基于場路耦合的試驗變壓器短路沖擊電流下結構隨機可靠性

摘要：短路工況下的沖擊電流是影響試驗變壓器結構可靠性的關鍵因素。因此，提出了基于概率密度演化理論的變壓器結構可靠性分析模型。首先，介紹了概率密度演化理論的基本原理，給出了磁-電耦合下短路工況繞組電磁力場分析方法。以此為基礎，利用Abaqus軟件有限元分析方法構建了變壓器結構力學數值分析模型。以某AGF型20 kV試驗變壓器為例，對上述模型進行了論證，選取繞組縱向Mises應力為模型控制變量，給出了結構的應力分布特征和概率密度演化特征，計算了可靠度指標，并進一步討論了鐵芯和繞組的力學極值響應和分布區域。結果表明，短路沖擊電流作用下繞組應力顯著提升，可達閾值的82%左右，是影響可靠性的控制因素，提高變壓器阻抗對于提升可靠性有顯著影響。

關鍵詞：試驗變壓器；結構可靠性；繞組；概率密度演化；短路

中圖分類號：TM41 DOI：10. 16579/j. issn. 1001. 9669. 2025. 04. 016

0 引言

試驗變壓器是電力預防性試驗不可或缺的基礎儀器，隨著輕量化設計的要求日益提高，如何在輕量化結構設計下滿足設備可靠性要求是一個重要課題［1-2］。鐵芯和繞組是變壓器內部的兩個重要部件，兩者通過電磁感應原理實現電壓轉換。正常情況下，磁場電磁力較小，對變壓器結構產生的形變可忽略。然而，在發生短路時，繞組瞬時電流可達平時的數十倍，電磁力可達平時的數百倍，導致繞組在高溫情形下產生變形［3-4］，并進一步在鐵芯和油箱外殼等部位造成應力集中，降低使用壽命。因此，提高短路故障下變壓器的結構可靠性是一個重要課題。

近年來，諸多學者開始關注沖擊電流下變壓器內部結構的安全問題，尤其是試驗變壓器領域，由于設備小型輕量化需求，變壓器繞組鐵芯與固定件體積要求日益嚴苛，極易出現短路電流下結構機械強度不足而損傷的情形。經調研，現有研究主要集中于電磁力作用下繞組的受力分析層面，包括數值模擬分析和短路能力測試，根據分析結果給出結構的應力場，并提出優化措施。例如，張冰倩等［5］分析了匝間短路故障時的繞組多物理場特征，利用Ansys軟件進行了場路耦合分析模型，揭示了故障時電磁、機械和溫度等參數的分布規律。類似地，咸日常等［6-7］利用有限元分析方法建立了磁場-電路耦合分析模型，研究了不同工況下繞組的漏磁通密度與匝間短路故障時的電磁力。陳忠賢等［8］利用分布式光纖傳感技術監測繞組變形，并進行了變形試驗，實現了變形的初步定位。此外，近年來部分學者針對繞組故障診斷進行了研究，利用機器學習算法進行故障診斷，提高了智能運行維護水平，這類方法不僅包括設備振動等結構響應信息，還包括機電信號等信息，屬于大數據分析方法［9-10］。然而，短路故障下的繞組結構安全分析涉及較多的不確定因素，包括結構形式、材料機械強度、磁場分布等，考慮隨機性的結構可靠性分析目前基本處于空白狀態。

上述問題的復雜性涉及兩個方面，分別是可靠性分析算法和電磁場、應力場耦合動態分析模型。對于可靠性分析算法，由于多種不確定因素的存在，傳統的分析方法（如蒙特卡洛模擬法、代理法等）存在組合爆炸問題，且在計算成本和分析精度之間存在難以協調的矛盾［11-12］。對于多場耦合動態分析模型，現有研究多將繞組視為靜態組件，忽略了短路電流下的結構變形以及由此產生的磁動勢不平衡問題，分析結果偏保守［13-15］。

為此，本文將概率密度演化理論引入可靠性分析，并利用Abaqus軟件有限元分析模型進行多場耦合下的結構數值模擬，給出短路工況下的結構最不利位置的概率密度函數，研究成果可為試驗變壓器結構設計和運行維護提供支撐。