基于有限元法的变压器绕组变形临界点分析

姚 创，段明辉，张 鑫，冯 伟

（1.国网天津市电力公司电力科学研究院，天津 300384；2.国家电网东北电力调控分中心，辽宁 沈阳 110000）

引言

变压器是电网中能量中转与电压变换的关键环节，其运行可靠性对电网安全稳定有着重要影响。随着变压器绕组变形案例的增多，研究人员发现，造成变压器绕组变形的最后一次短路冲击往往并不严重，但是由于此前多次经受冲击，绕组在径向或轴向上的微小形变不断累积，终致引起质变而出现变形[1-2]。

为了准确评估变压器在经受多次短路冲击后的绕组变形危险度，本文通过有限元法对变压器建模仿真，分析了变压器绕组变形临界点。

1 磁场-结构场耦合模型

通过ANSYS有限元分析软件，建立变压器磁场-结构场耦合模型，在此模型的基础上，提出短路冲击累积效应分析的三个假设[3]。

1）假设绕组经历一次较为严重的短路冲击时形变量为2 cm。

2）假设绕组在撑条的作用下，绕组发生既定的自由翘曲。

3）假设发生形变的位置在两根撑条之间，且发生在整根绕组顶部1/3的长度上，形变为辐向形变。

2 仿真分析

2.1 内绕组累积效应的仿真研究

对于变压器内绕组，模拟绕组发生了若干次较为严重的短路冲击，每次短路冲击造成2 cm的形变，分析每次内绕组受到的最大反作用应力，仿真结果如表1所示。

表1 变压器内绕组形变累积效应仿真结果短路次数/次

从表1可以发现，当绕组形变量处于2～8 cm处，绕组受到的最大应力逐渐减小，变化较为平缓；当绕组形变量处于8～10 cm之间时，绕组受到的最大应力发生突变，增大幅度明显。

为了更细致的了解到发生突变的位置，将6～10 cm之间的形变量进行更细微的划分，并画出对应的形变和最大应力曲线。当绕组形变量在9 cm左右，其受到的最大应力发生明显的变化，随着绕组形变的增加，应力值不断增大。因此，可以认为9 cm处是一个临界点，当绕组形变超过这个值时，即便发生很小的形变，绕组受到的应力也会有明显的增大，即当形变量为9 cm时，发生该形变所需要的应力最小，也就是说，绕组在此时最容易发生形变。

2.2 外绕组累积效应的仿真研究

外绕组累积效应的研究采取和内绕组相似的方法，区别在于外绕组受到的力为拉伸应力，因此在建模时，发生形变的方向与内绕组相反。首先研究了绕组发生了7次较为严重的短路冲击，每次短路冲击造成2 cm的形变，分析每次外绕组受到的最大反作用应力，仿真结果如下页表2所示。

为了更细致地了解发生突变的位置，将7～8.5 cm之间的形变量进行更细微的划分，仿真结果对应的形变和最大应力曲线如下页图1所示。

从下页图1中可以清晰地看到，当绕组形变量在7.8 cm左右，其受到的最大应力发生明显的变化，随着绕组形变的增加，应力值不断增大。因此，可以认为7.8 cm处是一个临界点，当绕组形变超过这个值时，即便发生很小的形变，绕组受到的应力也会有明显的增大。

表2 变压器外绕组形变累积效应仿真结果短路次数/次

图1 外绕组累积效应最大应力与形变关系图

3 结论

当变压器绕组的形变逐渐累积，达到一定程度以后，绕组受到的应力会发生突变，相应的变压器绕组的抗短路能力明显下降，该点即为变压器绕组变形临界点。

由于内外绕组结构的差异，两者突变临界点的位置和时刻也有不同。当接近突变临界程度时，需要对变压器抗短路能力进行重新校核，并配合绕组变形检测等相关电气试验，对变压器进行检测分析，并及时采取相关措施，避免严重事故的发生。