福州大学科研人员发布影响变压器绕组变形的研究成果

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变压器绕组在短路电动力冲击作用下，受多重因素的影响，绕组的形变量发生显著变化。福州大学电气与自动化学院的研究人员杜国安、徐玉珍、兰生、陈杰、林野，在2021年第1期《电气技术》上撰文，采用磁-结构场耦合的有限元仿真方法，建立变压器的三维模型，运用Ansys Maxwell计算出绕组的短路电动力体密度分布，采用顺序耦合的方法把电动力体密度耦合到Ansys Workbench中的结构场，进行绕组的静力学分析；运用相关理论分别分析温度、预紧力等变化对绕组的形变量的影响。

结果表明，温度和预紧力均能影响绕组强度，温度对绕组辐向形变量影响更大，预紧力对绕组轴向形变量影响更显著，在电磁力分布较大的区域，二者的影响效果均明显增加。研究结果对变压器抗短路设计有一定参考意义。

电力变压器是电力系统中电能传输和转换的重要设备，在电力系统的稳定运行中起着决定性的作用，变压器结构的可靠性，直接影响着电力系统的安全。现有的大量变压器事故调查发现，绕组变形事故占总事故量的40%。这是由于绕组遭遇短路故障时，短路电流将增加至正常值的数十倍，绕组中将产生巨大的短路电动力，导致绕组变形、松散、垮塌、绝缘损坏等事故。

由于变压器绕组的结构十分复杂，短路实验的条件要求高等因素，导致研究变压器绕组形变机理变得相当困难，目前多数变压器结构稳定性的理论研究主要是通过仿真分析手段实现。

国内外已经有大量的文献研究了变压器绕组变形机理。但是研究多数集中于运用有限元进行仿真分析研究，研究成果对于进一步提高绕组的抗短路能力有参考意义，其中一部分文献主要利用理论计算进行变压器的抗短路能力分析，其他文献则使用二维和三维有限元模型进行电动力的仿真分析计算。

总结文献研究成果发现，使用耦合场分析计算方法，研究绕组的结构稳定性及抗短路能力是变压器绕组相关研究的发展趋势。

福州大学电气与自动化学院的研究人员以一台SSZ11-50000/110电力变压器为研究对象，通过建立以线饼-垫块-撑条构成的绕组精确模型，利用Ansys系列软件进行磁场-结构场耦合分析，计算出绕组的瞬态电动力、应力和形变等分布情况。通过仿真分析研究变压器绕组在最大短路电动力作用下，温度、预紧力等实际故障因素对绕组形变量的影响，总结相关规律，为绕组的抗短路设计提供参考。

图1  耦合场计算流程图

研究人员最后得到以下结论：

1）利用Ansys系列软件进行磁-结构顺序耦合分析时，使用同一个几何模型，在磁场计算进行简化，结构场计算进行细化，解决了磁场-结构场之间的相互影响，既能提高计算精度，也可以加快计算速度。

2）以绕组变形量衡量绕组稳定性，同一短路电流作用下，绕组温度升高，绕组铜导线的刚度下降，形变量增大；绕组的预紧力减小，导致绕组垫块刚度下降，支撑作用下降，绕组的形变量增大，稳定性下降，与理论相吻合。

3）当绕组温度上升，铜的弹性模量减小，在两侧电磁力的挤压下，辐向变形量比轴向变形量增加更明显，增加了绕组辐向失稳的可能性。预紧力大小影响绕组的松紧程度进而影响绕组在轴向的振动幅度，预紧力改变，绕组轴向形变量比辐向的形变量变化更明显，轴向更容易出现失稳。

4）变压器绕组稳定性受到温度、预紧力等多种因素影响，在同等条件下，外界因素改变对变压器绕组中电磁力分布大的区域影响更加明显，在抗短路设计中，需要着重对此区域进行加固。

本文编自2021年第1期《电气技术》，论文标题为“基于磁-结构场耦合的变压器绕组变形的因素分析”，作者为杜国安、徐玉珍、兰生、陈杰、林野。