大型变压器励磁涌流与绕组短路强度研究（可编辑）

大型变压器励磁涌流与绕组短路强度研究（可编辑） 国内图书分类号: 学校代码: 国际图书分类号:. 密级:公开 工学硕士学位 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 大型变压器励磁涌流与绕组短路强度研究 硕士研究生: 王丽丽 导 师: 李永刚教授 企业导师: 张建怎高工 申请学位: 工学硕士 学 工学 科: 专 业: 电力电子与电力传动 所在学院: 电气与电子工程学院 答辩日期: 年月 授予学位单位: 华北电力大学: ..:. : . : 酬 : : 池 华北电力大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明:此处所提交的硕士学位论文《大型变压器励磁涌流与绕组短路 强度研究》,是本人在导师指导下,在华北电力大学攻读硕士学位期间独立进行研 究工作所取得的成果。据本人所知,论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明 确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名: 日期:油年,胡对日 华北电力大学硕士学位论文使用授权书 《大型变压器励磁涌流与绕组短路强度研究》系本人在华北电力大学攻读硕士 学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归华北电力大学所 有,本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解华北电力大学关 于保存、使用学位论文的规定,同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电 子版本,允许论文被查阅和借阅。本人授权华北电力大学,可以采用影印、缩印或 其他复制手段保存论文,可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于请在以上相应方框内打“”: 保密口,在 年解密后适用本授权书 不保密‖ 作者签名: 日期: 川?年弓月岁日 孤巧 导师签名: 日期:?许?月?日 弯驴刚华北电力大学硕士学位论文 摘 要 变压器是供电系统的核心,其运行的安全可靠性对电力系统影响极大。运行实 践表明:变压器运行过程中出现的过流问题主要是由于出现励磁涌流和绕组短路故 障,短路故障又直接影响变压器绕组的短路强度,而且随着当前电网容量的日益增 大,电力系统短路容量亦随之增大,这对变压器的保护及绕组短路强度提出 了更高 的要求。本文对变压器励磁涌流、短路电流、漏磁场及绕组短路强度等方面进行了 研究,主要工作如下: 对电力变压器励磁涌流的产生原理和合闸角进行了分析和推导,采用 软件对变压器励磁涌流和短路电流进行了仿真分析;通过小波变换对励磁涌流和短 路电流进行了对比分析。在绕组短路强度研究方面,计算了变压器在不同运行方式 下的短路电流;以一台./型变压器为例,采用专业软件对其漏 磁场进行了分析和计算,得出三种不同运行情况下的漏磁场分布情况,仿真了绕组 突发短路时动态短路力及静态短路力对应不同安匝区的受力分布情况,对绕组的 动、静态力做了对比分析;进而分别对安匝不平衡、不同垫块数、不同轴向预压紧 力情况下的轴向力及绕组上端部位移进行了对比分析,从而得出这三种影响因素对 轴向力的定量关系;最后,从导线工艺、材质及力学性能入手,对目前所采用的半 硬导线及自粘性换位导线进行分析,通过对导线的一系列试验综合分析了半硬导线 及自粘换位导线的力学性能。 关键词:电力变压器;励磁涌流;短路力;轴向预压紧力;换位导线华北电力大 学硕士学位论文, : . ,, , ,. ? , ,:, , ? ;.,/ , ; ,, , ; , .,? ,, ;?,,.; ; : 肌; ; 华北电力大学硕士学位论文 目 录 摘要??... 第章绪论??. .引言. .课题研究的背景及意义?. .课题国内外研究现状??. .本文的主要工作?. 第章励磁涌流和短路电流的分析与计算.励磁涌流原理分析. ..励磁涌流计算分析?. . 威磁洒流的合闸角分析??.. .空载合魄时励磁涌流的仿真与实验分析. ..空载合闸时励磁涌流的仿真分析..仿真结果分析. ..空载合闸励磁涌流实验??. 短路电流的计算与仿真分析..短路电流的计算分析. ..短路电流的仿真分析. .励磁涌流与短路电流的对比分析 .本章小结第章变压器绕组短路时受力分析与计算?. .不同运行方式下的短路电流分析 ..系统阻抗的计算??. ..不同运行方式下的短路电流计算?. .变压器短路时电动力的计算..幅向力. ..轴向力. .计算方法及仿真软件介绍 ..有限元法??. ..动态力计算方法??. 华北电力大学硕士学位论文 .. 亿变压器仿真软件介绍? .变压器漏磁场与短路力的仿真分析..变压器计算模型建立. ..变压器漏磁场分析?. ..变压器短路力分析?. ..动态短路力与静态短路力对比分析. .本章小结? 第章变压器轴向短路电动力的影响因素分析??. .安匝不平衡对轴向短路力的影响 .绕组采用不同垫块数对轴向短路力的影响.绕组采用不同轴向预压紧力对 轴向短路力的影响.本章小结? 第章变压器导线性能研究?. .半硬导线性能研究 ..半硬导线生产工艺及自然时效性能. ..温度、时间对醣值的影响分析?