提高配电变压器抗短路能力问题分析和探索

郑原原 颜宏伟

摘 要：目前，我国国民用电需求在不断的扩大，而如何有效的提高配电变压器抗短路能力是当前急需解决的问题之一。本文通过对国家电网公司的配电变压器进行短路能力检测，然后针对性的提出一些有效的提高抗短路能力的措施，希望能改善当前配电变压器短路现状。

关键词：配电变压器；短路；有限元

1、调查结果

本次厂外送检的试验项目包括例行性试验、短路承受能力试验、雷电冲击试验、外施耐压试验和空载与负载试验等。经过试验鉴定最终有10台配变试验不合格，不合格率高达58.8%；而在不合格的配电变压器中，由于短路承受能力问题引起的不合格又高达90%以上，故本文中就配电变压器的短路问题进行了详细的分析。

2、配电变压器短路稳定性分析

当变压器突然短路时，变压器的短路电流会增加。由于短路功率与短路电流的平方成正比，变压器的短路功率会突然增加。如果没有及时控制，最终会导致变压器绕组中不可逆的结构变化，在一定的程度上缩短了变压器的使用寿命。对于变压器来说，短路电功率通常分为径向和轴向两部分，在这里我们讨论如何改善两个区域的短路稳定性。

2.1配电变压器辐向稳定性分析

据现场事故及短路试验的数据显示，变压器的结构故障主要是绕组的辐向失稳，比例高达90%。变压器突发短路故障后，将会导致低压绕组受压力作用而出现指向铁心方向的结构变形，高压绕组受拉力作用而出现背离铁心方向的结构变形。

现以200kVA/10kV配电变压器结合ANSYS有限元软件进行仿真讨论，其主要参数如下。

其他：符合GB1904等技术标准对变压器进行辐向短路电动力计算，得知当t=0.01s时辐向短路电动力的值最大，其值为102.58kN/m。

在仿真建模和分析中，做出如下假设：低侧保持被认为是弹簧，并且由轴向短路力引起的振动未被计数，认为弹簧固定在纸筒上，纸筒不动，下部与纸管的连接处受到约束，弹簧上部与导线的接头为Y轴与Z轴位移约束，ROTX与ROTY角受到约束。假设支柱与滤饼之间弹性接触，当弹性点受到压力时会产生反作用力和压缩变形。当向外突出时，弹性支撑点受到拉力，拉力是高压侧对低压侧的作用力。

应用ANSYS有限元软件对配电变压器建立非线性屈曲分析模型，并采用后处理模块提取非线性屈曲分析的临界载荷，通过计算求得安全系数如表1所示。由表1可知，配电变压器的辐向稳定性随着撑条分布不均匀程度的加剧而愈来愈差，当不均匀分布角大于一定值时，会发生辐向失稳现象。故可以采用改善绕组撑条分布的均匀程度来提高配电变压器的辐向稳定性。

低压绕组偏心是配电变压器相对常见的初始缺陷。所谓的低压绕组偏心率是绕组中心与铁心中心之间的偏差，如图2所示。模拟可以通过简化低电压绕组和弹簧之间的压缩来实现。屈曲分析模型中四分之一弹簧的弹性系数从1.0×108N/m逐渐减小到0.05×108N/m到0.8×108N/m，然后用ANSYS有限元软件求解。可以看出，施加102.58kN/m径向短路力后，低压绕组的最大位移变形为1.841mm。与绕组同心的情况相比，变形增加了0.548mm，这表明低压绕组的偏心影响了低压绕组的径向稳定性和低电压。绕组的径向稳定性恶化为绕组的偏心率增加，因此在变压器的组装和运输过程中必须确保绕组的同心度度。

