|
上海湃睿信息科技有限公司 CAE事業(yè)部 0 引言 隨著(zhù)變壓器單機容量的增大，能量密度的提高，變壓器的各項性能指標要求也越來(lái)越高，以應對短路事故對整個(gè)電力系統安全運行及人民生命財產(chǎn)造成的影響。如何提高變壓器自身的抗短路能力？設計時(shí)除了依據國家標準提出的阻抗電壓百分比準則，降低變壓器的短路電流，還可以依據電動(dòng)力的決定因素，通過(guò)仿真分析變壓器的漏磁場(chǎng)分布，對變壓器結構進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)一步降低短路電動(dòng)力的大小。 1 短路電動(dòng)力定性分析 當變壓器繞組有電流流過(guò)時(shí)，由于電流和漏磁場(chǎng)的共同作用，將使繞組中產(chǎn)生安培力，其單位長(cháng)度大小決定于漏磁場(chǎng)的磁感應強度和導線(xiàn)中短路電流的乘積I×B,方向由左手定則確定。變壓器短路時(shí)，大額的短路電流經(jīng)過(guò)變壓器的繞組，會(huì )產(chǎn)生極大的電動(dòng)力。一旦變壓器的抗短路能力不夠，便會(huì )導致繞組變形，導致繞組餅間、匝間的劇烈運動(dòng)，引發(fā)絕緣失效，造成內部短路。同時(shí)短路電流流經(jīng)繞組時(shí)，繞組損耗極大，發(fā)熱嚴重，導致絕緣老化，輕則破壞絕緣，重則導線(xiàn)熔斷。對此，國標及IEC用變壓器的動(dòng)、熱穩定性進(jìn)行了相應的規范。因此，變壓器生產(chǎn)制造廠(chǎng)家必須在設計、原材料和工藝上采取各種措施來(lái)提高變壓器的抗短路能力。 1.1 變壓器的動(dòng)穩定性 短路時(shí)變壓器的動(dòng)穩定性通常分解為軸向力和輻向力分別進(jìn)行研究，從而在結構設計時(shí)分別采取措施解決這兩種力作用下的穩定性問(wèn)題。 依據載流導體同向相吸反向相斥，可定性判斷出變壓器繞組間導體的作用力是斥力。因此，徑向內繞組會(huì )受到向內的壓縮力，外繞組受到向外的張力；軸向上都受到向內的壓縮力，如圖（2）示意圖所示。漏磁場(chǎng)與電流、繞組的布置、繞組的幾何尺寸、安匝分布、鐵芯結構等有關(guān)。對于如圖（1）所示的磁力線(xiàn)，繞組等高并且沿軸向安匝平衡，但實(shí)際設計、制造、干燥過(guò)程等各種因素的作用，漏磁場(chǎng)通常分布不對稱(chēng)，短路時(shí)軸向力會(huì )迅速增大，零部件機械強度不夠時(shí)，除了線(xiàn)圈，軸向力通過(guò)鐵軛、壓板等裝置傳遞到鐵芯夾件等地方，最終可能會(huì )導致變壓器軸向變形。 類(lèi)似于軸向力，輻向力主要由于軸向漏磁場(chǎng)產(chǎn)生。輻向電磁力使內繞組內徑變小，外繞組內徑變大。不對稱(chēng)情況下繞組圓周受力不均勻，容易產(chǎn)生局部失穩，形成曲翹變形。拉應力過(guò)大還會(huì )產(chǎn)生永久性變形，進(jìn)一步造成絕緣破壞，匝間短路等破壞性影響。 1.2 變壓器的熱穩定性 變壓器發(fā)生短路時(shí)，巨大的短路電流作用會(huì )使繞組的溫度上升。當繞組中導線(xiàn)的溫度上升并超過(guò)一定的溫度時(shí)，導線(xiàn)的機械強度較常溫下明顯下降，發(fā)生軟化，破壞匝間絕緣，導致變壓器內部故障。對于雙繞組變壓器而言，低壓側三相對稱(chēng)短路時(shí)是最嚴重的短路形式。因此，在計算時(shí)，需確保最?lèi)毫佣搪饭r下的最大短路力臨界值的抗短路能力。 1.3 提高變壓器抗短路能力的措施 依據變壓器動(dòng)穩定和熱穩定的定性分析，可看出提高抗短路能力可以從減小短路電動(dòng)力、降低短路溫升、提高動(dòng)穩定強度三個(gè)方面入手。依據這三個(gè)物理量可以看出，降低短路電流，降低漏磁場(chǎng)，采用許用應力更大的導線(xiàn)即可以改善變壓器的抗短路能力。因此，改善變壓器的漏磁場(chǎng)分布，對漏磁場(chǎng)所造成的軸向和輻向磁場(chǎng)進(jìn)行分析，改善窗口結構、安匝分布，從理論上來(lái)說(shuō)，可以找到優(yōu)化結構及線(xiàn)圈布置的機會(huì )，在改善短路電流的基礎上，極大的改善漏磁場(chǎng)分布，提高抗短路能力。 圖（1）磁力線(xiàn)分布 圖（2） 變壓器繞組受力示意圖 2 短路電動(dòng)力仿真分析 本文采用的仿真分析軟件，是ANSYS Maxwell最新版2019 R1. ANSYS Maxwell是一款廣泛用于各類(lèi)電磁部件設計的、基于求解Maxwell微分方程的有限元法電磁場(chǎng)仿真分析軟件。其設計設置、求解流程如下圖（3）所示。