新型換流變壓器繞組振動特性的ANSYS分析

戴麗宦，羅隆福，劉 濤,3，劉俊華，陳尚敏,4

(1.湖南大學電氣與信息工程學院，湖南長沙410082；2.國網(wǎng)湖南省電力公司漣源市供電分公司，湖南婁底417000；3.國網(wǎng)四川省電力公司南充供電公司，四川南充637000；4.國網(wǎng)湖南省電力公司檢修公司，湖南長沙410004)

新型換流變壓器繞組振動特性的ANSYS分析

戴麗宦1,2，羅隆福1，劉 濤1,3，劉俊華1，陳尚敏1,4

(1.湖南大學電氣與信息工程學院，湖南長沙410082；2.國網(wǎng)湖南省電力公司漣源市供電分公司，湖南婁底417000；3.國網(wǎng)四川省電力公司南充供電公司，四川南充637000；4.國網(wǎng)湖南省電力公司檢修公司，湖南長沙410004)

利用ANSYS有限元軟件仿真求得新型換流變壓器繞組振動模態(tài)和繞組振動位移數(shù)據(jù)。經(jīng)過Matlab離散數(shù)據(jù)快速傅里葉變換(FFT)分析波形得到繞組振動頻率成分。針對新型換流變壓器閥側(cè)繞組、濾波繞組、網(wǎng)側(cè)繞組振動頻譜分析，得出繞組振動頻率與繞組電流頻率存在某種關系的特性。

ANSYS；新型換流變壓器；繞組振動；模態(tài)分析；Matlab

新型換流變壓器是采用諧波屏蔽原理和感應濾波原理設計的具有移相、濾波作用的換流變壓器。新型換流變壓器的結構特點有：較普通換流變壓器多了一個濾波繞組；傳統(tǒng)12脈波整流電路需要6臺單相變壓器組成2臺YY、Y△組式三相變壓器，新型換流變壓器只需要3臺。新型換流變壓器實物圖如圖1所示。

圖1 變壓器實物圖

換流變壓器的負載主要是整流橋，由于電力電子器件的非線性，換流變壓器繞組諧波電流較普通電力變壓器大得多[1]，這決定了換流變壓器的振動比電力變壓器更強烈。新型換流變壓器具有濾除諧波的功能，改善了換流變壓器的工作環(huán)境，抑制了繞組的振動[2]。本文在ANSYS有限元分析軟件中建立新型換流變壓器和傳統(tǒng)換流變壓器繞組振動模型，模擬實際工作情況，進行仿真分析，對比了兩者的振動特性。

1 新型換流變壓器ANSYS仿真

ANSYS有限元分析軟件可以進行電磁場仿真和結構力仿真，結合這兩種分析方法，可以得到新型換流變壓器的振動模態(tài)和繞組振動波形[3]。

1.1 繞組電流和變壓器材料屬性

12脈波整流閥側(cè)主要諧波成分是5、7、11、13次特征諧波，投入5、7、11、13次濾波器和不投入濾波器，濾波繞組和網(wǎng)側(cè)繞組電流是不同的。各繞組電流如表1所示。

表1 繞組電流頻率分布表

新型換流變壓器由鐵芯、繞組、撐條、端絕緣組成，各部分材料結構參數(shù)如表2所示。

1.2 新型換流變壓器繞組振動模態(tài)

振動模態(tài)反映了變壓器的固有振動頻率和對應的振動形式，為變壓器結構設計提供參考依據(jù)，使固有頻率最大化避開外力頻率以避免諧振[4]。經(jīng)過仿真發(fā)現(xiàn)，新型換流變壓器固有頻率如表3所示。

表2 變壓器材料結構參數(shù)

表3 變壓器繞組振動模態(tài)

由表3可知，繞組的各階固有頻率均在1 400 Hz以上，避開了基波以及5次、7次、11次和13次諧波的兩倍頻。這就保證了變壓器繞組不會由于基波激勵或者特征次諧波激勵而造成共振，可見繞組的結構設計十分合理。各階的繞組振動模態(tài)圖如圖2～圖3。

圖2 左芯柱繞組前4階振型

圖3 右芯柱繞組前4階振型

觀察圖2～圖3可以得到如下結論：由于繞組模型是一個幾何上完全對稱的結構，所以得到的模態(tài)振型也全部為對稱的型式；一、二階振型中振動位移最大的節(jié)點區(qū)域都在閥側(cè)繞組(內(nèi)側(cè)繞組)，三、四階振型中振動位移最大的節(jié)點區(qū)域都在網(wǎng)側(cè)繞組，但數(shù)值上相差不大。這表明對于新型換流變壓器繞組的繞制結構，各個繞組振動強度主要取決于它的激勵。

