王錄亮 黃 松 宋坤宇 江子豪

（1、海南電力試驗(yàn)研究院 2. 武漢三相電力科技有限公司）

基于Ansoft的變壓器繞組變形仿真研究

王錄亮1黃 松1宋坤宇2江子豪2

（1、海南電力試驗(yàn)研究院 2. 武漢三相電力科技有限公司）

電力系統(tǒng)為人們的生活帶來充足的電能，500kV變電站是電力系統(tǒng)進(jìn)行電能傳輸?shù)闹匾h(huán)節(jié)。若500kV變電站遭遇到雷擊，可能出現(xiàn)大規(guī)模停電現(xiàn)象，安全供電將無法保證。被雷擊損害的500kV變電站在短時間內(nèi)難以恢復(fù)，因?yàn)樽冸娬驹O(shè)備并不具備自主恢復(fù)能力。本文將500kV變電站作為研究對象，對于雷電侵入后的變電站保護(hù)措施進(jìn)行分析，提出針對性意見。

500kV變電站；雷電過電壓；避雷器

0 引言

目前變壓器繞組變形研究多用離線實(shí)驗(yàn)方法，成本高昂且操作復(fù)雜，隨著數(shù)值仿真計算的發(fā)展[1]，基于Ansoft對變壓器短路漏磁場、電流及電磁力進(jìn)行有限元仿真逐漸成為一種指導(dǎo)性的方法。

1 場路耦合法

對變壓器求解短路電磁力以及短路電流時，需要獲取暫態(tài)電流與暫態(tài)漏磁場，而解析法難以完成，又由于變壓器繞組各支路電流未知，故無法指定繞組激勵，但已知高壓側(cè)激勵與低壓側(cè)負(fù)載等外部參數(shù)，因此運(yùn)用“場-路”耦合法對變壓器進(jìn)行建模[2]。

如下圖所示，R1、L1、R2、L2分別為中壓側(cè)短路電阻、短路電抗，低壓側(cè)短路電阻、短路電抗，U1為外部激勵電壓，RZ為負(fù)載等效電路。在中壓側(cè)，其表達(dá)式為

式中， Ak為第k個線餅的磁矢位；Jk為截面電密，Nk為匝數(shù)，Kk為橫截面積；ek為占空比，Rk為等效電阻；Lk為等效漏電感及線餅周長，n為高壓側(cè)線餅個數(shù)。

低壓側(cè)中，其表達(dá)式為

圖 “場路”耦合分析模型

式中，Ai表示低壓側(cè)第i個線餅的磁矢位；Ji為截面電密，Ni為匝數(shù)；ei為感應(yīng)電勢；Si為截面積，Ki為占空比，Ri為等效電阻；Xi為等效漏電抗，Li為等效漏電感及線餅周長；m為低壓線餅個數(shù)；Z為低壓側(cè)繞組等效漏阻抗。

對于變壓器油區(qū)域，有

將以上方程組進(jìn)行時間離散，即可得“場路”耦合的有限元方程

式中，I為節(jié)點(diǎn)電流矩陣；E為節(jié)點(diǎn)電動勢矩陣；A為節(jié)點(diǎn)向量磁位矩陣；KAA為向量位剛度矩陣；Kii為電阻剛度矩陣；KAi為磁位-電流耦合剛度矩陣，CiA為電感阻尼矩陣；Kie為電流-電動勢耦合剛度矩陣；U0為外加電壓矩陣。

2 仿真分析

2.1 模型建立

本文采用有限元數(shù)值分析軟件Ansoft對一臺實(shí)際運(yùn)行的SFSZ11-180000/220三繞組變壓器中、低壓繞組進(jìn)行短路電流計算以及漏磁通仿真，變壓器參數(shù)如下表所示。

表 變壓器主要參數(shù)

