短路电动力作用下变压器低压绕组变形研究

电力变压器短路时会产生巨大的短路电动力,当短路电动力过大时会导致变压器绕组变形.为研究三相三绕组变压器短路时的电动力分布和绕组变形情况,本文以一台50MV·A/110kV的三相三绕组变压器为例,计算变压器发生短路时的短路电流,将该短路电流作为激励,通过有限元软件计算绕组的短路电动力,采用磁-结构耦合的方式计算在最大短路电动力作用下的绕组变形和应力分布.结果表明,短路时低压绕组受到向内压缩的辐向电动力和向中间压缩的轴向电动力,绕组中间部分受到的短路电动力大于两端,导致绕组中部的变形程度大于两端.研究结果对研究变压器绕组变形具有一定实际意义.     

三绕组变压器中压绕组短路电动力的计算方法

针对220 kV/180 MVA三绕组电力变压器出口短路时短路电流的计算问题,从磁势平衡原理出发,建立了在中压绕组短路工况下中压绕组短路力的计算模型,利用"场-路耦合"有限元方法计算了该模型的二维瞬态漏磁场,获得了中压绕组线饼的受力分布和瞬变曲线,并对受轴向短路电动力作用最大线饼的轴向稳定性进行了校核。计算结果表明,利用有限元软件ANSYS对三绕组变压器中压短路工况下中压绕组短路电动力的计算方法,省去了传统计算电动力复杂的计算过程及一些计算假设,提高了计算精度,变压器的中压绕组具有足够的轴向机械强度,对变压器设计和运行人员有一定的参考价值。     

电力变压器绕组短路电动力计算

针对短路时电力变压器绕组易发生形变,绝缘受损问题,通过三维磁场对其绕组电感矩阵进行计算以获取短路电流,之后采用绕组电路与变压器三维磁场进行耦合分析,运用分层切片剖分,计算出变压器绕组短路时轴向和辐向的电动力,校核了该电动力对绕组的破坏强度影响。并以一台180 000 kVA的三相五柱式电力变压器为例进行分析。结果表明,低压绕组在辐向受到较大向内的压缩力(辐向电动力),若该力超出临界值时将使绕组绝缘受到损坏,影响变压器使用寿命。同时绕组所受轴向电动力将引起绕组松动,严重时导致绕组坍塌,此电动力呈对称分布。该方法有助于更准确计算变压器绕组内部磁场分布及所受电动力影响,为研究类似问题提供了依据。     

基于磁-力耦合场的单相电源变压器短路试验研究

以一台200 kVA配电变压器为研究对象,探索了采用单相电源进行变压器承受短路能力试验的可能性,建立变压器三维有限元模型,并进行短路试验验证.利用该模型计算三相短路时不同激励方式下绕组的短路电流与短路电动力,分析比对不同工况下绕组的短路电流及电动力分布特性.研究结果表明,当低压侧三相短路、高压侧三相激励或单相激励时,其短路电流与过零合闸相电动力基本相同,相间短路力相互影响很小,证明了采用单相电源替代三相电源进行短路试验的可行性.     

220kV电力变压器短路动力学性能分析

电力变压器突发三相同时短路时,短路电流对变压器绕组动稳定性影响重大。笔者针对一台220 kV等级电力变压器,基于有限元电磁—结构耦合计算,运用动力学原理,研究短路电磁力作用下的低压绕组机械强度及变形过程。在电磁分析中,计算了各绕组的轴向和辐向电磁力,确定绕组中承受电磁力最大的线饼;在辐向应力应变分析中,以电磁力为激励,对选定绕组进行瞬态动力学计算,得出线圈的辐向动态应力及位移;在绕组轴向振动分析时,考虑线饼间绝缘垫块弹性模量,分析线饼轴向动态力和轴向位移。分析结果为变压器绕组短路强度校核提供参考依据。     

换流变压器绕组辐向短路电动力的计算与分析

针对一台530 kV/405.2 MVA单相双绕组换流变压器,根据电磁学原理,以绕组实际结构建立了二维求解模型.在网侧绕组处于+9×1.25％分接与阀侧绕组短路的情况下,应用ANSYS有限元软件,采用“场-路耦合”法求得该模型的短路阻抗与瞬态漏磁分布.以此为基础,提取出线饼单元的轴向平均漏磁密,获得了网、阀侧绕组线饼的辐向力分布和瞬变曲线,并对受辐向短路电动力作用最大的线饼进行了稳定性校核.计算分析结果表明,该模型和计算方法可实现换流变压器绕组辐向短路力的计算及辐向机械强度的核算.     

