新型换流变压器绕组振动特性的ANSYS分析

戴丽宦，罗隆福，刘 涛,3，刘俊华，陈尚敏,4

(1.湖南大学电气与信息工程学院，湖南长沙410082；2.国网湖南省电力公司涟源市供电分公司，湖南娄底417000；3.国网四川省电力公司南充供电公司，四川南充637000；4.国网湖南省电力公司检修公司，湖南长沙410004)

新型换流变压器绕组振动特性的ANSYS分析

戴丽宦1,2，罗隆福1，刘 涛1,3，刘俊华1，陈尚敏1,4

(1.湖南大学电气与信息工程学院，湖南长沙410082；2.国网湖南省电力公司涟源市供电分公司，湖南娄底417000；3.国网四川省电力公司南充供电公司，四川南充637000；4.国网湖南省电力公司检修公司，湖南长沙410004)

利用ANSYS有限元软件仿真求得新型换流变压器绕组振动模态和绕组振动位移数据。经过Matlab离散数据快速傅里叶变换(FFT)分析波形得到绕组振动频率成分。针对新型换流变压器阀侧绕组、滤波绕组、网侧绕组振动频谱分析，得出绕组振动频率与绕组电流频率存在某种关系的特性。

ANSYS；新型换流变压器；绕组振动；模态分析；Matlab

新型换流变压器是采用谐波屏蔽原理和感应滤波原理设计的具有移相、滤波作用的换流变压器。新型换流变压器的结构特点有：较普通换流变压器多了一个滤波绕组；传统12脉波整流电路需要6台单相变压器组成2台YY、Y△组式三相变压器，新型换流变压器只需要3台。新型换流变压器实物图如图1所示。

图1 变压器实物图

换流变压器的负载主要是整流桥，由于电力电子器件的非线性，换流变压器绕组谐波电流较普通电力变压器大得多[1]，这决定了换流变压器的振动比电力变压器更强烈。新型换流变压器具有滤除谐波的功能，改善了换流变压器的工作环境，抑制了绕组的振动[2]。本文在ANSYS有限元分析软件中建立新型换流变压器和传统换流变压器绕组振动模型，模拟实际工作情况，进行仿真分析，对比了两者的振动特性。

1 新型换流变压器ANSYS仿真

ANSYS有限元分析软件可以进行电磁场仿真和结构力仿真，结合这两种分析方法，可以得到新型换流变压器的振动模态和绕组振动波形[3]。

1.1 绕组电流和变压器材料属性

12脉波整流阀侧主要谐波成分是5、7、11、13次特征谐波，投入5、7、11、13次滤波器和不投入滤波器，滤波绕组和网侧绕组电流是不同的。各绕组电流如表1所示。

表1 绕组电流频率分布表

新型换流变压器由铁芯、绕组、撑条、端绝缘组成，各部分材料结构参数如表2所示。

1.2 新型换流变压器绕组振动模态

振动模态反映了变压器的固有振动频率和对应的振动形式，为变压器结构设计提供参考依据，使固有频率最大化避开外力频率以避免谐振[4]。经过仿真发现，新型换流变压器固有频率如表3所示。

表2 变压器材料结构参数

表3 变压器绕组振动模态

由表3可知，绕组的各阶固有频率均在1 400 Hz以上，避开了基波以及5次、7次、11次和13次谐波的两倍频。这就保证了变压器绕组不会由于基波激励或者特征次谐波激励而造成共振，可见绕组的结构设计十分合理。各阶的绕组振动模态图如图2～图3。

图2 左芯柱绕组前4阶振型

图3 右芯柱绕组前4阶振型

观察图2～图3可以得到如下结论：由于绕组模型是一个几何上完全对称的结构，所以得到的模态振型也全部为对称的型式；一、二阶振型中振动位移最大的节点区域都在阀侧绕组(内侧绕组)，三、四阶振型中振动位移最大的节点区域都在网侧绕组，但数值上相差不大。这表明对于新型换流变压器绕组的绕制结构，各个绕组振动强度主要取决于它的激励。

1.3 新型换流变压器绕组振动波形

在ANSYS软件中，建立起新型换流变压器的有限元模型，根据绕组电流可以求得变压器漏磁场、绕组电磁力，根据绕组电磁力载荷可以求得变压器绕组振动位移。新型换流变压器有限元模型如图4所示。

图4 变压器有限元模型

变压器绕组振动云图如图5所示。由振动云图可以看出：左右芯柱上的振动不是完全同步对称的；阀侧绕组向内振动，网侧绕组和滤波绕组向外振动；网侧绕组振动明显比阀侧和滤波绕组强；绕组中部的振动比端部剧烈。

图5 变压器振动云图

下文分未投入滤波器和投入5、7、11、13次滤波器两种情况分析绕组振动情况。虽然左右芯柱绕组振动不同步对称，但从一个周期来看，还是对称的，所以本文只讨论左柱绕组的情况。在左柱上取振动最强点作为参考点分析其振动。其振动波形如图6～图7所示。