一 ..大电流冲击后导线性能分析. .自粘换位导线力学性能? .本章小结? 第章结论与展望??. .结论一 .展望.. 参考文献? 攻读硕士学位期间发表的学术论文及其它成果 致谢. 华北电力大学硕士学位论文 第章绪论 .引言 随着科技的发展、制造水平的提高,目前我国交流输电最高电压等级已达 ,直流输电最高电压等级已达?,超高压输电系统以及特高压输电系 统越来越多的投入使用,客观上促进了大容量电力变压器的应用,电力变压器最高 单台容量已达。据电力部门统计【,,电网中各种变压器的总容量大约是 发电机总容量的倍,电网中因变压器短路故障而引发的变压器损坏事故占整个 变压器损坏事故的%,成为电力变压器事故的首要原因,对电力系统的安全运行 造成了极大的危害。据《变压器行业通讯》介绍、、变 压器短路事故比例为:.:.,在这些事故中,多台、、 等高电压等级的变压器上出现了绕组严重变形情况,可见运行中高电压等级的变压 器发生短路故障比低电压等级变压器要严重的多,同时产生的损失也更严重。由于 大型电力变压器具有容量大、制造时间长等特点,所以一台变压器发生事故,其对 电网的影响甚至是对国民经济和人民生活的影响都是非常严重的。因此,对 大型电 力变压器绕组短路强度的研究是十分必要的。 .课题研究的背景及意义 伴随着当前电网容量的日益增大,随之而来的就是系统短路容量的增大,再加 上恶劣的运行环境等外因,使得变压器的绕组短路强度问题比较突出。近年来,外 部短路引起的变压器故障呈上升趋势,许多变压器在短路电流、短路时间远不及国 家 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 要求和厂家承诺水平的情况下即发生绕组变形和损坏,有的新投运变压器外 部短路一、二次即遭损毁,因此,大型变压器突发短路时绕组短路力和机械强度的 研究是亟待解决的问题。 变压器短路损坏的主要形态包括: 绕组的辐向失稳 辐向失稳是指,在绕组圆周方向某一撑条间距内,整个线饼的所有导线都向外 凸出,或在相邻撑条间距内,整个线饼的所有导线都向内凹陷,或两种变形同时存 在。这种局部变形不仅在圆周方向是不对称的,而且整个绕组轴向高度上的所有线 饼也不一定都产生这种变形。 幅向失稳是变压器短路损坏的主要形式,目前大部分损坏的变压器主要是由于 幅向失稳而引起的。当受辐向压缩短路力作用的绕组因辐向失稳而损坏时,虽然其华北电力大学硕士学位论文 主、纵绝缘皆会受到影响,但首先遭到损坏的仍然是导线的匝绝缘,因为辐向失稳 时导线的最大变形早已使匝绝缘破裂。 绕组变形导致匝绝缘破裂从而引起匝间短路 随着幅向拉伸短路力的增大,绕组产生变形,使得绕组的内径增大,线饼里层 导线的匝绝缘出现破裂而导致匝间短路。在短路电流的热效应和短路力的共同作用 下,有时可以引起短路处的导线熔断,这样引起的变压器损坏就是在幅向短路力尚 未达到将导线拉断的应力值之前,匝绝缘早已破裂而导致的匝间短路。 绕组变形导致主绝缘强度降低进而造成绝缘击穿 当导线中的拉伸应力超过如时,绕组的变形将导致紧靠绕组内表面的第一个 油隙不同程度地增大、绕组的相间距离缩小,从而使主绝缘强度降低,严重时可能 导致绝缘击穿。 绕组的轴向失稳 通常把绕组的某些线饼在轴向动态短路力和辐向短路力共同作用之下的倾 斜 倒塌,称为绕组的轴向失稳【】。轴向失稳是受轴向动态短路力和辐向短路力不管 是辐向拉伸短路力,还是辐向压缩短路力共同作用的绕组的主要损坏模式,轴向 预压紧力是它的主要影响因素。 通过分析发现,目前电网中部分变压器的绕组短路强度不能满足要求是有其历 史原因的。主要原因包括: 设计和制造水平的限制 年代包括世纪初设计、计算及制造的电力变压器的抗短路能力按照 当时的判断标准是满足的,但是随着设计制造水平的提高和电网容量的增大,用现 在更加科学的判断标准来判断当时所制造的电力变压器的抗短路能力是不够的。 材料选择及结构设计时存在偏颇 年代中后期,变压器制造厂在追求低损耗、局部放电水平等指标时,在材料 选择及结构设计等方面会降低对抗短路能力的要求。例如,为提高产品的局部放电 水平,低压线圈取消了浸漆工艺。 设计时考虑抗短路能力安全裕度非常有限 在进行产品设计时,非常重要的一点是要考虑产品的安全裕度,如绝缘强度、 抗短路能力等,必须要留有足够裕度。但是,提高安全裕度往往意味着增加制造难 度,甚至大幅增加产品的成本,在变压器市场竞争如此激烈的今天,这一点矛盾尤 为突出。特别是,变压器的抗短路能力如果不发生较为严重的短路故障,运行维护 单位是很难通过指标、试验等来验证。 此外,近年来系统容量和单台变压器容量的显著增加,变电站内低压设华北电力大学硕士学位论文 备质量不佳,以及配网线路运行环境恶劣等构成了变压器短路损坏的外部诱因。 随着变压器容量的增大,电力输送系统对产品运行可靠性的要求也在提高。目 前很多制造厂把变压器通过短路试验作为检验变压器运行可靠性的依据。事实上, 由于受试验条件的限制,有些短路试验无法进行,我国西安和沈阳的变压器短路试 验站可以做及以下电力变压器的短路试验,但是及以上大容量变压 器的短路试验在国内很少有单位能做,目前中国变压器最大试验短路容量仅为 ,而及以上的大容量变压器短路试验在国内还无法进行,而且短路 试验对人力、物力、财力的耗费也是巨大的。因此,这些产品的短路强度计 算及工 艺质量无法得到真正有效地考核,给电力系统的运行带来了严重的安全隐患,所以, 理论研究更显重要。 .