楊莉莉 付衛(wèi)東

（許繼變壓器有限公司）

0 引言

根據國家電網公司近年來公布的變壓器抽查情況顯示，抗短路能力不足已經成為非晶合金變壓器的首要質量問題。國家電網為此召開了關于提高變壓器承受突發(fā)短路能力的電視電話會議，要求各供貨廠家拿出措施解決該問題，同時國家電網公司決定對每一個廠家、每一批次、每一個型號的變壓器進行抗短路能力承受試驗抽檢，凡是試驗不合格的廠家，將進行通報和處罰。筆者通過實例的ansys仿真分析，提出了提高抗短路能力的措施和方法，并且有效地控制了因抗短路而引起的成本增加。

1 行業(yè)現(xiàn)狀

變壓器企業(yè)是機電企業(yè)的一個重要分支，同時它又是一個跨多部門的企業(yè)，在國民經濟中占有舉足輕重的地位。隨著市場經濟的推進，我國的變壓器制造企業(yè)獲得了長足的發(fā)展，各大中小變壓器制造企業(yè)如雨后春筍般成立起來，不僅能夠生產中低端變壓器產品，在含有高科技成分的高端產品領域也有一定的突破。據統(tǒng)計，目前我國變壓器制造企業(yè)約有2000多家，2016年國網公司第一批集中招標配變市場就共有800余家公司參與投標，很多企業(yè)具有屬地化資源優(yōu)勢，為了應對激烈的市場競爭，很多企業(yè)采取低價策略，生產廠家為確保利潤，往往不惜降低產品質量，因此導致變壓器產品良莠不齊，質量問題突出。2017年3月，國網安質部下發(fā)22號文，印發(fā)2016年配電設備質量典型案例匯編，總結、統(tǒng)計并分析了2016年抽檢的總體情況，其中短路承受能力試驗不合格共計58臺，占不合格樣品比例為20.14%。為全面提升本質安全水平要求，國網物資部加大了對配網物資的抽檢力度。

目前生產的能夠承受短路試驗的非晶合金變壓器的成本比供貨的非晶合金變壓器成本高出30%以上。針對此狀況，必須進行較低成本抗短路能力變壓器的研制并實現(xiàn)批量生產抗短路產品，以提升非晶合金變壓器整體市場競爭力。

2 短路分析

2.1 短路時的力學分析

短路時產生的電動力是電流與磁場共同作用的結果；繞組的受力情況為內繞組受到向內的壓縮力，外繞組受到向外的張力；而在軸向2個繞組都會受到向內的壓縮力。如圖1所示：

圖1 繞組受力圖

同性相吸，異性相斥，變壓器在運行時，一、二次電流方向總是相反的，其中一個是順時針方向，另一個必然是逆時針方向，因此，線圈一、二次繞組之間產生相互排斥的力，這種繞組外力最大值Fmax為

式中，Bm為漏磁空道的縱向漏磁密度；m為導線并聯(lián)根數(shù)。

式中，μ為絕緣導磁率；I為負載電流；W為繞組匝數(shù)；H為繞組高度；ρ為洛式系數(shù)；L為平均周長

2.2 實例分析仿真

下面以一臺SBH15－100／10／0.4為例，進行仿真分析，該變壓器二次電流為144.34A，繞組高度125mm，帶入上式公式可得

變壓器抗短路一般廠家會在方形線圈的內部增加成型玻璃鋼材料，來提高其線圈強度，首先為玻璃鋼內芯建立幾何模型如圖2。

如圖2，銅箔由32層厚度均勻的薄片纏繞而成，每層厚度為0.45mm，為了簡化結構銅箔總厚度取14mm，每層銅箔產生的電磁力從外層到內層呈線性增加，最內層產生的電磁力為0，為了簡化計算，這里不再考慮層間的擠壓效應，將銅箔作為一個整體進行加載。

圖2 玻璃鋼內芯幾何模型

玻璃鋼的材料參數(shù)見表1。

表1 材料參數(shù)

加載時，根據不同的簡化加載位置，玻璃鋼內芯極限強度計算共分2個極限工況，如表2所示。

表2 玻璃鋼內芯極限工況表

2個極限工況下的載荷數(shù)值相同，如表3所示。

表3 極限工況對應的載荷數(shù)值

如圖3、圖4中，紅色區(qū)域為加載面位置，藍色區(qū)域為固定約束位置。

圖3 極限工況1對應加載位置

圖4 極限工況2對應加載位置

在以上條件下，計算極限工況1和極限工況2下的位移及應力分布情況，見表4玻璃鋼內芯計算結果。

表4 玻璃鋼內芯計算

圖5為極限工況1下應力云圖，其中，圖6中紅色部分為超出許用彎曲應力區(qū)域，圖7中藍色為超出許用彎曲應力區(qū)域，圖8為極限工況2下的應力云圖，其中，圖9中紅色為超出許用彎曲應力區(qū)域，圖10中藍色為超出許用彎曲應力區(qū)域。

圖5 極限工況1下玻璃內芯位移云圖

圖6 極限工況1下第一主應力云圖

圖7 極限工況下第三主應力云圖

圖8 極限工況2下玻璃鋼內芯位移云圖

圖9 極限工況2下第一主應力云圖

圖10 極限工況2下第三主應力云圖

2.3 仿真結果分析

從圖5及圖8可以看出玻璃鋼內芯的最大位移為2.6783mm，位移較小。從圖6、圖7、圖9以及圖10可以看出玻璃鋼內芯絕大部分區(qū)域的應力數(shù)值均在許用彎曲應力 （170MPa）以下，內側倒圓位置應力較大，局部最大應力數(shù)值超出了許用彎曲應力，但是區(qū)域較小，這主要是由于固定約束位置在內側倒圓附近，加上倒圓位置本身就是應力集中區(qū)域，因此該位置應力較大。因此，玻璃鋼內芯總體上能夠滿足極限強度設計要求。

3 結束語

變壓器的抗短路能力，主要取決于線圈結構的機械強度，玻璃鋼內芯的加入，總體上可以滿足極限強度設計要求，針對本文的分析，特給出以下改進建議：

（1）增大玻璃鋼內側倒圓半徑；

（2）變壓器短路時，低壓線圈輻向產生內應力，低壓可采用抗短路能力強的箔繞結構；

（3）使用箔繞結構時，箔和玻璃鋼之間的空隙要用紙板或其他材料填滿，防止短路時的位移；

（4）變壓器短路時，非晶鐵心旁軛加裝玻璃鋼筒，與低壓玻璃鋼筒共同阻止變壓器線圈對非晶合金鐵心造成的傷害；

（5）高壓線圈幅向產生外脹力，采用緊縮帶對高壓線圈外側進行纏繞緊固。