電力變壓器繞組軸向振動穩定性分析

摘 要：作為電力系統正常運行的重要組成部分，電力變壓器在實際的應用中取得了良好的效果，為實際生產活動開展中生產效率的提高帶來了必要的保障作用。在電力變壓器繞組的機電耦合過程中，某些客觀存在的影響因素，對于電力變壓器繞組軸向振動穩定性造成了較大的影響，給變壓器的正常工作帶來了潛在地威脅。為了改變這種不利的發展現狀，需要采取必要的措施構建相關的模型，最大限度地優化電力變壓器的服務功能。基于此，本文將對電力變壓器繞組軸向振動穩定性進行有效地分析，以便為相關的研究工作開展提供一定的參考信息。

關鍵詞：電力變壓器；影響因素；模型；發展現狀；軸向穩定性

電力變壓器在實際的應用中容易受到各種客觀存在因素的影響，影響了變壓器的安全性能，容易發生短路現象。短路故障發生時，將會產生較強的電動力，可能會使變壓器繞組發生變形現象。因此，需要技術人員采用可靠的技術手段，加強對電力變壓器軸向穩定性的有效分析，有效地避免各種事故的發生，為電力變壓器實際作用的發揮及繞組使用壽命的延長提供可靠的保障。

一、電力變壓器繞組軸向振動穩定性的相關內容

在動態軸向短路力與徑向短路力的實際作用影響下，繞組的部分線餅容易產生傾斜或者倒塌的問題，造成了繞組軸向失穩，對電力變壓器正常工作時的安全性帶來了潛在地威脅。軸向振動失穩與繞組線餅及相關的構件受到各種應力的相互作用有關，致使相關的線路之間出現了短路現象。繞組構件連接的不牢固、繞組墊塊變形、軸向預約緊力設置的不合理等，都會導致繞組軸向失穩現象的出現。

電力變壓器繞組軸向振動與較大的短路電磁力沖擊有著較大的影響。在這些短路電磁力的作用下，將會加劇繞組軸向振動，促使其變形程度愈加明顯，逐漸地降低了繞組的機械強度，影響了繞組實際作用的充分發揮。當短路電磁力沖擊過程中的振動效應達到一定的程度時，將會造成變壓器事故。因此，需要結合相關的理論及可靠的分析方法，做好電力變壓器繞組軸向振動分析的各項工作，有效地避免變壓器事故的發生，為電力系統生產效益最大化目標的實現提供可靠地保障。

二、變壓器短路電流的計算機相關參考模型的構建

（一）繞組發生短路故障時短路電流的計算

相關的研究報告指出，電力變壓器繞組軸向振動與繞組短路故障有著緊密的聯系：短路阻抗變化時，對應的短路電流也會發生相應的變化，最終引發變壓器事故。為了增強短路電流分析結果的準確性，應采取有效的措施構建二維漏磁場有限元模型，了解變壓器正常工作時繞組短路電磁力的整個變化流程，從而對不同應力作用下繞組機械強度進行全面的評估。結合相關的研究資料，可知對繞組性能影響最為明顯的時三相變壓器作用下的低壓側出口對應的三相非對稱線路。在對繞組發生短路故障時短路電流的計算過程中，主要的計算公式下：

式（1）中，變壓器繞組發生故障時的一次側額定電流用IN表示，單位為安培；短路故障發生時短路阻抗相關的電感分量用Ukx表示，單位為亨利；短路阻抗相關的電阻分量用Ukr表示，單位為歐姆；短路故障發生時電流滯后電壓的相位角用 表示，計算過程中為了減少計算量，應將相位角設置為________________________________。

（二）短路漏磁場參考模型的構建

利用有限元分析法的優勢，可以用2D軸對稱模型對漏磁場進行有效地分析，主要在于電力變壓器的繞組在結構組成上是上下對稱的。模型中主要包含了高壓繞組、低壓繞組及鐵心，短路漏磁場有限元模型分析中可將其中的高低壓繞組視為處于磁勢動態平衡狀態。

繞組短路故障發生時，忽略繞組與鐵心之間存在的弱磁，采取靜磁場的計算方法得出漏磁場的相關參數。在二維磁場模型構建的過程中，其中的矢量磁位用表示，并將各種對稱邊近似看作滿足了二類齊次邊界條件的各種要求。在對磁場邊值問題求解的過程中，可以用（2）式表示：

式（2）中，x表示徑向，y表示軸向， J表示磁場邊界。

軸向振動有限元模型構建中，需要在有限元分析軟件的支持下得出墊塊均勻布置時繞組的位移，并利用對稱原理對兩個墊塊的實際作用進行深入地分析。此時，由于漏磁場與短路電流共同作用下產生的是動態短路力，應結合彈性動力學的相關理論處理實際的問題。軸向振動有限元模型中繞組位移計算時對應的各單元運動方程可以（3）式計算得到。

式（3）中，位移矢量矩陣用Z表示；摩擦系統用C表示；繞組剛度用K表示；選取的單元質量用M表示；電動力矢量用F表示。具體分析計算中應明確預緊壓強與墊塊等效彈性系數之間的關系：二者是正比例的關系。因此，繞組軸向振動穩定性分析時可以通過改變等效彈性系數的大小，模擬整個變化過程。

三、相關結果的有效分析

根據選取特定型號的電力變壓器，可以通過短路漏磁場有限元模型機軸向振動模型的作用，對繞組軸向振動穩定性進行合理地分析。分析中利用有限元分析軟件，得出繞組短路故障時的電抗分量 UKX%為3.82，對應的阻抗分量Ukr%為1.23。結合三相開口短路電流的變化情況，可以得出某一時間段內短路電流的最大值，并作為最終的漏磁場計算過程中的重要參數。

在有限元分析軟件的支持下，可以得出繞組的軸向振動規律：當電動力達到最大值時，對應的軸向短路力最大，致使端部的線餅產生了嚴重的變形。與此同時，繞組受到自身重力的影響，位移計算中無法利用對稱的方式計算，上部的繞組在常年的短路故障發生過程中變形顯著，靠近繞組中部的變形量相對較小。

繞組最大位移與線餅周圍的墊塊數有著很大的關系，主要在于不同數量的墊塊產生的短路電磁力大小有所差異，致使繞組最大位移發生了一定的變化。主要體現在：隨著墊塊的增加，軸向振動的最大位移減小，最大位移的減小幅度變小。在對墊塊寬度對繞組最大位移影響分析的過程中，發現減少繞組的最大位移應采取增大墊塊寬度的方式，將墊塊與繞組接觸面的變形量控制在合理的范圍內。因此，適當地增加墊塊數量，增大墊塊寬度，有利于提高電力變壓器繞組軸向振動穩定性。

結束語：

采取有效的措施做好電力變壓器繞組軸向振動穩定性分析的相關工作，有利于提高變壓器的工作效率，消除電力生產活動開展過程中存在的安全隱患。在具體的分析過程中，應采用可靠的分析方法，確保各種參數計算的合理性，并在可靠的參考模型支持下，為提高電力變壓器繞組軸向振動穩定性的增強提供可靠地保障。文中通過從不同的方面對變壓器繞組軸向振動穩定性進行了必要地闡述，客觀地說明了做好這項研究工作對于電力變壓器服務功能完善的重要性。

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作者簡介：

孫亮，男，1987年生，保定天威保變電氣股份有限公司助理工程師，主要從事變壓器設計工作。