基于有限元法的變壓器繞組變形臨界點分析

姚 創(chuàng)，段明輝，張 鑫，馮 偉

（1.國網(wǎng)天津市電力公司電力科學研究院，天津 300384；2.國家電網(wǎng)東北電力調(diào)控分中心，遼寧 沈陽 110000）

引言

變壓器是電網(wǎng)中能量中轉(zhuǎn)與電壓變換的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其運行可靠性對電網(wǎng)安全穩(wěn)定有著重要影響。隨著變壓器繞組變形案例的增多，研究人員發(fā)現(xiàn)，造成變壓器繞組變形的最后一次短路沖擊往往并不嚴重，但是由于此前多次經(jīng)受沖擊，繞組在徑向或軸向上的微小形變不斷累積，終致引起質(zhì)變而出現(xiàn)變形[1-2]。

為了準確評估變壓器在經(jīng)受多次短路沖擊后的繞組變形危險度，本文通過有限元法對變壓器建模仿真，分析了變壓器繞組變形臨界點。

1 磁場-結(jié)構(gòu)場耦合模型

通過ANSYS有限元分析軟件，建立變壓器磁場-結(jié)構(gòu)場耦合模型，在此模型的基礎(chǔ)上，提出短路沖擊累積效應分析的三個假設(shè)[3]。

1）假設(shè)繞組經(jīng)歷一次較為嚴重的短路沖擊時形變量為2 cm。

2）假設(shè)繞組在撐條的作用下，繞組發(fā)生既定的自由翹曲。

3）假設(shè)發(fā)生形變的位置在兩根撐條之間，且發(fā)生在整根繞組頂部1/3的長度上，形變?yōu)檩椣蛐巫儭?/p>

2 仿真分析

2.1 內(nèi)繞組累積效應的仿真研究

對于變壓器內(nèi)繞組，模擬繞組發(fā)生了若干次較為嚴重的短路沖擊，每次短路沖擊造成2 cm的形變，分析每次內(nèi)繞組受到的最大反作用應力，仿真結(jié)果如表1所示。

表1 變壓器內(nèi)繞組形變累積效應仿真結(jié)果短路次數(shù)/次

從表1可以發(fā)現(xiàn)，當繞組形變量處于2～8 cm處，繞組受到的最大應力逐漸減小，變化較為平緩；當繞組形變量處于8～10 cm之間時，繞組受到的最大應力發(fā)生突變，增大幅度明顯。

為了更細致的了解到發(fā)生突變的位置，將6～10 cm之間的形變量進行更細微的劃分，并畫出對應的形變和最大應力曲線。當繞組形變量在9 cm左右，其受到的最大應力發(fā)生明顯的變化，隨著繞組形變的增加，應力值不斷增大。因此，可以認為9 cm處是一個臨界點，當繞組形變超過這個值時，即便發(fā)生很小的形變，繞組受到的應力也會有明顯的增大，即當形變量為9 cm時，發(fā)生該形變所需要的應力最小，也就是說，繞組在此時最容易發(fā)生形變。

2.2 外繞組累積效應的仿真研究

外繞組累積效應的研究采取和內(nèi)繞組相似的方法，區(qū)別在于外繞組受到的力為拉伸應力，因此在建模時，發(fā)生形變的方向與內(nèi)繞組相反。首先研究了繞組發(fā)生了7次較為嚴重的短路沖擊，每次短路沖擊造成2 cm的形變，分析每次外繞組受到的最大反作用應力，仿真結(jié)果如下頁表2所示。

為了更細致地了解發(fā)生突變的位置，將7～8.5 cm之間的形變量進行更細微的劃分，仿真結(jié)果對應的形變和最大應力曲線如下頁圖1所示。

從下頁圖1中可以清晰地看到，當繞組形變量在7.8 cm左右，其受到的最大應力發(fā)生明顯的變化，隨著繞組形變的增加，應力值不斷增大。因此，可以認為7.8 cm處是一個臨界點，當繞組形變超過這個值時，即便發(fā)生很小的形變，繞組受到的應力也會有明顯的增大。

表2 變壓器外繞組形變累積效應仿真結(jié)果短路次數(shù)/次

圖1 外繞組累積效應最大應力與形變關(guān)系圖

3 結(jié)論

當變壓器繞組的形變逐漸累積，達到一定程度以后，繞組受到的應力會發(fā)生突變，相應的變壓器繞組的抗短路能力明顯下降，該點即為變壓器繞組變形臨界點。

由于內(nèi)外繞組結(jié)構(gòu)的差異，兩者突變臨界點的位置和時刻也有不同。當接近突變臨界程度時，需要對變壓器抗短路能力進行重新校核，并配合繞組變形檢測等相關(guān)電氣試驗，對變壓器進行檢測分析，并及時采取相關(guān)措施，避免嚴重事故的發(fā)生。