干式變壓器繞組抗短路能力提升措施研究

摘 要：針對干式變壓器發(fā)生三相短路對繞組強度產(chǎn)生危害的問題，以一臺37 kV級8 000 kVA干式變壓器為例進行研究。建立變壓器場-路耦合仿真模型，計算三相短路電磁力，利用電磁-結構耦合仿真模型對繞組應力應變進行計算分析，并探究鐵軛墊塊壓釘預緊力及低壓線圈內(nèi)側(cè)與鐵芯間橡膠棒數(shù)量對繞組抗短路能力提升的影響。結果表明，適合的預緊力可以使繞組最大應力值下降50%，8根橡膠棒相比于4根橡膠棒，繞組最大應力值下降約7%，兩種措施均可提升繞組抗短路能力，為變壓器設計及繞組抗短路能力研究提供一定的參考。

關鍵詞：干式變壓器；電磁-結構耦合；三相短路；短路電磁力；繞組強度

中圖分類號：TM412" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2025）06-0024-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.06.006

0" " 引言

干式變壓器由于其易維護、故障率低等優(yōu)點[1]，近幾年被廣泛應用在儲能、風電等領域。變壓器作為電力系統(tǒng)中的核心設備之一，成本高昂，對系統(tǒng)穩(wěn)定性有直接影響。變壓器故障調(diào)查顯示，運行中，變壓器易發(fā)生繞組故障，繞組引起的故障占比超15%，其中短路是最為嚴重的故障之一。三相短路相比于其他短路對繞組產(chǎn)生的危害更大，繞組強度不足，甚至可能直接導致變壓器損毀，無法運行。

近年來，大量學者對變壓器匝間短路、相間短路、單相接地短路、三相短路進行了研究分析。歐強、羅隆福等學者對電力變壓器多次短路下的繞組積累機械損傷進行了研究[2]，量化了短路損傷與繞組動態(tài)機械壽命之間的關系。馬奎、王曙鴻等學者計算了變阻抗變壓器的短路電流首峰值隨短路瞬間電壓相位的變化關系[3]。金雷、羅維等學者分析了變壓器短路的風險評估方法以及對短路問題的檢修方案[4]。咸日常、張冰倩等學者利用場-路耦合仿真模型[5]，研究了變壓器二次繞組徑向、軸向不同位置出現(xiàn)單匝短路故障下的電磁參數(shù)。以上文獻多是對油浸式變壓器短路下的繞組形變以及故障診斷進行研究分析，對干式變壓器短路電磁力作用下的應力、應變及繞組抗短路能力的提升措施研究較少。

本文以一臺37 kV級8 000 kVA干式變壓器為例，建立干式變壓器有限元仿真模型，在電磁-結構耦合場中對三相短路下繞組應力應變進行計算，探究了鐵軛墊塊壓釘預緊力及低壓線圈與鐵芯間橡膠棒數(shù)量對繞組強度提升的影響。結果顯示，適合的壓釘預緊力可將繞組強度提升50%，增加橡膠棒數(shù)量也可提升短路下繞組強度。

1" " 干式變壓器模型及參數(shù)

本文以一臺37 kV級8 000 kVA干式變壓器為例進行分析。高壓線圈采用環(huán)氧樹脂澆注，線繞；低壓繞組為箔繞。建立1：1三維仿真模型如圖1所示，變壓器參數(shù)如表1所示。

2" " 變壓器三相短路故障模型搭建

2.1" " 短路電磁力分析

繞組所受電磁力是變壓器短路情況的重要分析指標。變壓器漏磁場分為徑向漏磁場和軸向漏磁場，因此短路下繞組所受電磁力由徑向電磁力和軸向電磁力所決定。

由畢奧-沙瓦定律分析可知，繞組中電流產(chǎn)生的電磁力為：

dfx=By jdv，dfy=Bx jdv" " " " " " " " （1）

式中：dfx和dfy分別為繞組上徑向力和軸向力；Bx、By分別為徑向和軸向的磁感應強度；j為導線電流密度；dv為導線體積。

積分形式可以表示為：

fx=By jdv="j，fy=Bx jdv=x j" " " " " " " "（2）

式中：x、y為徑向和軸向單元平均磁感應強度；為單元體積；m為單元數(shù)。

由式（2）可以看出，繞組所受電磁力與其漏磁場強度間成正比關系。

在變壓器整體結構中，位于內(nèi)部的磁力線與芯柱平行，在端部出現(xiàn)彎曲。內(nèi)部繞組所受向內(nèi)壓力與外部繞組所受外張電磁力均為徑向電磁力，徑向漏磁場產(chǎn)生軸向電磁力。

