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電力變壓器是電力系統(tǒng)中電能傳輸和轉(zhuǎn)換的重要設(shè)備，在電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行中起著決定性的作用，變壓器結(jié)構(gòu)的可靠性，直接影響著電力系統(tǒng)的安全。現(xiàn)有的大量變壓器事故調(diào)查發(fā)現(xiàn)，繞組變形事故占總事故量的40%。這是由于繞組遭遇短路故障時(shí)，短路電流將增加至正常值的數(shù)十倍，繞組中將產(chǎn)生巨大的短路電動(dòng)力，導(dǎo)致繞組變形、松散、垮塌、絕緣損壞等事故。

由于變壓器繞組的結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，短路實(shí)驗(yàn)的條件要求高等因素，導(dǎo)致研究變壓器繞組形變機(jī)理變得相當(dāng)困難，目前多數(shù)變壓器結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的理論研究主要是通過(guò)仿真分析手段實(shí)現(xiàn)。

國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有大量的文獻(xiàn)研究了變壓器繞組變形機(jī)理。但是研究多數(shù)集中于運(yùn)用有限元進(jìn)行仿真分析研究，研究成果對(duì)于進(jìn)一步提高繞組的抗短路能力有參考意義，其中一部分文獻(xiàn)主要利用理論計(jì)算進(jìn)行變壓器的抗短路能力分析，其他文獻(xiàn)則使用二維和三維有限元模型進(jìn)行電動(dòng)力的仿真分析計(jì)算。

總結(jié)文獻(xiàn)研究成果發(fā)現(xiàn)，使用耦合場(chǎng)分析計(jì)算方法，研究繞組的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及抗短路能力是變壓器繞組相關(guān)研究的發(fā)展趨勢(shì)。

福州大學(xué)電氣與自動(dòng)化學(xué)院的研究人員以一臺(tái)SSZ11-50000/110電力變壓器為研究對(duì)象，通過(guò)建立以線餅-墊塊-撐條構(gòu)成的繞組精確模型，利用Ansys系列軟件進(jìn)行磁場(chǎng)-結(jié)構(gòu)場(chǎng)耦合分析，計(jì)算出繞組的瞬態(tài)電動(dòng)力、應(yīng)力和形變等分布情況。通過(guò)仿真分析研究變壓器繞組在最大短路電動(dòng)力作用下，溫度、預(yù)緊力等實(shí)際故障因素對(duì)繞組形變量的影響，總結(jié)相關(guān)規(guī)律，為繞組的抗短路設(shè)計(jì)提供參考。

圖1 耦合場(chǎng)計(jì)算流程圖

研究人員最后得到以下結(jié)論：

1）利用Ansys系列軟件進(jìn)行磁-結(jié)構(gòu)順序耦合分析時(shí)，使用同一個(gè)幾何模型，在磁場(chǎng)計(jì)算進(jìn)行簡(jiǎn)化，結(jié)構(gòu)場(chǎng)計(jì)算進(jìn)行細(xì)化，解決了磁場(chǎng)-結(jié)構(gòu)場(chǎng)之間的相互影響，既能提高計(jì)算精度，也可以加快計(jì)算速度。

2）以繞組變形量衡量繞組穩(wěn)定性，同一短路電流作用下，繞組溫度升高，繞組銅導(dǎo)線的剛度下降，形變量增大；繞組的預(yù)緊力減小，導(dǎo)致繞組墊塊剛度下降，支撐作用下降，繞組的形變量增大，穩(wěn)定性下降，與理論相吻合。

3）當(dāng)繞組溫度上升，銅的彈性模量減小，在兩側(cè)電磁力的擠壓下，輻向變形量比軸向變形量增加更明顯，增加了繞組輻向失穩(wěn)的可能性。預(yù)緊力大小影響繞組的松緊程度進(jìn)而影響繞組在軸向的振動(dòng)幅度，預(yù)緊力改變，繞組軸向形變量比輻向的形變量變化更明顯，軸向更容易出現(xiàn)失穩(wěn)。

4）變壓器繞組穩(wěn)定性受到溫度、預(yù)緊力等多種因素影響，在同等條件下，外界因素改變對(duì)變壓器繞組中電磁力分布大的區(qū)域影響更加明顯，在抗短路設(shè)計(jì)中，需要著重對(duì)此區(qū)域進(jìn)行加固。

本文編自2021年第1期《電氣技術(shù)》，論文標(biāo)題為“基于磁-結(jié)構(gòu)場(chǎng)耦合的變壓器繞組變形的因素分析”，作者為杜國(guó)安、徐玉珍、蘭生、陳杰、林野。