图6 新型换流变压器绕组径向振动波形

图7 新型换流变压器绕组轴向振动波形

由图6所示绕组径向振动曲线可知，阀侧绕组的振动很小，投入滤波器对其振动几乎没有影响。但全投入滤波器时，阀侧绕组振动波形光滑，说明阀侧绕组的高次振动频率成分被消除了。滤波绕组的振动波形在两种工作状况下几乎吻合，说明滤波绕组中的电流变化对其振动影响不大。滤波绕组中的谐波电流会对绕组的振动有所增强。网侧绕组的振动受滤波器的影响很大，投入滤波器使网侧绕组振幅减小和频率成分减少，且效果明显。由图7所示绕组轴向振动曲线可知，绕组轴向振动相比径向振动小2个数量级，这说明新型换流变压器绕组高度整齐，轴向振动小。滤波绕组和网侧绕组轴向振动比阀侧绕组轴向振动小，但投入滤波器对3个绕组也有一定的影响，投入滤波器改善了变压器的轴向振动，尤其是阀侧绕组的轴向振动。

2 绕组振动波形FFT分解

使用Matlab中FFT函数对变压器绕组振动波形进行离散傅里叶分解。快速傅里叶变换(FFT)[5]是一种简单有效的谐波分析方法，能准确地计算出信号中直流分量、基频分量、谐波分量的幅值、频率。傅里叶变换是信号分析和处理的重要工具，离散时间信号f(t)的快速傅里叶变换定义为：

式中：F(ejwt)是一个连续函数，不能直接在计算机上做数值计算。为了在计算机上实现频谱分析，必须对f(t)的频谱作离散近似。有限长离散信号的离散傅里叶变换(DFT)定义为：

电磁仿真时，一个周期取40个点，振动仿真同样也是一个周期40个点。对振动波形进行离散傅里叶分析，为使结果精确，取N=1 600(40个周期的数据点)，每个点时间间隔为0.000 5 s，所以采样频率为2 000 Hz。

3 投入滤波器前后绕组振动频率分析

新型换流变压器的滤波绕组采用三角形连接，并接入5、7和11、13次滤波器。滤波器为谐波电流提供通路，滤波绕组产生与阀侧谐波电流等量反向的谐波磁通。铁芯中的谐波磁通为0，从而阻止阀侧谐波电流传入网侧，削弱了漏磁通，抑制了绕组振动。

绕组振动频率与所受电磁力频率一致，电磁力频率由电流频率和漏磁场强度频率之和决定。漏磁场强度频率由产生漏磁通的电流决定。150 Hz的电流会产生150 Hz的漏磁通，50 Hz的电流与150 Hz的漏磁通会产生200 Hz的电磁力。漏磁通可以分解为轴向和径向两个分量，分别与电流产生径向和轴向电磁力。

由图6～图7可知，径向分量网侧绕组和滤波绕组向外振动，阀侧绕组向内振动；轴向分量网侧绕组、滤波绕组、阀侧绕组都是向下振动的。阀侧绕组的振动强度比网侧绕组和滤波绕组的振动强度要低一个数量级，所以阀侧绕组的振动可以不予考虑。滤波绕组在投入滤波器和不投入滤波器两种情况下，振动情况变化不大。

3.1 网侧绕组径向振动

网侧绕组径向振动是由绕组电流和轴向漏磁通产生的电磁力激发的振动。表4列出了其频率分布和对应的幅值以及投入滤波器对其的抑制百分比。由表4可知，网侧绕组径向振动被有效地抑制了，尤其是5、7、11、13次谐波引起的振动。电流基波分量产生的振动有所加强，但电流基波分量没有变化，基波漏磁场增强了。

表4 网侧绕组径向振动频谱

3.2 网侧绕组轴向振动

网侧绕组轴向振动是由绕组电流和径向漏磁通产生的电磁力激发的振动。表5列出了其频率分布和对应的幅值以及投入滤波器对其的抑制。由表5可知，网侧绕组轴向振动被有

表5 网侧绕组轴向振动频谱

效地抑制了，但是由于投入滤波器加强了基波漏磁通，并产生了一定量的3次谐波漏磁通，所以绕组100 Hz的振动增强了。

4 结论

综上所述，新型换流变压器增加一个滤波绕组产生了很好的滤波效果，而且滤波绕组的投入不会加剧变压器绕组的振动。新型换流变压器绕组的振动主要在最外侧的网侧绕组，滤除网侧谐波对改善新型换流变压器绕组的振动有很大的帮助。

[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]谢坡岸，饶柱石，朱子述.大型变压器绕组有限元建模与分析[J].振动与冲击，2006，25(2)：134-137.

[4]许加柱，罗隆福，李勇，等.新型换流变压器绕组电磁力的分析计算[J].高电压技术，2007，33(6)：102-105，122.

[5]徐岩，张晓明，王瑜，等.基于离散傅里叶变换的频谱分析新方法[J].电力系统保护与控制，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

国家自然科学基金项目(51077045)

戴丽宦(1987—)，男，湖南省人，硕士生，主要研究方向为变压器物理场分析。