基于变压器等值电路绕组电动力的计算

变压器发生短路故障时,绕组直接承受突变电流产生的电动力,可能导致绕组发生形变,甚至对事故进一步恶化,因此计算短路电流的大小,分析电动力的变化规律,为变压器的抗短路设计提供参考价值。基于变压器绕组的等值电路,提出一种通过有限元仿真软件求取变压器等值参数的方法,并搭建等值电路以及建立仿真模型,然后研究短路电流与电动力之间的关系。研究结果表明,仿真得到的短路电流与理论值具有高度一致性;短路发生后,轴向和辐向电动力呈一定规律分布;绕组横向漏磁呈马鞍形曲线变化,而纵向漏磁中间部位最大,两端较小。该模型能够准确的分析变压器复杂电磁环境,克服现有方法的局限性。     

220kV变压器短路状态绕组受力数值模拟

发现受外部短路电流冲击时的变压器绕组受力规律一直是工程上需要解决的技术难题。以一台型号为SFPSZ7-150000/220的三相三绕组油浸式电力变压器为例,在Maxwell软件中建立变压器三维有限元计算模型,采用瞬态磁场求解器仿真发生单相外部短路时该变压器绕组所受电磁力,计算并得到了0.25 s短路时间内各相绕组、各个线饼在各方向所受电磁力的幅值和动态规律。数值模拟结果表明:高压绕组各线饼受力规律大致相同,大致关于绕组中部对称;变压器绕组端部主要受到轴向力的作用,变压器绕组中部主要是受到辐向力的作用;高压绕组所受辐向力使得高压绕组内径增大,中压绕组所受辐向力使得中压绕组内径缩小。     

变阻抗节能变压器的动热稳定性能研究

以110/38.5/10.5 kV,63 000 kVA三绕组变压器为例,提出将限流电抗器与快速开关并联后串入变压器高压绕组的变阻抗变压器。建立Pscad短路仿真模型,发生短路故障时通过快速开关控制限流电抗器的投切实现限流;分析了变压器中压绕组出口三相对称短路时限流电抗器的限流效果。建立了变压器绕组轴向振动的"质量弹簧系统",用以分析变压器绕组在轴向短路力作用下的轴向动态过程,可得绕组的动态位移、动态力、弯曲应力。基于二维轴对称磁—热—流耦合场有限元模型,计算变压器绕组温升。对比分析限流电抗器投入与否2种情况下短路动、热性能,结果表明:投入限流电抗器变压器可降低短路电动力冲击和短路温升,变阻抗变压器的动热性能均优于传统的变压器。     

短路电动力对变压器低压绕组辐向稳定性的研究

针对电力变压器遭遇短路故障时绕组变形问题,采用一种基于有限元的场路耦合研究方法,通过在有限元软件中建模,利用场路耦合方法获取变压器的短路电流、磁场分布,继而计算出绕组短路时辐向电磁力,然后按照绕组的实际参数进行结构屈曲分析,研究绕组辐向稳定性问题。以一台500 k VA的三相铁芯式配电变压器为例进行分析,结果表明,低压绕组在短路时承受较大的辐向电磁力,当该力超出临界屈曲值时绕组发生形变甚至绝缘层破坏,缩短电力变压器使用寿命。研究方法和结果对变压器绕组变形等相关研究具有一定实际意义。     

电力变压器绕组电动力的分析计算

利用有限元算法分析了三相电力变压器绕组各线匝在不同运行模式下电动力引起振动。在“磁—路”耦合模型中 ,电路参数的不同取值对应于变压器的不同运行模式———空载、常态和短路。分析结果表明 ,内绕组在径向受到压力 ,外绕组在径向受到张力 ,内、外绕组轴向电动力比径向力小很多 ,而相邻线饼或线匝间存在相互挤压力。尤其在短路条件下 ,巨大的电动力将使变压器线圈产生变形 ,其局部或整体受到破坏 ,最后导致变压器发生故障。     

Electromagnetic force investigation on distribution transformer under unbalanced faults based on time stepping finite element methods

The occurrence of short circuit faults is a major cause behind the windings deformation in the transformers. Mechanical force is proportional to the square of the current. Hence under short circuit condition, it will be very high. These stresses radially or axially affect the transformer windings. Therefore, in the transformer designing, evaluating the effects of short-circuit current and inrush current is very important. In this paper, 2-D and 3-D time stepping finite element methods (TSFEM) that improved in Ansoft-Maxwell, are utilized as Instruments to investigate the leakage flux and electromagnetic forces due to short circuit and inrush current on the windings of 1000 kV A, 10/0.4 kV three-phase, three leg, distribution transformer. Electromagnetic forces in the transformer windings are produced as a result of combination between the current density and the leakage flux density in the winding regions. The study demonstrates that, especially, under single phase-to-ground short circuit fault, leakage flux density on the windings of transformer remarkably increase. The interaction between this high leakage flux with current density, causes the significant increase in the electromagnetic forces in transformer windings.     