变压器绕组的材料多为铜线，铜线之间有镓绝缘。最理想的条件是相邻的铜线紧密缠绕在一起，但由于制造变压器时外部因素的影响，导线之间存在间隙并影响稳定性。。停留次数也是影响配电变压器承受短路电动势能力的重要因素之一。随着停留次数的增加，变压器绕组承受短路的能力增加，这当然也具有一定的范围。根据本文中的多跨度模型的数据，讨论了12、16、20和24根驻留的四个场景。20次停留的示意图如图5所示，不稳定阈值为表2中列出了安全系数。从表2中的数据分析可以看出，对于具有12个变压器的示例变压器，安全系数为0.895住宿；16次住宿的安全系数为1.583；20次住宿的安全系数为1.807；24基地的安全系数达到1.879。通过比较安全系数可以看出，增加变压器的支架数量可以提高变压器的短路电阻。

（1）为防止变压器绕组径向短路，在保证性能质量的前提下，内部绕组在制造过程中可采用铜箔；如果采用扁平铜线，则应适当增加单根线的径向尺寸；绕组线的横截面积可以改善外部绕组的短路电阻。（2）对于非晶合金变压器，由于非晶铁对应力非常敏感，所以低压绕组必须缠绕在机械强度足够强的高强度框架上。但是，在矩形卷绕的情况下，长边的中部不易与硬纸筒完全接触，在卷绕过程结束时，缝隙必须用纸板填充。

2.2配电变压器轴向稳定性分析

（1）绕组轴向振动模型，计算原理与仿真。当变压器突然短路时，在短路电动势的作用下，线饼和绝缘垫的结构可能会移位。同时，由于位置移动时速度和相对位置的变化，线饼的位移和惯性的存在，缓冲垫的弹性力与由缓冲垫产生的阻尼力密切相关在蛋糕的移动期间周围介质。因此，在变压器绕组的短路状态下，短路电力和绕组的机械结构重叠，这是一个复杂的现象。为了方便准确地计算绕组轴向振动，采用质量-弹簧阻尼模型分析绕组轴向动态振动系统。以ANSYS有限元软件为平台，建立了绕组实际尺寸的质量-弹簧阻尼模型。在建模和解决过程中，预紧力需要设置如下：线饼上的预紧力足够大；每个饼饼的预紧力相等；上下铁轭和压板为刚体，形状和位移固定；线饼被认为是一个离散的群众单位进行研究；绝缘垫被认为是独立于弹簧的弹性单元；线饼只有轴向振动，没有径向振动。

（2）影响变压器轴向稳定性的其他因素

①在设计变压器时，应尽量减小变压器绕组的安匝不平衡度，因为绕组的安匝不平衡度影响辐向漏磁，进而影响轴向短路电动力的大小。②由于矩形绕组在承受短路电动力时，轴向变形最为严重，故应合理性地选择矩形绕组的长宽比，以避免矩形绕组长轴和短轴之间差别过大。③设计时采用合适的端部绝缘结构，增加高、低压绕组轴向压紧面积，并采用具有一定机械强度的夹件，将上、下压板与绕组紧密地压装在一起，從而提高抗短路能力。

3、结语

（1）通过对送检配电变压器试验结果进行分析，得出短路问题是影响配电变压器正常运行的最主要问题，各配电变压器供应商应予以重视。（2）应用ANSYS有限元软件对配电变压器低压绕组进行了屈曲分析，并对撑条数目多少、撑条分布均匀程度、绕组偏心程度和导线绕制紧密程度等因素对辐向稳定性的影响进行了研究。（3）结合弹簧-质量-阻尼模型与ANSYS有限元软件对配电变压器高压绕组进行了模拟和仿真，并对影响配电变压器轴向稳定性的因素进行了讨论。

参考文献

[1]刘光祺，杨航，张大赛，刘凌.基于解体和短路测试的配电变压器电动力及典型薄弱结构研究[J].变压器，2018，55（03）：31-36.

[2]郝庆凯.基于有限元方法的变压器外部短路工况电磁场仿真[D].东北电力大学，2017.

[3]李帅.10kV级油浸式配电变压器漏磁场和抗短路能力的研究[D].河北工业大学，2015.

[4]贺以燕.我国电力变压器抗短路能力现状与提高的措施及IEC新标准[J].电力设备，2001（04）：55-61.

[5]贺以燕.从设计、工艺、结构与试验等方面探讨提高变压器抗短路能力的问题[J].变压器，1997（10）：1-11.

（作者身份号码：1 320122199003023216；2 320122198604134419）