课题国内外研究现状 我国电力部门与变压器制造行业非常重视变压器抗短路能力的问题,早在“七 五”、“八五,国家重大技术装备科技公关项目中设立了“变压器线圈强度研究”,“大 容量变压器短路强度计算与研究”等曩题。我国分别在沈阳和西安建立了变压器短 路试验站,国家机械工业局和国家电力公司组织专家在大量调研的基础上编写了 “关于预防级及以上变压器短路损坏事故综合措施的 意见 文理分科指导河道管理范围浙江建筑工程概算定额教材专家评审意见党员教师互相批评意见 ”,对提高变压器 的抗短路能力进行了有力的指导【】。 如何提高大型变压器绕组的短路强度,一直是我国变压器设计人员最关心的问 题,为此,许多学者对变压器绕组的短路强度问题以及短路后表现出的辐向失稳、 轴向失稳、引线固定失稳等进行了大量的研究,取得了许多重要的研究成果,并在 如何采取措施提高变压器抗短路能力方面发表了大量文献,其中很多方法在 实际的 工程计算中采用,有效地提高了变压器的绕组短路强度。例如乔静秋与汤蕴缪教授 将变压器漏磁场分解为二维工频静磁场及直流静磁场,并计算了电动力密度的工 频、倍频与恒定三种分量,研究了瞬态电磁力【,】;李岩博士提出了用分域求解的 严臼方法对大型电力变压器绕组电磁力和局部过热问题进行了研究【;王洪方等结 合绝缘端圈的结构非线性提出了非线性振动数学模型,分析了油道结构、预压 力等因素对轴向稳定性的影响;学者陈振茂等通过将线饼轴向位移在辐向进行傅立 叶展开,并用变量分离法,导出了多维动力学方程【以,计算变压器铁心窗内、窗 外绕组的动态响应;梁振光博士【 ,在对变压器在突发短路情况下绕组的轴向振动 进行了计算分析;周纪卿等人用扁拱理论对绕组辐向稳定性进行了分析【,】。 在短路试验方面,我国年月实施的国标.中更加严格规 定了等级及以上电力变压器短路时的系统视在短路容量,对变压器承受短路 能力的试验考核更为严格,对于一类和二类的三相变压器短路电流的实验次数为华北电力大学硕士学位论文 次,即每相进行次实验,对于三类变压器推荐的次数也为次,而且重复例行实 验和雷电冲击实验要在短路试验后进行【】。试验规定更加详细,为研究大型变压器 的抗短路能力提供了更严格的理论计算依据,提高了变压器运行的可靠性,。 世界各国对变压器绕组短路强度的研究也十分重视。许多跨国集团公司如法国 阿尔斯通公司、德国西门子公司、集团公司等都投入了大量的人力物力对变压 器的抗短路能力进行研究,并取得了不少成果。各国学者都非常关注绕组幅向及轴 向动态特性的研究,..等人【,】将绕组作为受载荷梁的横向振动来研究动态 失稳。.等人将绕组看作受内部支撑的多跨模型进行研究,并分析了个别支 撑失效对绕组稳定性的影响【睨】;.等人考虑了由于绝缘油的运动而产生的 阻尼运动【。】;等人则认为内线圈与铁心之间由于套装等原因造成的间 隙比失稳前径向位移大很多【。,所以轴向支撑、绝缘纸筒等组成的对内绕组的辐 向支撑部分失效,而绝缘垫块在短路过程中总处于压紧状态,利用有限差分法,在 假设载荷是均匀分布的前提下进行了动力稳定性的计算。 除了理论计算,模型试验也是一种非常重要的研究手段。在国外,这方面的 工作一般由大型电力设备制造公司完成,如法国、英国、意大利三国的公司联合研 究了变压器绕组轴向振动特性;美国通用电气工司的研究人员也对变压器绕组的轴 向振动进行过细致的研究。 在电磁计算的软件研究方面,年的会议上,国外纷纷展出 了电磁场数值计算软件包,在产品的开发设计中发挥着越来越重要的作用。经过不 断地发展,体现了国际先进水平的软件主要有 公司推出的 /】;公司开发的/;法国学者等人 开发的;公司开发的软件;奥地利等开发的; .博士等开发的 等开发的;加拿大公司 系列软件。 .本文的主要工作 本文在以上研究背景下,针对目前变压器励磁涌流以及运行过程中变压器绕组 短路稳定性的研究现状,着重进行等级的电力变压器的励磁涌流及绕组短路 强度的数值计算与分析,主要工作如下: 通过软件仿真,分析不同的剩余磁通及空载合闸初相角对励磁涌流 的影响:通过仿真及实验研究分析励磁涌流的波形特点:采用小波变换对励磁涌流 和短路电流进行对比分析。 以较常出现故障的低压侧为的变压器为例,对比分析了不同 运行方式及短路方式下的短路电流。 华北电力大学硕士学位论文 以一台变压器为算例,采用专业仿真软件对其进行建模分析,得到 漏磁场和短路力在绕组上的分布特性,判断变压器的绕组短路强度是否满足要求。 对影响变压器绕组短路强度的安匝不平衡程度、垫块数、轴向预压紧力这 三个因素进行仿真分析,得出这三种影响因素和绕组轴向位移及轴向短路电动力之 间的定量关系。 从导线工艺、材质及力学性能入手,对目前所采用的半硬导线及自粘性换 位导线性能进行分析。华北电力大学硕士学位论文 第章励磁涌流和短路电流的分析与计算 变压器绕组在整个运行期间,不可避免地要受到过电流的多次冲击,进而引起 过电压、短路故障等问题,影响变压器的安全可靠运行,而且在变压器阻抗一定的 条件下,随着电压等级的不断提高、系统容量和变压器单台容量的不断扩大,由过 电流产生的短路电磁力对变压器绕组的威胁将会更加严重,所以,本章首先对引起 变压器短路力的过电流进行分析。励磁涌流及线路故障造成的短路电流是引起过电 流的两个主要原因,下面主要对这两种电流进行分析与计算。 .励磁涌流原理分析 变压器正常的励磁方法是直接合闸到全电压。铁心合闸以前的磁化剩磁和 合闸角度的不同使得励磁电流会产生或大或小的明显的暂态过程,励磁电流的过渡 部分常被称为励磁涌流。 