繞組短路電磁力通常計算三相短路電流第一個峰值時刻下的，此時短路電流IM可用下式計算：

IM===KIN" " " " " （3）

式中：Kd為短路電流沖擊系數(shù)；IN為額定電流；U為阻抗電壓百分數(shù)；K為短路電流倍數(shù)。

繞組短路下電磁力F為：

F=KByINL" " " " " " " " "（4）

式中：L為導線長度。

一個圓周長度導線所受電磁力Fr為：

Fr=KByi2πRiJdiS" " " " " " " " " （5）

式中：Byi為第i個單元軸向磁感應強度；Ri為第i個單元半徑；Jdi為第i個單元平均電流密度；S為導線一個圓周的面積。

2.2" " 變壓器三相短路故障模型

在Maxwell Simplorer中建立變壓器三相短路故障外電路模型，對變壓器參數(shù)及電阻值進行設置，利用場-路耦合模型計算三相短路電磁力，外電路模型如圖2（a）所示。在Workbench中建立電磁-結構耦合模型，如圖2（b）所示，將短路電磁力作為激勵施加在繞組結構上。

3" " 變壓器繞組抗短路能力提升措施

3.1" " 調(diào)整壓釘預緊力提升繞組強度

干式變壓器高壓線圈通過上夾件壓釘壓緊鐵軛墊塊進行固定，具體結構如圖3所示。

通過鎖緊壓釘壓緊鐵軛墊塊，從而固定高壓線圈。仿真中通過調(diào)整鐵軛墊塊與高壓線圈端部間的摩擦系數(shù)來模擬預緊力大小，探究預緊力對繞組強度的影響，正常情況下摩擦系數(shù)在0.9附近。施加三相短路力，分別計算摩擦系數(shù)為0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0下的A相繞組最大應力值，結果如圖4所示。

從圖4可以看出，摩擦系數(shù)在0.8時，繞組最大應力值最小，摩擦系數(shù)在0.5～0.7以及0.9～1之間時均大于0.8時的應力值。由此可以看出，預緊力不足會導致繞組強度下降，預緊力越大強度并非越好，過大的預緊力同樣會導致繞組強度降低，即摩擦系數(shù)在0.8時，強度最好，相比于0.9時，繞組應力值下降約50%。

3.2" " 增加橡膠棒數(shù)量提升繞組強度

干式變壓器低壓線圈可通過在其與鐵芯片間放置圓形橡膠棒來提升強度，通過仿真探究橡膠棒數(shù)量對繞組抗短路能力的影響。

橡膠棒數(shù)量分別設置為4根、8根，施加三相短路力作為載荷，分別計算不同橡膠棒數(shù)量下的繞組應力應變值，結果如圖5所示。

從圖5可以看出，4根橡膠棒時，繞組最大應力值為51.931 MPa，8根橡膠棒時，繞組最大應力值為48.298 MPa，繞組最大應力值下降7%。由此可知，增加鐵芯與低壓線圈間橡膠棒數(shù)量可提升繞組抗短路能力。

4nbsp; " 結論

本文以一臺8 000 kVA儲能變壓器為例，首先建立變壓器三維仿真及三相短路故障模型并計算三相短路電磁力。然后通過改變摩擦系數(shù)來模擬鐵軛墊塊壓釘預緊力對繞組強度的影響，并探究低壓線圈與鐵芯間橡膠棒數(shù)量對繞組強度的影響。

1）壓釘預緊力并非越大越好，適合的壓釘預緊力可以大幅提升繞組強度。仿真結果顯示，摩擦系數(shù)在0.8時，繞組最大應力值最小，相比摩擦系數(shù)為0.9時，繞組最大應力值下降50%。由此可見，合適的預緊力可以提升繞組抗短路能力。

2）鐵芯與低壓線圈間橡膠棒數(shù)量會對短路下繞組強度產(chǎn)生影響，相比于4根橡膠棒，8根橡膠棒下繞組最大應力值下降7%，可見，增加橡膠棒數(shù)量可以提升繞組抗短路能力。

[參考文獻]

[1] 崔立君.特種變壓器理論與設計[M].北京：科學技術文獻出版社，1996.

[2] 歐強，羅隆福，李勇，等.一種電力變壓器短路累積機械損傷評價方法[J].電工技術學報，2024，39（8）：2578-2590.

[3] 馬奎，王曙鴻，姚曉飛.110 kV變阻抗變壓器短路電流首峰值限制方法[J].電工技術學報，2021，36（增刊2）：723-729.

[4] 金雷，羅維，魯非，等.電力變壓器短路風險評估及防治措施[J].變壓器，2020，57（3）：46-50.

[5] 咸日常，張冰倩，劉興華，等.應用有限元分析電力變壓器繞組匝間短路的暫態(tài)特征[J].電機與控制學報，2021，25（10）：130-138.

收稿日期：2024-12-16

作者簡介：王勇（1996—），男，內(nèi)蒙古赤峰人，變壓器設計助理工程師，研究方向：大容量干式變壓器設計。

李艷平（1979—），男，云南曲靖人，變壓器設計高級工程師，研究方向：變壓器設計。