变压器绕组变形与短路阻抗变化关系分析方法

摘要

本发明提供了一种变压器绕组变形与短路阻抗变化关系分析方法，包括：采用有限元法建立变压器绕组位移的有限元仿真模型，所述有限元仿真模型中每个支柱分别包含高、中、低三个变压器绕组，变压器绕组采用线饼模块；采用中‑低压绕组运行方式下场路耦合模型，将有限元区域中的绕组作为电路中的电感处理，所述下场路耦合模型由电磁场及变压器运行中电磁场产生的电路二者耦合得到；基于所述场路耦合模型仿真变压器绕组发生辐向及轴向位移时变压器短路阻抗的变化趋势。利用本发明，可以准确分析变压器绕组变形与短路阻抗变化关系，及时发现绕组变形安全隐患，便于消除变压器有可能在检修周期之间出现突发故障，防止造成事故。

说明书

技术领域

本发明是关于变压器技术，特别是关于一种变压器绕组变形与短路阻抗变化关系分析方法。

背景技术

电力变压器的安全稳定经济运行对整个电网的意义极其重大，它是电力系统中极其重要、昂贵的设备之一。变压器在遭受短路冲击时，绕组可能会发生扭曲、错位、鼓包等变形。绕组变形不一定马上引发事故，但在变压器运行中，由于电磁力产生的振动会使绕组绝缘受到进一步损伤，如果绕组的最大相对变形大于1.5％时，匝间绝缘极易出现破裂而引起匝间短路，而变压器仍可运行，但故障点不排除，轻微的匝间放电将持续发展，甚至导致突发性绝缘故障与绝缘击穿，这是绕组变形导致的变压器事故的一种常见方式；另外，绕组变形还会造成绕组机械强度下降，当再次遭受短路冲击时，将承受不住电动力的冲击而直接发生事故。而目前变压器绕组变形的检测方法主要是低压脉冲法、频率响应法和短路阻抗法。低压脉冲法由于容易受到现场电磁环境的干扰，基本上已经不再使用；频率响应法灵敏度较高，但是无法运用到在线监测项目中，因此不具备实时性，难以及时发现绕组变形安全隐患，变压器有可能在检修周期之间出现突发故障，造成事故。

发明内容

本发明实施例提供了一种变压器绕组变形与短路阻抗变化关系分析方法，以准确分析变压器绕组变形与短路阻抗变化关系，及时发现绕组变形安全隐患，便于消除变压器有可能在检修周期之间出现突发故障。

为了实现上述目的，本发明实施例提供了一种变压器绕组变形与短路阻抗变化关系分析方法，包括：

采用有限元法建立变压器绕组位移的有限元仿真模型，所述有限元仿真模型中每个支柱分别包含高、中、低三个变压器绕组，变压器绕组采用线饼模块；

采用中-低压绕组运行方式下场路耦合模型，将有限元区域中的绕组作为电路中的电感处理，所述下场路耦合模型由电磁场及变压器运行中电磁场产生的电路二者耦合得到；

基于所述场路耦合模型仿真变压器绕组发生辐向及轴向位移时变压器短路阻抗的变化趋势。

一实施例中，所述有限元仿真模型包括：二维有限元仿真模型及三维有限元仿真模型。

一实施例中，仿真变压器绕组发生辐向及轴向位移时变压器短路阻抗的变化趋势，包括：逐渐改变绕组的半径，得到多种的半径下绕组辐向变形与短路阻抗的关系，所述绕组包括低压绕组、中压绕组及高压绕组。

一实施例中，逐渐改变绕组的半径，得到多种的半径下绕组辐向变形与短路阻抗的关系，包括：

逐渐改变绕组的半径，得到多种的半径下绕组的短路电流；

根据施加至绕组上的电压与所述短路电流的关系，计算得到绕组辐向变形与短路阻抗的关系。

一实施例中，逐渐改变绕组的半径，得到多种的半径下绕组的短路电流，包括：

将绕组的半径依次减少2％、4％、6％、8％、10％，得到多种的半径下绕组的短路电流。

一实施例中，仿真变压器绕组发生辐向及轴向位移时变压器短路阻抗的变化趋势，包括：逐渐改变绕组线饼的轴向位置，得到多种的线饼间隙下绕组轴向变形与短路阻抗的关系，所述绕组包括低压绕组、中压绕组及高压绕组。