通常从机械观点看,励磁涌流影响不大,但它却可能在变压器内引起相当大的 电动应力,使保护装置不恰当的分闸,进而可能危害变压器绝缘,因为断开如此大 的励磁涌流可能引起过电压,其值可能超过一半电网中出现的操作冲击过电压,所 以有必要对变压器空载合闸这一瞬变过程进行仿真分析,研究变压器合闸初相角、 铁心饱和磁通及剩余磁通对励磁涌流的影响。 ..励磁涌流计算分析 图所示为变压器铁心钢片的磁化曲线,磁通和励磁之间的关系将按照相对 点对称的磁滞回线变化。在励磁绕组上电压正半周时间内,磁通和电流的关系将 按曲线从点到点,而在负半周期间按从点返回到点。 如果变压器在外加电压的正半周的后半部分或负半周的前半部分从电源分开, 励磁电流将在点达到零,断路器的开断触头使电流断开。此时,铁心有残留磁通 痧。磁路的气隙是非常小的,气隙的作用可以忽略不计。因为断开后,没有反向励 磁力,这部分残留磁通被称为剩磁,可以在铁心中保留相当长时间,达到数个周波。 当变压器合闸时,电压的积分会叠加在剩磁上。如果合闸发生在任何两个半周 期的前部,由外加电压产生的磁通将达到很高的值。理论上磁通密度可能达到正常 运行磁通密度的两倍加剩磁的磁通密度【叭。由于在正常情况下,变压器在额定电压 % 时其磁通密度比饱和密度低 %,不利的合闸将使铁心过度饱和。 华北电力大学硕士学位论文 。 巾??/ ’厂、 。 , ?少 图变压器铁心的磁化曲线 下面对变压器产生励磁涌流的原因进行分析。假设变压器投入的电源是无穷 大 纯正弦电网,忽略变压器的漏抗,当变压器二次侧开路时,一次侧的电压方程 为 ‘ 竺..虬 式中,为一次绕组的匝数;墨为一次绕组的总电阻;以为电源电压的幅值;口 为 合闸时电压的初相角.将‘用夕来代替,‘厶,‘为一次绕组的自感,则解式 .可得 一生 ?一 厶 一鱼 ? 一厶 ? 由初始条件可得 痧九 将么代回式.,最后可得 矽一九国口办丸 ?删 蚋懿躺脯氲驴赤?%; ??‘缈户‘詈户 由式?可得,如果投入变压器瞬间的初相角为零度,忽略衰减,经过半个周 期后,铁心中可能达到的最大磁通值为丸痧,这时铁心将高度饱和,而励磁 电流与磁通的非线性关系就体现出来,瞬态激磁电流将急速增大,形成励磁 涌流, 华北电力大学硕士学位论文 一 ?。 丸舞 ?.??一: 、磁化曲线 / 丸秀 / 汀 荔蕊 ’ /确心 堑 /刖 磁通随时间的变化由磁通确定励磁电流 图在下空载投入时一次侧的瞬态电流 如忽略电网阻抗的影响,第一个涌流的幅值的最大值可以表示为 面 ?, ?一警 式中: ,加电压相绕组上的电压; 江绕组电感; 绕组电阻; 耦合和线路的系数; ,广一铁心中额定磁通密度; 厂一铁心中剩磁磁通密度; 口厂一饱和磁通密度; 局??.乱,一般可以假定为.或.,为了计算可假定驴.院。 线圈电感可以利用简化公式计算: 万?见 ? 式中: :竺:竺.:旦出. ’ . 或 ?匝数; 日.广一绕组高度; ,,厂一绕组平均直径; 口??绕组幅向宽度。. ..励磁涌流的合闸角分析 如图所示,在一个周期的~幺段,铁心的磁通进入饱和区,对应产生励华北电 力大学硕士学位论文 磁涌流;而铁心退出饱和区时,对应周期的乳鼠和~段,励磁电流很小,所 以,在一个周期中,励磁涌流是问断出现的,设岔为间断角,则 ? . 电感三在变压器铁芯的饱和区域为常量,则由式?和.可得 一鸟 一九研口痧丸‘一九 必 三 当变压器铁芯退出饱和区时,即矽九时,励磁电流文。 设‘时,,由式和?可得 幺:铂:躺?盟监竺竽生立一口 ‰ 在时也有,口,即幺%万一口, 由此可得变压器励磁涌流的间断角为 . 辜 见。 由以上可知,间断角谚的大小与合闸的初相角口,时间,铁心饱和磁通丸, 稳态磁通九及铁心剩余磁通诈的大小有关。当铁心剩余磁通以增大时,间断 角减小; 当合闸初相角口增大时,间断角增大,相应的电流谐波成分也增大。 .空载合闸时励磁涌流盼防真与实验分析 ..空载合闸时励磁涌流的仿真分析 本节采用仿真软件在平台上搭建变压器励磁涌流和短路电流 的仿真模型进行研究。在/环境下,利用中的三相 饱和变压器模块、测量模块以及封装的分析模块等,建立./型变压 器空载合闸和短路电流的仿真模型,如图.所示。变压器模块参数设置采用标么 值方式。饱和变压器的磁化曲线用分段线性表示,由一组,,痧数据确定。为了仿真 励磁涌流严重的情况取剩余磁通量的变化范围为~.丸,在变压器的模块中即可 设置。变压器合闸角度的选取通过断路器的合闸时间控制。参数设定如表.所示。 图仿真模型示意图 口蝴熊叠等必.//华北电力大学硕士学位论文 表.模型参数表 电源 电源容量, 电压频率 容量 ,电压.. 接地方式 变压器 一次侧:..,.;二次侧:名.,. ..仿真结果分析 图?为合闸角,合闸前铁心的剩余磁通为?,,,】时所产生的励 磁涌流,红、蓝、黑三线分别代表、、三相电流,相电流最大值达到, 为额定电流的.倍,且涌流出现明显的间断现象,波形基本偏于时间轴的一 侧, 电流一直在衰减。 图 ,,,】,口时的励磁涌流 图?为合闸角口,合闸前铁心的剩余磁通为?,【,,】时所产生的 励磁涌流,电流最大值达到,为额定电流的.倍,电流比上一种情况略小, 说明 关于失联党员情况说明岗位说明总经理岗位说明书会计岗位说明书行政主管岗位说明书 合闸危度的不同对电流有影响,但是影响不大。 : 一 / 图?,,,】,口时的励磁涌流 图为合闸角, 合闸前铁心的剩余磁通为 ?,.?。,.巾。,.?。】时所产生的励磁涌流,电流最大值达到,为额 定电流的.