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干式变压器绕组抗短路能力提升措施研究

2025-03-28 47 上传者：管理员

摘要：针对干式变压器发生三相短路对绕组强度产生危害的问题，以一台37 kV级8 000 kVA干式变压器为例进行研究。建立变压器场-路耦合仿真模型，计算三相短路电磁力，利用电磁-结构耦合仿真模型对绕组应力应变进行计算分析，并探究铁轭垫块压钉预紧力及低压线圈内侧与铁芯间橡胶棒数量对绕组抗短路能力提升的影响。结果表明，适合的预紧力可以使绕组最大应力值下降50%,8根橡胶棒相比于4根橡胶棒，绕组最大应力值下降约7%，两种措施均可提升绕组抗短路能力，为变压器设计及绕组抗短路能力研究提供一定的参考。

关键词：
三相短路
干式变压器
电磁-结构耦合
短路电磁力
绕组强度
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干式变压器由于其易维护､故障率低等优点[1],近几年被广泛应用在储能､风电等领域｡变压器作为电力系统中的核心设备之一,成本高昂,对系统稳定性有直接影响｡变压器故障调查显示,运行中,变压器易发生绕组故障,绕组引起的故障占比超15%,其中短路是最为严重的故障之一｡三相短路相比于其他短路对绕组产生的危害更大,绕组强度不足,甚至可能直接导致变压器损毁,无法运行｡

近年来,大量学者对变压器匝间短路､相间短路､单相接地短路､三相短路进行了研究分析｡欧强､罗隆福等学者对电力变压器多次短路下的绕组积累机械损伤进行了研究[2],量化了短路损伤与绕组动态机械寿命之间的关系｡马奎､王曙鸿等学者计算了变阻抗变压器的短路电流首峰值随短路瞬间电压相位的变化关系[3]｡金雷､罗维等学者分析了变压器短路的风险评估方法以及对短路问题的检修方案[4]｡咸日常､张冰倩等学者利用场-路耦合仿真模型[5],研究了变压器二次绕组径向､轴向不同位置出现单匝短路故障下的电磁参数｡以上文献多是对油浸式变压器短路下的绕组形变以及故障诊断进行研究分析,对干式变压器短路电磁力作用下的应力､应变及绕组抗短路能力的提升措施研究较少｡

本文以一台37kV级8000kVA干式变压器为例,建立干式变压器有限元仿真模型,在电磁-结构耦合场中对三相短路下绕组应力应变进行计算,探究了铁轭垫块压钉预紧力及低压线圈与铁芯间橡胶棒数量对绕组强度提升的影响｡结果显示,适合的压钉预紧力可将绕组强度提升50%,增加橡胶棒数量也可提升短路下绕组强度｡

1、干式变压器模型及参数

本文以一台37kV级8000kVA干式变压器为例进行分析｡高压线圈采用环氧树脂浇注,线绕;低压绕组为箔绕｡建立1:1三维仿真模型如图1所示,变压器参数如表1所示｡

图18000kVA变压器三维仿真模型

表1变压器电磁参数

2、变压器三相短路故障模型搭建

2.1短路电磁力分析

绕组所受电磁力是变压器短路情况的重要分析指标｡变压器漏磁场分为径向漏磁场和轴向漏磁场,因此短路下绕组所受电磁力由径向电磁力和轴向电磁力所决定｡

由毕奥-沙瓦定律分析可知,绕组中电流产生的电磁力为:

式中:dfx和dfy分别为绕组上径向力和轴向力;Bx､By分别为径向和轴向的磁感应强度;j为导线电流密度;dv为导线体积｡

积分形式可以表示为:

式中:Bx､By为径向和轴向单元平均磁感应强度;v为单元体积;m为单元数｡

由式(2)可以看出,绕组所受电磁力与其漏磁场强度间成正比关系｡

在变压器整体结构中,位于内部的磁力线与芯柱平行,在端部出现弯曲｡内部绕组所受向内压力与外部绕组所受外张电磁力均为径向电磁力,径向漏磁场产生轴向电磁力｡

绕组短路电磁力通常计算三相短路电流第一个峰值时刻下的,此时短路电流IM可用下式计算:

