变压器绕组振动特性仿真研究

徐辉，于虹，钱国超，付磊，刘冠辰，卢中西，王璋奇

(1.华北电力大学机械工程系，河北 保定 071000；2.华北电力大学云南电网公司研究生工作站，昆明 650217；3.华北电力大学电力工程系，河北 保定 071000；4.云南电网有限责任公司电力科学研究院，昆明 650217)

变压器绕组振动特性仿真研究

徐辉1，2，于虹4，钱国超4，付磊1，2，刘冠辰1，2，卢中西2，3，王璋奇1

(1.华北电力大学机械工程系，河北 保定 071000；
2.华北电力大学云南电网公司研究生工作站，昆明 650217；3.华北电力大学电力工程系，河北 保定 071000；4.云南电网有限责任公司电力科学研究院，昆明 650217)

为研究基于振动特性的变压器故障检测方法，从变压器绕组的机械稳定性研究出发，在对变压器绕组振动机理进行分析的基础上，通过建立变压器绕组机械动力学特性模型，对变压器绕组正常状态的振动特性进行研究，得到了变压器的固有振动特性，为进一步研究变压器绕组故障检测方法打下基础。

ANSYS；变压器；振动特性；仿真分析；绕组

0 前言

变压器绕组在漏磁场及电流的相互作用下，将会受到随着电流及磁场强度的脉动而变化的电动力的作用，使绕组产生振动。突发短路时，在巨大的短路电流的冲击下，变压器绕组很容易产生松动和变形。绕组松动和变形后将引起更大的不平衡电动激励力，并形成恶性循环，致使绕组损坏，甚至导致变压器的严重事故。[1]因此，变压器的抗短路失稳能力一直是大容量变压器设计的技术关键。

短路电动力可分为轴向力、辐向力及周向力(对螺旋绕组)，轴向力的作用使得绕组在轴向上被压缩，产生轴向位移和轴向机械振动；辐向力使得内绕组被压缩，外绕组被拉伸；周向力则使绕组产生扭转作用[4]。在短路过程中，变压器绕组在短路力的作用下产生运动，在这一动态过程中绕组所承受的动态力，不仅有短路电磁力，而且有惯性力、弹力和绕组各部件位移时受到的摩擦力等[2]。其动态过程非常复杂，受电磁、机械、材料等因素的影响。通常将变压器绕组动态过程的计算，处理为变压器绕组在轴向力作用下的轴向运动和在辐向力作用下的辐向运动[7]。考虑到轴向失稳为变压器故障的主要原因，因此，本研究重点对变压器绕组的轴向振动模态参数进行研究。

1 ANSYS简介

ANSYS软件是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分析软件[3]该软件具有多物理场耦合的功能，允许在同一模型上进行各式各样的耦合计算，确保了 ANSYS对多领域多变工程问题的求解。本文采用ANSYS对变压器振动特性进行模拟分析，为进一步研究变压器故障检测方法。

2 建模与仿真分析

2.1 结构的离散化

在结构动态计算中有限元划分的大小与振动的阶次有密切的关系，通常要注意如下几点：

1)结构单元划分的数目愈多，结构自由度数增加，计算精度高，相应的计算时间增加。

2)对于不同部位，可以采用大小不同的单元。例如在应力、位移变化剧烈的部位，单元必须划分得小一些。在应力和位移变化得比较平缓的部位，单元可以划得大一些。

3)单元划分的大小应与计算精度相适应。

综上三点，结构离散化的过程中，应综合考虑精确性和计算两方面的因素。

2.2 单元特性分析

在有限元法的分析中通常是将结点力位移作为未知量，而结点力以表示为结点位移的函数。单元特性分析的目的就是研究如何得到结点力和结点位移之间的关系。

2.3 坐标转换

在将单元的运动方程集合成结构的运动方程进行求解以前，需要考虑坐标的转换。因为在单元分析的步骤中，为了方便，使用了单元相联结的局部坐标系，显然这样的局部坐标系对于不同单元是不同的。所以在进行结构分析之前，必须将表征单元特性的各个方程转换到和整个结构系统联结的总体坐标系。

2.4 边界条件的处理

以上所形成的刚度阵在未加边界约束处理时为奇异阵，通常在固定支承处就要加入刚性固定的约束处理，才能求解。

有时利用结构的对称性，可以仅取结构的一部分进行计算。因此在对称面上的结点也要进行对称性边界条件处理，即施加相应的有关约束。当对称载荷施加于对称结构时，对称面上的结构位移和内力都不应该违反对称性。当反对称载荷施加于对称结构时，产生的内力和变形是反对称的，其对称面上结点的对称位移应该为零，但反对称性质的位移应存在。

