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电力变压器绕组短路电动力的计算
摘要:以一台SFZ11-120000/220型电力变压器为例,利用有限元数值计算方法,计算了变压器在短路情况下的二维瞬态对称场,得出了变压器短路情况下的漏磁场和绕组电动力分布。计算中考虑了调压绕组的加入对磁场分布的影响,这对大型电力变压器绕组的合理设计有一定的参考价值。
关键词:电力变压器;绕组;漏磁场;电动力
当运行中的电力变压器发生短路故障时,绕组中将产生很大的短路电流(约为额定电流的25~30倍,甚至更大),而短路时产生在绕组间的电动力又和短路电流的平方成正比,所以短路时的机械力将大致为正常运行时的几百倍甚至更大。[1]在如此巨大的短路电动力作用下,轻则使变压器的绕组产生失稳变形,导致其绝缘损坏,重则使变压器的绕组发生坍塌,使变压器烧毁。[2]因此,对大型变压器在发生短路事故情况下绕组所受到的短路电动力进行计算与分析是十分必要的。
一、计算方法
为计算变压器短路情况下绕组所受的电动力,首先需要对变压器短路情况下的漏磁场进行计算。笔者以二维漏磁场数值计算中应用最为广泛的有限元方法对某台120000kVA电力变压器进行计算。
在圆柱坐标下,矢量磁位Aθ满足的轴对称瞬态场定解问题可表示为:[3]
式(1)
式中Ω——求解域;S1—— 一类边界;S2——二类边界;Ht——磁场强度切向分量,A/m;v'——磁阻率,,m/H;σ'——电导率,,S/m;t0——瞬态场的初始时间值,s;Aθ,Jsθ——柱坐标下矢量磁位A(Wb/m)和电流密度Js(A/m2)的θ轴分量。
考虑非线性问题时,引入下式:
式(2)
进一步推导可得与式(1)等价的条件变分问题如下:
式(3)
式中An+1、An——时间离散后的n+1步和n步的位值;△t——时间步长。
对上述变分问题采用三角形单元进行插值离散可得场域中各点的位值Aθ,进而可由式(2)求出各区域的磁场分布。确定磁场分布之后,可由洛伦兹力公式求出变压器绕组中各线饼的电动力分布。实际上变压器的漏磁场是随时间变化的时变电磁场,在短路时还是一个电磁暂态过程。在漏磁场的分析计算过程中,笔者没有考虑其暂态过程,而是按静态场计算的。
二、一台120000kVA电力变压器绕组短路电动力的计算与分析
-120000/220型变压器结构参数
SFZ11-120000/220型变压器是三相油浸式有载调压变压器,具有高压、低压和调压三个绕组,分最大、额定和最小三种分接运行状态。调压绕组是分接在高压绕组上运行的,额定分接时调压绕组不接入。该变压器的主要参数如下。
;额定容量:120000kVA;联结组别:YNyn0-d;频率:50Hz;铁芯直径:840mm;铁芯高度:3415mm;油箱长度:6510mm;油箱宽度:2350mm;油箱高度:3580mm。电压组合:230±8×%
绕组的主要参数如表1所示。

SFZ11-120000/220型变压器计算模型如图1所示,仿真结果如下。
(1)绕组在最大分接、额定分接和最小分接运行时的电磁场分布如图2~图4所示。
从图2~图4可以看出,变压器的磁通由主磁通和漏磁通两部分组成。主磁通在闭合磁路的铁芯