倍,电流相比于第一种情况明显增大,说明合闸前铁心剩余磁通对 电 流的影响很大。 华北电力大学硕士学位论文一 图?,.?。,.佃。,.?。】,口时的励磁涌流 图.为合闸角口, 合闸前铁心的剩余磁通为 ?,.?。,.?。,.?。】时所产生的励磁涌流,电流最大值达到,为额 定电流的.倍,电流相比于上一种情况略小,这是由于合闸角的改变造成的影响。 图.?,【.?。,.?。,.伯。】,口时的励磁涌流 由图.至图.的分析可知,涌流衰减较快且有明显的间断现象出现,三相 变压器空载合闸时,由于合闸初相角、铁心的磁滞效应以及铁心饱和程度等不同, 导致三相励磁涌流出现较大的幅值变化.变压器合闸瞬间铁心的剩余磁通对绕组涌 流的峰值有显著影响。图是产生涌流最大的时刻,达到额定电流的.倍,此 时剩磁最严重且合闸角为,验证了上节励磁涌流理论分析的正确性。表.为不 同的剩余磁通和合闸角所对应的相绕组励磁涌流峰值表。 表.合闸角及剩磁不同时对应的励磁涌流峰值表 ..空载合闸励磁涌流实验 以一台俄罗斯生产的小型变压器为例做单相励磁涌流实验,此变压器为双柱并 联结构,实验采用单柱加电,给定电源电压为,结构参数如表.所示,实验 采集的录波图如图.、图所示。华北电力大学硕士学位论文 表变压器结构参数 铁芯磁通密度. 型号?././. 频率,短路阻抗.% 相数,高压直阻. 电压比./. 空载电流 图?变压器的实验图 断开电源时变压器的电流波形 空载合闸时的电压电流波形 图实验结果图 由图 所示,黄色线代表电流值,绿色线代表电压值,根据变压器在关断 时的电压、电流波形数据以及变压器的参数,用专业计算软件得到上一关断时刻变 压器的剩余磁通,其值为.,同时在合闸角为零时合闸,变压器的励磁涌流 特性曲图 所示,励磁涌流最大值为.,达到额定电流的倍左右,从第 个周波到第个周波变压器的励磁涌流幅值下降明显,衰减很快,而且波形偏于 时间轴的一侧,有明显的间断现象出现,这些特点与变压器短路电流存在明显差异, 与仿真结果符合,验证了仿真结果的正确性。华北电力大学硕士学位论文 .短路电流的计算与仿真分析 ..短路电流的计算分析 低压侧绕组在短路时,其所受电动力与变压器低压侧容量无关,只与变压器的 额定容量成正比,如果变压器的额定容量为&,流过低压侧绕组的电流为额定 电流厶相电流,虬为变压器低压侧绕组额定电压线电压,则 最/虬宰 ? 下面计算短路稳态电流和峰值电流,如考虑图?的线路,其中有交流电压源 “?,假定在时间时,合闸开关闭合,线路形成短路,线路 中有电流砸如下 ;【咖似口一厅×? 热厶高: : 一??‘: 国 缈。 口??电压短路合闸时的初始角度; 缈??线路阻抗的相角,,百; 图短路分析的等值电路 电流必须从零开始,甭则的话在电感中的磁能需要在时间为零的持续时间内 建立,这是不可能的。电流包括两个分量:一个是以电源频率变化的交流稳态 分量, 即所谓的对称短路电流;另一个是单向随时间衰减的分量。 几乎在所有情况下电流以达到其最高峰值在,或口万,即短路发生在电压等 于零的瞬间。在电力系统中电抗远大于电阻,因此有够?万/,所以在或 口万时,短路电流为 陋聊 以商卜一三‖ 式中:卜一线路的时间常数//?万??。 第一个电流峰值很接近/.厂,即短路峰值电流为 ‘ ? 式中:一”胁; 厶??短路稳态电流,厶厶丰/互; 电网和变压器直流电阻之和; 电网和变压器电抗之和; 厂??频率: 卜短路电流起始偏移的系数,取决于短路阻抗中电抗与电阻的比值, 按原有关标准,对大型变压器取.,在现在执行的.:及 ..标准【】中对及以上的类变压器取.。 ..短路电流的仿真分析 变压器绕组短路故障中以相地短路的情况比较严重。采用仿真模型对相地短 路 的情况进行仿真,仿真时间为.。 仿真结果如图.所示,三相绕组同时对地短路时,最大峰值电流达到, 是额定电流的.倍,在整个短路过程期间短路电流逐渐衰减,大约在.后达 到了稳态。 / 图.三相对地短路时相电流波形 .励磁涌流与短路电流的对比分析 小波分析具有时域和频域的双重分辨率,对电压、电流波形的间断、突起和 瞬 态分量的 检测 工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训 都具有很好的效果。利用多分辨率小波变换进行电力系统谐波 分析, 具有准确性高,能同时提取信号的多次谐波,时域局部光滑性好等优剧】,而 励 华北电力大学硕士学位论文 磁涌流和短路电流在小波变换下呈现了完全不同的特性,以此可以作为鉴别 二者的 依据。 小波变换指的是存在一个这样的函数伊?,如果它的傅里叶变换参国 ‰ 满足以下容许性条件: 气一缈?,称烈为基本小波,于是定义信号厂 的连续小波变换胛为: . 胛口,儿,纪,。.口。陟砌’三竺 ’ 口 由上式可得,小波变换就是对信号用一组分析宽度不断变化的基函数作分 解。这样,正好能够使分析信号在不同频率范围满足不同的分辨率。 分析的特点: 具有时频局部性。 有自适应窗,既有多分辨率,适于分析非平稳信号。 口 品质因数带宽/中心址/锦 令~,一,.,,?可得离散小波变换,记为 ,即: %。似,,七厂纺 ? 一』 烈~一尼,,? 伊似 从仿真结果可以看出,虽然励磁涌流与短路电流都产生很大的电流值,但励磁 涌流有其自身的特点,如波形有间断角、波形偏离时间轴的一侧、含有丰富的二次 谐波等高次谐波、波形持续衰减等,这就决定了它们在各个频带中的表现会有差异。 