1.3 新型換流變壓器繞組振動波形

在ANSYS軟件中，建立起新型換流變壓器的有限元模型，根據(jù)繞組電流可以求得變壓器漏磁場、繞組電磁力，根據(jù)繞組電磁力載荷可以求得變壓器繞組振動位移。新型換流變壓器有限元模型如圖4所示。

圖4 變壓器有限元模型

變壓器繞組振動云圖如圖5所示。由振動云圖可以看出：左右芯柱上的振動不是完全同步對稱的；閥側(cè)繞組向內(nèi)振動，網(wǎng)側(cè)繞組和濾波繞組向外振動；網(wǎng)側(cè)繞組振動明顯比閥側(cè)和濾波繞組強；繞組中部的振動比端部劇烈。

圖5 變壓器振動云圖

下文分未投入濾波器和投入5、7、11、13次濾波器兩種情況分析繞組振動情況。雖然左右芯柱繞組振動不同步對稱，但從一個周期來看，還是對稱的，所以本文只討論左柱繞組的情況。在左柱上取振動最強點作為參考點分析其振動。其振動波形如圖6～圖7所示。

圖6 新型換流變壓器繞組徑向振動波形

圖7 新型換流變壓器繞組軸向振動波形

由圖6所示繞組徑向振動曲線可知，閥側(cè)繞組的振動很小，投入濾波器對其振動幾乎沒有影響。但全投入濾波器時，閥側(cè)繞組振動波形光滑，說明閥側(cè)繞組的高次振動頻率成分被消除了。濾波繞組的振動波形在兩種工作狀況下幾乎吻合，說明濾波繞組中的電流變化對其振動影響不大。濾波繞組中的諧波電流會對繞組的振動有所增強。網(wǎng)側(cè)繞組的振動受濾波器的影響很大，投入濾波器使網(wǎng)側(cè)繞組振幅減小和頻率成分減少，且效果明顯。由圖7所示繞組軸向振動曲線可知，繞組軸向振動相比徑向振動小2個數(shù)量級，這說明新型換流變壓器繞組高度整齊，軸向振動小。濾波繞組和網(wǎng)側(cè)繞組軸向振動比閥側(cè)繞組軸向振動小，但投入濾波器對3個繞組也有一定的影響，投入濾波器改善了變壓器的軸向振動，尤其是閥側(cè)繞組的軸向振動。

2 繞組振動波形FFT分解

使用Matlab中FFT函數(shù)對變壓器繞組振動波形進行離散傅里葉分解。快速傅里葉變換(FFT)[5]是一種簡單有效的諧波分析方法，能準確地計算出信號中直流分量、基頻分量、諧波分量的幅值、頻率。傅里葉變換是信號分析和處理的重要工具，離散時間信號f(t)的快速傅里葉變換定義為：

式中：F(ejwt)是一個連續(xù)函數(shù)，不能直接在計算機上做數(shù)值計算。為了在計算機上實現(xiàn)頻譜分析，必須對f(t)的頻譜作離散近似。有限長離散信號的離散傅里葉變換(DFT)定義為：

電磁仿真時，一個周期取40個點，振動仿真同樣也是一個周期40個點。對振動波形進行離散傅里葉分析，為使結果精確，取N=1 600(40個周期的數(shù)據(jù)點)，每個點時間間隔為0.000 5 s，所以采樣頻率為2 000 Hz。

3 投入濾波器前后繞組振動頻率分析

新型換流變壓器的濾波繞組采用三角形連接，并接入5、7和11、13次濾波器。濾波器為諧波電流提供通路，濾波繞組產(chǎn)生與閥側(cè)諧波電流等量反向的諧波磁通。鐵芯中的諧波磁通為0，從而阻止閥側(cè)諧波電流傳入網(wǎng)側(cè)，削弱了漏磁通，抑制了繞組振動。

繞組振動頻率與所受電磁力頻率一致，電磁力頻率由電流頻率和漏磁場強度頻率之和決定。漏磁場強度頻率由產(chǎn)生漏磁通的電流決定。150 Hz的電流會產(chǎn)生150 Hz的漏磁通，50 Hz的電流與150 Hz的漏磁通會產(chǎn)生200 Hz的電磁力。漏磁通可以分解為軸向和徑向兩個分量，分別與電流產(chǎn)生徑向和軸向電磁力。

