基于ANSYS Workbench的變壓器鐵芯—繞組振動仿真*

姚 敏， 趙振剛， 高麗慧， 郭麗君， 李英娜， 李 川

(昆明理工大學 信息工程與自動化學院，云南 昆明 650500)

0 引 言

隨著電力系統容量的增大，電力變壓器的可靠運行與電力系統的安全密切相關[1～5]。電力變壓器鐵芯—繞組故障已經成為導致變壓器損壞的最主要原因，因此，需要對變壓器鐵芯—繞組進行仿真分析，選擇振動最強點作為測點對變壓器工作狀態進行實時監測，及時排除故障，使變壓器可以安全穩定工作[6～8]。

本文分析了變壓器鐵芯—繞組的結構，利用有限元分析軟件ANSYS Workbench建立了變壓器鐵芯—繞組模型，從夾緊和松動2種狀態對鐵芯—繞組的模態特征進行了仿真分析，找出變壓器鐵芯—繞組振動最強幅值的分布位置，為變壓器振動情況的最優測點位置選擇提供了理論依據；對比夾緊狀態下鐵芯—繞組振動的幅頻特征，得到鐵芯—繞組在夾緊狀態下振動的基準幅值，為變壓器振動情況的閾值設定提供了理論依據。

1 35 kV油浸式變壓器結構模型

選擇云南通變電器有限公司制造的S13—12500/35型油浸式無勵磁調壓電力變壓器，鐵芯具有穩定性好，噪音低，抗短路能力強的優點，繞組導電性能好，負載損耗低，適用于高海拔地區。

仿真分析時：1)忽略變壓器油，認為其對結構件間力無影響；2)認為變壓器結構件之間的連接無間隙，完全貼合；3)變壓器繞組內壁被繞組套筒完全固定在鐵芯結構件上。為了方便后續分析中進行模型剖分，避免圓弧處剖分密度過大，將圓柱體結構的鐵芯和繞組，近似繪制成多邊形結構，選擇前后左右均對稱的12邊形作為繞組和鐵芯的剖切面。同時，盡量避免切邊倒角的圓弧倒角。利用ANSYS Workbench完成變壓器結構建模，鐵芯—繞組—結構件的有限元結構模型如圖1。

圖1 鐵芯—繞組—結構件模型

2 35 kV油浸式變壓器磁力分析

實際中，變壓器的鐵芯和繞組受到電磁力的作用。求解鐵芯—繞組系統的電磁力時，利用電磁力分析軟件ANSOFT Maxwell對鐵芯—繞組的有限元模型進行了離散步電磁力載荷的加載。其中，仿真停止時間選取0.02 s，仿真步長選取0.000 1 s，得到變壓器電磁力云圖,如圖2。

圖2 電磁力云圖

將分析得到的電磁力數據導入到ANSYS Workbench中得到鐵芯—繞組系統的電磁力分布如圖3表明:變壓器鐵芯繞組上方的電磁力密度較大，鐵芯—繞組中電磁力最大值達2.445 8×105N/m3。

圖3 電磁力分布

3 35 kV油浸式變壓器鐵芯—繞組振動模態分析

通過對變壓器的振動仿真分析可以為變壓器的設計及故障診斷提供理論依據，變壓器的振動是各階模態振型的復合，且隨著階次的遞增，固有頻率呈現遞增的趨勢。而載荷的固有頻率較低，只需要分析與載荷頻率接近的模態特征，因此，本文只研究鐵芯—繞組前三階的模態特征。

將上述電磁力數據導入ANSYS中，變壓器中通入50 Hz正弦交流電，設置鐵芯—繞組處于夾緊狀態下的預緊力為26 MPa，其前三階模態特征仿真如圖4所示。設置鐵芯—繞組處于松動狀態下的預緊力為9 MPa，其前三階模態特征仿真如圖5所示。

圖4 夾緊狀態下鐵芯—繞組的前三階模態特征仿真

圖5 松動狀態下鐵芯—繞組的前三階模態特征仿真

對比分析圖4、圖5中相應模態的振型特征，得到壓緊和松動狀態下鐵芯—繞組各階振型特征如表1。

表1 壓緊和松動狀態下鐵芯—繞組各階振型特征

通過表1可知：鐵芯繞組振動最強的位置主要分布在上夾件的中部和下表面左右兩側的4個端角、上鐵軛的中部、三相繞組的上部。該振動強弱分布特征可以為變壓器振動情況的實時監測選擇最優測點位置提供理論依據。

4 35 kV油浸式變壓器鐵芯—繞組振動幅頻響應分析

由變壓器出廠參數知，該鐵芯—繞組的正常預緊力范圍在10～36 MPa。利用ANSYS分析其處于正常預緊力狀態下的振動幅頻響應情況。圖6為鐵芯—繞組在30，22 MPa的預緊力作用下的幅頻響應情況。

圖6 2種不同預緊力下的振動

根據圖6幅頻響應特征對比，該鐵芯—繞組在正常預緊力下的主要響應頻帶在300 Hz以上，振幅頻譜能量主要集中在100，300～350 Hz 附近。主要響應頻帶隨著預緊力的減小，鐵芯—繞組系統振動最大峰值呈現變小趨勢，雖然在正常預緊力范圍內，主要振動頻率處的幅值存在波動，但波動較小，大約為0.003×10-7m。變壓器出廠時，其結構的預緊力固定，正常運行情況下，其振動幅值為特定值，因此，可以將該情況下的振動幅值作為基準幅值，當變壓器結構發生松動時，觀察其振動幅值與基準幅值的差異度，從而判斷預緊力是否發生變化。

5 結 論

為實時監測變壓器的工作狀態，及時排查故障問題，針對變壓器鐵芯—繞組結構進行仿真分析，獲得其最強振動點分布情況，以選擇最優點對變壓器進行檢測。根據變壓器鐵芯—繞組模型，在夾緊和松動2種狀態下對鐵芯—繞組的模態特征進行仿真分析，分析結果表明：鐵芯—繞組振動最強的位置主要分布在上夾件的中部和下表面左右兩側的4個端角、上鐵軛的中部、三相繞組的上部，可作為最佳測點；正常預緊力下的主要響應頻帶在 300 Hz以上，振幅頻譜能量主要集中在100，300～350 Hz 附近，由此可確定閾值范圍。

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