如果对波形进行小波分解,凸显波形在各个频带中的各自特点可以获得有效的判 据,这样就可以从波形识别的角度来区别励磁涌流与短路电流。 本文采用小波分别对励磁涌流和短路电流进行尺度为的多分辨率分析, 第三尺度特征最为明显,其采样频率为。当?,.。,.?。,一.?。】, 口时,相励磁涌流最大,对其进行小波分解,第三尺度的近似信号及细节信 号如下图. 所示。三相对地短路时,对相电流进行小波分解,结果如图. 所示。对比两图可知,对照采用的第三尺度分析结果可以看到,在励磁涌流和短 路电流发生时刻,它们均发生畸变,但是励磁涌流幅值衰减急剧,第三尺度的细节 信号在长时间内反复震荡,而短路电流波形相对比较平稳,只在两个突变点出现大 幅变化。华北电力大学硕士学位论文 近似信号 短路电流第三尺度信息 图 相励磁涌流与短路电流在尺度上的多分辨率分析结果 同时可以看出,在小波分析下,励磁涌流在每个周波内都存在着突变点,而短 路电流波形只有两个较大突变点,分别对应短路发生时刻和进入稳态短路时刻。一 般情况下,励磁涌流衰减很快,容易造成变压器过电压使保护装置动作,而短路电 流相对于励磁涌流来说幅值更大,进入稳态时刻后衰减很小,所以造成的危害更严 重,使变压器绕组的稳定性受到威胁,下一章将对短路电流进一步分析。 .本章小结 本章通过理论分析得到变压器励磁涌流合闸角的表达式,利用软件仿真 验证了变压器剩余磁通最大及合闸初相角为零时励磁涌流最大这一结论的正确性, 通过实验验证了仿真波形的准确性;采用小波变换对励磁涌流及短路电流仿 真波形 进行对比分析。 华北电力大学硕士学位论文 第章变压器绕组短路时受力分析与计算 .不同运行方式下的短路电流分析 ..系统阻抗的计算 : 砖‘固 , 艺’ 删” 瓦:争熬/?寺叫%, 厶一瓦一甄?叫一 高压侧系统阻抗: 瓦 。,。?‰木% 中压侧系统阻抗: ;。。,。旦。木。。%华北电力大学硕士学位论文 在电力系统中,主变因低压侧短路故障造成变压器不同程度损坏的情况 较普遍发生,而发生短路故障的多台变压器中,低压侧为的产品又 占有一定的数量,这与其内绕组的结构形式特点有关。 由于容量及结构的限制,容量为、低压侧为的变压器的低压绕 组大多采用单螺旋结构,单螺旋结构是由多根扁导线并联叠绕而成【。绕制方式与 多根并联的层式线圈相似,但相邻线匝用垫块或绝缘纸圈隔开,每个饼作为一匝, 这种结构具有良好的机械稳定性、良好的散热能力和工艺性而普遍采用在大电流的 低压线圈或特殊结构的高压线圈中。 单螺旋线圈总匝数一般为数十匝,导线并联根数一般不超过根,并联导线 绕制线圈时,其外径侧的导线比内径导线要长,且线圈的漏磁分布为三角形,靠近 主空道处的导线,处于漏磁通密度高的位置,所以比距主空道远的导线感应的漏磁 势大,这样各导线之间存在电位差,为消除或减小循环电流,这种导线需要进行换 位。采用的换位方法是在线圈的/处进行一次标准换位、在/及/处各进行一 次特殊换位。这种换位在/处换位导线幅向位移最为严重。根据漏磁通分析,变 压器容易在此处发生短路或者绕组翻转的问题。 以、低压侧为的变压器为例,利用等效电路图对不同运 行方式下的短路电流进行计算分析: 高压侧与中压侧联合供电中压 低压 高压图等效电路图 图中:互,、乏:、乙,分别为高、中、低压系统等值阻抗; ??高压侧总阻抗,。乙互。,%; %??中压侧总阻抗,乙,%; %??低压侧总阻抗,乙互,%; 乙。??高压绕组等值阻抗,乞。‰。:%。,一/,%; :??中压绕组等值阻抗,乙:%。:%:,一/,%; 乙,??低压绕组等值阻抗,乙%。,%:,一/,%; ???变压器高中压绕组的短路阻抗,%; ??变压器高低压绕组的短路阻抗,%;华北电力大学硕士学位论文 蚴:,??变压器中低压绕组的短路阻抗,%。 由于低压侧短路,低压侧线路阻抗互,,在此情况下,电路等效为高、中绕 组并联后再与低压绕组串联,此时总等值短路阻抗为 旷?而~“白 等粼 么么么么 按照.?《变压器抗短路能力》中系统容量为, 系统容量为,可计算得出。。为%,。,为%。、 变压器典型短路阻抗设计值为:蚴。:为%;,,为%;:,为%。代入式? 后可得“:.%,则低压侧三相短路的稳态电流值为墨/:,其中 ,?为按满容量计算得出的低压绕组额定电流相电流,按,?.,计算可 得流过低压绕组的对称短路电流值。 仅中压侧供电 心 皿 中压 低压 高压图等效电路图 如果仅中压侧有电源时,互。为?,互:为%。同样,嘞。:为%;。,为 %;为%,代入式?后,可得:.%,.。 仅高压侧供电单台变压器运行 。, 中压 低压 高压图等效电路图 如果仅高压侧有电源时,互:为?,互,为%,又:%,:为%;%。,为%; 棚为%,代入式后,可得::%,.。 仅高压侧供电两台变压器高中并列、低压分列运行 华北电力大学硕士学位论文 高压 中压? 变 图等效电路图 如果两台主变高中并列、低压分列运行,则当挣变低压侧发生三相短路时, 除 变的高压绕组之外,舵变的高压绕组在与其中压绕组串联后又与撑变的中压 绕 组串联,也对变的低压绕组提供短路电流,此时: , 铲孙孙筹毫嵩 代入互为%,舢为%;棚为%;为%,可得::.%, . 仅高压侧供电三台变压器高中并列、低压分列运行 高压 中压 变 低压 低压 图等效电路图 如果三台主变高中并列、低压分列运行,则当拌变低压侧发生三相短路时, 除 ??变的高压绕组之外,舵、变的高压绕组在与各自中压绕组串联后再并联, 又 ’ 与变的中压绕组串联,也对变的低压绕组提供短路电流。此时:乙:掣 。。’ 乙。