姚 敏, 趙振剛, 高麗慧, 郭麗君, 李英娜, 李 川
(昆明理工大學(xué) 信息工程與自動化學(xué)院,云南 昆明 650500)
隨著電力系統(tǒng)容量的增大,電力變壓器的可靠運(yùn)行與電力系統(tǒng)的安全密切相關(guān)[1~5]。電力變壓器鐵芯—繞組故障已經(jīng)成為導(dǎo)致變壓器損壞的最主要原因,因此,需要對變壓器鐵芯—繞組進(jìn)行仿真分析,選擇振動最強(qiáng)點作為測點對變壓器工作狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測,及時排除故障,使變壓器可以安全穩(wěn)定工作[6~8]。
本文分析了變壓器鐵芯—繞組的結(jié)構(gòu),利用有限元分析軟件ANSYS Workbench建立了變壓器鐵芯—繞組模型,從夾緊和松動2種狀態(tài)對鐵芯—繞組的模態(tài)特征進(jìn)行了仿真分析,找出變壓器鐵芯—繞組振動最強(qiáng)幅值的分布位置,為變壓器振動情況的最優(yōu)測點位置選擇提供了理論依據(jù);對比夾緊狀態(tài)下鐵芯—繞組振動的幅頻特征,得到鐵芯—繞組在夾緊狀態(tài)下振動的基準(zhǔn)幅值,為變壓器振動情況的閾值設(shè)定提供了理論依據(jù)。
選擇云南通變電器有限公司制造的S13—12500/35型油浸式無勵磁調(diào)壓電力變壓器,鐵芯具有穩(wěn)定性好,噪音低,抗短路能力強(qiáng)的優(yōu)點,繞組導(dǎo)電性能好,負(fù)載損耗低,適用于高海拔地區(qū)。
仿真分析時:1)忽略變壓器油,認(rèn)為其對結(jié)構(gòu)件間力無影響;2)認(rèn)為變壓器結(jié)構(gòu)件之間的連接無間隙,完全貼合;3)變壓器繞組內(nèi)壁被繞組套筒完全固定在鐵芯結(jié)構(gòu)件上。為了方便后續(xù)分析中進(jìn)行模型剖分,避免圓弧處剖分密度過大,將圓柱體結(jié)構(gòu)的鐵芯和繞組,近似繪制成多邊形結(jié)構(gòu),選擇前后左右均對稱的12邊形作為繞組和鐵芯的剖切面。同時,盡量避免切邊倒角的圓弧倒角。利用ANSYS Workbench完成變壓器結(jié)構(gòu)建模,鐵芯—繞組—結(jié)構(gòu)件的有限元結(jié)構(gòu)模型如圖1。
圖1 鐵芯—繞組—結(jié)構(gòu)件模型
實際中,變壓器的鐵芯和繞組受到電磁力的作用。求解鐵芯—繞組系統(tǒng)的電磁力時,利用電磁力分析軟件ANSOFT Maxwell對鐵芯—繞組的有限元模型進(jìn)行了離散步電磁力載荷的加載。其中,仿真停止時間選取0.02 s,仿真步長選取0.000 1 s,得到變壓器電磁力云圖,如圖2。
圖2 電磁力云圖
將分析得到的電磁力數(shù)據(jù)導(dǎo)入到ANSYS Workbench中得到鐵芯—繞組系統(tǒng)的電磁力分布如圖3表明:變壓器鐵芯繞組上方的電磁力密度較大,鐵芯—繞組中電磁力最大值達(dá)2.445 8×105N/m3。
圖3 電磁力分布
通過對變壓器的振動仿真分析可以為變壓器的設(shè)計及故障診斷提供理論依據(jù),變壓器的振動是各階模態(tài)振型的復(fù)合,且隨著階次的遞增,固有頻率呈現(xiàn)遞增的趨勢。而載荷的固有頻率較低,只需要分析與載荷頻率接近的模態(tài)特征,因此,本文只研究鐵芯—繞組前三階的模態(tài)特征。
將上述電磁力數(shù)據(jù)導(dǎo)入ANSYS中,變壓器中通入50 Hz正弦交流電,設(shè)置鐵芯—繞組處于夾緊狀態(tài)下的預(yù)緊力為26 MPa,其前三階模態(tài)特征仿真如圖4所示。設(shè)置鐵芯—繞組處于松動狀態(tài)下的預(yù)緊力為9 MPa,其前三階模態(tài)特征仿真如圖5所示。
圖4 夾緊狀態(tài)下鐵芯—繞組的前三階模態(tài)特征仿真
圖5 松動狀態(tài)下鐵芯—繞組的前三階模態(tài)特征仿真
對比分析圖4、圖5中相應(yīng)模態(tài)的振型特征,得到壓緊和松動狀態(tài)下鐵芯—繞組各階振型特征如表1。
表1 壓緊和松動狀態(tài)下鐵芯—繞組各階振型特征
通過表1可知:鐵芯繞組振動最強(qiáng)的位置主要分布在上夾件的中部和下表面左右兩側(cè)的4個端角、上鐵軛的中部、三相繞組的上部。該振動強(qiáng)弱分布特征可以為變壓器振動情況的實時監(jiān)測選擇最優(yōu)測點位置提供理論依據(jù)。
由變壓器出廠參數(shù)知,該鐵芯—繞組的正常預(yù)緊力范圍在10~36 MPa。利用ANSYS分析其處于正常預(yù)緊力狀態(tài)下的振動幅頻響應(yīng)情況。圖6為鐵芯—繞組在30,22 MPa的預(yù)緊力作用下的幅頻響應(yīng)情況。
圖6 2種不同預(yù)緊力下的振動
根據(jù)圖6幅頻響應(yīng)特征對比,該鐵芯—繞組在正常預(yù)緊力下的主要響應(yīng)頻帶在300 Hz以上,振幅頻譜能量主要集中在100,300~350 Hz 附近。主要響應(yīng)頻帶隨著預(yù)緊力的減小,鐵芯—繞組系統(tǒng)振動最大峰值呈現(xiàn)變小趨勢,雖然在正常預(yù)緊力范圍內(nèi),主要振動頻率處的幅值存在波動,但波動較小,大約為0.003×10-7m。變壓器出廠時,其結(jié)構(gòu)的預(yù)緊力固定,正常運(yùn)行情況下,其振動幅值為特定值,因此,可以將該情況下的振動幅值作為基準(zhǔn)幅值,當(dāng)變壓器結(jié)構(gòu)發(fā)生松動時,觀察其振動幅值與基準(zhǔn)幅值的差異度,從而判斷預(yù)緊力是否發(fā)生變化。
為實時監(jiān)測變壓器的工作狀態(tài),及時排查故障問題,針對變壓器鐵芯—繞組結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析,獲得其最強(qiáng)振動點分布情況,以選擇最優(yōu)點對變壓器進(jìn)行檢測。根據(jù)變壓器鐵芯—繞組模型,在夾緊和松動2種狀態(tài)下對鐵芯—繞組的模態(tài)特征進(jìn)行仿真分析,分析結(jié)果表明:鐵芯—繞組振動最強(qiáng)的位置主要分布在上夾件的中部和下表面左右兩側(cè)的4個端角、上鐵軛的中部、三相繞組的上部,可作為最佳測點;正常預(yù)緊力下的主要響應(yīng)頻帶在 300 Hz以上,振幅頻譜能量主要集中在100,300~350 Hz 附近,由此可確定閾值范圍。
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