由圖6～圖7可知，徑向分量網(wǎng)側(cè)繞組和濾波繞組向外振動，閥側(cè)繞組向內(nèi)振動；軸向分量網(wǎng)側(cè)繞組、濾波繞組、閥側(cè)繞組都是向下振動的。閥側(cè)繞組的振動強度比網(wǎng)側(cè)繞組和濾波繞組的振動強度要低一個數(shù)量級，所以閥側(cè)繞組的振動可以不予考慮。濾波繞組在投入濾波器和不投入濾波器兩種情況下，振動情況變化不大。

3.1 網(wǎng)側(cè)繞組徑向振動

網(wǎng)側(cè)繞組徑向振動是由繞組電流和軸向漏磁通產(chǎn)生的電磁力激發(fā)的振動。表4列出了其頻率分布和對應的幅值以及投入濾波器對其的抑制百分比。由表4可知，網(wǎng)側(cè)繞組徑向振動被有效地抑制了，尤其是5、7、11、13次諧波引起的振動。電流基波分量產(chǎn)生的振動有所加強，但電流基波分量沒有變化，基波漏磁場增強了。

表4 網(wǎng)側(cè)繞組徑向振動頻譜

3.2 網(wǎng)側(cè)繞組軸向振動

網(wǎng)側(cè)繞組軸向振動是由繞組電流和徑向漏磁通產(chǎn)生的電磁力激發(fā)的振動。表5列出了其頻率分布和對應的幅值以及投入濾波器對其的抑制。由表5可知，網(wǎng)側(cè)繞組軸向振動被有

表5 網(wǎng)側(cè)繞組軸向振動頻譜

效地抑制了，但是由于投入濾波器加強了基波漏磁通，并產(chǎn)生了一定量的3次諧波漏磁通，所以繞組100 Hz的振動增強了。

4 結論

綜上所述，新型換流變壓器增加一個濾波繞組產(chǎn)生了很好的濾波效果，而且濾波繞組的投入不會加劇變壓器繞組的振動。新型換流變壓器繞組的振動主要在最外側(cè)的網(wǎng)側(cè)繞組，濾除網(wǎng)側(cè)諧波對改善新型換流變壓器繞組的振動有很大的幫助。

[1]BESBES M,REN Z,RAZEK A.Finite element analysis of magneto mechanical coupled phenomena in magneto strictive materials[J].IEEE Transaction on Magnetics,1996,32(3):1058-1061.

[2]SHAO P F,LUO L F,LI Y.Electromagnetic vibration analysis of the winding of a new HVDC converter transformer[J].IEEE Transactions on Power Delivery,2012,27(1):123-130.

[3]謝坡岸，饒柱石，朱子述.大型變壓器繞組有限元建模與分析[J].振動與沖擊，2006，25(2)：134-137.

[4]許加柱，羅隆福，李勇，等.新型換流變壓器繞組電磁力的分析計算[J].高電壓技術，2007，33(6)：102-105，122.

[5]徐巖，張曉明，王瑜，等.基于離散傅里葉變換的頻譜分析新方法[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2011，39(11)：38-43.

ANSYS analysis of new converter transformer winding vibration characteristics

DAI Li-huan1,2,LUO Long-fu1,LIU Tao1,3,LIU Jun-hua1,CHEN Shang-min1,4
(1.College of Electrical and Information Engineering,Hunan University,Changsha Hunan 410082,China;2.State Grid Lianyuan Power Supply Company,Loudi Hunan 417000,China;3.State Grid Nanchong Power Supply Company,Nanchong Sichuan 637000,China;4.Hunan Electric Power Company Maintenance Company,Changsha Hunan 410004,China)

Vibration modal and waveform of new converter transformer were simulated by ANSYS.Vibration frequency was analyzed through FFT.According to vibration frequency spectrum of valve side winding,filtering winding and line winding,a characteristics relationship in frequency of winding vibration and current was obtained.

ANSYS;new converter transformer;winding vibration;modal analysis;Matlab

TM 42

A

1002-087 X(2017)10-1482-03

2017-03-02

國家自然科學基金項目(51077045)

戴麗宦(1987—)，男，湖南省人，碩士生，主要研究方向為變壓器物理場分析。