耦合場(chǎng)理論在變壓器繞組累積變形仿真中的應(yīng)用

張 鑫，劉力卿，王 偉，馮軍基，馬 昊

（國(guó)網(wǎng)天津市電力公司電力科學(xué)研究院，天津 300384）

引言

變壓器繞組變形機(jī)理的研究與仿真是高壓設(shè)備領(lǐng)域的重要研究方向之一。根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)公司公布的2008—2017年期間變壓器故障案例統(tǒng)計(jì)，37%以上的變壓器故障與繞組變形相關(guān)[1-2]。變壓器繞組變形的最直接原因是經(jīng)受了短路沖擊。在長(zhǎng)達(dá)二三十年的全壽命周期中，一臺(tái)變壓器可能會(huì)經(jīng)受若干次短路沖擊。在外部出線短路風(fēng)險(xiǎn)較高的地區(qū)，短路沖擊次數(shù)甚至可以達(dá)到數(shù)十次。因此，科學(xué)分析變壓器短路沖擊累積效應(yīng)有重要意義。

國(guó)內(nèi)外研究人員在變壓器短路沖擊累積效應(yīng)方面開(kāi)展了大量研究。文獻(xiàn)[3]從繞組電磁線的角度，分析了歷次短路累積熱效應(yīng)和力效應(yīng)的計(jì)算方法，文獻(xiàn)[4]提出了一種微形變阻抗法，用于分析微小形變?cè)谧儔浩髡w短路阻抗變化量上的體現(xiàn)。在此基礎(chǔ)上，本文提出了一種基于磁場(chǎng)—結(jié)構(gòu)場(chǎng)耦合的變壓器繞組累積變形仿真分析方法。

1 磁-結(jié)構(gòu)耦合場(chǎng)分析

變壓器流過(guò)短路電流時(shí)，內(nèi)部的漏磁場(chǎng)分布和各側(cè)繞組受力情況如圖1所示。圖1-1和圖1-2分別為縱向漏磁場(chǎng)和橫向漏磁場(chǎng)分布情況，圖1-3為繞組經(jīng)受徑向力與軸向力的情況。

一方面，短路沖擊對(duì)繞組變形的影響與變壓器結(jié)構(gòu)場(chǎng)密切相關(guān)。繞組繞制方式、撐條墊塊的支撐方式、上下鐵軛壓緊力以及繞組楊氏模量等結(jié)構(gòu)場(chǎng)的關(guān)鍵參數(shù)影響著短路沖擊力效應(yīng)在繞組變形上的體現(xiàn)[5]。另一方面，短路時(shí)繞組所受洛倫茲力均為短路電流在漏磁場(chǎng)中的產(chǎn)生的，因此變壓器磁場(chǎng)，尤其是鐵心外的漏磁場(chǎng)，對(duì)短路沖擊力效應(yīng)同樣有重要影響[6]。

圖1 變壓器短路時(shí)的磁場(chǎng)分布和受力情況

基于磁-結(jié)構(gòu)耦合場(chǎng)的變壓器短路沖擊累積效應(yīng)分布方法的原理是：通過(guò)有限元法對(duì)結(jié)構(gòu)場(chǎng)進(jìn)行分區(qū)，計(jì)算不同區(qū)域楊氏模量；對(duì)變壓器磁場(chǎng)進(jìn)行分區(qū)，計(jì)算不同區(qū)域短路力矢量；計(jì)算不同區(qū)域力效應(yīng)引起的繞組變形，還原到結(jié)構(gòu)場(chǎng)得到繞組整體變形情況。

2 繞組單次變形計(jì)算

以一臺(tái)型號(hào)為SFSZ10-50000/110的變壓器為例說(shuō)明基于耦合場(chǎng)理論的繞組累積變形計(jì)算方法。其鐵心結(jié)構(gòu)為三相三柱式，變壓器各部分材料的基本屬性如下頁(yè)表1所示。

模擬變壓器滿負(fù)荷狀態(tài)下發(fā)生低壓側(cè)短路沖擊，繞組經(jīng)受額定電流6.5倍的短路電流變壓器滿載時(shí)短路電流造成的繞組形變是繞組經(jīng)受額定電流時(shí)形變大小的400倍以上。單次短路沖擊的繞組變形情況如圖2所示。

表1 變壓器各部分材料的基本屬性

圖2 變壓器單次沖擊繞組變形情況（單位：m）

3 繞組累積變形分析

在單次短路沖擊造成的繞組變形形變量的基礎(chǔ)上，繼續(xù)建立當(dāng)前狀態(tài)的變壓器耦合場(chǎng)模型，并模擬下一次短路沖擊，即可仿真短路沖擊的累積效應(yīng)。以上文所述變壓器為例，模擬變壓器多次經(jīng)受不同大小短路電流沖擊情況，定量仿真繞組累積變形。具體方法如圖3所示。

圖3 變壓器繞組累積變形仿真流程圖

在連續(xù)經(jīng)受2倍額定電流的短路電流沖擊下，繞組累積變形情況如表2和圖4所示。

表2 2倍額定電流沖擊下的繞組變形累積效應(yīng)發(fā)生短路次數(shù)

圖4 2倍額定電流沖擊下的繞組變形累積效應(yīng)

由圖4可見(jiàn)，當(dāng)繞組經(jīng)歷8次2倍額定電流值的短路電流時(shí)，繞組發(fā)生較為明顯的形變。在經(jīng)歷了9次短路沖擊后，繞組形變發(fā)生突變，此時(shí)繞組受到的應(yīng)力將會(huì)出現(xiàn)突變。

在連續(xù)經(jīng)受5倍額定電流的短路電流沖擊下，繞組累積變形情況如表3和圖5所示。

表3 5倍額定電流沖擊下的繞組變形累積效應(yīng)發(fā)生短路次數(shù)

圖5 5倍額定電流沖擊下的繞組變形累積效應(yīng)

由圖5可見(jiàn)，當(dāng)繞組經(jīng)歷5次5倍額定電流值的短路電流時(shí)，繞組發(fā)生較為明顯的形變。在經(jīng)歷了7次短路沖擊后，此時(shí)繞組受到的應(yīng)力將會(huì)出現(xiàn)突變，當(dāng)受到的最大應(yīng)力超過(guò)繞組所能承受的最大應(yīng)力時(shí)，將會(huì)發(fā)生故障，應(yīng)該加強(qiáng)繞組變形試驗(yàn)和其他電氣試驗(yàn)的檢測(cè)，并及時(shí)采取措施，預(yù)防嚴(yán)重的變壓器故障。

4 結(jié)語(yǔ)

基于磁場(chǎng)-結(jié)構(gòu)場(chǎng)耦合的變壓器繞組累積變形仿真分析方法可以準(zhǔn)確模擬變壓器短路沖擊狀態(tài)下的受力情況和繞組變形情況。以該方法為基礎(chǔ)對(duì)變壓器繞組累積變形進(jìn)行仿真，可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)歷多次短路沖擊后繞組應(yīng)力會(huì)發(fā)生突變，且短路電流越大，繞組可以承受的短路沖擊次數(shù)越少。