干式變壓器繞組抗短路能力提升措施研究

摘 要：針對(duì)干式變壓器發(fā)生三相短路對(duì)繞組強(qiáng)度產(chǎn)生危害的問題，以一臺(tái)37 kV級(jí)8 000 kVA干式變壓器為例進(jìn)行研究。建立變壓器場(chǎng)-路耦合仿真模型，計(jì)算三相短路電磁力，利用電磁-結(jié)構(gòu)耦合仿真模型對(duì)繞組應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行計(jì)算分析，并探究鐵軛墊塊壓釘預(yù)緊力及低壓線圈內(nèi)側(cè)與鐵芯間橡膠棒數(shù)量對(duì)繞組抗短路能力提升的影響。結(jié)果表明，適合的預(yù)緊力可以使繞組最大應(yīng)力值下降50%，8根橡膠棒相比于4根橡膠棒，繞組最大應(yīng)力值下降約7%，兩種措施均可提升繞組抗短路能力，為變壓器設(shè)計(jì)及繞組抗短路能力研究提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：干式變壓器；電磁-結(jié)構(gòu)耦合；三相短路；短路電磁力；繞組強(qiáng)度

中圖分類號(hào)：TM412" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1671-0797（2025）06-0024-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.06.006

0" " 引言

干式變壓器由于其易維護(hù)、故障率低等優(yōu)點(diǎn)[1]，近幾年被廣泛應(yīng)用在儲(chǔ)能、風(fēng)電等領(lǐng)域。變壓器作為電力系統(tǒng)中的核心設(shè)備之一，成本高昂，對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性有直接影響。變壓器故障調(diào)查顯示，運(yùn)行中，變壓器易發(fā)生繞組故障，繞組引起的故障占比超15%，其中短路是最為嚴(yán)重的故障之一。三相短路相比于其他短路對(duì)繞組產(chǎn)生的危害更大，繞組強(qiáng)度不足，甚至可能直接導(dǎo)致變壓器損毀，無法運(yùn)行。

近年來，大量學(xué)者對(duì)變壓器匝間短路、相間短路、單相接地短路、三相短路進(jìn)行了研究分析。歐強(qiáng)、羅隆福等學(xué)者對(duì)電力變壓器多次短路下的繞組積累機(jī)械損傷進(jìn)行了研究[2]，量化了短路損傷與繞組動(dòng)態(tài)機(jī)械壽命之間的關(guān)系。馬奎、王曙鴻等學(xué)者計(jì)算了變阻抗變壓器的短路電流首峰值隨短路瞬間電壓相位的變化關(guān)系[3]。金雷、羅維等學(xué)者分析了變壓器短路的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法以及對(duì)短路問題的檢修方案[4]。咸日常、張冰倩等學(xué)者利用場(chǎng)-路耦合仿真模型[5]，研究了變壓器二次繞組徑向、軸向不同位置出現(xiàn)單匝短路故障下的電磁參數(shù)。以上文獻(xiàn)多是對(duì)油浸式變壓器短路下的繞組形變以及故障診斷進(jìn)行研究分析，對(duì)干式變壓器短路電磁力作用下的應(yīng)力、應(yīng)變及繞組抗短路能力的提升措施研究較少。

本文以一臺(tái)37 kV級(jí)8 000 kVA干式變壓器為例，建立干式變壓器有限元仿真模型，在電磁-結(jié)構(gòu)耦合場(chǎng)中對(duì)三相短路下繞組應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行計(jì)算，探究了鐵軛墊塊壓釘預(yù)緊力及低壓線圈與鐵芯間橡膠棒數(shù)量對(duì)繞組強(qiáng)度提升的影響。結(jié)果顯示，適合的壓釘預(yù)緊力可將繞組強(qiáng)度提升50%，增加橡膠棒數(shù)量也可提升短路下繞組強(qiáng)度。

1" " 干式變壓器模型及參數(shù)

