王錄亮 黃松 江子豪

（1.海南電力技術(shù)研究院 2. 武漢三相電力科技有限公司）

變壓器短路阻抗變化規(guī)律的場(chǎng)路耦合分析

王錄亮1黃松1江子豪2

（1.海南電力技術(shù)研究院 2. 武漢三相電力科技有限公司）

本文針對(duì)電力變壓器繞組變形故障進(jìn)行仿真研究，基于110kV電力變壓器模型，仿真分析了繞組線餅發(fā)生位移時(shí)短路阻抗的變化規(guī)律，得出線餅位移程度與短路阻抗在一定范圍內(nèi)呈線性關(guān)系的結(jié)論。對(duì)于該仿真模型，當(dāng)位移程度增加時(shí)，短路阻抗按照線性規(guī)律下降。文中提出的仿真分析方法，驗(yàn)證了利用短路阻抗檢測(cè)繞組變形的可行性，本文的結(jié)果給變壓器設(shè)計(jì)與現(xiàn)場(chǎng)繞組故障分析提供了數(shù)據(jù)與指導(dǎo)。

有限元計(jì)算；場(chǎng)路耦合；短路阻抗

0 引言

當(dāng)變壓器受到外界較大的沖擊電流或因長(zhǎng)期運(yùn)行而發(fā)生老化后，易形成變壓器繞組變形，從而改變?cè)验g絕緣距離并降低繞組機(jī)械性能，形成極大的安全隱患[1-3]。本文結(jié)合電路分析和有限元分析的場(chǎng)路耦合法，對(duì)某三相雙繞組110kV電力變壓器進(jìn)行了仿真，驗(yàn)證了方法的可行性，并通過模擬繞組位移故障，計(jì)算并分析了短路阻抗隨繞組變形程度的變化規(guī)律。

1 場(chǎng)路分析

有限元法主要用于解決不規(guī)則模型的電磁場(chǎng)計(jì)算問題，用有限元法能夠有效地求解變壓器繞組復(fù)雜的磁場(chǎng)。但變壓器繞組接于電路中，電路導(dǎo)線中的電壓電流無法在有限元法中體現(xiàn)，電路法更適合分析這類方法。本文結(jié)合兩種方法對(duì)變壓器進(jìn)行場(chǎng)路耦合計(jì)算，分析繞組變形時(shí)短路阻抗的變化規(guī)律。

下圖中的L1和L2分別為變壓器兩個(gè)繞組，其感應(yīng)電壓、漏電抗、主磁通均利用有限元法進(jìn)行計(jì)算。圖中的R1和R2為繞組銅耗的等效電阻，由于有限元的磁場(chǎng)模型中不考慮電阻的作用，因此等效電阻位于電路模型中，U為施加的交流電壓源，Zload為添加的等效負(fù)載。

圖 場(chǎng)路分析模型

變壓器磁路集中在鐵心中，取一定的空氣區(qū)域后使用自然邊界作為邊界條件，邊界條件方程如式（2）所示：

電路模型中基于KVL和KCL方程進(jìn)行求解，仿真采用暫態(tài)模型，取電壓電流穩(wěn)定后的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。

2 仿真分析

2.1 計(jì)算方法

仿真中計(jì)算短路阻抗的方法有兩種，一是通過T形等效電路，求解電流方程計(jì)算短路阻抗大?。欢峭ㄟ^將等效負(fù)載設(shè)置為0，源端增加適當(dāng)電壓并測(cè)量此時(shí)電流值數(shù)量級(jí)與額定電流數(shù)量級(jí)可比，用電壓電流之比作為短路阻抗大小。此時(shí)源端電壓應(yīng)當(dāng)較小，從而減小勵(lì)磁阻抗的影響。本文通過第二種方法計(jì)算短路阻抗的大小，并分析不同種類繞組變形帶來的影響。

本文計(jì)算針對(duì)110kV電力變壓器，將負(fù)載阻抗設(shè)置為0，相電壓有效值設(shè)置為5kV，計(jì)算此時(shí)的短路電流，從而計(jì)算短路阻抗。測(cè)量中通過傅里葉級(jí)數(shù)計(jì)算基波幅值和相位，所有計(jì)算結(jié)果均為經(jīng)過變換的基波結(jié)果。

