非晶合金铁心变压器抗短路能力分析

2018-10-25杨莉莉付卫东

电气技术与经济 2018年4期

杨莉莉付卫东

（许继变压器有限公司）

0 引言

根据国家电网公司近年来公布的变压器抽查情况显示，抗短路能力不足已经成为非晶合金变压器的首要质量问题。国家电网为此召开了关于提高变压器承受突发短路能力的电视电话会议，要求各供货厂家拿出措施解决该问题，同时国家电网公司决定对每一个厂家、每一批次、每一个型号的变压器进行抗短路能力承受试验抽检，凡是试验不合格的厂家，将进行通报和处罚。笔者通过实例的ansys仿真分析，提出了提高抗短路能力的措施和方法，并且有效地控制了因抗短路而引起的成本增加。

1 行业现状

变压器企业是机电企业的一个重要分支，同时它又是一个跨多部门的企业，在国民经济中占有举足轻重的地位。随着市场经济的推进，我国的变压器制造企业获得了长足的发展，各大中小变压器制造企业如雨后春笋般成立起来，不仅能够生产中低端变压器产品，在含有高科技成分的高端产品领域也有一定的突破。据统计，目前我国变压器制造企业约有2000多家，2016年国网公司第一批集中招标配变市场就共有800余家公司参与投标，很多企业具有属地化资源优势，为了应对激烈的市场竞争，很多企业采取低价策略，生产厂家为确保利润，往往不惜降低产品质量，因此导致变压器产品良莠不齐，质量问题突出。2017年3月，国网安质部下发22号文，印发2016年配电设备质量典型案例汇编，总结、统计并分析了2016年抽检的总体情况，其中短路承受能力试验不合格共计58台，占不合格样品比例为20.14%。为全面提升本质安全水平要求，国网物资部加大了对配网物资的抽检力度。

目前生产的能够承受短路试验的非晶合金变压器的成本比供货的非晶合金变压器成本高出30%以上。针对此状况，必须进行较低成本抗短路能力变压器的研制并实现批量生产抗短路产品，以提升非晶合金变压器整体市场竞争力。

2 短路分析

2.1 短路时的力学分析

短路时产生的电动力是电流与磁场共同作用的结果；绕组的受力情况为内绕组受到向内的压缩力，外绕组受到向外的张力；而在轴向2个绕组都会受到向内的压缩力。如图1所示：

图1 绕组受力图

同性相吸，异性相斥，变压器在运行时，一、二次电流方向总是相反的，其中一个是顺时针方向，另一个必然是逆时针方向，因此，线圈一、二次绕组之间产生相互排斥的力，这种绕组外力最大值Fmax为

式中，Bm为漏磁空道的纵向漏磁密度；m为导线并联根数。

式中，μ为绝缘导磁率；I为负载电流；W为绕组匝数；H为绕组高度；ρ为洛式系数；L为平均周长

2.2 实例分析仿真

下面以一台SBH15－100／10／0.4为例，进行仿真分析，该变压器二次电流为144.34A，绕组高度125mm，带入上式公式可得

变压器抗短路一般厂家会在方形线圈的内部增加成型玻璃钢材料，来提高其线圈强度，首先为玻璃钢内芯建立几何模型如图2。

如图2，铜箔由32层厚度均匀的薄片缠绕而成，每层厚度为0.45mm，为了简化结构铜箔总厚度取14mm，每层铜箔产生的电磁力从外层到内层呈线性增加，最内层产生的电磁力为0，为了简化计算，这里不再考虑层间的挤压效应，将铜箔作为一个整体进行加载。

图2 玻璃钢内芯几何模型

玻璃钢的材料参数见表1。

表1 材料参数

加载时，根据不同的简化加载位置，玻璃钢内芯极限强度计算共分2个极限工况，如表2所示。

表2 玻璃钢内芯极限工况表

2个极限工况下的载荷数值相同，如表3所示。

表3 极限工况对应的载荷数值

如图3、图4中，红色区域为加载面位置，蓝色区域为固定约束位置。

图3 极限工况1对应加载位置

图4 极限工况2对应加载位置

在以上条件下，计算极限工况1和极限工况2下的位移及应力分布情况，见表4玻璃钢内芯计算结果。

表4 玻璃钢内芯计算

图5为极限工况1下应力云图，其中，图6中红色部分为超出许用弯曲应力区域，图7中蓝色为超出许用弯曲应力区域，图8为极限工况2下的应力云图，其中，图9中红色为超出许用弯曲应力区域，图10中蓝色为超出许用弯曲应力区域。

图5 极限工况1下玻璃内芯位移云图

图6 极限工况1下第一主应力云图

图7 极限工况下第三主应力云图

图8 极限工况2下玻璃钢内芯位移云图

图9 极限工况2下第一主应力云图

图10 极限工况2下第三主应力云图

2.3 仿真结果分析

从图5及图8可以看出玻璃钢内芯的最大位移为2.6783mm，位移较小。从图6、图7、图9以及图10可以看出玻璃钢内芯绝大部分区域的应力数值均在许用弯曲应力（170MPa）以下，内侧倒圆位置应力较大，局部最大应力数值超出了许用弯曲应力，但是区域较小，这主要是由于固定约束位置在内侧倒圆附近，加上倒圆位置本身就是应力集中区域，因此该位置应力较大。因此，玻璃钢内芯总体上能够满足极限强度设计要求。