通過(guò)電磁場(chǎng)仿真，獲得可視化的動(dòng)態(tài)場(chǎng)分布圖、力、力矩、電感、耦合系數等電磁參數，進(jìn)一步可在A(yíng)NSYS Mechanical、Fluent中進(jìn)行強度、噪音、熱等的分析，結合多物理場(chǎng)進(jìn)一步優(yōu)化本體。Maxwell還可以自動(dòng)生成ROM模型，在Simplorer中考慮本體的影響進(jìn)行系統的優(yōu)化設計。 圖（3） Maxwell仿真流程 以一臺三相變壓器為例，采用Maxwell 2019 R1 Transient 求解器，模型如圖（4）所示。內側線(xiàn)圈低壓，外側線(xiàn)圈高壓。 圖（4） 變壓器短路模型 2.1 Transient求解設定 繞組連接方式設定Y,y0連接，繞組激勵為短路電流下的工頻正弦函數。設定好的繞組激勵如下圖（5）、求解設置如下圖（6）所示。 圖（5） 變壓器繞組激勵 圖（6） 求解設置 2.2 結果分析 首先反查網(wǎng)格、輸入的正確與否，見(jiàn)如下圖（7）、圖（8）、圖（9）所示，結果可用。漏磁場(chǎng)、電動(dòng)力密度分布如圖（10）、圖（11）所示。鐵芯材料飽和磁感應強度1.95T，可見(jiàn)t=0s時(shí)刻，對應于A(yíng)相電流最大，A相芯柱已達飽和，A相高低壓線(xiàn)圈間漏磁最大，漏磁云圖如圖（12）所示，輻向漏磁和軸向漏磁分別如圖（13）、圖（14）所示。類(lèi)似的可以分析其它時(shí)刻另外B/C兩柱的飽和情況與理論相符。軸向和輻向漏磁的仿真設置步驟如下圖（15）、圖（16）、圖（17）所示。具體步驟如下：打開(kāi)Caculator場(chǎng)計算器，Input一欄選擇Quantity，然后選擇磁感應強度B，接著(zhù)在Vector欄選擇Scal?,分別選擇ScalarX(輻向磁感應強度分量)、ScalarY(軸向磁感應強度分量)，并分別寫(xiě)出輻向磁感應強度分量表達式，存為Named Expression 表達式，給出一個(gè)名稱(chēng)例如Bx即可進(jìn)行輸出。同樣地方法，可以輸出軸向磁感應強度。 圖（7） 網(wǎng)格劃分 圖（8）高壓側輸入電流 圖（9）低壓側輸入電流 圖（10）t=0s時(shí)刻磁感應強度分布 圖（11）t=0s時(shí)刻電磁力密度 圖（12）幅值磁感應強度 圖（13）輻向磁感應強度 圖（14）軸向磁感應強度 圖（15） 求取磁感應矢量x（輻向）分量 圖（16） 求取磁感應矢量x（輻向）分量 圖（17） 輸出輻向磁感應強度 2.3 定性分析與仿真對比 在Eddycurrent求解器中，可以輸出窗口內漏磁場(chǎng)的輻向磁感應強度、軸向磁感應強度隨著(zhù)空間的變化情況如下圖（18）、圖（19）所示。圖（18）、圖（19）是在原副邊的窗口內畫(huà)一條線(xiàn)（如圖（20）所示紅色線(xiàn)框內的藍色線(xiàn)條）線(xiàn)上取出的磁感應強度值。圖（18）可看出輻向磁感應強度兩端大中間小。圖（19）可看出軸向磁感應強度兩端小中間大。定性分析以繞組中心點(diǎn)展開(kāi)，根據安匝定律，軸向與輻向磁感應強度大小變化與仿真一致。從圖（18）可看出，輻向磁感應強度較小，可見(jiàn)橫向漏磁較小。從圖（19）可看出，軸向磁感應強度較大，可從設計的角度進(jìn)行適當優(yōu)化設計。 圖（18） 輸出輻向磁感應強度 圖（19） 輸出軸向磁感應強度 圖（20） 原副邊繞組中間的磁感應強度取值線(xiàn)條 3 Mechanical抗短路能力校核 輻向力對內繞組是向內的壓力（壓縮應力），對外繞組是向外的張力（拉應力）。輻向力的故障模式結合向內和向外的力不同，向外的拉應力以導線(xiàn)材料的彈性極限判斷，向內的壓縮力取決于材料的彈性模量和幾何結構。軸向力作用下繞組的故障類(lèi)型有幾類(lèi)，需要結合產(chǎn)品設計采用相應的判據。如上文所述，電磁分析可以獲得空間和時(shí)間域內的電動(dòng)力分布，仿真流程上，Maxwell和Mechanical在Workbench下耦合如圖（21）所示。耦合方式相同.Mechanical 仿真獲得形變云圖、最大應力點(diǎn)等物理量，判據上結合動(dòng)穩定和熱穩定進(jìn)行相應的分析和判斷。 圖（21）ANSYS Workbench平臺 圖（22）導入電磁力 圖（23）高壓線(xiàn)圈向外鼓趨勢 圖（24）低壓線(xiàn)圈向內凹趨勢 根據計算，低壓繞組最大應力出現在最外圈的上端，為30kg/cm^2，高壓繞組的最大應力出現在最內圈的下端，最大應力為87kg/cm^2，高壓繞組軸向力為250N，低壓繞組軸向力為3707N，均滿(mǎn)足此次設計要求。 4 總結 本文通過(guò)三維仿真求得了電動(dòng)力密度的分布。并通過(guò)二維漏磁場(chǎng)的仿真獲得了軸向和輻向磁感應強度分布。仿真結論和定性分析相吻合，借此設計工程師可以參考漏磁場(chǎng)改善設計，進(jìn)一步提升設計的可靠性。 |