2.2 繞組輻向位移

電力變壓器由于高、低壓繞組的電流方向相反，從而輻向電動(dòng)力是對(duì)外繞組產(chǎn)生的外擴(kuò)張力，而對(duì)內(nèi)繞組是向內(nèi)的力[4]，容易產(chǎn)生輻向變形。

仿真中將繞組向外側(cè)（鐵心反方向）進(jìn)行輻向位移，分析移動(dòng)程度不同時(shí)短路阻抗的變化規(guī)律，仿真結(jié)果如表1所示。

表1 繞組輻向移動(dòng)短路阻抗變化規(guī)律

當(dāng)輻向位移程度增加時(shí)，由于漏磁通減小，導(dǎo)致短路阻抗從39.43Ω減小到37.17Ω，位移程度每增加2%，短路阻抗約減少0.5Ω。

2.3 繞組軸向位移

在變壓器中，電流以及漏磁場(chǎng)的輻向分量互相作用，使得繞組受到軸向電動(dòng)力作用，軸向電動(dòng)力會(huì)使線餅軸向位移，從而改變變壓器漏磁造成短路阻抗變化。

仿真中將低壓繞組第一個(gè)線餅軸向（鐵心平行方向）向上變形進(jìn)行軸向位移，分析移動(dòng)程度不同時(shí)短路阻抗的變化規(guī)律，仿真結(jié)果如表2所示。

表2 繞組軸向移動(dòng)短路阻抗變化規(guī)律

從表2看出，當(dāng)輻向位移程度增加時(shí)，由于漏磁通減小，導(dǎo)致短路阻抗從39.46Ω減小到37.99Ω，位移程度每增加2%，短路阻抗約減少0.4Ω。

3 結(jié)果分析及結(jié)論

分析上述結(jié)果，得到以下結(jié)論：

1）當(dāng)繞組發(fā)生向外側(cè)的輻向位移時(shí)，此時(shí)繞組在空氣中的面積不發(fā)生變化，而對(duì)應(yīng)部分的磁場(chǎng)強(qiáng)度變小，從而漏磁通減小，導(dǎo)致短路阻抗減小。且變化規(guī)律基本上呈線性關(guān)系。

2）當(dāng)繞組頂端的第一個(gè)線餅發(fā)生向上的軸向位移時(shí)，由于繞組與鐵心之間的距離增加，通過其空氣部分的磁場(chǎng)減小，從而漏磁通減小，導(dǎo)致短路阻抗減小。且變化規(guī)律基本上呈線性關(guān)系。

3） 本文驗(yàn)證了場(chǎng)路耦合法求解變壓器短路阻抗的正確性，結(jié)果表明短路阻抗隨輻向、軸向位移程度的增加而降低。從分析過程可以看出，短路阻抗變化的本質(zhì)是繞組的磁通量發(fā)生了變化，對(duì)于實(shí)際情況需要進(jìn)行對(duì)應(yīng)的仿真分析，不能直接簡(jiǎn)單地通過位移形式來判斷短路阻抗變化規(guī)律。

4）本文所描述的仿真方法給電力變壓器的短路阻抗仿真提供了有效的分析手段，能夠?yàn)閷?shí)際裝置的制作提供理論基礎(chǔ)及數(shù)據(jù)支持。

[1]林劍，馬明，林堅(jiān). 低壓短路阻抗法在變壓器繞組變形試驗(yàn)中的應(yīng)用[J]. 電工技術(shù)，2010(9)：16-17.

[2]嚴(yán)玉婷，江健武，王亞舟，等. 變壓器繞組變形測(cè)試的理論分析與試驗(yàn)研究[J]. 高壓電器，2010(5)：55-59.

[3]范競(jìng)敏，曹建，丁家峰. 電力變壓器繞組狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)算法[J]. 電力自動(dòng)化設(shè)備，2010(3)：81-85.

[4]何文林，陳全紅. 短路阻抗法變壓器繞組變形測(cè)試技術(shù)探討[J]. 浙江電力，2000(1)：25-26，35.

[5]張琛. 變壓器繞組變形測(cè)試方法及應(yīng)用[J]. 變壓器，2007(2)：35-37.

2017-03-01）