本文以一臺(tái)37 kV級(jí)8 000 kVA干式變壓器為例進(jìn)行分析。高壓線圈采用環(huán)氧樹脂澆注，線繞；低壓繞組為箔繞。建立1：1三維仿真模型如圖1所示，變壓器參數(shù)如表1所示。

2" " 變壓器三相短路故障模型搭建

2.1" " 短路電磁力分析

繞組所受電磁力是變壓器短路情況的重要分析指標(biāo)。變壓器漏磁場(chǎng)分為徑向漏磁場(chǎng)和軸向漏磁場(chǎng)，因此短路下繞組所受電磁力由徑向電磁力和軸向電磁力所決定。

由畢奧-沙瓦定律分析可知，繞組中電流產(chǎn)生的電磁力為：

dfx=By jdv，dfy=Bx jdv" " " " " " " " （1）

式中：dfx和dfy分別為繞組上徑向力和軸向力；Bx、By分別為徑向和軸向的磁感應(yīng)強(qiáng)度；j為導(dǎo)線電流密度；dv為導(dǎo)線體積。

積分形式可以表示為：

fx=By jdv="j，fy=Bx jdv=x j" " " " " " " "（2）

式中：x、y為徑向和軸向單元平均磁感應(yīng)強(qiáng)度；為單元體積；m為單元數(shù)。

由式（2）可以看出，繞組所受電磁力與其漏磁場(chǎng)強(qiáng)度間成正比關(guān)系。

在變壓器整體結(jié)構(gòu)中，位于內(nèi)部的磁力線與芯柱平行，在端部出現(xiàn)彎曲。內(nèi)部繞組所受向內(nèi)壓力與外部繞組所受外張電磁力均為徑向電磁力，徑向漏磁場(chǎng)產(chǎn)生軸向電磁力。

繞組短路電磁力通常計(jì)算三相短路電流第一個(gè)峰值時(shí)刻下的，此時(shí)短路電流IM可用下式計(jì)算：

IM===KIN" " " " " （3）

式中：Kd為短路電流沖擊系數(shù)；IN為額定電流；U為阻抗電壓百分?jǐn)?shù)；K為短路電流倍數(shù)。

繞組短路下電磁力F為：

F=KByINL" " " " " " " " "（4）

式中：L為導(dǎo)線長(zhǎng)度。

一個(gè)圓周長(zhǎng)度導(dǎo)線所受電磁力Fr為：

Fr=KByi2πRiJdiS" " " " " " " " " （5）

式中：Byi為第i個(gè)單元軸向磁感應(yīng)強(qiáng)度；Ri為第i個(gè)單元半徑；Jdi為第i個(gè)單元平均電流密度；S為導(dǎo)線一個(gè)圓周的面積。

2.2" " 變壓器三相短路故障模型

在Maxwell Simplorer中建立變壓器三相短路故障外電路模型，對(duì)變壓器參數(shù)及電阻值進(jìn)行設(shè)置，利用場(chǎng)-路耦合模型計(jì)算三相短路電磁力，外電路模型如圖2（a）所示。在Workbench中建立電磁-結(jié)構(gòu)耦合模型，如圖2（b）所示，將短路電磁力作為激勵(lì)施加在繞組結(jié)構(gòu)上。

3" " 變壓器繞組抗短路能力提升措施

3.1" " 調(diào)整壓釘預(yù)緊力提升繞組強(qiáng)度

干式變壓器高壓線圈通過上夾件壓釘壓緊鐵軛墊塊進(jìn)行固定，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

通過鎖緊壓釘壓緊鐵軛墊塊，從而固定高壓線圈。仿真中通過調(diào)整鐵軛墊塊與高壓線圈端部間的摩擦系數(shù)來模擬預(yù)緊力大小，探究預(yù)緊力對(duì)繞組強(qiáng)度的影響，正常情況下摩擦系數(shù)在0.9附近。施加三相短路力，分別計(jì)算摩擦系數(shù)為0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0下的A相繞組最大應(yīng)力值，結(jié)果如圖4所示。