一实施例中，逐渐改变绕组线饼的轴向位置，得到多种的线饼间隙下绕组轴向变形与短路阻抗的关系，包括：

逐渐改变绕组线饼的轴向位置，得到多种的线饼间隙下绕组的短路电流；

根据施加至绕组上的电压与所述短路电流的关系，计算得到绕组轴向变形与短路阻抗的关系。

一实施例中，逐渐改变绕组的半径，得到多种的半径下绕组的短路电流，包括：

将绕组的线饼的轴向向上变形间隙的2％、4％、6％、8％、10％，得到间隙下绕组的短路电流。

一实施例中，在所述电路中添加变压器绕组对应的直流电阻，中压侧绕组电阻设为0.2Ω，低压侧绕组电阻设为0.2Ω，中、低压绕组的8个线饼与绕组有限元模型相耦合，并在所述电路上实现串联。

利用本发明，可以准确分析变压器绕组变形与短路阻抗变化关系，及时发现绕组变形安全隐患，便于消除变压器有可能在检修周期之间出现突发故障，防止造成事故。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的变压器绕组变形与短路阻抗变化关系分析方法流程图；

图2为本发明实施例的变压器三维有限元仿真模型示意图；

图3为本发明实施例的变压器三维有限元仿真模型高中低压绕组俯视图；

图4为本发明一实施例场路耦合电路的结构示意图；

图5为本发明实施例辐向变形与短路阻抗的关系示意图；

图6为本发明实施例轴向变形与短路阻抗的关系示意图；

图7为本发明实施例的变压器二维有限元仿真模型示意图；

图8为本发明一实施例场路耦合电路的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明实施例的变压器绕组变形与短路阻抗变化关系分析方法流程图，如图1所示，该变压器绕组变形与短路阻抗变化关系分析方法包括：

S101：采用有限元法建立变压器绕组位移的有限元仿真模型，所述有限元仿真模型中每个支柱分别包含高、中、低三个变压器绕组，变压器绕组采用线饼模块；

S102：采用中-低压绕组运行方式下场路耦合模型，将有限元区域中的绕组作为电路中的电感处理，所述下场路耦合模型由电磁场及变压器运行中电磁场产生的电路二者耦合得到；

S103：基于所述场路耦合模型仿真变压器绕组发生辐向及轴向位移时变压器短路阻抗的变化趋势。

变压器绕组受到短路冲击时，在短路电流和漏磁场相互作用产生的短路电动力的作用下会导致绕组变形。当线饼间出现击穿、匝间短路或者断匝等情况时，等效电路中的电感参数才会发生明显的变化。绕组变形直接导致的是各导体位置的变化，会造成各分布电容的电极相对位置发生变化，对绕组电路特性的影响最为显著。

由于运输及短路而引起的变压器结构故障越显突出，其中，轴向位移故障成为变压器损坏事故的重要原因之一。理论与实验经验表明，对于大型电力变压器，一般的形状改变对漏磁通和电容的影响非常微小。所以本发明对绕组变形仿真的主要在于绕组线饼发生位移情况下短路阻抗的变化研究。

由于大型电力变压器非常昂贵，同时无适合其正常运行的负载及电源，基于此，首先采用仿真的手段对其进行模拟。本发明采用有限元法，仿真了变压器绕组发生辐向、轴向位移时变压器短路阻抗的变化趋势。本发明以变压器型号为SFSZ11-180000/220进行说明，并非用于限定。

S101中有限元仿真模型包括：二维有限元仿真模型及三维有限元仿真模型。

首先对变压器三维有限元仿真模型进行说明，图2为本发明实施例的变压器三维有限元仿真模型示意图，图3为本发明实施例的变压器三维有限元仿真模型高中低压绕组俯视图。如图2及图3所示，三维有限元仿真模型中每个支柱201分别包含高、中、低三个变压器绕组，从内到外分别是低、中、高压线圈，变压器绕组采用线饼模块，将高、中、低三绕组分为8个线饼202。

一实施例中，单个线饼中，低、中、高的匝数分别为22、40、77，线饼的宽度分别为43.5mm、88mm、105mm，每只线饼均采用1.5mm厚的绝缘纸包围。

S102中，场路耦合模型可以为变压器运行中电磁场等效的电路(又称为场路耦合电路)，将有限元区域中的绕组作为电路中的电感处理，可以等效励磁作用及漏磁作用。为了模拟绕组的发热作用，可以在上述电路中添加变压器绕组对应的直流电阻。一实施例中，中压侧绕组电阻设为0.2Ω，低压侧绕组电阻设为0.2Ω，中、低压绕组的8个线饼401与绕组有限元模型相耦合，并在场路耦合电路上实现串联，如图4所示。

为计算变压器的短路阻抗，需要当负载侧短路且流过额定电流，测量一次侧电压与一次侧电流的比值，也即短路阻抗的模，变压器中压侧额定电流为858.9A，低压侧额定电流为899.8A，低压侧额定电压为38.5kV，中压侧额定电压为121kV。