乙:当享型 %吃乙声耐 二 \ / 代入乏为%,‰为%;哟为%;%为%,可得:“:.%, . 比较以上分析结果可得: 主交目前实际的运行方式有:高中并列、低压分列运行。不同的运 行方式下,变压器低压侧短路时流过绕组的短路电流不同,变压器并列的台数越多, 短路电流越大。 根据上述分析计算结果可知,在高中联合供电或中压供电方式计算得出的 短路电流要大于实际运行方式下可能的短路电流,因此按照这两种方式计算所得的 短路电流结果较实际更为严格。 在进行变压器低压健绕组短路强度校核时,制造厂有的按高中联合供电方 式计算,有的接中压供电方式计算。根据上述分析可知,两种方式下计算得到的短 路电流相差很小小于%,因此,两种方式都可以在对变压器低压侧进行绕组短 路强度分析时用来计算短路电流。 .变压器短路时电动力的计算 处于磁场中的载流导体将要承受力的作用,因此当变压器绕组中通过电流时, 由于电流与漏磁场的共同作用,在绕组内将产生安培力,其大小取决于漏磁场的磁 通密度与导线电流的乘积,导线每单位长度受力的计算公式为:,力的方向 由左手定则决定。当变压器在正常负载下运行时,作用在导线上的力很小;当发生 突然短路时,由于最大短路电流为额定电流的至倍甚至更大,而漏磁密度 又与电流』成正比,所以短路时产生在绕组间的短路电磁力和短路电流的平方成正 比,此时短路力大约为正常运行时的几百倍甚至更大,而且短路力产生得极为迅速, 在这样极短的时间内断路器是来不及切断电路的。所以,在巨大的短路电磁力作用 下,可能使变压器的绕组等许多构件损坏,因此在设计变压器时,必须研究变压器 对短路电动力的耐受能力以及对绕组等构件在短路情况下的机械强度进行校验。 ..幅向力 变压器产生的磁通大部分是轴向的,所以引起的力基本上是幅向的。在独立双 绕组变压器中,磁动势的图形状是梯形的,且磁通密度矢量的强度也有相似的线性变化。矢量的最大值在绕组问的主空道达到最大值,在该处磁通密度的计算式为 吃。:堕警掣 式中:?绕组的电气匝数; 一绕组中的电流方均根植; 两一绕组的几何平均高度埘吼。 紧靠主空道的绕组相对幅向远离主空道的导体承受的短路力要大,因为幅向力 对内绕组向内线性降低到零。力的分布是由受力大的导体传到受力比较小的导体。 如果导线绕制很紧,则在导线间实际可以到达共同负担短路力。因此,可假定所有 幅向导体每单位长度承受平均力如下 .?万?吃。?‘? 式中:,导线中的电流方均根植。 如果忽略在绕组端部轴向磁通密度的降低,整个绕组上的全部幅向力是 耻即..竿.。川?譬仍.。。 式中:,,广一绕组的平均直经砌。 当考虑短路电流时,其第一个峰值是额定电流的?倍,是过电流系数,它 是稳态短路电流方均根值与额定电流方均根值之比,。是整个绕组在短路时的总 幅向力,于是有 耻..譬听嵋一以。。 。。。 .。..学?:.枷加“ ..轴向力 轴向力是由于发生在一对绕组端部的漏磁通发生幅向弯曲的结果。绕组具有 相 同的几何高度、磁动势幅向均匀分布,受到的轴向短路力的方向主要是从绕 组端部 到绕组中部。在这种情况下,靠近铁心的内绕组,通常是低压绕组,由于有较 多的 磁通幅向进入铁心柱闭合,所以低压绕组比外部绕组有更高的轴向力。 在短路条件下,双绕组变压器的每一柱的总轴向力由下式表示’ :.掣咖.华.‖戢.西:.“ ‘ \ / 』上 式中:仁主空道宽度;华北电力大学硕士学位论文 卜一绕组几何平均高度; ”一绕组平均直径细哑; 口,口绕组和绕组的幅向宽度: :一尘竺世,适用于尘竺型旦?.。 。 ?巩 \/懈。 .计算方法及仿真软件介绍 ..有限元法 采用静态力方法计算变压器绕组短路电动力和机械强度,目前主要采用数值解 析法,数值法分为有限差分法和有限元法,差分法的优点是,物理概念清晰,推导 较简单,但是由于网格采用的是矩形,当边界和求解域内部的部件形状比较复杂时, 剖分较难得到较好的逼近,所以对变压器结构较复杂的部件,一般采用有限元法。 有限元法的单元赫分比较灵活,一般采甩三角元对形状不规则的边界和部件可以做 刭较好鲢逼近,使得觏允后所形成的边界、载流区和部件形状更接近于实际情况, 在磁场变化较为尉烈的区域可以根据需要加密剖分,使得整个问题的计算结果更为 精确】。而且,该算法适合于计算机的计算,通用灵活。因此,本文利用有限元 法进行静态力的计算和分析。 有限元法的实施步骤: 建立待解边值问题的变分表述。 对整个求解域进行单元剖分。 在各个单元内建立分片的插值函数作为解的试探函数。 求取泛函的极值,建立以节点变量为未知数的联立代数方程组。 。 求解联立代数方程组,得到各节点变量的值和边值问题的数值解 ..动态力计算方法 变压器的动态表现体现在,在变压器短路的过程中短路电流的不断变化造成短 路电动力的变化,在短路电动力的作用下绕组及相关部件也是不断移动的,所以短 路力不仅与绝缘材料的机械性能有关,也与其弹力、惯性力、摩擦力等相关【枷】。 由于变压器绕组及绝缘垫块、撑条等绝缘件具有一定弹性,因此绕组可看作是 一个由弹性联系的实体所组成的一个机械系统。在遭受突发短路后,绕组在巨大的 电动力作用下,会像弹簧一样沿轴向方向上下往复快速振动,如果振动过大,会造 成绕组的垫块与线饼的压紧力不足,当在短时间内经受连续突发短路时,绕组在振 动情况下再次遭受巨大外力,如果绕组此时受力正好与振动方向相同,则会造成绕华北电力大学硕士学位论文 组短路力的叠加,绕组损坏概率大大增加:如果受力与振动方向相反,则相当于在 其振动方向上强加了一个反方向的力,此时会造成绕组局部应力集中,在遭受此短 路力下,极有可能发生损坏。 