基于ANSYS Maxwell的干式接地變壓器故障原因分析方法

順特電氣設(shè)備有限公司 席國(guó)強(qiáng)

基于ANSYS Maxwell的干式接地變壓器故障原因分析方法

順特電氣設(shè)備有限公司 席國(guó)強(qiáng)

文中選用DKSC-630/10.5接地變壓器結(jié)構(gòu)參數(shù)，運(yùn)用大型有限元軟件Ansys Maxwell，快捷有效地分析了一起干式接地變壓器高壓內(nèi)外線圈分離的故障原因，為接地變壓器的設(shè)計(jì)與分析工作提供了一種準(zhǔn)確的三維分析模型和高效快捷的研究方法。

ZN型接地變壓器；ANSYS Maxwell 3D；三維模型；電動(dòng)力；仿真計(jì)算

變壓器經(jīng)典理論中，對(duì)于常規(guī)變壓器高低壓線圈之間的短路電動(dòng)力計(jì)算，主要考慮正序電流。而接地變壓器對(duì)正序和負(fù)序電流呈高阻抗，對(duì)零序電流呈低阻抗性，高壓內(nèi)外線圈之間的短路電動(dòng)力計(jì)算，主要考慮零序電流[1、2]。三相零序磁通同相位，不能在三柱式鐵心內(nèi)形成閉合回路，三相之間的相互電動(dòng)力嚴(yán)重，不能簡(jiǎn)化為一相二柱式。對(duì)于零序電流較大的三相三柱式接地變壓器，計(jì)算其高壓內(nèi)外線圈及三相之間的相互電動(dòng)力，目前沒有有效快捷的計(jì)算方法。

圖1-1 ZN型接地變壓器高壓線圈聯(lián)結(jié)圖和繞組接線圖

1 接地變壓器基本原理

ZN型接地變壓器和Dyn11常規(guī)變壓器的聯(lián)結(jié)圖如圖1-1和圖1-2。接地變壓器與常規(guī)變壓器的區(qū)別在于：每相線圈分成兩組（內(nèi)外線圈）分別反向繞在該相磁柱上，同柱上兩繞組流過相等的零序電流而呈現(xiàn)低阻抗，零序電流在繞組上的壓降很小，零序磁通可沿磁柱流通。而常規(guī)變壓器的零序磁通是沿著漏磁磁路流通，所以ZN型接地變壓器的零序阻抗很小（10Ω左右），而普通變壓器的零序阻抗要大得多[2]。

從圖1-1和圖1-2可以看出接地變壓器每柱的兩個(gè)線圈（高壓內(nèi)外線圈）正序電流有120°相角差，零序電流為180°相角差，常規(guī)變壓器每柱的兩個(gè)線圈（高低壓線圈）正序電流為180°相角差[3]。

2 建立接地變壓器三維模型

圖1-2 Dyn11配電變壓器高低壓線圈聯(lián)結(jié)圖

本文選用最早來(lái)自Ansoft公司，后來(lái)被ANSYS軟件公司收購(gòu)的低頻電磁場(chǎng)有限元仿真軟件Ansys Maxwell（Ansoft Maxwell）建立接地變壓器的三維模型如圖2-1。

2.1 設(shè)置激勵(lì)源(Excitations)

本文選用的接地變壓器DKSC-630/10.5的內(nèi)外線圈的匝數(shù)均近似按500匝計(jì)算（實(shí)際產(chǎn)品匝數(shù)不等），假設(shè)流過內(nèi)外線圈的零序電流按4000*√2（峰值）≈5657A，則內(nèi)外線圈的安匝數(shù)為2828500。

