螺旋線圈繞組短路特性仿真研究

高會芳，王 旭，付楚珺，楊曉輝，趙 俊

(1.內蒙古電力(集團)有限責任公司內蒙古電力科學研究院分公司；2.內蒙古電力(集團)有限責任公司,內蒙古 呼和浩特 010020)

隨著電力系統的日益發展，對電力可靠性要求越來越高，為增強電網穩定性，變壓器的投運數量也同樣不斷增多。由于制造工藝、過負荷運行、絕緣受潮及過電壓等因素的影響，變壓器容易出現匝間短路故障，為變壓器安全穩定運行帶來風險。因此對于變壓器繞組匝間短路研究也顯得尤為重要。筆者簡化變壓器繞組結構，建立均勻螺旋線圈及短路線圈模型，用以研究變壓器正常運行及發生繞組匝間短路的運行特性。

1 模型構建

筆者建立基于變壓器均勻繞組結構，利用Auto CAD軟件進行3D結構建模。本部分設置標準螺旋結構來代替均勻的繞組結構。介于所使用仿真軟件計算及收斂能力等因素影響。這里設置螺旋結構匝數為4匝，主半徑結構為1 m，小半徑為0.1 m，軸向節距為0.3 m，徑向節距為0 m，手性為右旋，封端為與軸平行。這里設置外界環境為一個均勻球體環境，考量到仿真計算的收斂性，該結構半徑為4 m，模型構建如圖1所示。

圖1 螺旋線圈繞組模型

2 模型仿真過程設置

筆者基于COMSOL Multiphysics仿真軟件對模型進行仿真計算。

2.1 研究方向

螺旋線圈繞組模型設計在外增加外界仿真區域，進而對線圈及空間中的電場分布、電流密度分布及總功率損耗密度分布進行仿真研究。通過對仿真線圈短路故障引起的參數變化進行分析，進而近似得到變壓器繞組在發生匝間短路故障情況下，對自身及空間電場環境改變的一般規律。

2.2 仿真設置

依據實際繞組材質情況，設置螺旋線圈模型為銅材質、外界環境為空氣材質。由于所建立的螺旋線圈模型結構相對較短，故設置物理場條件為沿電流實際流向方向上施加線電荷。具體為在所建立的螺旋結構上選擇一條貫穿整個螺旋結構的路徑，設置線電荷為1 C/m。為了保證模型仿真過程的收斂，需要在球結構體上設置合適邊界條件，具體為將邊界選擇方式更改為手動，依次選擇球體外殼，設置電荷為0 C，初始電壓值為0 V。進而完成整個模型的設定。

3 模型計算結果分析

3.1 模型電場分布分析

通過對螺旋線圈繞組模型空間電場環境進行仿真研究，如圖2所示，模型在無短路情況時，空間電場環境呈較為均勻分布，未產生明顯畸變；模型在第1、2線圈發生短路時，在短路點位置發生較為明顯電場增加，而其他空間環境中呈較為均勻分布。

圖2 模型無短路及第1、2線圈短路時電場分布

通過對螺旋線圈繞組模型線電荷方向電場一維數據分析，如圖3所示，模型無短路情況時，電場分布較為均勻，電場值集中于4×1012V/m；模型在第1、2線圈發生短路時，在短路點位置發生較為明顯電場增加，電場值最高達到3×1013V/m，而空間其他部分電場分布較為均勻，電場值集中于4×1012V/m。

圖3 模型無短路及第1、2線圈短路時一維電場值

3.2 模型能量密度分布分析

通過對螺旋線圈繞組模型空間能量密度環境進行仿真研究，如圖4所示，模型無短路情況時，空間能量密度環境呈較為均勻分布，未產生明顯畸變；模型在第1、2線圈發生短路時，在短路點位置發生較為明顯能量密度增加，而其他空間環境中呈較為均勻分布。

圖4 模型無短路及第1、2線圈短路時能量密度分布

通過對螺旋線圈繞組模型空間能量密度整體環境進行仿真研究，如圖5所示，不論有無發生短路故障，在空間整體的能量密度分布呈均勻分布。

圖5 模型無短路及第1、2線圈短路時能量密度整體分布

4 結束語

對于構建的螺旋線圈繞組模型而言，通過設置物理場條件改為沿電流實際流向方向上施加線電荷，保證了發生故障與實際情況保持基本一致。就仿真結果而言，在未發生短路故障時，空間電場及空間能量密度在所建立的模型上都體現出均勻分布的情況；在發生匝間短路故障時，所建立的模型在故障點處體現了空間電場及空間能量密度上產生的畸變，但在故障點以外的區域所表現出的空間參數分布較為均勻；不論是否發生短路故障，對遠場環境空間電場及空間能量密度分布產生的影響不明顯。