為了使漏磁分布更滿足實(shí)際情況，變壓器繞組采用線餅?zāi)K，同時考慮餅間油道尺寸、線餅匝數(shù)以及占空比?？紤]繞組中、低壓繞組，根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置中、低三繞組線餅為112：179，對應(yīng)總的匝數(shù)比為336：179。線餅的寬度分別為43.5mm、88mm，高度分別為12mm，8mm。

建立外電路激勵模型，將上述有限元模型中高、低壓繞組耦合至外電路中。激勵通過高壓側(cè)交流電源供給，有效值為110kV，頻率為50Hz。高壓側(cè)繞組電阻設(shè)為0.2Ω，低壓側(cè)繞組電阻設(shè)為0.2Ω。

為驗(yàn)證模型的有效性，在t=0時模擬短路工況。將負(fù)載端短接，根據(jù)計算單短路阻抗值設(shè)置激勵電壓為8%，也即8.8kV，實(shí)測的低壓側(cè)短路電流波形低壓側(cè)短路電流為一隨指數(shù)衰減的正弦波，由暫態(tài)分量和穩(wěn)態(tài)分量組成，隨著暫態(tài)分量的減少，在20ms后即進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，其電流峰值為1200A，電流有效值為為848.52A，與計算單中高壓側(cè)額定電流858.9A相差不大，可認(rèn)為模型滿足要求。

2.2 計算結(jié)果與分析

為分析變壓器繞組受力情況，對繞組電密分布與繞組漏磁分布進(jìn)行仿真研究。由于低壓端采用自螺旋結(jié)構(gòu)，而高壓采用糾結(jié)式結(jié)構(gòu)，線餅的飽和程度不同，從而高壓電密沿軸向分布出現(xiàn)不同[3]，t=0.01s時，線餅內(nèi)側(cè)中間磁通量較大，可達(dá)到0.17Weber，兩頭偏小，約為0.16Weber，上下基本保持對稱。

高、低壓繞組間磁場強(qiáng)度較高，基本可達(dá)到0.11Tesla，且在中部的磁通最高，這與磁力線的分布相符。根據(jù)洛倫茲力的計算原理推導(dǎo)出中間區(qū)域繞組線餅的輻向電磁力較大，因此繞組中部易發(fā)生輻向變形。且低壓繞組產(chǎn)生向內(nèi)的壓力，高壓繞組產(chǎn)生向外的擴(kuò)力，從而輻向可能導(dǎo)致線餅在圓周方向上所有導(dǎo)線向外凸出，致使繞組導(dǎo)線拉長，而絕緣具有不可塑性，最終絕緣被破壞導(dǎo)致繞組輻向變形。據(jù)此，研究繞組中部變形后的磁場分布以及短路電流情況具有重要意義。

3 結(jié)束語

1）推導(dǎo)了變壓器高壓側(cè)、低壓側(cè)以及油通道漏磁公式，得出“場路”耦合的基本原理，證明了“場路”耦合法在處理變壓器繞組變形中的可行性。

2）在Ansoft中建立了二維變壓器模型，在仿真中模擬短路試驗(yàn)驗(yàn)證了模型的正確性。同時對正常運(yùn)行時的繞組漏磁分析，發(fā)現(xiàn)繞組中部磁通量大，可達(dá)到0.17Weber，兩頭偏小，約為0.16Weber，上下基本保持對稱，表明繞組中部受電磁力更大易發(fā)生繞組變形事故。

[1]Mehdi Bagheri，Mohammad Salay Naderi，Trevor Blackburn. Toan Phung Frequency response analysis and short-circuit impedance measurement in detection of winding deformation within power transformers[J]. IEEE Electrical Insulation Magazine，Year: 2013, 29, (3)

[2]陸佳政,張紅先,方針,等. 基于短路阻抗法的變壓器繞組變形測試裝置開發(fā)[J]. 湖南電力,2010(2):1-3.

[3]姚森敬,歐陽旭東,林春耀. 電力變壓器繞組變形診斷分析[J]. 電力系統(tǒng)自動化,2005(18):95-98.

2016-08-30）