螺旋線圈繞組短路特性仿真研究

高會芳，王 旭，付楚珺，楊曉輝，趙 俊

(1.內(nèi)蒙古電力(集團(tuán))有限責(zé)任公司內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院分公司；2.內(nèi)蒙古電力(集團(tuán))有限責(zé)任公司,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020)

隨著電力系統(tǒng)的日益發(fā)展，對電力可靠性要求越來越高，為增強(qiáng)電網(wǎng)穩(wěn)定性，變壓器的投運(yùn)數(shù)量也同樣不斷增多。由于制造工藝、過負(fù)荷運(yùn)行、絕緣受潮及過電壓等因素的影響，變壓器容易出現(xiàn)匝間短路故障，為變壓器安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來風(fēng)險(xiǎn)。因此對于變壓器繞組匝間短路研究也顯得尤為重要。筆者簡化變壓器繞組結(jié)構(gòu)，建立均勻螺旋線圈及短路線圈模型，用以研究變壓器正常運(yùn)行及發(fā)生繞組匝間短路的運(yùn)行特性。

1 模型構(gòu)建

筆者建立基于變壓器均勻繞組結(jié)構(gòu)，利用Auto CAD軟件進(jìn)行3D結(jié)構(gòu)建模。本部分設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)螺旋結(jié)構(gòu)來代替均勻的繞組結(jié)構(gòu)。介于所使用仿真軟件計(jì)算及收斂能力等因素影響。這里設(shè)置螺旋結(jié)構(gòu)匝數(shù)為4匝，主半徑結(jié)構(gòu)為1 m，小半徑為0.1 m，軸向節(jié)距為0.3 m，徑向節(jié)距為0 m，手性為右旋，封端為與軸平行。這里設(shè)置外界環(huán)境為一個(gè)均勻球體環(huán)境，考量到仿真計(jì)算的收斂性，該結(jié)構(gòu)半徑為4 m，模型構(gòu)建如圖1所示。

圖1 螺旋線圈繞組模型

2 模型仿真過程設(shè)置

筆者基于COMSOL Multiphysics仿真軟件對模型進(jìn)行仿真計(jì)算。

2.1 研究方向

螺旋線圈繞組模型設(shè)計(jì)在外增加外界仿真區(qū)域，進(jìn)而對線圈及空間中的電場分布、電流密度分布及總功率損耗密度分布進(jìn)行仿真研究。通過對仿真線圈短路故障引起的參數(shù)變化進(jìn)行分析，進(jìn)而近似得到變壓器繞組在發(fā)生匝間短路故障情況下，對自身及空間電場環(huán)境改變的一般規(guī)律。

2.2 仿真設(shè)置

依據(jù)實(shí)際繞組材質(zhì)情況，設(shè)置螺旋線圈模型為銅材質(zhì)、外界環(huán)境為空氣材質(zhì)。由于所建立的螺旋線圈模型結(jié)構(gòu)相對較短，故設(shè)置物理場條件為沿電流實(shí)際流向方向上施加線電荷。具體為在所建立的螺旋結(jié)構(gòu)上選擇一條貫穿整個(gè)螺旋結(jié)構(gòu)的路徑，設(shè)置線電荷為1 C/m。為了保證模型仿真過程的收斂，需要在球結(jié)構(gòu)體上設(shè)置合適邊界條件，具體為將邊界選擇方式更改為手動，依次選擇球體外殼，設(shè)置電荷為0 C，初始電壓值為0 V。進(jìn)而完成整個(gè)模型的設(shè)定。

3 模型計(jì)算結(jié)果分析

3.1 模型電場分布分析

通過對螺旋線圈繞組模型空間電場環(huán)境進(jìn)行仿真研究，如圖2所示，模型在無短路情況時(shí)，空間電場環(huán)境呈較為均勻分布，未產(chǎn)生明顯畸變；模型在第1、2線圈發(fā)生短路時(shí)，在短路點(diǎn)位置發(fā)生較為明顯電場增加，而其他空間環(huán)境中呈較為均勻分布。

圖2 模型無短路及第1、2線圈短路時(shí)電場分布

通過對螺旋線圈繞組模型線電荷方向電場一維數(shù)據(jù)分析，如圖3所示，模型無短路情況時(shí)，電場分布較為均勻，電場值集中于4×1012V/m；模型在第1、2線圈發(fā)生短路時(shí)，在短路點(diǎn)位置發(fā)生較為明顯電場增加，電場值最高達(dá)到3×1013V/m，而空間其他部分電場分布較為均勻，電場值集中于4×1012V/m。

圖3 模型無短路及第1、2線圈短路時(shí)一維電場值

3.2 模型能量密度分布分析

通過對螺旋線圈繞組模型空間能量密度環(huán)境進(jìn)行仿真研究，如圖4所示，模型無短路情況時(shí)，空間能量密度環(huán)境呈較為均勻分布，未產(chǎn)生明顯畸變；模型在第1、2線圈發(fā)生短路時(shí)，在短路點(diǎn)位置發(fā)生較為明顯能量密度增加，而其他空間環(huán)境中呈較為均勻分布。

圖4 模型無短路及第1、2線圈短路時(shí)能量密度分布

通過對螺旋線圈繞組模型空間能量密度整體環(huán)境進(jìn)行仿真研究，如圖5所示，不論有無發(fā)生短路故障，在空間整體的能量密度分布呈均勻分布。

圖5 模型無短路及第1、2線圈短路時(shí)能量密度整體分布

4 結(jié)束語

對于構(gòu)建的螺旋線圈繞組模型而言，通過設(shè)置物理場條件改為沿電流實(shí)際流向方向上施加線電荷，保證了發(fā)生故障與實(shí)際情況保持基本一致。就仿真結(jié)果而言，在未發(fā)生短路故障時(shí)，空間電場及空間能量密度在所建立的模型上都體現(xiàn)出均勻分布的情況；在發(fā)生匝間短路故障時(shí)，所建立的模型在故障點(diǎn)處體現(xiàn)了空間電場及空間能量密度上產(chǎn)生的畸變，但在故障點(diǎn)以外的區(qū)域所表現(xiàn)出的空間參數(shù)分布較為均勻；不論是否發(fā)生短路故障，對遠(yuǎn)場環(huán)境空間電場及空間能量密度分布產(chǎn)生的影響不明顯。