基于ANSYS Maxwell的干式接地變壓器故障原因分析方法

順特電氣設備有限公司 席國強

基于ANSYS Maxwell的干式接地變壓器故障原因分析方法

順特電氣設備有限公司 席國強

文中選用DKSC-630/10.5接地變壓器結構參數，運用大型有限元軟件Ansys Maxwell，快捷有效地分析了一起干式接地變壓器高壓內外線圈分離的故障原因，為接地變壓器的設計與分析工作提供了一種準確的三維分析模型和高效快捷的研究方法。

ZN型接地變壓器；ANSYS Maxwell 3D；三維模型；電動力；仿真計算

變壓器經典理論中，對于常規變壓器高低壓線圈之間的短路電動力計算，主要考慮正序電流。而接地變壓器對正序和負序電流呈高阻抗，對零序電流呈低阻抗性，高壓內外線圈之間的短路電動力計算，主要考慮零序電流[1、2]。三相零序磁通同相位，不能在三柱式鐵心內形成閉合回路，三相之間的相互電動力嚴重，不能簡化為一相二柱式。對于零序電流較大的三相三柱式接地變壓器，計算其高壓內外線圈及三相之間的相互電動力，目前沒有有效快捷的計算方法。

圖1-1 ZN型接地變壓器高壓線圈聯結圖和繞組接線圖

1 接地變壓器基本原理

ZN型接地變壓器和Dyn11常規變壓器的聯結圖如圖1-1和圖1-2。接地變壓器與常規變壓器的區別在于：每相線圈分成兩組（內外線圈）分別反向繞在該相磁柱上，同柱上兩繞組流過相等的零序電流而呈現低阻抗，零序電流在繞組上的壓降很小，零序磁通可沿磁柱流通。而常規變壓器的零序磁通是沿著漏磁磁路流通，所以ZN型接地變壓器的零序阻抗很?。?0Ω左右），而普通變壓器的零序阻抗要大得多[2]。

從圖1-1和圖1-2可以看出接地變壓器每柱的兩個線圈（高壓內外線圈）正序電流有120°相角差，零序電流為180°相角差，常規變壓器每柱的兩個線圈（高低壓線圈）正序電流為180°相角差[3]。

2 建立接地變壓器三維模型

圖1-2 Dyn11配電變壓器高低壓線圈聯結圖

本文選用最早來自Ansoft公司，后來被ANSYS軟件公司收購的低頻電磁場有限元仿真軟件Ansys Maxwell（Ansoft Maxwell）建立接地變壓器的三維模型如圖2-1。

2.1 設置激勵源(Excitations)

本文選用的接地變壓器DKSC-630/10.5的內外線圈的匝數均近似按500匝計算（實際產品匝數不等），假設流過內外線圈的零序電流按4000*√2（峰值）≈5657A，則內外線圈的安匝數為2828500。

圖2-1 接地變壓器三維模型

圖2-2 接地變壓器三維模型全部項目驗證通過圖示

接著，分別對接地變壓器A、B、C相內外線圈設置激勵（Assign Excitation），選電流Current，均輸入2828500，類型（Type）選絞合導體（Stranded）（實際生產為多匝繞制），并將內外線圈的電流方向設置相反，此為接地變壓器的特點，同一相的兩繞組反極性串聯，其感應電動勢大小相等，方向相反，正好相互抵消，因此呈低阻抗[4、5]。

2.2 設置求解參數（Parameters）

本文對接地變壓器內外線圈的電動力進行仿真計算，故此處分別對內外線圈設置求解電動力（Force）。

2.3 設置求解要求（Analysis Setup）

2.2.1適用條件漫川漫崗黑土區溝底比降較大的侵蝕溝，低山丘陵區水土資源較好的侵蝕溝或溝段，半干旱區侵蝕溝均適用。

通過主菜單Maxwell 3D 選擇 Analysis Setup ，再選擇 Add Solution Setup，對求解參數進行設置，此處均選擇默認值。

2.4 生成有限元網絡驗證模型（Validation Check）

點擊工具欄中使生效按鈕（Validate）對前面所建立的模型及設置的參數進行驗證，以便確定是否可以進行下一步求解，圖2-2為驗證通過的界面。

2.5 設置運行服務器（Maxwell 3D Server Setup）

本文采用選用本地計算機（Local machine）。

2.6 求解全部（Analyze all）

完成以上步驟后，點擊求解全部（Analyze all）按鈕對所建的模型及設定的參數進行有限元求解。若均正確則提示：Normal completion of simulation on server∶ Local Machine，否則提示錯誤信息。

2.7 查看求解結果（Solution data）

接地變壓器正常運行時A相高壓外線圈的電動力情況詳見圖2-5，接地變壓器A、B、C相內外線圈的電動力情況匯總如表2-1。表2-1中A相外和C相外的Y軸電動力均達到1.18×105的力，可以看出當接地變壓器流過零序電流時，A、C相的電動力與B相的不對稱，同時也可以說明磁路不對稱，A、C相的橫向漏磁較嚴重。