The effects of axial displacement of transformer windings on impulse and transferred voltage distribution

Mechanical forces due to short circuit currents especially near the power transformer will cause the axial displacement or radial deformation of transformer windings. Therefore, it is possible to have a transformer with mechanical faults in the electrical power system. Hence, it is necessary to design the insulation arrangement in order to get sufficient withstand against the impulse voltage distribution in case of such faults. In this paper, the effects of axial displacement on impulse and transferred voltage distribution are investigated with the help of two particular windings having the rated power of 1.3 MVA as a test object and its detailed model. The results show the significant influences of axial displacement on impulse voltage distribution so they should be considered in the design of insulation.     

基于“场-路”耦合有限元分析法的变压器短路电抗仿真的研究

短路电抗法是检测电力变压器绕组变形的有效方法之一,开展变压器短路电抗的仿真计算研究,对于获取各种绕组变形故障时的特征信息具有重要意义。基于实验室中一台模型变压器的结构参数,分别建立了绕组正常及存在匝间短路故障时的有限元仿真模型,利用"磁-路"耦合的方法对变压器的漏磁场和漏感参数进行了计算,分析了绕组变形位置与变压器漏磁场之间的关系,并与在模型变压器上的实验结果进行了对比,结果表明:绕组内部发生匝间短路故障时,在径向中部的匝间短路对漏磁场的影响较大,而在轴向中层绕组的匝间短路对漏磁场的影响较小。研究成果对于指导短路电抗法的现场应用和绕组故障的检测提供了一定的理论依据。     

漏电感参数辨识技术在线监测变压器绕组变形

电力变压器运行过程中发生绕组变形将会导致绕组漏感参数发生变化,为了实现变压器绕组的在线监测和预知性维修,以变压器回路方程作为参数辨识模型,提出了一种利用最小二乘算法进行绕组漏电感参数实时辨识从而实现绕组变形在线监测方法,推导了用于变压器漏电感参数辨识的方程,分析了辨识结果产生误差的原因,并对忽略励磁电流带来的误差进行了补偿。动模试验数据及仿真数据验证了参数辨识结果具有较高的精度,且不受负荷变化及功率因数变化的影响,同时利用绕组模拟变形数据验证了绕组变形在线监测实现的可行性。     

电力变压器内线圈径向屈曲特性的研究

针对变压器行业的关注重点即短路电磁力作用下电力变压器线圈的稳定性 ,研究了短路条件下内线圈的径向稳定性。鉴于线匝撑条的非理想固紧 ,建立了电缆绕组变压器内线圈弹支座径向失稳模型 ,利用小挠度线性有限元法计算了线匝的径向各阶屈曲载荷 ,还讨论了屈曲载荷与撑条根数、等效弹支座弹性系数、线匝刚度和初始缺陷的关系。     

大型电力变压器绕组轴向非线性振动研究

建立了变压器绕组安匝不平衡时轴向非线性振动数学模型 ,计算分析了短路条件下绕组轴向振动位移、振幅、相位随时间的变化规律 ,讨论了轴向预紧力等因素对绕组轴向动态特性的影响。说明保持绕组轴向压紧可以增强绕组的轴向稳定性和对短路的承受力。     

非晶合金变压器铁心碎片产生机理及对绝缘影响的研究

针对非晶合金变压器运行时铁心产生碎片引起绝缘故障的现象,通过电磁-结构多场耦合计算理论和静电场计算理论,建立非晶合金变压器三维模型,计算不同工况下非晶合金变压器铁心的形变。计算结果表明负载电流越大,导致铁心的形变越大,铁心形变超过非晶合金材料碎裂极限后将有碎片产生。尤其在单相短路工况下,铁心产生大幅度形变引起大量碎片形成。通过计算主绝缘结构中存在碎片引起的电场畸变,得出了不同尺寸、数量以及碎片与绕组所成不同角度对电场畸变幅度的影响规律,从而得出铁心振动产生的碎片对绝缘存在影响的结论。     

一种配电变压器绕组变形故障的在线监测新方法

针对电网对变压器绕组健康状态在线监测的需求,提出了一种新的变压器绕组变形故障在线监测方法。通过在线测量两种不同负荷下一次侧和二次侧的电压电流,计算出变压器的短路电抗值,进而反映变压器绕组变形情况。此方法的突出优势在于无需空载调零,不受激磁电流变化影响,不受运行中配电变压器一次侧电压随电网电压波动的影响且精度很高。将所提方法应用于不同容量的配电变压器,仿真结果显示该方法能够精确有效地在线测量正常变压器和有不同程度变形故障的变压器的短路电抗值,从而实现配电变压器绕组变形故障的在线监测。依据本方法的特点,设计了实现短路电抗在线监测所必需的数据采集模块和分析模块。     

大型变压器承受短路冲击后故障特征与现场修复

通过对 1台大型变压器经受出口短路冲击后 ,绕组变形的检查分析和现场修复 ,提出了大型变压器类似故障的现场优化修复方案和防止措施。