基于有限元法的大型电力变压器抗短路能力研究陈浩

陈浩

（武大电气工程学院湖北省武汉市430072）

摘要：为了对基于有限元法的变压器中抗短路的能力的计算方法有效性进行验证，分析基于磁场变压器的有限元法的计算过程，并对比短路突发试验中220kV变压器计算结果和试验结果，对比因输电线路短路产生故障的500kV变压器计算分析结果和实际受损部位的情况。经过对比运变压器以及突发点路试验的新变压器的数据，对变压器所用电磁线尺寸、低压线圈幅向宽度、电磁线Rp0.2以及撑条对于变压器抗短路能力的影响进行分析。结果表明，经过变压器的短路试验，产品的低压线圈增加了10%-22%的幅向宽度，电磁线的子导线增加了35%-50%的尺寸。这些研究表明，这个分析方法对于验证绕组机械强度分析的过程是有效的，为分析评估新采购变压器的抗短路能力提供了方法。

关键词：抗短路能力；变压器；幅向宽度；有限元

变压器的抗短路能力是变压器在近区短路时，在变压器内部绕组中通过极大的短路电流，使绕组中有电磁力产生，其具有的机械强度能否经短路电流产生的冲击作用力承受的能力。这是变压器绕组中一项评估机械强度的关键指标。变压器中主要设计包含了温升设计、绝缘设计以及机械强度设计等方面，前两项是厂内有效验证变压器的温升试验和绝缘试验的；而针对机械强度，也就是变压器的突发短路试验，因为受到试验条件的限制，不能够在厂内进行，只能够在具有资质的试验站检测。因而变压器试验费用高、运输困难等因素的影响，短路承受能力试验不能够被作为型式或者例行试验，只能作为特殊试验项目进行考核，也不能够每台产品都进行试验。这就在设备入网运行时埋下了短路机械轻度的隐患，可能影响电网的安全稳定的运行。本文对校核电力变压器的抗短路能力方法、验证试验以及分析故障的情况进行介绍，并且与实际应用相结合，分析部分对变压器抗短路能力的因素。

一、研究变压器抗短路计算的方法

1.线圈中漏磁分布情况以及应力的形式

线圈中的电磁机械力主要有轴向的电磁力以及径向电磁力两个分力。和其对应的，因为短路电流产生的漏磁场也能够分解为径向和轴向。因为绕组端部中弯曲的漏磁束，使漏磁场的径向分量产生，其表现为轴向电磁力。这个线圈力使垫块间导体轴方向有弯曲产生。

2.计算基于有限元变压器抗短路能力的方法

这个计算方法是在磁矢量的基础上的有限元计算方法，计算变压器中的机械力和内部漏磁场。计算过程需要针对箱壁、铁芯、高中低绕组以及各绕组中不同的分区区域将模型建立起来，参数涉及到各绕组的几何参数、每层幅向导体数、各绕组线规以及不同区域所处的位置、垫块尺寸、撑条数等具体的信息。其中需要包含拉伸力和幅向压缩，幅向垫块的压缩力、轴向力等，对于进行线圈各处受力情况的分析有利。

二、试验验证变压器中抗短路能力的计算方法

为了对于基于磁矢量的有限元计算方法中产生的计算结果进行验证，对比计算结果与突发短路试验中220kV变压器的试验结果，并对比研究计算分析结果及因为输电线路中因为短路导致500kV故障变压器实际受损部位。

1.计算试验的变压器抗短路的能力

对不同的容量、不同电压等级的变压器进行试验，都使用这个方法来对其进行校核计算，实践表明：计算的结果能够满足国标中对于变压器轴向和径向各个部位受力情况的要求。对四台产品进行试验，试验的结果和计算结果是一致的。分析校核的结果，根据国标判别其中的限值情况，可以看出抽检的变压器各部分的受力情况都是满足国标中应力要求的。

2.变压器中突发性的短路试验

依据以往经验，根据国标的要求进行220kV变压器突发短路试验，每次短路试验进行电抗值的测量，需要将欧姆表中每项短路电抗值和原始值之间相差≤1%的要求满足，变压器器身在短路试验前后都不会发生较为明显的变形。

3.计算短路后的故障变压器中的抗短路能力

因为某500kV变电站中的近区线路受到雷击使绝缘子产生对地放电，使变压器中产生内部线圈的变形，使线圈对于油箱的放电造成变压器的故障。针对这种情况需要对变压器安匝、使用的材料进行重新调整。对比调整前后的变压器情况，能够发现垫块之间幅向导线的轴向弯曲应力的上下端位置都是高于限值的。针对这一故障产品的故障实际部位和计算中超出标准的参考值部位是一致的，因而计算方法能够得到验证。

三、研究对变压器抗短路能力具有影响的部分因素

在研究和应用校核变压器抗短路计算方法的过程中，对比分析突发短路的新产品和一些运变压器中的相关数据，对变压器抗短路能力因素进行研究，其中包含使用电磁线尺寸、线圈幅向宽度、支撑情况以及强度特性等

1.对比低压线圈幅向宽度

经过试验和计算表明，经过突发短路试验后，变压器中具有较厚的低压线圈幅向宽度，有10%-22%的增幅。

2.对比低压线圈使用电磁线的尺寸

对比的变压器中都使用自粘性换位导线，对各个制造厂中加热干燥的工艺因素忽略的情况下，对各个电磁线中子导线的尺寸情况进行比较。试验和计算后发现，同容量的变压器在经过突发短路试验后，变压器中低压线圈电磁线具有相对较大的子导线尺寸，具有35%-50%的增幅。

3.对比线圈使用撑条的情况

分析各个变压器中使用撑条数的分布情况，将对线圈机械强度提高有利的支撑点增加，这和内线圈幅向支撑加强能够将幅向失稳临界应力提高的研究结论是相同的。

4.对比使用导线材料的特性

与半硬或者普通的导线相比，自粘性换位导线在进行加热固化后能够和子导线粘结成为整体，使变压器抗短路能力的提高具有非常显著的效果。景观突发短路试验的产品在导线材料使用中要明显优于之前的产品。

四、结语

进行突发短路试验的变压器对于分析新采购变压器的抗短路能力有利；使用500kV故障案例进行分析，能够分析运变压器方面提供更多技术手段；将变压器的低压线圈幅向宽度、电磁线尺寸、撑条等数据与实际产品比较，了解其影响的效果。

参考文献

[1]王世山，寇晓，刘家奇，等电力变压器内线圈径向屈曲特性的研究[J]．高电压技术，2004，20(1)：1-3．

[2]谢毓城电力变堆器手册[M].北京：机械工业出版社，2003．

作者简介

陈浩（1996-03），男，汉族，籍贯：甘肃平凉，当前职务：学生，当前职称：学生，学历：本科，研究方向：电磁场，高电压，变压器。