变压器短路阻抗特性计算及绕组状态辨识

赵冠楠 ,陈继尧 ,李新振 ,王振锋

国网宁夏电力有限公司宁东供电公司  宁夏回族自治区 灵武市   750411

摘要：变压器是电力系统中至关重要的环节，也是最关键、最昂贵的资产之一。随着我国变压器制造技术的进步，国产变压器在降噪、降损、高可靠性等方面取得了长足发展。多年来，我国变压器行业稳定发展，产业规模逐渐增大，随着国家对于工业制造领域的节能减排要求不断提高，移相变压器这种节能型特种变压器也得到了更多的发展机会。

关键词：变压器；短路阻抗特性计算；绕组状态辨识

引言

随着计算机技术发展，针对传统的解析公式对于圆角矩形绕组的短路阻抗无法准确计算这一情况，通过将绕组漏磁链进行分区域计算，使传统解析公式得到优化，可以更准确的计算圆角矩形绕组的短路阻抗。变压器绕组受到短路冲击电流后，其主空道中的漏磁能量和电抗均与正常状态不同，因此在诊断变压器短路故障时采用正常状态下的变压器漏磁能量及电抗是不准确的。应先对故障后的变压器各电路参数进行计算，再以此为基础对变压器故障进行分析。

1.变压器电磁场分析的研究现状

根据变压器绕组电动力产生的机理可知，研究变压器的漏磁场是研究短路电动力必不可少的重要环节。上世纪70年代开始，国内外大批专家学者开始致力于研究变压器暂态电磁场、短路的瞬态过程、绕组安匝高度不平衡等有关大型变压器漏磁场问题。经过研究人员的不断努力和新的数值求解方法的引入，使得漏磁场的研究逐渐完善起来。通过有限元分析方法，研究了非正弦瞬态漏磁场的分布规律，在我国超特高压换流变压器领域做出了巨大的贡献，使我国在超（特）高压换流变压器电磁设计、电磁场关键应用技术等方面得到了重大突破；采用ANSYS仿真软件，研究了一台干式变压器漏磁分布及损耗、局部过热等问题，并用工程计算法对此研究方法进行了校验。铁磁材料非线性和各向异性等电磁特性的基础上，提出了三维瞬态“场-路”耦合的有限元分析法；用MagNet仿真软件对一台500kV的超高压自耦变压器进行了三维局部仿真，分析了不同屏蔽下的漏磁场分布问题；采用矢量磁位法，研究了一台无励磁调压的三相双绕组变压器突发短路时的二维瞬态电磁场；采用三维非线性涡流场有限元分析方法研究了屏蔽对变压器漏磁场的影响。采用有限元分析软件对超导变压器进行研究，得出磁感应强度以及辐向漏磁分量的分布规律；比较使用同轴高温超导绕组的心式变压器与传统铜线绕组变压器的参数，得出高温超导变压器的效率主要由铁心损耗决定，并提出使用非晶态电工钢提高高温超导变压器的效率等策略；基于有限元法和有限体积法，对变压器磁通密度进行了数值分析与计算；利用Maxwell仿真软件研究了变压器内部磁场的大小，研究得出铁心和铁轭拐角处漏磁磁密最强，并分析了不同情况对应的漏磁大小及横、纵向漏磁占比；在计及油箱、拉板、夹件等结构件对漏磁场的影响的条件下用Newton-Raphson法推导了二维平面场的非线性迭代格式，得出自耦变压器一次侧和二次侧绕组产生的磁势基本平衡，漏磁场最大漏磁通密度位于高、中压绕组间的主空道处等结论。

