(wěn)定性。

低壓繞組偏心是配電變壓器相對常見的初始缺陷。所謂的低壓繞組偏心率是繞組中心與鐵心中心之間的偏差，如圖2所示。模擬可以通過簡化低電壓繞組和彈簧之間的壓縮來實現(xiàn)。屈曲分析模型中四分之一彈簧的彈性系數(shù)從1.0×108N/m逐漸減小到0.05×108N/m到0.8×108N/m，然后用ANSYS有限元軟件求解。可以看出，施加102.58kN/m徑向短路力后，低壓繞組的最大位移變形為1.841mm。與繞組同心的情況相比，變形增加了0.548mm，這表明低壓繞組的偏心影響了低壓繞組的徑向穩(wěn)定性和低電壓。繞組的徑向穩(wěn)定性惡化為繞組的偏心率增加，因此在變壓器的組裝和運(yùn)輸過程中必須確保繞組的同心度度。

變壓器繞組的材料多為銅線，銅線之間有鎵絕緣。最理想的條件是相鄰的銅線緊密纏繞在一起，但由于制造變壓器時外部因素的影響，導(dǎo)線之間存在間隙并影響穩(wěn)定性。。停留次數(shù)也是影響配電變壓器承受短路電動勢能力的重要因素之一。隨著停留次數(shù)的增加，變壓器繞組承受短路的能力增加，這當(dāng)然也具有一定的范圍。根據(jù)本文中的多跨度模型的數(shù)據(jù)，討論了12、16、20和24根駐留的四個場景。20次停留的示意圖如圖5所示，不穩(wěn)定閾值為表2中列出了安全系數(shù)。從表2中的數(shù)據(jù)分析可以看出，對于具有12個變壓器的示例變壓器，安全系數(shù)為0.895住宿；16次住宿的安全系數(shù)為1.583；20次住宿的安全系數(shù)為1.807；24基地的安全系數(shù)達(dá)到1.879。通過比較安全系數(shù)可以看出，增加變壓器的支架數(shù)量可以提高變壓器的短路電阻。

（1）為防止變壓器繞組徑向短路，在保證性能質(zhì)量的前提下，內(nèi)部繞組在制造過程中可采用銅箔；如果采用扁平銅線，則應(yīng)適當(dāng)增加單根線的徑向尺寸；繞組線的橫截面積可以改善外部繞組的短路電阻。（2）對于非晶合金變壓器，由于非晶鐵對應(yīng)力非常敏感，所以低壓繞組必須纏繞在機(jī)械強(qiáng)度足夠強(qiáng)的高強(qiáng)度框架上。但是，在矩形卷繞的情況下，長邊的中部不易與硬紙筒完全接觸，在卷繞過程結(jié)束時，縫隙必須用紙板填充。

2.2配電變壓器軸向穩(wěn)定性分析

（1）繞組軸向振動模型，計算原理與仿真。當(dāng)變壓器突然短路時，在短路電動勢的作用下，線餅和絕緣墊的結(jié)構(gòu)可能會移位。同時，由于位置移動時速度和相對位置的變化，線餅的位移和慣性的存在，緩沖墊的彈性力與由緩沖墊產(chǎn)生的阻尼力密切相關(guān)在蛋糕的移動期間周圍介質(zhì)。因此，在變壓器繞組的短路狀態(tài)下，短路電力和繞組的機(jī)械結(jié)構(gòu)重疊，這是一個復(fù)雜的現(xiàn)象。為了方便準(zhǔn)確地計算繞組軸向振動，采用質(zhì)量-彈簧阻尼模型分析繞組軸向動態(tài)振動系統(tǒng)。以ANSYS有限元軟件為平臺，建立了繞組實際尺寸的質(zhì)量-彈簧阻尼模型。在建模和解決過程中，預(yù)緊力需要設(shè)置如下：線餅上的預(yù)緊力足夠大；每個餅餅的預(yù)緊力相等；上下鐵軛和壓板為剛體，形狀和位移固定；線餅被認(rèn)為是一個離散的群眾單位進(jìn)行研究；絕緣墊被認(rèn)為是獨(dú)立于彈簧的彈性單元；線餅只有軸向振動，沒有徑向振動。

（2）影響變壓器軸向穩(wěn)定性的其他因素

①在設(shè)計變壓器時，應(yīng)盡量減小變壓器繞組的安匝不平衡度，因為繞組的安匝不平衡度影響輻向漏磁，進(jìn)而影響軸向短路電動力的大小。②由于矩形繞組在承受短路電動力時，軸向變形最為嚴(yán)重，故應(yīng)合理性地選擇矩形繞組的長寬比，以避免矩形繞組長軸和短軸之間差別過大。③設(shè)計時采用合適的端部絕緣結(jié)構(gòu)，增加高、低壓繞組軸向壓緊面積，并采用具有一定機(jī)械強(qiáng)度的夾件，將上、下壓板與繞組緊密地壓裝在一起，從而提高抗短路能力。

3、結(jié)語

（1）通過對送檢配電變壓器試驗結(jié)果進(jìn)行分析，得出短路問題是影響配電變壓器正常運(yùn)行的最主要問題，各配電變壓器供應(yīng)商應(yīng)予以重視。（2）應(yīng)用ANSYS有限元軟件對配電變壓器低壓繞組進(jìn)行了屈曲分析，并對撐條數(shù)目多少、撐條分布均勻程度、繞組偏心程度和導(dǎo)線繞制緊密程度等因素對輻向穩(wěn)定性的影響進(jìn)行了研究。（3）結(jié)合彈簧-質(zhì)量-阻尼模型與ANSYS有限元軟件對配電變壓器高壓繞組進(jìn)行了模擬和仿真，并對影響配電變壓器軸向穩(wěn)定性的因素進(jìn)行了討論。

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（作者身份號碼：1 320122199003023216；2 320122198604134419）