基于Ansoft的变压器绕组变形仿真研究

王录亮 黄 松 宋坤宇 江子豪

（1、海南电力试验研究院 2. 武汉三相电力科技有限公司）

基于Ansoft的变压器绕组变形仿真研究

王录亮1黄 松1宋坤宇2江子豪2

（1、海南电力试验研究院 2. 武汉三相电力科技有限公司）

电力系统为人们的生活带来充足的电能，500kV变电站是电力系统进行电能传输的重要环节。若500kV变电站遭遇到雷击，可能出现大规模停电现象，安全供电将无法保证。被雷击损害的500kV变电站在短时间内难以恢复，因为变电站设备并不具备自主恢复能力。本文将500kV变电站作为研究对象，对于雷电侵入后的变电站保护措施进行分析，提出针对性意见。

500kV变电站；雷电过电压；避雷器

0 引言

目前变压器绕组变形研究多用离线实验方法，成本高昂且操作复杂，随着数值仿真计算的发展[1]，基于Ansoft对变压器短路漏磁场、电流及电磁力进行有限元仿真逐渐成为一种指导性的方法。

1 场路耦合法

对变压器求解短路电磁力以及短路电流时，需要获取暂态电流与暂态漏磁场，而解析法难以完成，又由于变压器绕组各支路电流未知，故无法指定绕组激励，但已知高压侧激励与低压侧负载等外部参数，因此运用“场-路”耦合法对变压器进行建模[2]。

如下图所示，R1、L1、R2、L2分别为中压侧短路电阻、短路电抗，低压侧短路电阻、短路电抗，U1为外部激励电压，RZ为负载等效电路。在中压侧，其表达式为

式中， Ak为第k个线饼的磁矢位；Jk为截面电密，Nk为匝数，Kk为横截面积；ek为占空比，Rk为等效电阻；Lk为等效漏电感及线饼周长，n为高压侧线饼个数。

低压侧中，其表达式为

图 “场路”耦合分析模型

式中，Ai表示低压侧第i个线饼的磁矢位；Ji为截面电密，Ni为匝数；ei为感应电势；Si为截面积，Ki为占空比，Ri为等效电阻；Xi为等效漏电抗，Li为等效漏电感及线饼周长；m为低压线饼个数；Z为低压侧绕组等效漏阻抗。

对于变压器油区域，有

将以上方程组进行时间离散，即可得“场路”耦合的有限元方程

式中，I为节点电流矩阵；E为节点电动势矩阵；A为节点向量磁位矩阵；KAA为向量位刚度矩阵；Kii为电阻刚度矩阵；KAi为磁位-电流耦合刚度矩阵，CiA为电感阻尼矩阵；Kie为电流-电动势耦合刚度矩阵；U0为外加电压矩阵。

2 仿真分析

2.1 模型建立

本文采用有限元数值分析软件Ansoft对一台实际运行的SFSZ11-180000/220三绕组变压器中、低压绕组进行短路电流计算以及漏磁通仿真，变压器参数如下表所示。

表 变压器主要参数

为了使漏磁分布更满足实际情况，变压器绕组采用线饼模块，同时考虑饼间油道尺寸、线饼匝数以及占空比。考虑绕组中、低压绕组，根据实际情况设置中、低三绕组线饼为112：179，对应总的匝数比为336：179。线饼的宽度分别为43.5mm、88mm，高度分别为12mm，8mm。

建立外电路激励模型，将上述有限元模型中高、低压绕组耦合至外电路中。激励通过高压侧交流电源供给，有效值为110kV，频率为50Hz。高压侧绕组电阻设为0.2Ω，低压侧绕组电阻设为0.2Ω。

为验证模型的有效性，在t=0时模拟短路工况。将负载端短接，根据计算单短路阻抗值设置激励电压为8%，也即8.8kV，实测的低压侧短路电流波形低压侧短路电流为一随指数衰减的正弦波，由暂态分量和稳态分量组成，随着暂态分量的减少，在20ms后即进入稳态，其电流峰值为1200A，电流有效值为为848.52A，与计算单中高压侧额定电流858.9A相差不大，可认为模型满足要求。

2.2 计算结果与分析

为分析变压器绕组受力情况，对绕组电密分布与绕组漏磁分布进行仿真研究。由于低压端采用自螺旋结构，而高压采用纠结式结构，线饼的饱和程度不同，从而高压电密沿轴向分布出现不同[3]，t=0.01s时，线饼内侧中间磁通量较大，可达到0.17Weber，两头偏小，约为0.16Weber，上下基本保持对称。

高、低压绕组间磁场强度较高，基本可达到0.11Tesla，且在中部的磁通最高，这与磁力线的分布相符。根据洛伦兹力的计算原理推导出中间区域绕组线饼的辐向电磁力较大，因此绕组中部易发生辐向变形。且低压绕组产生向内的压力，高压绕组产生向外的扩力，从而辐向可能导致线饼在圆周方向上所有导线向外凸出，致使绕组导线拉长，而绝缘具有不可塑性，最终绝缘被破坏导致绕组辐向变形。据此，研究绕组中部变形后的磁场分布以及短路电流情况具有重要意义。

3 结束语

1）推导了变压器高压侧、低压侧以及油通道漏磁公式，得出“场路”耦合的基本原理，证明了“场路”耦合法在处理变压器绕组变形中的可行性。

2）在Ansoft中建立了二维变压器模型，在仿真中模拟短路试验验证了模型的正确性。同时对正常运行时的绕组漏磁分析，发现绕组中部磁通量大，可达到0.17Weber，两头偏小，约为0.16Weber，上下基本保持对称，表明绕组中部受电磁力更大易发生绕组变形事故。

[1]Mehdi Bagheri，Mohammad Salay Naderi，Trevor Blackburn. Toan Phung Frequency response analysis and short-circuit impedance measurement in detection of winding deformation within power transformers[J]. IEEE Electrical Insulation Magazine，Year: 2013, 29, (3)

[2]陆佳政,张红先,方针,等. 基于短路阻抗法的变压器绕组变形测试装置开发[J]. 湖南电力,2010(2):1-3.

[3]姚森敬,欧阳旭东,林春耀. 电力变压器绕组变形诊断分析[J]. 电力系统自动化,2005(18):95-98.

2016-08-30）