本发明可以仿真变压器绕组发生辐向及轴向位移时变压器短路阻抗的变化趋势，下面对辐向位移(变形)及轴向位移分别进行说明。

(1)辐向位移

对于三相三绕组变压器，由于中、低压绕组的电流方向相反，从而辐向电动力是对外绕组产生的外扩张力，而对内绕组是向内的力。通常情况下，变压器绕组固定于绝缘筒柱上，辐向力作用时会产生弯曲应力，从而影响线圈导致形变。绕组具体形变状况与受力均匀程度有关，若绕组受力均匀，则变形较为对称，绕组凹凸成梅花型，当绕组受力不均匀时，易形成局部突出从而造成绕组鼓包。

为更直观研究绕组辐向变形与短路阻抗的关系，具体实施时，可以逐渐改变绕组的半径，得到多种的半径下绕组辐向变形与短路阻抗的关系，所述绕组包括低压绕组、中压绕组及高压绕组，本实施例仅以低压绕组进行说明。对于低压绕组，本实施例设置低压绕组与铁芯的间隙为50mm，可以控制低压绕组辐向向内变形半径依次减少间隙2％、4％、6％、8％、10％的情况下短路阻抗的变化，得到多种的半径下绕组辐向变形与短路阻抗的关系。具体实施时，逐渐改变绕组的半径时，可以得到多种的半径下绕组的短路电流；根据施加至绕组上的电压与所述短路电流的关系，可以计算得到绕组辐向变形与短路阻抗的关系，表1为辐向位移故障下低压侧的电流峰值，图5为本发明实施例辐向变形与短路阻抗的关系示意图。

表1

由图5所示的关系(仿真结果)可以看出短路阻抗与绕组辐向变形有较大关联，当变压器正常运行时，其短路阻抗为7.846％，当变压器低压绕组辐向半径减少10％，即5mm时，其短路阻抗为8.136％，且短路阻抗随辐向位移程度增加而接近线性增加，辐向变形2％大约造成短路阻抗增加0.06％。

(2)轴向位移

在变压器中，电流以及漏磁场的辐向分量互相作用，使得绕组受到轴向电动力作用，当轴向电动力超过一定值时，绕组由于弯曲力矩过大从而造成永久变形，大量运行报告表明，该变形为沿圆周对称。另一方面，轴向电动力会使线饼轴向位移，从而改变变压器漏磁造成的短路阻抗变化。

为更直观观察绕组轴向变形与短路阻抗的关系，可以逐渐改变绕组线饼的轴向位置，得到多种的线饼间隙下绕组轴向变形与短路阻抗的关系，所述绕组包括低压绕组、中压绕组及高压绕组，本实施例仅以低压绕组进行说明。对于低压绕组，本实施例设置低压绕组线饼间距为110mm，可以控制低压绕组第一个线饼轴向向上变形间隙的2％、4％、6％、8％、10％情况下短路阻抗的变化。具体实施时，逐渐改变绕组线饼的轴向位置时，可以得到多种的线饼间隙下绕组的短路电流；根据施加至绕组上的电压与所述短路电流的关系，计算得到绕组轴向变形与短路阻抗的关系，图6为本发明实施例轴向变形与短路阻抗的关系示意图。

然后对变压器二维有限元仿真模型进行说明，通过建立二维有限元仿真模型对变压器绕组变形与短路阻抗变化关系进行分析的原理与上述二维有限元仿真模型类似，重复之处不再赘述。通过上述三维有限元仿真模型的建立，大致了解了绕组变形与短路阻抗的变化规律，但由于三维有限元仿真模型计算量大，计算一次需要较长时间，因此只能将线饼数等分成8等份，为了研究与实际情况更相近的情况，采用二维有限元数值分析软件Ansoft对实际运行的SFSZ11-180000/220三绕组变压器中、低压绕组进行短路电流计算以及漏磁通仿真，变压器参数如表2所示。

表3-2 变压器主要参数

由于变压器结构与磁路的对称性，各相绕组的磁通相互作用可以忽略，因此取单相绕组作为有限元场分析亦可模拟实际电磁环境。为了使漏磁分布更满足实际情况，变压器绕组采用线饼模块，同时考虑饼间油道尺寸、线饼匝数以及占空比。考虑绕组中、低压绕组，根据实际情况设置中、低三绕组线饼为112：179，对应总的匝数比为336：179。线饼的宽度分别为43.5mm、88mm，高度分别为12mm，8mm。建成模型如图7所示。

