风电升压干式变压器组件模态仿真分析

郗小龙 朱天佑 黄策 胡 雷涌

（1.海南金盘智能科技股份有限公司 2.天津市政工程设计研究总院有限公司海口分公司3.国网北京市电力公司朝阳供电公司）

0 引言

风电升压干式变压器在现场的运行环境中的可靠性非常重要，尤其是外界激励所引起的共振往往会产生对变压器结构的破坏。因此应用于风电场的干式变压器在研发设计阶段，需要进行结构动态特性的分析，通过进行模态仿真分析虚拟样机的结构，在物理样机制造之前提前预测理论上存在的发生共振的可能性，提前进行结构优化，避免由于结构共振产生的结构失效。

1 仿真模型

应用有限元软件进行建模，将变压器几何模型进行网格划分为285909个单元，389504个节点。建立模型如图1所示。

图1 变压器有限元模型

2 材料属性

进行变压器铁心模态分析的过程中，需要确定材料的属性，包括弹性模量、泊松比和密度。硅钢片的密度、泊松比可以从材料手册中查出，其他材料属性需根据实际情况进行合理的等效设置，如表1所示。

表1 材料属性

3 边界条件

在模态计算中，不同的边界条件将直接影响到铁心结构的模态振型及固有频率，根据实际变压器的安装情况，对变压器底部进行固定约束。实际的边界条件约束如图2、图3 所示。

图2 变压器顶部约束条件

图3 变压器底部约束条件

4 仿真结果

完成变压器有限元模型建立后，对约束条件下的变压器进行模态分析，求得频率范围0~200Hz的固有频率结果，观察结果可知，变压器的变形主要发生在连线管、低压出线排、高压引出排、绝缘筒。

（1）连线管模态分析

完成变压器有限元模型建立后，对约束条件下的变压器进行模态分析，求得连线管的模态结果如表2所示。

由表2可知，约束状态下连线管主要发生沿X、Y轴方向的平动变形，固有频率范围为11.31~107.13Hz。典型模态振型如图4~图6所示。

图4 AC相连线管振型

图5 BC相连线管振型

图6 AB相连线管振型

表2 连线管的模态分析结果

综上所述，连线管的变形位置多发生于连线管中部，当外界激励频率达到以上固有频率时，会发生共振产生较大的变形。为此，应优化连线管的轮廓结构，抑制共振时连线管的变形量。

（2）铜排模态分析

完成变压器有限元模型建立后，对约束条件下的变压器进行模态分析，求得低压出线排、分接排、封线母排和引出排的模态结果，如表3所示。

表3 铜排的模态分析结果

由图7可知，低压出线排主要绕Z轴发生扭转变形，整装时低压出线排与分接排之间没有绑定，缺少固定约束，因而变压器共振时，低压出线排存在一定变形。

图7 低压出线排振型

由图8可知，封线母排两端会发生绕Z轴的反向扭转变形和沿X轴的平动变形。原因为原设计的几何模型中，封线母排的约束只依靠两个绝缘子与弯板连接，两端缺少约束，因而两端变形最大。

图8 封线母排振型

由图9可知，变形位置位于引出排左端，分析原因：由于避雷器右端偏置安装，因此引起引出排的折弯位置变形较大。

图9 高压引出排振型

（3）绝缘筒模态分析

完成VESTAS变压器有限元模型建立后，对约束条件下的变压器进行模态分析，求得绝缘筒的模态结果如表4所示。

表4 绝缘筒的模态分析结果

由图10可知，固有频率为157.38Hz时，A相内部绝缘筒顶部发生辐向变形，分析原因：由于绝缘筒的安装时，绝缘筒与上垫块之间轴向裕度较大，没有压紧绝缘筒顶部，因而顶部变形较大。

图10 绝缘筒振型

由图11可知，固有频率为157.33Hz时，B相内部绝缘筒顶部发生辐向变形，分析原因同上。

图11 绝缘筒振型

由图12可知，固有频率为157.29Hz时，C相内部绝缘筒顶部发生辐向变形，分析原因同上。

图12 绝缘筒振型

5 结束语

综上所述，建议对风电升压干式变压器进行结构优化如下：① 连线管：针对连线管变形较大的位置，对其进行一定程度上的压扁，接头部分加厚。② 低压出线排、分接排：对低压线圈的分接排和2根出线排进行绑定约束。③ 封线母排：对封线母排两端添加与夹件之间的连接。④ 引出排：将避雷器的安装位置向中间调整。⑤ 绝缘筒：调整绝缘筒轴向尺寸，实现上、下垫块的压紧。