圖2-1 接地變壓器三維模型

圖2-2 接地變壓器三維模型全部項(xiàng)目驗(yàn)證通過圖示

接著，分別對(duì)接地變壓器A、B、C相內(nèi)外線圈設(shè)置激勵(lì)（Assign Excitation），選電流Current，均輸入2828500，類型（Type）選絞合導(dǎo)體（Stranded）（實(shí)際生產(chǎn)為多匝繞制），并將內(nèi)外線圈的電流方向設(shè)置相反，此為接地變壓器的特點(diǎn)，同一相的兩繞組反極性串聯(lián)，其感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小相等，方向相反，正好相互抵消，因此呈低阻抗[4、5]。

2.2 設(shè)置求解參數(shù)（Parameters）

本文對(duì)接地變壓器內(nèi)外線圈的電動(dòng)力進(jìn)行仿真計(jì)算，故此處分別對(duì)內(nèi)外線圈設(shè)置求解電動(dòng)力（Force）。

2.3 設(shè)置求解要求（Analysis Setup）

2.2.1適用條件漫川漫崗黑土區(qū)溝底比降較大的侵蝕溝，低山丘陵區(qū)水土資源較好的侵蝕溝或溝段，半干旱區(qū)侵蝕溝均適用。

通過主菜單Maxwell 3D 選擇 Analysis Setup ，再選擇 Add Solution Setup，對(duì)求解參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，此處均選擇默認(rèn)值。

2.4 生成有限元網(wǎng)絡(luò)驗(yàn)證模型（Validation Check）

點(diǎn)擊工具欄中使生效按鈕（Validate）對(duì)前面所建立的模型及設(shè)置的參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，以便確定是否可以進(jìn)行下一步求解，圖2-2為驗(yàn)證通過的界面。

2.5 設(shè)置運(yùn)行服務(wù)器（Maxwell 3D Server Setup）

本文采用選用本地計(jì)算機(jī)（Local machine）。

2.6 求解全部（Analyze all）

完成以上步驟后，點(diǎn)擊求解全部（Analyze all）按鈕對(duì)所建的模型及設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行有限元求解。若均正確則提示：Normal completion of simulation on server∶ Local Machine，否則提示錯(cuò)誤信息。

2.7 查看求解結(jié)果（Solution data）

接地變壓器正常運(yùn)行時(shí)A相高壓外線圈的電動(dòng)力情況詳見圖2-5，接地變壓器A、B、C相內(nèi)外線圈的電動(dòng)力情況匯總?cè)绫?-1。表2-1中A相外和C相外的Y軸電動(dòng)力均達(dá)到1.18×105的力，可以看出當(dāng)接地變壓器流過零序電流時(shí)，A、C相的電動(dòng)力與B相的不對(duì)稱，同時(shí)也可以說明磁路不對(duì)稱，A、C相的橫向漏磁較嚴(yán)重。

由牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律G = mg估算1kg≈9.8N，1N≈1/9.8kg≈0.102kg，仿真結(jié)果中當(dāng)接地變壓器正常運(yùn)行時(shí)，A相高壓外線圈，X軸、Y軸、Z軸方向的電動(dòng)力分別為-1147N、-1.1787×105N、-4816.9N，相當(dāng)于117kg、1.202×104kg、491.3kg力。

從表2-1可以看出，A、C相外線圈Y軸（橫向）受力較大，說明接地變壓器在流過較大的零序電流時(shí)上下端部的漏磁較嚴(yán)重。該特點(diǎn)若采用常規(guī)解析算法計(jì)算量大，計(jì)算周期長(zhǎng)，而采用仿真軟件計(jì)算，直觀高效。從以上所建立的模型結(jié)果輸出看，達(dá)到了預(yù)期效果，可用于后續(xù)分析。

