变压器短路阻抗变化规律的场路耦合分析

王录亮 黄松 江子豪

（1.海南电力技术研究院 2. 武汉三相电力科技有限公司）

变压器短路阻抗变化规律的场路耦合分析

王录亮1黄松1江子豪2

（1.海南电力技术研究院 2. 武汉三相电力科技有限公司）

本文针对电力变压器绕组变形故障进行仿真研究，基于110kV电力变压器模型，仿真分析了绕组线饼发生位移时短路阻抗的变化规律，得出线饼位移程度与短路阻抗在一定范围内呈线性关系的结论。对于该仿真模型，当位移程度增加时，短路阻抗按照线性规律下降。文中提出的仿真分析方法，验证了利用短路阻抗检测绕组变形的可行性，本文的结果给变压器设计与现场绕组故障分析提供了数据与指导。

有限元计算；场路耦合；短路阻抗

0 引言

当变压器受到外界较大的冲击电流或因长期运行而发生老化后，易形成变压器绕组变形，从而改变匝间绝缘距离并降低绕组机械性能，形成极大的安全隐患[1-3]。本文结合电路分析和有限元分析的场路耦合法，对某三相双绕组110kV电力变压器进行了仿真，验证了方法的可行性，并通过模拟绕组位移故障，计算并分析了短路阻抗随绕组变形程度的变化规律。

1 场路分析

有限元法主要用于解决不规则模型的电磁场计算问题，用有限元法能够有效地求解变压器绕组复杂的磁场。但变压器绕组接于电路中，电路导线中的电压电流无法在有限元法中体现，电路法更适合分析这类方法。本文结合两种方法对变压器进行场路耦合计算，分析绕组变形时短路阻抗的变化规律。

下图中的L1和L2分别为变压器两个绕组，其感应电压、漏电抗、主磁通均利用有限元法进行计算。图中的R1和R2为绕组铜耗的等效电阻，由于有限元的磁场模型中不考虑电阻的作用，因此等效电阻位于电路模型中，U为施加的交流电压源，Zload为添加的等效负载。

图 场路分析模型

变压器磁路集中在铁心中，取一定的空气区域后使用自然边界作为边界条件，边界条件方程如式（2）所示：

电路模型中基于KVL和KCL方程进行求解，仿真采用暂态模型，取电压电流稳定后的数据进行计算。

2 仿真分析

2.1 计算方法

仿真中计算短路阻抗的方法有两种，一是通过T形等效电路，求解电流方程计算短路阻抗大小；二是通过将等效负载设置为0，源端增加适当电压并测量此时电流值数量级与额定电流数量级可比，用电压电流之比作为短路阻抗大小。此时源端电压应当较小，从而减小励磁阻抗的影响。本文通过第二种方法计算短路阻抗的大小，并分析不同种类绕组变形带来的影响。

本文计算针对110kV电力变压器，将负载阻抗设置为0，相电压有效值设置为5kV，计算此时的短路电流，从而计算短路阻抗。测量中通过傅里叶级数计算基波幅值和相位，所有计算结果均为经过变换的基波结果。

2.2 绕组辐向位移

电力变压器由于高、低压绕组的电流方向相反，从而辐向电动力是对外绕组产生的外扩张力，而对内绕组是向内的力[4]，容易产生辐向变形。

仿真中将绕组向外侧（铁心反方向）进行辐向位移，分析移动程度不同时短路阻抗的变化规律，仿真结果如表1所示。

表1 绕组辐向移动短路阻抗变化规律

当辐向位移程度增加时，由于漏磁通减小，导致短路阻抗从39.43Ω减小到37.17Ω，位移程度每增加2%，短路阻抗约减少0.5Ω。

2.3 绕组轴向位移

在变压器中，电流以及漏磁场的辐向分量互相作用，使得绕组受到轴向电动力作用，轴向电动力会使线饼轴向位移，从而改变变压器漏磁造成短路阻抗变化。

仿真中将低压绕组第一个线饼轴向（铁心平行方向）向上变形进行轴向位移，分析移动程度不同时短路阻抗的变化规律，仿真结果如表2所示。

表2 绕组轴向移动短路阻抗变化规律

从表2看出，当辐向位移程度增加时，由于漏磁通减小，导致短路阻抗从39.46Ω减小到37.99Ω，位移程度每增加2%，短路阻抗约减少0.4Ω。

3 结果分析及结论

分析上述结果，得到以下结论：

1）当绕组发生向外侧的辐向位移时，此时绕组在空气中的面积不发生变化，而对应部分的磁场强度变小，从而漏磁通减小，导致短路阻抗减小。且变化规律基本上呈线性关系。

2）当绕组顶端的第一个线饼发生向上的轴向位移时，由于绕组与铁心之间的距离增加，通过其空气部分的磁场减小，从而漏磁通减小，导致短路阻抗减小。且变化规律基本上呈线性关系。

3） 本文验证了场路耦合法求解变压器短路阻抗的正确性，结果表明短路阻抗随辐向、轴向位移程度的增加而降低。从分析过程可以看出，短路阻抗变化的本质是绕组的磁通量发生了变化，对于实际情况需要进行对应的仿真分析，不能直接简单地通过位移形式来判断短路阻抗变化规律。

4）本文所描述的仿真方法给电力变压器的短路阻抗仿真提供了有效的分析手段，能够为实际装置的制作提供理论基础及数据支持。

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2017-03-01）