螺旋线圈绕组短路特性仿真研究

高会芳，王 旭，付楚珺，杨晓辉，赵 俊

(1.内蒙古电力(集团)有限责任公司内蒙古电力科学研究院分公司；2.内蒙古电力(集团)有限责任公司,内蒙古 呼和浩特 010020)

随着电力系统的日益发展，对电力可靠性要求越来越高，为增强电网稳定性，变压器的投运数量也同样不断增多。由于制造工艺、过负荷运行、绝缘受潮及过电压等因素的影响，变压器容易出现匝间短路故障，为变压器安全稳定运行带来风险。因此对于变压器绕组匝间短路研究也显得尤为重要。笔者简化变压器绕组结构，建立均匀螺旋线圈及短路线圈模型，用以研究变压器正常运行及发生绕组匝间短路的运行特性。

1 模型构建

笔者建立基于变压器均匀绕组结构，利用Auto CAD软件进行3D结构建模。本部分设置标准螺旋结构来代替均匀的绕组结构。介于所使用仿真软件计算及收敛能力等因素影响。这里设置螺旋结构匝数为4匝，主半径结构为1 m，小半径为0.1 m，轴向节距为0.3 m，径向节距为0 m，手性为右旋，封端为与轴平行。这里设置外界环境为一个均匀球体环境，考量到仿真计算的收敛性，该结构半径为4 m，模型构建如图1所示。

图1 螺旋线圈绕组模型

2 模型仿真过程设置

笔者基于COMSOL Multiphysics仿真软件对模型进行仿真计算。

2.1 研究方向

螺旋线圈绕组模型设计在外增加外界仿真区域，进而对线圈及空间中的电场分布、电流密度分布及总功率损耗密度分布进行仿真研究。通过对仿真线圈短路故障引起的参数变化进行分析，进而近似得到变压器绕组在发生匝间短路故障情况下，对自身及空间电场环境改变的一般规律。

2.2 仿真设置

依据实际绕组材质情况，设置螺旋线圈模型为铜材质、外界环境为空气材质。由于所建立的螺旋线圈模型结构相对较短，故设置物理场条件为沿电流实际流向方向上施加线电荷。具体为在所建立的螺旋结构上选择一条贯穿整个螺旋结构的路径，设置线电荷为1 C/m。为了保证模型仿真过程的收敛，需要在球结构体上设置合适边界条件，具体为将边界选择方式更改为手动，依次选择球体外壳，设置电荷为0 C，初始电压值为0 V。进而完成整个模型的设定。

3 模型计算结果分析

3.1 模型电场分布分析

通过对螺旋线圈绕组模型空间电场环境进行仿真研究，如图2所示，模型在无短路情况时，空间电场环境呈较为均匀分布，未产生明显畸变；模型在第1、2线圈发生短路时，在短路点位置发生较为明显电场增加，而其他空间环境中呈较为均匀分布。

图2 模型无短路及第1、2线圈短路时电场分布

通过对螺旋线圈绕组模型线电荷方向电场一维数据分析，如图3所示，模型无短路情况时，电场分布较为均匀，电场值集中于4×1012V/m；模型在第1、2线圈发生短路时，在短路点位置发生较为明显电场增加，电场值最高达到3×1013V/m，而空间其他部分电场分布较为均匀，电场值集中于4×1012V/m。

图3 模型无短路及第1、2线圈短路时一维电场值

3.2 模型能量密度分布分析

通过对螺旋线圈绕组模型空间能量密度环境进行仿真研究，如图4所示，模型无短路情况时，空间能量密度环境呈较为均匀分布，未产生明显畸变；模型在第1、2线圈发生短路时，在短路点位置发生较为明显能量密度增加，而其他空间环境中呈较为均匀分布。

图4 模型无短路及第1、2线圈短路时能量密度分布

通过对螺旋线圈绕组模型空间能量密度整体环境进行仿真研究，如图5所示，不论有无发生短路故障，在空间整体的能量密度分布呈均匀分布。

图5 模型无短路及第1、2线圈短路时能量密度整体分布

4 结束语

对于构建的螺旋线圈绕组模型而言，通过设置物理场条件改为沿电流实际流向方向上施加线电荷，保证了发生故障与实际情况保持基本一致。就仿真结果而言，在未发生短路故障时，空间电场及空间能量密度在所建立的模型上都体现出均匀分布的情况；在发生匝间短路故障时，所建立的模型在故障点处体现了空间电场及空间能量密度上产生的畸变，但在故障点以外的区域所表现出的空间参数分布较为均匀；不论是否发生短路故障，对远场环境空间电场及空间能量密度分布产生的影响不明显。