3 對(duì)接地變壓器遭受過電壓且A和C相外線圈均發(fā)生相對(duì)位移時(shí)的電動(dòng)力分析

表2-1 接地變壓器A、B、C相線圈的電動(dòng)力情況

圖3-1 接地變壓器A和C相外線圈沿Z軸向上位移65mm三維模型

從前面的仿真結(jié)果表2-1可以看出，正常運(yùn)行時(shí)接地變壓器A、C相內(nèi)外線圈上下端部橫向漏磁比B相嚴(yán)重，線圈頂部壓釘松動(dòng)及經(jīng)歷多次大電流接地后，長(zhǎng)期運(yùn)行積累，可能會(huì)導(dǎo)致A、C相某一相外線圈脫離下方的墊塊支撐與內(nèi)線圈產(chǎn)生Z軸方向相對(duì)位移，橫向漏磁逐漸增強(qiáng)，從而增強(qiáng)Z軸方向的電動(dòng)力，逐漸累積后，位移增大，電動(dòng)力逐漸增大，A、C相某一相發(fā)生位移，同時(shí)會(huì)引發(fā)另一相發(fā)生位移，從而出現(xiàn)A、C相都發(fā)生位移的情形。下面對(duì)接地變壓器遭受過電壓且A和C相外線圈均發(fā)生相對(duì)位移65mm時(shí)的電動(dòng)力情況進(jìn)行仿真，結(jié)果如下。

如圖3-2所示，當(dāng)接地變壓器A、C相同時(shí)發(fā)生Z軸向上位移時(shí)，接地變壓器的上端部的橫向漏磁更嚴(yán)重，從而產(chǎn)生更大的軸向電動(dòng)力，如表3-1。接地變壓器正常運(yùn)行時(shí)軸向的力最大約為4800N（見表2-1），故障時(shí)A相線圈Z軸方向受到3.33×105N力，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于2.0×105N，接地變壓器將發(fā)生解體。通過A、C相外線圈向上錯(cuò)位65mm的仿真看，該接地變壓器的模型能較全面的體現(xiàn)出接地變壓器的電動(dòng)力情況，快速直觀的解決了接地變壓器的電動(dòng)力分析問題。從而可知，接地變壓器線圈頂部壓釘松動(dòng)及經(jīng)歷多次大電流接地后，長(zhǎng)期運(yùn)行積累，導(dǎo)致A、C相某一相外線圈脫離下方的墊塊支撐與內(nèi)線圈產(chǎn)生Z軸方向相對(duì)位移，接地變壓器A、C相外線圈會(huì)產(chǎn)生較大的軸向電動(dòng)力，以致沖破上鐵軛的束縛而飛出解體。已有相關(guān)的案例如圖3-3和圖3-4，接地變外線圈飛出將頂部樓板沖破。

圖3-2 遭受過電壓且A和C相外線圈均發(fā)生相對(duì)位移65mm時(shí)鐵心磁場(chǎng)云圖和矢量圖

表3-1 遭受過電壓且A和C相外線圈均發(fā)生相對(duì)位移65mm時(shí)A、B、C相線圈電動(dòng)力

圖3-3 接地變外線圈飛出解體

4 結(jié)束語(yǔ)

本文選用DKSC-630/10.5接地變壓器結(jié)構(gòu)參數(shù)，運(yùn)用大型有限元軟件ANSYS Maxwell 3D采用合理簡(jiǎn)化對(duì)ZN型接地變壓器鐵心和繞組進(jìn)行了三維建模，提出了合理的簡(jiǎn)化模型。通過對(duì)仿真結(jié)果計(jì)算分析，結(jié)合實(shí)際工程案例，驗(yàn)證了該三維仿真模型的準(zhǔn)確性，達(dá)到了預(yù)期目的，直觀可視地解決了接地變壓器的電動(dòng)力分析問題，為接地變壓器的設(shè)計(jì)與分析工作提供了一種準(zhǔn)確快捷的計(jì)算方法。

通過仿真得出了如下結(jié)論：

接地變壓器的A、C相線圈橫向漏磁較嚴(yán)重，軸向和輻向電動(dòng)力均比較大，B相因與A、C相的磁通相互抵消，電動(dòng)力較小。接地變壓器零序磁通三相同相位，零序磁通不能在鐵心內(nèi)形成閉合回路，只能穿過相間和繞組間的空氣間隙形成閉合回路。

圖3-4 接地變外線圈飛出致使頂部樓板破裂。

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