式中:Kd为短路电流冲击系数;IN为额定电流;U为阻抗电压百分数;K为短路电流倍数｡

绕组短路下电磁力F为:

式中:Byi为第i个单元轴向磁感应强度;Ri为第i个单元半径;Jdi为第i个单元平均电流密度;S为导线一个圆周的面积｡

2.2变压器三相短路故障模型

在MaxwellSimplorer中建立变压器三相短路故障外电路模型,对变压器参数及电阻值进行设置,利用场-路耦合模型计算三相短路电磁力,外电路模型如图2(a)所示｡在Workbench中建立电磁-结构耦合模型,如图2(b)所示,将短路电磁力作为激励施加在绕组结构上｡

图2三相短路外电路模型

3、变压器绕组抗短路能力提升措施

3.1调整压钉预紧力提升绕组强度

干式变压器高压线圈通过上夹件压钉压紧铁轭垫块进行固定,具体结构如图3所示｡

图3压钉固定示意图

通过锁紧压钉压紧铁轭垫块,从而固定高压线圈｡仿真中通过调整铁轭垫块与高压线圈端部间的摩擦系数来模拟预紧力大小,探究预紧力对绕组强度的影响,正常情况下摩擦系数在0.9附近｡施加三相短路力,分别计算摩擦系数为0.5､0.6､0.7､0.8､0.9､1.0下的A相绕组最大应力值,结果如图4所示｡

图4不同摩擦系数下绕组最大应力值

从图4可以看出,摩擦系数在0.8时,绕组最大应力值最小,摩擦系数在0.5~0.7以及0.9~1之间时均大于0.8时的应力值｡由此可以看出,预紧力不足会导致绕组强度下降,预紧力越大强度并非越好,过大的预紧力同样会导致绕组强度降低,即摩擦系数在0.8时,强度最好,相比于0.9时,绕组应力值下降约50%｡

3.2增加橡胶棒数量提升绕组强度

干式变压器低压线圈可通过在其与铁芯片间放置圆形橡胶棒来提升强度,通过仿真探究橡胶棒数量对绕组抗短路能力的影响｡

橡胶棒数量分别设置为4根､8根,施加三相短路力作为载荷,分别计算不同橡胶棒数量下的绕组应力应变值,结果如图5所示｡

图5变压器A相绕组不同橡胶棒数量下形变仿真结果

从图5可以看出,4根橡胶棒时,绕组最大应力值为51.931MPa,8根橡胶棒时,绕组最大应力值为48.298MPa,绕组最大应力值下降7%｡由此可知,增加铁芯与低压线圈间橡胶棒数量可提升绕组抗短路能力｡

4、结论

本文以一台8000kVA储能变压器为例,首先建立变压器三维仿真及三相短路故障模型并计算三相短路电磁力｡然后通过改变摩擦系数来模拟铁轭垫块压钉预紧力对绕组强度的影响,并探究低压线圈与铁芯间橡胶棒数量对绕组强度的影响｡

1)压钉预紧力并非越大越好,适合的压钉预紧力可以大幅提升绕组强度｡仿真结果显示,摩擦系数在0.8时,绕组最大应力值最小,相比摩擦系数为0.9时,绕组最大应力值下降50%｡由此可见,合适的预紧力可以提升绕组抗短路能力｡

2)铁芯与低压线圈间橡胶棒数量会对短路下绕组强度产生影响,相比于4根橡胶棒,8根橡胶棒下绕组最大应力值下降7%,可见,增加橡胶棒数量可以提升绕组抗短路能力｡

参考文献:

[1]崔立君.特种变压器理论与设计[M].北京:科学技术文献出版社,1996.

[2]欧强,罗隆福,李勇,等.一种电力变压器短路累积机械损伤评价方法[J].电工技术学报,2024,39(8):2578-2590.