從圖4可以看出，摩擦系數(shù)在0.8時(shí)，繞組最大應(yīng)力值最小，摩擦系數(shù)在0.5～0.7以及0.9～1之間時(shí)均大于0.8時(shí)的應(yīng)力值。由此可以看出，預(yù)緊力不足會(huì)導(dǎo)致繞組強(qiáng)度下降，預(yù)緊力越大強(qiáng)度并非越好，過大的預(yù)緊力同樣會(huì)導(dǎo)致繞組強(qiáng)度降低，即摩擦系數(shù)在0.8時(shí)，強(qiáng)度最好，相比于0.9時(shí)，繞組應(yīng)力值下降約50%。

3.2" " 增加橡膠棒數(shù)量提升繞組強(qiáng)度

干式變壓器低壓線圈可通過在其與鐵芯片間放置圓形橡膠棒來提升強(qiáng)度，通過仿真探究橡膠棒數(shù)量對(duì)繞組抗短路能力的影響。

橡膠棒數(shù)量分別設(shè)置為4根、8根，施加三相短路力作為載荷，分別計(jì)算不同橡膠棒數(shù)量下的繞組應(yīng)力應(yīng)變值，結(jié)果如圖5所示。

從圖5可以看出，4根橡膠棒時(shí)，繞組最大應(yīng)力值為51.931 MPa，8根橡膠棒時(shí)，繞組最大應(yīng)力值為48.298 MPa，繞組最大應(yīng)力值下降7%。由此可知，增加鐵芯與低壓線圈間橡膠棒數(shù)量可提升繞組抗短路能力。

4nbsp; " 結(jié)論

本文以一臺(tái)8 000 kVA儲(chǔ)能變壓器為例，首先建立變壓器三維仿真及三相短路故障模型并計(jì)算三相短路電磁力。然后通過改變摩擦系數(shù)來模擬鐵軛墊塊壓釘預(yù)緊力對(duì)繞組強(qiáng)度的影響，并探究低壓線圈與鐵芯間橡膠棒數(shù)量對(duì)繞組強(qiáng)度的影響。

1）壓釘預(yù)緊力并非越大越好，適合的壓釘預(yù)緊力可以大幅提升繞組強(qiáng)度。仿真結(jié)果顯示，摩擦系數(shù)在0.8時(shí)，繞組最大應(yīng)力值最小，相比摩擦系數(shù)為0.9時(shí)，繞組最大應(yīng)力值下降50%。由此可見，合適的預(yù)緊力可以提升繞組抗短路能力。

2）鐵芯與低壓線圈間橡膠棒數(shù)量會(huì)對(duì)短路下繞組強(qiáng)度產(chǎn)生影響，相比于4根橡膠棒，8根橡膠棒下繞組最大應(yīng)力值下降7%，可見，增加橡膠棒數(shù)量可以提升繞組抗短路能力。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 崔立君.特種變壓器理論與設(shè)計(jì)[M].北京：科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，1996.

[2] 歐強(qiáng)，羅隆福，李勇，等.一種電力變壓器短路累積機(jī)械損傷評(píng)價(jià)方法[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2024，39（8）：2578-2590.

[3] 馬奎，王曙鴻，姚曉飛.110 kV變阻抗變壓器短路電流首峰值限制方法[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2021，36（增刊2）：723-729.

[4] 金雷，羅維，魯非，等.電力變壓器短路風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及防治措施[J].變壓器，2020，57（3）：46-50.

[5] 咸日常，張冰倩，劉興華，等.應(yīng)用有限元分析電力變壓器繞組匝間短路的暫態(tài)特征[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2021，25（10）：130-138.

收稿日期：2024-12-16

作者簡(jiǎn)介：王勇（1996—），男，內(nèi)蒙古赤峰人，變壓器設(shè)計(jì)助理工程師，研究方向：大容量干式變壓器設(shè)計(jì)。

李艷平（1979—），男，云南曲靖人，變壓器設(shè)計(jì)高級(jí)工程師，研究方向：變壓器設(shè)計(jì)。