- 頭條福州大學科研人員發布影響變壓器繞組變形的研究成果2021-04-25 作者：杜國安 徐玉珍 等 | 來源：《電氣技術》 | 點擊率：導語變壓器繞組在短路電動力沖擊作用下，受多重因素的影響，繞組的形變量發生顯著變化。福州大學電氣與自動化學院的研究人員杜國安、徐玉珍、蘭生、陳杰、林野，在2021年第1期《電氣技術》上撰文，采用磁-結構場耦合的有限元仿真方法，建立變壓器的三維模型，運用Ansys Maxwell計算出繞組的短路電動力體密度分布，采用順序耦合的方法把電動力體密度耦合到Ansys Workbench中的結構場，進行繞組的靜力學分析；運用相關理論分別分析溫度、預緊力等變化對繞組的形變量的影響。 結果表明，溫度和預緊力均能影響繞組強度，溫度對繞組輻向形變量影響更大，預緊力對繞組軸向形變量影響更顯著，在電磁力分布較大的區域，二者的影響效果均明顯增加。研究結果對變壓器抗短路設計有一定參考意義。
電力變壓器是電力系統中電能傳輸和轉換的重要設備，在電力系統的穩定運行中起著決定性的作用，變壓器結構的可靠性，直接影響著電力系統的安全。現有的大量變壓器事故調查發現，繞組變形事故占總事故量的40%。這是由于繞組遭遇短路故障時，短路電流將增加至正常值的數十倍，繞組中將產生巨大的短路電動力，導致繞組變形、松散、垮塌、絕緣損壞等事故。
由于變壓器繞組的結構十分復雜，短路實驗的條件要求高等因素，導致研究變壓器繞組形變機理變得相當困難，目前多數變壓器結構穩定性的理論研究主要是通過仿真分析手段實現。
國內外已經有大量的文獻研究了變壓器繞組變形機理。但是研究多數集中于運用有限元進行仿真分析研究，研究成果對于進一步提高繞組的抗短路能力有參考意義，其中一部分文獻主要利用理論計算進行變壓器的抗短路能力分析，其他文獻則使用二維和三維有限元模型進行電動力的仿真分析計算。
總結文獻研究成果發現，使用耦合場分析計算方法，研究繞組的結構穩定性及抗短路能力是變壓器繞組相關研究的發展趨勢。
福州大學電氣與自動化學院的研究人員以一臺SSZ11-50000/110電力變壓器為研究對象，通過建立以線餅-墊塊-撐條構成的繞組精確模型，利用Ansys系列軟件進行磁場-結構場耦合分析，計算出繞組的瞬態電動力、應力和形變等分布情況。通過仿真分析研究變壓器繞組在最大短路電動力作用下，溫度、預緊力等實際故障因素對繞組形變量的影響，總結相關規律，為繞組的抗短路設計提供參考。
圖1 耦合場計算流程圖
研究人員最后得到以下結論：
1）利用Ansys系列軟件進行磁-結構順序耦合分析時，使用同一個幾何模型，在磁場計算進行簡化，結構場計算進行細化，解決了磁場-結構場之間的相互影響，既能提高計算精度，也可以加快計算速度。
2）以繞組變形量衡量繞組穩定性，同一短路電流作用下，繞組溫度升高，繞組銅導線的剛度下降，形變量增大；繞組的預緊力減小，導致繞組墊塊剛度下降，支撐作用下降，繞組的形變量增大，穩定性下降，與理論相吻合。
3）當繞組溫度上升，銅的彈性模量減小，在兩側電磁力的擠壓下，輻向變形量比軸向變形量增加更明顯，增加了繞組輻向失穩的可能性。預緊力大小影響繞組的松緊程度進而影響繞組在軸向的振動幅度，預緊力改變，繞組軸向形變量比輻向的形變量變化更明顯，軸向更容易出現失穩。
4）變壓器繞組穩定性受到溫度、預緊力等多種因素影響，在同等條件下，外界因素改變對變壓器繞組中電磁力分布大的區域影響更加明顯，在抗短路設計中，需要著重對此區域進行加固。
本文編自2021年第1期《電氣技術》，論文標題為“基于磁-結構場耦合的變壓器繞組變形的因素分析”，作者為杜國安、徐玉珍、蘭生、陳杰、林野。