2.5 结构的综合分析

使用有限元分析软件ANSYS对变压器绕组进行三维实体建模和求解的过程如下：

1)根据实测变压器高压绕组几何尺寸，采用三维实体建模，建立绕组几何结构模型。

2)设置绕组及绝缘垫块材料属性，主要包括绕组及垫块单元的密度、泊松比及弹性模量值等。

3)对几何模型进行合理剖分，并设定自由度约束。

4)对模型进行有限元模态分析，得到绕组各阶固有频率及对应振型。

5)将计算结果与实验结果进行比对，根据实验结果对模型进行修正。

使用有限元软件ANSYS，对变压器绕组进行3维实体建模。大型变压器绕组为饼式层叠结构，根据试验变压器高压绕组的几何尺寸进行实体建模。如图1所示。

图1 变压器绕组有限元模型

3 仿真计算结果分析

通过对表1为绕组正常工况时固有频率的计算结果。由表可见，绕组的前3阶固有频率分别为235 Hz、313 Hz和490 Hz，均远离变压器绕组的2倍激励频率100 Hz，说明该变压器绕组结构设计较为合理。

表1 变压器绕组的前3阶固有频率

图2 各阶固有频率对应的振型

图2为变压器绕组前3阶固有频率对应的振型。由图可见，一阶固有频率对应的振型为绕组整体沿轴向的上下运动。计算时变压器绕组模型底面采用固定支撑，故绕组上端振动幅值较大。二阶固有频率对应的振型为绕组整体沿左右两侧的 “跷板”式运动，且两侧绕组振动相位相差180度。三阶固有频率对应的振型为沿对角线方向的绕组整体沿轴向的上下运动。此外，各阶振型均表现为一种整体对称的形态振动，没有奇异点出现。

4 结束语

变压器在工作时，由于受到来自电流及磁场强度的脉动而变化的电动力，绕组会产生振动。为了进一步研究变压器绕组故障时机械振动特性的变化情况，本文利用ANSYS对变压器进行仿真，分析了绕组正常时变压器整体的振动特性，得到变压器各阶固有频率对应的振型，从各阶振型的运动特点可以看出，变压器绕组正常时，各阶振型均表现为一种整体对称的形态振动，没有奇异点出现。对变压器绕组正常情况下振动特性的研究，为进一步研究变压器故障检测方法，通过振动特性分析研究变压器绕组故障类型打下了基础。

[1] 马宏忠，耿志慧，陈楷，等.基于振动的电力变压器绕组变形故障诊断新方法 [J].电力系统自动化，2013，37 (08)：89-95.

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Transformer Winding Vibration Simulation Based on ANSYS

XU Hui1，2，YU Hong4，QIAN Guochao4，FU Lei1，2，LIU Guanchen1，2，LU Zhongxi2，3，WANG Zhangqi1
(1.Department of Mechanical Engineering，North China Electric Power University，Baoding，Hebei 071000，China；2.North China Electric Power University Graduate workstation，Yunnan Power Grid Corporation，Kunming 650217，China；3.Power Engineering，North China Electric Power University，Baoding，Hebei 071000，China；4.Yunnan Power Grid Electric Power Research Institute Co.，Ltd.，Kunming 650217，China)

To study the transformer fault detection method based on vibration characteristics，this paper studies the mechanical stability of the transformer windings departure，based on the analysis of transformer winding vibration mechanism，through the establishment of the transformer winding machine dynamics model of the transformer windings normal state vibration characteristics were studied，then the natural vibration characteristics of the transformer，to lay the foundation for further research winding transformer fault detection method.

ANSYS；transformer；vibration characteristics；simulation；winding

TM76

B

1006-7345(2015)06-0035-03

2015-05-06

徐辉 (1989)，男，硕士研究生，华北电力大学云南电网公司研究生工作站，从事架空输电线路设计、模式识别与智能诊断方面研究工作 (e-mail)xuhui2132224047＠163.com。

于虹 (1978)，女，博士后，高级工程师，云南电网有限责任公司电力科学研究院，主要从事电力系统及其自动化、模式识别与智能诊断方面工作 (e-mail)yuhong2388245＠163.com。

钱国超 (1981)，男，硕士，高级工程师，云南电网有限责任公司电力科学研究院，主要从事变压器故障检测方法研究方面工作。