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隨著國(guó)家電力建設(shè)的大力發(fā)展及經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高，我國(guó)發(fā)電量和用電量與日俱增。據(jù)研究表明，每增加1kW的發(fā)電量，就需要增加11kV?A的變壓器總?cè)萘颗c之配套。變壓器是電力系統(tǒng)中電能傳輸和轉(zhuǎn)換的重要設(shè)備。干式變壓器因?yàn)榫哂懈咝Ч?jié)能、日常維護(hù)方便、性能安全可靠等顯著優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在人們?nèi)粘Ｉ詈凸ぷ鞯膱?chǎng)所，在供配電系統(tǒng)中有著舉足輕重的作用。

干式變壓器運(yùn)行過(guò)程中會(huì)由于故障和直流偏磁發(fā)生溫度升高、噪聲增大的現(xiàn)象。常見(jiàn)的危害較大的故障有：變壓器繞組匝間短路或者層間短路；接點(diǎn)松動(dòng)、接觸電阻增大；二次線路出現(xiàn)短路；夾緊鐵心用的穿心螺釘?shù)慕^緣層破壞；長(zhǎng)時(shí)間超負(fù)荷或者發(fā)生事故造成過(guò)負(fù)荷。發(fā)生故障是造成變壓器損壞的根本原因。據(jù)有關(guān)變壓器事故的統(tǒng)計(jì)報(bào)告顯示，變壓器損壞主要是繞組和鐵心發(fā)生損壞。變壓器工作時(shí)的振動(dòng)主要是鐵心和繞組的振動(dòng)。

繞組的振動(dòng)主要是由交變電流產(chǎn)生的電磁力作用引起，鐵心的振動(dòng)則主要由鐵心材料的磁致伸縮效應(yīng)引起。正常運(yùn)行時(shí)變壓器鐵心和繞組的振動(dòng)隨著電流的變化而變化，振動(dòng)信息與電流特性直接關(guān)聯(lián)。當(dāng)變壓器二次側(cè)發(fā)生短路時(shí)，電流激增，繞組產(chǎn)生巨大的電動(dòng)力，這會(huì)直接反映在鐵心與繞組的振動(dòng)上。低壓配電網(wǎng)中電力電子裝置的增多，易使變壓器發(fā)生直流偏磁。此時(shí)由于勵(lì)磁電流變化，變壓器的振動(dòng)頻率也隨之發(fā)生改變。因此，變壓器的振動(dòng)信息可以反映變壓器的運(yùn)行狀況。

對(duì)于變壓器而言，長(zhǎng)期在非正常工況下工作更易造成其結(jié)構(gòu)件的損壞，最終導(dǎo)致嚴(yán)重的安全生產(chǎn)事故。因此，對(duì)變壓器進(jìn)行電氣故障的提前預(yù)警尤為重要。鑒于此，東華大學(xué)等單位的科研人員建立干式變壓器鐵心、繞組及上下夾具和底座的有限元模型，基于麥克斯韋電磁理論，利用Ansys Workbench有限元分析軟件對(duì)變壓器進(jìn)行正常運(yùn)行、短路故障、直流偏磁等工況下的瞬態(tài)電磁場(chǎng)分析，得到其電磁振動(dòng)受力情況，再將電磁場(chǎng)與結(jié)構(gòu)場(chǎng)耦合進(jìn)行諧響應(yīng)分析得出變壓器的頻率響應(yīng)分布特征，為利用振動(dòng)信息進(jìn)行干式變壓器的故障診斷提供依據(jù)。

圖1 變壓器3D模型

圖2 變壓器振動(dòng)分析流程

科研人員最后得到以下結(jié)論：

1）建立了變壓器整體的有限元模型，利用Maxwell模塊進(jìn)行電磁場(chǎng)分析，獲取繞組不同工況下電磁力，電磁力呈周期性變化。

2）其次，對(duì)所建立的變壓器模型進(jìn)行不同工況的諧響應(yīng)分析，得到繞組加速度頻率響應(yīng)曲線。正常情況下，變壓器繞組振動(dòng)頻率在600Hz以內(nèi)，主要集中在100Hz，并且100Hz處的振幅與電流呈正相關(guān)，其他頻率處的振幅與電流關(guān)系不大。發(fā)生直流偏磁時(shí)，會(huì)出現(xiàn)低頻分量和高頻分量處振幅占比增加，100Hz處的振幅占比下降的情況。二次側(cè)發(fā)生短路時(shí)繞組100Hz頻率處的振幅會(huì)劇增并且遠(yuǎn)超正常值，在實(shí)際應(yīng)用中，一旦發(fā)現(xiàn)繞組加速度振幅超出正常值范圍就應(yīng)該預(yù)警。在實(shí)際生產(chǎn)中要極力避免短路的發(fā)生。

本研究成果為通過(guò)干式變壓器振動(dòng)信息及時(shí)發(fā)現(xiàn)變壓器異常運(yùn)行狀況提供了參考。若進(jìn)一步綜合考慮溫度信息，可更加全面地反映干式變壓器的運(yùn)行狀態(tài)，為其故障監(jiān)測(cè)提供更可靠的依據(jù)。

本文編自2021年第12期《電氣技術(shù)》，論文標(biāo)題為“基于Ansys的干式變壓器振動(dòng)特性分析”，作者為吳文杰、曹云峰 等。