在对轴向短路力进行动态计算时,除了计算绕组的轴向固有振动频率以外,还 要计算在动态轴向短路力的作用下,各线饼相对于初始位置的位移而引起的绝缘垫 块的轴向变形因为铜导线的弹性模数远远大于绝缘材料的弹性模数,所以不考虑 铜导线的相对变形,再根据绝缘垫块上的动态压强与变形的关系,来求出绝缘垫 块和导线上的轴向动态短路力。图.为变压器绕组的动态等效图,其中质量来 代替线段,弹簧代替线段之间的垫块,用弹簧尼,和岛来代替绕组端部的绝缘垫块。 尼 尼 丹 图.在轴向力作用下变压器绕组的动态系统的等效图 在图.所示的系统中,各质量的运动方程式具有下列形式: 聊争“鲁铂“互一乞互愕 聊争“鲁“:“乞互孵 ? 聊争“鲁?,“乞孵 ,,争“鲁“?啦。孵 式中:乙??第咒个单元相对于自身原先位置的位移; ’??摩擦系数: 毛、’、乞??弹性系数; ??作用在第刀个单元上的电动力; 华北电力大学硕士学位论文 孵??线饼的质量; 』, 之争??绕组刀个单元的惯性力; ’ ’争??刀个单元在油或空气中的摩擦力; 七’。??绕组第个单元绝缘的弹性力。 解方程组?求出关系式厂,即绕组任意点的位移对时间的函数, 然后可以求出在过渡过程中作用在绕组任意点上的力。这个力等于弹性系数 与 位移的乘积,即’。这个力可能与作用在绕组单元上的外力有很大不同。 因为方程组.中的单元数通常是很大的,需要进行多次迭代求解,所以求 解应用计算机进行。求出了绕组的位移之后,就可以求出作用在上下铁轭夹 件肢板 上的力,即 ? 互毛和互乞 求出绕组位移变化量后,可考察变压器的位移是否满足攘定要求。不同等级 的 变压器有各自具体的位移范围要求,针对本文研究的髂弘 ?沈型变压 器,若绕组相对原来位置的位移超过,则认为变压器的轴向稳定性没有满足 要求。 .. 变压器仿真软件介绍 本节采用变压器专业仿真软件进行分析。该软件分别采用了有限元法和 动态模型计算方法,在环境下利用语言编写而成,能够对绕组磁通密 度、涡流损耗、绕组机械强度、静态和动态短路力进行分析,功能流程图如 图? 所示,其主要特点如下: 根据实际运行工况及具体的变压器参数,输入特定的计算参数,包括线圈 高度、短路阻抗、轴向厚度、高度等参数。 对绕组的安匝分区数进行了改进,各相之间不受约束、可按需要任意给定。 以文字和图表形式输出结果,利于对比分析,例如变压器的磁通密度在三 种不同运行方式下的曲线可在一个图形中显示和对比分析。 程序代码具有开放性和可重用性。这样,在进一步的设计中,能保证设计 者可以方便地对代码进行升级扩充。 提供设计接口,可进行开发来适应新的计算要求。华北电力大学硕士学位论 文 不 满 足 图?程序流程图 .变压器漏磁场与短路力的仿真分析 ..变压器计算模型建立 现采用仿真软件对一台?/型变压器进行仿真,模拟其发生 短路情况,计算漏磁场和短路力并分析其分布规律,该台变压器已在沈阳虎 石台高 压试验站通过短路强度试验,运行良好。 表变压器产品规格 首先根据该变压器的结构特点,在合理的范围内做以下简化设置: 华北电力大学硕士学位论文 根据大型变压器三相结构对称性和绕组漏磁场和短路电动力等的计算要求, 计算时取铁芯中心对称剖面的二分之一来进行研究。 由具体的变压器设计单可知,变压器绕组结构为两路并联,所以变压器绕 组安匝分布上下对称,认为绕组在各个区的电流分布均匀。 根据以上分析,建立变压器二维简化计算模型,如图 所示,图 为变 压器的具体幅向数据参数,由图可直接得出。 变压器绕组安匝划分 \\ ?;. 叠.柏 .‘ ’ .巧 舶 ?. ? 变压器幅向尺寸 图变压器结构参数 ..变压器漏磁场分析 当变压器绕组中流过负载电流时,在绕组所占空间及其周围空间产生磁通欢, 通常把这种由负载电流在绕组所占空间及其周围空间产生的磁通破称作漏磁通‘。华北电力大学硕士学位论文 负载电流的大小直接决定了漏磁通的大小。 根据以上分析,对算例变压器在最小分接运行情况下进行剖分,剖分节点总数 为个,单元总数为个,如图.所示。图.至图.分别为各绕组 之间主空道的磁通密度沿绕组轴向高度的分布情况。 如图.所示,在实际的变压器中,磁力线在绕组端部发生弯曲,产生幅向漏 磁通,同时使轴向的漏磁分量减小,但是幅向漏磁所占比重较小。由于铁轭的存在, 磁力线主要通过铁轭闭合,使得铁窗里的漏磁通比铁窗外的漏磁通要大。对一台 变压器的测量结果表明,当铁轭不饱和时,大约有/的漏磁通是经铁轭 返回的,而只有/的漏磁通是经邮箱壁返回的。由于靠近芯柱的内侧绕组几乎 完 全处于铁窗内,因此文献.认为,磁力线弯曲产生的幅向漏磁分量,其中有 /.%与内侧绕组相交链,与外侧绕组相交链的仅有/旷%。 一?冀、。 图?变压器网格剖分图 ? .二?: :华北电力大学硕士学位论文 . .?乱 .?. . 乱 . .?也 . . . . . . . . . .?? 。幅向磁通密度 轴向磁通密度 图.变乐器中低运行时低乐绕纲外侧的磁通密度分布 \ ’? , 、 、 、』 、\ 、 ‖ \ \ 、 ~一 \ 、、、 : 、 \ \ ’、、:、、 、 、.: \ \ . 、、、 』 ’ \ ‘ ? , 一 , ,// \ , 、 , 、、 \ \ 。二,,二/ \ / \ , 二:一一 一一一 、?/ /‘ / 寸、 ,‘// ? 一 、、 ::一’ 幅向磁通密度 轴向磁通密度 图?变压器中低运行时中压绕组内侧的磁通密度分布 华北电力大学硕士学位论文 九 ?一