基于ANSOFT的电力变压器绕组故障下的漏感特性研究

基于ANSOFT的电力变压器绕组故障下的漏感特性研究

陈琛

关键词:变压器;绕组故障;漏感;电磁场;有限元法

引言

在电力系统中电力变压器有“转换枢纽”之称。电力系统运行效率受电力变压器稳定可靠运行的显著影响。且随着社会经济的不断发展，电力工业的发展势头受各行各业日益剧增的需求的推进，输电线路电压等级的提高迫在眉睫，也使得单台变压器容量不断增加，导致漏磁场问题严重，加重了变压器的杂散损耗和绕组变形的程度。因此需深入研究不同工种状态下变压器漏磁场及漏感分布特性规律，从而指导变压器的设计和制造方法，使其合理可行，并且能够提高变压器抗短路效果，以充分保证变压器安全稳定运行。

1有限元仿真原理

所谓有限元法，其核心思想概括为两个，一个是变分、一个是离散。变分就是建立有限元的“弱形式”，例如将给定边界条件下的二阶偏微分方程的问题转化为求解一阶偏微分方程极值的问题，将复杂的问题近似简单化。离散就是将整个连续的求解区域分割成许多很小的子区域，在每个小区域中求出结果，然后把各个小区域的结果加起来得到整个区域的解。有限元法的整个过程简要地概括为:(1)将求解偏微分方程问题转换为求解条件变分问题;(2)以剖分单元作为三角形或者四边形来剖分整个求解域，同时构建线性插值函数;(3)通过构建线性代数方程组将转化能量泛函极值问题为能量函数极值;(4)对线性代数方程组进行求解。Ansoft公司的Maxwell是一个基于有限元法编写的功能强大的二维/三维电磁场分析软件。它包含友好的用户界面、先进的自适应网格剖分算法和强大的数据处理能力，相较与其他有限元软件更方便研究开发者使用。

2变压器绕组变形检测理论分析

以变压器单相独立绕组为研究对象进行理论分析。该绕组可视为由参数L、R和C构成的理想无源二端口网络，以绕组中每个饼为单位，则单相整体绕组电路根据实际变压器绕组饼数量采用串联结构连接而成。组的空间结构或电路结构发生相对变化，反映为电路参数的客观变化。根据电路理论，谐振频率f与电路参数L和C有直接对应关系，任一参数变化均可在谐振频率f变化上反映出来。绕组变形故障的频率信息f能通过对地电容Cg（幅向变形）和饼间电容（轴向变形）变化反映出来，从而确定了反映绕组变形故障的电容量变化与其频率信息变化的内在关系。

3电力变压器故障漏感仿真研究

3.1匝地短路

假设变压器A相1次侧绕组从绕组末端发生了匝地故障，因此在二维模型中绕组黑色的部分代表发生了接地，其匝数为总匝数的8%，设置在30ms时发生匝地故障。将A相高压绕组分为正常和故障绕组，从中间引出1条线接地。通过仿真可得故障相1次侧电压和电流:从图中可以看到A相和B相电流进入了暂态过程，1次侧由于绕组接地，电流急剧增大，1次侧三角形接法，C相电流和故障之前保持一致。计算A相漏感为:58.8mH。同理，通过不断改变接地的位置，即改变故障绕组匝数，得到变压器随匝地接地位置的漏感结果。当故障匝数较少时，漏感与正常运行时的漏感接近，随着故障匝数的增加，漏感逐渐减小。

3.2三相接地短路

当变压器发生故障时，绕组中产生很大的暂态电流，会造成变压器完全损坏和电网停电的严重事故。因此研究变压器故障时的漏磁场。设置三相短路故障位置发生在变压器外电路低压侧。其中a相初相角设为0°，对应短路时刻为30ms，此时发生三相短路最为严重，即在0～30ms变压器运行在负载情况下，在30ms后3个压控开关闭合，变压器三相短路。仿真可得A相低压侧电流为:三相短路之后，低压侧的短路电流急剧增大，并伴随一定的暂态过程，在短路时刻后的1/4周期，即40ms时，达到最大值为16.7kA，之后进入短路稳态过程，电流依然很大。巨大的电流往往产生巨大的电磁力，这将使绕组变形，绝缘遭受破坏。

3.3绕组变形故障检测试验方案设计

该电网公司现场事故220kV自耦变压器（SF-SZ11-180000/220）采用220kV、110kV和35kV高/中/低三电压等级，将该变压器各侧母线拆卸，各套管作为各相绕组首末引出端。以220kV高压侧三相绕组星形连接(Y)为例建立绕组变形检测系统。拆卸母线后绕组均为单相结构，将其母线高压套管和中性点套管作为纳秒脉冲信号耦合/响应检测的输入/输出端，在套管底部位置处安装电容性耦合传感器，在高压套管侧施加激励纳秒脉冲信号，而在中性套管侧检测响应信号。单相完整的检测系统结构。同样，该变压器高/中/低压侧各相绕组变形检测方案与该系统设计一致。

结语

本文通过Ansoft软件建立了真型变压器模型，仿真研究了三相油浸式变压器在三相短路、匝地故障、匝间故障等故障条件下的漏感特性。研究结果表明，在变压器2次侧三相短路的故障下，2次侧电流急剧增加，铁芯达到饱和，漏磁场也相应增加，变压器漏感较其正常运行时增加了30%;在匝地短路故障时，随着接地故障匝数的增加，漏感呈下降的趋势;在匝间短路故障时，随着匝间短路故障匝数的增加，漏感呈增加的趋势;可以通过漏感数值的变化趋势来在一定程度上判别变压器绕组的故障类型。为了保障变压器安全稳定运行，在保障绕组稳定性方面应开展以下工作：1）变压器抗短路能力校核工作是保障其承受短路能力的重要保障，应按时进行。2）绕组变形具有累计效应，应开展变压器短路次数、短路电流记录工作，以便于开展绕组变形程度分析。3）在变压器停电检修时，应及时开展绕组变形测试，并使用频响法和低电压短路阻抗法两种方法测试，且应尽量采用上次测试仪开展测试工作。4）新投运变压器应开展频响法绕组和低电压短路阻抗法进行测试，并留存测试数据，以便于运行过程中开展纵向对比。5）频响法绕组变形程度分析过程中应结合相关系数进行精确分析。

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