建立外电路激励模型(即场路耦合模型)，将上述二维有限元模型中、低压绕组耦合至外电路中，如图8(仅示出了低压绕组)所示。激励通过中压侧交流电源供给，有效值为110kV，频率为50Hz。中压侧绕组电阻设为0.2Ω，低压侧绕组电阻设为0.2Ω。

为分析变压器绕组受力情况，对绕组电密分布与绕组漏磁分布进行仿真研究，由于低压端采用单螺旋结构，而中压采用内屏连续式结构，线饼的饱和程度不同，从而中压电密沿轴向分布出现不同。仿真结果：线饼内侧中间磁通量较大，可达到0.17Weber，两头偏小，约为0.16Weber，上下基本保持对称。

中、低压绕组间磁场强度较高，基本可达到0.11Tesla，且在中部的磁通最高，这与磁力线的分布相符，根据洛伦兹力的计算原理推导出中间区域绕组线饼的辐向电磁力较大，因此绕组中部易发生辐向变形，且低压绕组产生向内的压力，中压绕组产生向外的扩力，从而辐向可能导致线饼在圆周方向上所有导线向外凸出，致使绕组导线拉长，而绝缘具有不可塑性，最终绝缘被破坏导致绕组辐向变形。据此，研究绕组中部变形后的磁场分布以及短路电流情况具有重要意义。

针对这一现象，在有限元场中对中间绕组的线饼进行辐向变形仿真，将线饼向外辐向移动10mm，移动的线饼数量与对应的短路电流关系如表3-3所示，其中移动线饼数量为0也即模拟正常运行情况，移动线饼数量为1表示移动中压绕组中心处上部的第一个线饼，移动线饼数量2、4、8分别表示沿中心对称上下部分分别移动1、2、4个线饼。

表3 移动线饼数与短路电流关系

从表3中数据可以看出，在绕组中部移动线饼的数量与低压侧短路电流的峰值呈线性关系，在绕组正常时，短路电流峰值为33842A，每移动一个线饼其短路电流峰值降低约35A，由此将引起短路阻抗变化。

另一方面，在变压器中电流以及漏磁场的辐向分量互相作用，使得绕组受到轴向电动力作用，当轴向电动力超过一定值时，绕组由于弯曲力矩过大从而造成永久变形，大量运行报告表明，该变形为沿圆周对称。针对这一现象，在有限元场中对上下部绕组的线饼进行轴向变形仿真，对应将上部线饼向上和下部线饼向下轴向移动4mm，移动的线饼数量与对应的短路电流关系如表4所示，其移动线饼的规则与上述部分相同，此处不再赘述。

表4

从表4中数据可以看出，在绕组上下部移动线饼的数量与低压侧短路电流的峰值呈线性关系，在绕组正常时，短路电流峰值为33842A，每移动一个线饼其短路电流峰值降低约25A，由此将引起短路阻抗变化。

变压器在长期运行中可能不同时期遭受辐向力、轴向力的作用，造成绕组辐向轴向变形同时存在，针对这一现象，在有限元场中对中间绕组的线饼进行辐向、轴向变形仿真，将线饼向外辐向移动10mm且轴向移动4mm，移动的线饼数量与对应的短路电流关系如表5所示。

表5

从表5中数据可以看出，在绕组中部移动线饼的数量与低压侧短路电流的峰值呈非线性关系，在绕组正常时，短路电流峰值为33842A，随着变形的线饼数量增加，低压侧短路电流的峰值降低越显著。初始阶段每移动一个线饼其短路电流峰值降低约46A，随后减少量增加，至移动8个线饼时，相当于每移动一个线饼短路电流峰值增加约70A，由此将引起短路阻抗变化巨大。

由此可以看出，当绕组发生轴向、辐向同时变形时短路阻抗变化最为严重，按照国家标准，容量100MVA以上的电力变压器短路阻抗变化量超过1.6％应当引起注意，通过计算发现4线饼同时变形短路阻抗变化为1.72％，满足上述条件，应当引起重视。

对通过建立二维有限元仿真模型得到上述仿真结果进行描述：

线饼向内发生位移时，短路阻抗随变形程度增加而接近线性增加。

线饼向外发生位移时，短路阻抗随变形程度增加而接近线性增加

中部线饼发生轴向位移时，短路阻抗随变形程度接近线性增加。

外侧单个线饼发生轴向位移时，短路阻抗随变形程度接近线性减小。

由上述结果可得到如下结论：

变压器绕组发生较为明显的变形时，短路阻抗确实存在明显的变化，可以通过在线监测短路阻抗变化程度来确定绕组变形故障。

变压器绕组变形时短路阻抗的变化本质是漏磁通的变化引起的，并不能直接总结成简单的规律。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。