電力變壓器繞組徑向變形的研究

邢雨晴 江玲 陳巖松 邢維彥

摘 要：為實現(xiàn)電力變壓器繞組發(fā)生徑向變形時的變形程度的診斷，利用有限元分析法和多導(dǎo)體傳輸線理論模型構(gòu)造正常及變形繞組的頻率響應(yīng)特性曲線。通過建立變壓器繞組的二維模型，運(yùn)用有限元軟件Ansys maxwell仿真出正常及變形繞組的電感和電容參數(shù)；再依據(jù)多導(dǎo)體傳輸線模型得到繞組的幅頻特性曲線。最后，選取分頻率下各變形形式繞組與正常繞組間的歐氏距離的取值及變化趨勢作為判斷依據(jù)，實現(xiàn)了繞組徑向變形的變形程度的診斷。

關(guān)鍵詞：有限元法，徑向變形，歐氏距離

電力變壓器運(yùn)行的可靠性對保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義[1-2]。目前，電力變壓器繞組變形缺陷的檢測主要依靠離線檢測技術(shù)，主要有短路阻抗法[3]、低壓脈沖法[4]、頻率響應(yīng)分析法和掃頻短路阻抗法[5]等。徑向變形是繞組變形的常見形式。目前，將頻響法用于繞組變形的診斷時，主要是對繞組的幅頻響應(yīng)特性進(jìn)行縱向或橫向比較，以相關(guān)系數(shù)定義繞組的變形程度[6]，這種判別方法較為籠統(tǒng)。

本文運(yùn)用有限元法仿真出正常及變形繞組的電感和電容參數(shù)，由多導(dǎo)體理論模型得到繞組的傳遞函數(shù)，并作出幅頻響應(yīng)特性曲線，以分頻率下的歐式距離作為數(shù)值指標(biāo)實現(xiàn)了繞組徑向變形程度的診斷。

1 繞組頻響曲線的獲取和仿真分析

在較高頻率的電壓作用下，變壓器繞組可視為一個無源線性雙口網(wǎng)絡(luò)[6]。當(dāng)繞組變形，則繞組的結(jié)構(gòu)變化必然改變網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的分布電感、電容等參數(shù)，從而導(dǎo)致傳遞函數(shù)的零點和極點發(fā)生變化，頻率響應(yīng)特性發(fā)生變化。本文運(yùn)用有限元軟件ANSYS Maxwell[7]，建立正常及各種變形形式繞組的二維模型，分別得到變壓器每匝繞組間單位長度的電容和電感參數(shù)，并作出繞組的幅頻響應(yīng)特性曲線。

本文采用 ANSYS Maxwell軟件進(jìn)行仿真，選取電力變壓器的型號為 SF10-40000/110，連續(xù)式繞組，共540匝。將繞組從上到下等分為三部分上部，中部，下部。

對每一種變形部位，定義左移變形量為4mm，8mm，12mm，16mm的變形程度分別為Ⅰ級，Ⅱ級，Ⅲ級，Ⅳ級。對于每種變形部位的每種變形程度等級，按照繞組頻響曲線的獲取方法所述，分別計算得到頻帶范圍為1kHz-1MHz內(nèi)的1000個均勻頻率點下的幅頻值，并擬合出幅頻響應(yīng)曲線。

2 繞組頻響曲線的數(shù)值指標(biāo)分析

在得到變壓器繞組的幅頻響應(yīng)曲線后，即可進(jìn)一步通過建立數(shù)值指標(biāo)以實現(xiàn)繞組變形位置及變形程度的診斷。本文選取分頻率下的歐氏距離作為數(shù)值指標(biāo)。

將頻率范圍1kHz-1MHz等分為10份，定義為ED1-ED10。以上部變形為例，各變形程度等級和各頻率范圍的歐氏距離取值及其變化趨勢如上圖所示。

對各種變形情況下各頻率范圍的歐氏距離值的分布進(jìn)行分析，可得：

（1）當(dāng)發(fā)生中部變形時，ED1的值始終大于60，且在ED1-ED4的范圍內(nèi)，增減幅異常明顯，據(jù)此可判別變形類型是否為中部變形。

（2）在ED8-ED10的頻率范圍內(nèi)，若歐氏距離值呈單調(diào)增加趨勢，則繞組變形類型可能為上部變形或中部變形（Ⅰ，Ⅱ級）；若歐氏距離值呈先增后減趨勢，則繞組變形類型可能為下部變形或中部變形（Ⅲ，Ⅳ級）。

3 結(jié)論

采用有限元分析方法和多導(dǎo)體傳輸線模型和得到繞組變形的頻響曲線。分段頻率下各變形形式繞組與正常繞組間歐氏距離ED1-ED10的取值范圍及變化趨勢實現(xiàn)了繞組徑向變形時變形程度的判別。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫翔，何文林，詹江楊，鄭一鳴，劉浩軍，周建平.電力變壓器繞組變形檢測與診斷技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].高電壓技術(shù)，2016，42（04）：1207-1220.

[2]姚陳果，趙仲勇，李成祥，陳曉晗，李昭炯.基于暫態(tài)過電壓特性的電力變壓器繞組變形故障在線檢測[J].高電壓技術(shù)，2015，41（03）：873-880.

[3]王雄博，劉文里，李航，宗榜馗，唐宇.基于MagNet的短路阻抗法分析變壓器繞組變形的仿真研究[J].變壓器，2016，53（11）：24-28.

[4]王鈺，徐大可，李彥明，張成良.檢測變壓器繞組變形的低壓脈沖法測試系統(tǒng)研究[J].高電壓技術(shù)，1998，（03）：24-27+34.

[5]劉有為，鞠登峰，畢建剛，等.掃頻短路阻抗法診斷變壓器繞組變形的研究[C].2009年度電力行業(yè)高壓測試及電氣測量技術(shù)研討會論文集.北京：中國電機(jī)工程學(xué)會，2009：28-34.

[6]DL/T 911-2004，電力變壓器繞組變形的頻率響應(yīng)分析法[S].2004.

[7]S N Hettiwatte，Z D Wang，P A Crossley，et al.An electric partial discharge location method applied to a continuous-disc type of transformer winding[C].Proceedings of the 7th International Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials，2003.471-474.