2.撑条对绕组辐向强度的影响

为进行变压器绕组及支撑结构的强度分析，本章在ANSYSWorkbench中的StaticStructural模块中研究了垫块与撑条的数目及尺寸对变压器绕组强度的影响情况，并取强度较好的情况对变压器中压绕组的精细模型进行了装配。最后在上一章所得结论的基础上，以对变压器冲击最严重的短路情况为例，采用Maxwell与StaticStructural模块联合仿真的方式进行了多次短路冲击下的绕组及支撑结构强度分析。为了研究撑条对绕组辐向强度的影响，本节依旧以三饼绕组为例，用ANSYSWorkbench软件中的StaticStructural模块对该问题展开研究。对绕组形变情况影响最大的显然是绕组所受电动力的大小，但绕组的受力情况是由变压器本身的运行状态所决定，一般无法进行人为干预，因此本节针对固定载荷下，撑条的组数及尺寸等参数对变压器辐向强度的影响进行研究。根据变压器绕组受力的基本原理及第四章仿真分析结果可知，中压绕组承受向内的压缩力，本文主要研究短路电流更大的内绕组（中压绕组）及其支撑结构的强度问题，所以本节将施加沿绕组辐向向内压缩的力作为载荷来研究撑条对变压器的辐向强度的影响。研究具体过程参照垫块对绕组轴向强度的影响。本节给定的载荷大小依旧为3MPa，载荷方向为沿绕组辐向指向轴心，撑条的上下端部采用固定支撑约束。

3.变压器短路阻抗特性计算及绕组状态辨识

3.1材料的形变

材料的形变一般分为两种情况，一种为在载荷作用下发生形变，当载荷撤销后物体又恢复原状的弹性形变，另一种为载荷撤销后物体仍不能够恢复原状的永久性形变，即塑性形变。自然界中大部分材料均表现出弹塑性的性质，当所施加载荷小于材料的比例极限时，材料表现出弹性形变的性质，超出这个范围时则使材料发生塑性形变。材料的比例极限指应力、应变在满足Hooke定律时所能承受的最大应力值。金属材料的屈服强度是表征金属材料应力应变关系的物理量，当应力达到弹性极限后，即便所施加应力值保持不变，其塑性形变依然较为显著，这种现象即为屈服现象，弹性极限点即为金属材料的屈服点。对于电力变压器，其绕组材料为铜材料，一般规定以产生0.2%残余形变的应力值0.2σ作为屈服点。由于短路发生过程极为迅速，持续时间较短，所以忽略其热效应。

3.2概率神经网络算法理论

概率神经网络(PNN)于1989年由D.F.Specht博士首先提出，是一种常用于模式分类的神经网络。PNN主要用于分类，它具有四个神经网络层即输入层、样本层、求和层、竞争层。PNN的训练过程是单次通过的，当增加或删除更多训练样本时，它不需要再次训练，并确保随着典型性训练集的增加收敛到最优分类器。该网络由许多相互连接的处理单元或神经元组成，这些处理单元或神经元系统地排列在连续的层中。输入层单元不执行任何数学计算，只将输入分配给第二层(样本层)的神经元。样本层每个训练样本包含一个模式神经元或单元。因此，模式层神经元的数量等于训练样本的数量。研究了变压器故障振动信号在小波包变换之后的特征，通过概率神经网络对分解之后能量特征矢量进行学习分类，本文提供50组的数据作为训练样本，训练误差较小表明训练样本具有一定的可分类性。将上文ICA处理之后的实测数据作为测试样本，测试结果成功率达到95%以上，实现了对绕组故障的诊断。

3.3数字孪生变压器仿真模型建立

变压器的本体振动加速度主要体现在油箱的表面，其传递路径主要包括夹件、压板、变压器绝缘油等。因此在建立变压器模型时充分考虑这一传递路径。风扇等冷却结构是通过输油管的外挂设备，对本体振动影响很小，本章涉及变压器中并没有得到体现，因此忽略其影响。同时绝缘油仅对变压器振动结构中的粘性阻尼有影响，并不会改变变压器结构的受力分布。在保证计算精度和节约计算机资源的前提下，忽略变压器油流体力学的影响。

结束语

本文主要基于扫频阻抗法在变压器短路后绕组状态辨识中的应用，通过对移相变压器阻抗特性、静态结构场仿真、PSPICE扫频阻抗仿真、状态辨识算法等方面进行深入研究，实现对变压器短路后的绕组状态进行辨识。

参考文献

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基金项目：国网宁夏电力有限公司科技创新项目（5229ND20007L）

作者简介：

赵冠楠（1985.08），男，汉族，宁夏银川人，本科，高级工程师，研究方向：电力系统及其自动化

陈继尧（1981.01），男，汉族，宁夏银川人，硕士研究生，高级工程师，研究方向：电力系统及其自动化

李新振（1982.09），男，汉族，宁夏银川人，硕士研究生，高级工程师，研究方向：电力系统及其自动化

王振锋（1992.03），男，汉族，甘肃靖远人，本科，工程师，研究方向：电力系统及其自动化