由牛頓第二運動定律G = mg估算1kg≈9.8N，1N≈1/9.8kg≈0.102kg，仿真結果中當接地變壓器正常運行時，A相高壓外線圈，X軸、Y軸、Z軸方向的電動力分別為-1147N、-1.1787×105N、-4816.9N，相當于117kg、1.202×104kg、491.3kg力。

從表2-1可以看出，A、C相外線圈Y軸（橫向）受力較大，說明接地變壓器在流過較大的零序電流時上下端部的漏磁較嚴重。該特點若采用常規解析算法計算量大，計算周期長，而采用仿真軟件計算，直觀高效。從以上所建立的模型結果輸出看，達到了預期效果，可用于后續分析。

3 對接地變壓器遭受過電壓且A和C相外線圈均發生相對位移時的電動力分析

表2-1 接地變壓器A、B、C相線圈的電動力情況

圖3-1 接地變壓器A和C相外線圈沿Z軸向上位移65mm三維模型

從前面的仿真結果表2-1可以看出，正常運行時接地變壓器A、C相內外線圈上下端部橫向漏磁比B相嚴重，線圈頂部壓釘松動及經歷多次大電流接地后，長期運行積累，可能會導致A、C相某一相外線圈脫離下方的墊塊支撐與內線圈產生Z軸方向相對位移，橫向漏磁逐漸增強，從而增強Z軸方向的電動力，逐漸累積后，位移增大，電動力逐漸增大，A、C相某一相發生位移，同時會引發另一相發生位移，從而出現A、C相都發生位移的情形。下面對接地變壓器遭受過電壓且A和C相外線圈均發生相對位移65mm時的電動力情況進行仿真，結果如下。

如圖3-2所示，當接地變壓器A、C相同時發生Z軸向上位移時，接地變壓器的上端部的橫向漏磁更嚴重，從而產生更大的軸向電動力，如表3-1。接地變壓器正常運行時軸向的力最大約為4800N（見表2-1），故障時A相線圈Z軸方向受到3.33×105N力，遠遠大于2.0×105N，接地變壓器將發生解體。通過A、C相外線圈向上錯位65mm的仿真看，該接地變壓器的模型能較全面的體現出接地變壓器的電動力情況，快速直觀的解決了接地變壓器的電動力分析問題。從而可知，接地變壓器線圈頂部壓釘松動及經歷多次大電流接地后，長期運行積累，導致A、C相某一相外線圈脫離下方的墊塊支撐與內線圈產生Z軸方向相對位移，接地變壓器A、C相外線圈會產生較大的軸向電動力，以致沖破上鐵軛的束縛而飛出解體。已有相關的案例如圖3-3和圖3-4，接地變外線圈飛出將頂部樓板沖破。

圖3-2 遭受過電壓且A和C相外線圈均發生相對位移65mm時鐵心磁場云圖和矢量圖

表3-1 遭受過電壓且A和C相外線圈均發生相對位移65mm時A、B、C相線圈電動力

圖3-3 接地變外線圈飛出解體

4 結束語

本文選用DKSC-630/10.5接地變壓器結構參數，運用大型有限元軟件ANSYS Maxwell 3D采用合理簡化對ZN型接地變壓器鐵心和繞組進行了三維建模，提出了合理的簡化模型。通過對仿真結果計算分析，結合實際工程案例，驗證了該三維仿真模型的準確性，達到了預期目的，直觀可視地解決了接地變壓器的電動力分析問題，為接地變壓器的設計與分析工作提供了一種準確快捷的計算方法。

通過仿真得出了如下結論：

接地變壓器的A、C相線圈橫向漏磁較嚴重，軸向和輻向電動力均比較大，B相因與A、C相的磁通相互抵消，電動力較小。接地變壓器零序磁通三相同相位，零序磁通不能在鐵心內形成閉合回路，只能穿過相間和繞組間的空氣間隙形成閉合回路。

圖3-4 接地變外線圈飛出致使頂部樓板破裂。

［1］崔立君．特種變壓器理論與設計[M]．北京：科學技術文獻出版社，1995：904-910.

［2］尹克寧．變壓器設計原理[M]．北京：中國電力出版社，2003：134-138，224-229，256-268.

［3］哈剛, 宋萬儉. 接地變壓器Z/ Y 接線與相位的分析［J］.冶金動力, 2006（2）: 44-46.

［4］陳玉慶，蔡斌.大型電力變壓器漏磁場的ANSYS有限元分析［J］.電力學報，2008，23（6）.

［5］李朋，郝治國，張保會，曹瑞峰，褚云龍.基于有限元法的變壓器漏感計算在繞組變形中的應用［J］.電力自動化設備 ，2007(7).