變壓器長期工作在異常工況下，會導(dǎo)致其機械結(jié)構(gòu)發(fā)生損壞，影響安全生產(chǎn)。干式變壓器無法設(shè)置瓦斯保護，因而通過振動信息監(jiān)測變壓器運行狀態(tài)是一種可取的方法。東華大學信息科學與技術(shù)學院、山東德佑電氣股份有限公司等單位的研究人員吳文杰、曹云峰，在2021年第12期《電氣技術(shù)》上撰文，建立干式變壓器的電-磁-機耦合模型，利用Ansys Workbench仿真軟件對SCB型干式變壓器在二次繞組發(fā)生短路及存在直流偏磁工況下的振動情況進行仿真；通過有限元分析，提取不同工況下變壓器的振動特征，為變壓器的故障診斷和運行壽命分析提供依據(jù)。

隨著國家電力建設(shè)的大力發(fā)展及經(jīng)濟水平的不斷提高，我國發(fā)電量和用電量與日俱增。據(jù)研究表明，每增加1kW的發(fā)電量，就需要增加11kVA的變壓器總?cè)萘颗c之配套。變壓器是電力系統(tǒng)中電能傳輸和轉(zhuǎn)換的重要設(shè)備。干式變壓器因為具有高效節(jié)能、日常維護方便、性能安全可靠等顯著優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用在人們?nèi)粘Ｉ詈凸ぷ鞯膱鏊?，在供配電系統(tǒng)中有著舉足輕重的作用。

干式變壓器運行過程中會由于故障和直流偏磁發(fā)生溫度升高、噪聲增大的現(xiàn)象。常見的危害較大的故障有：變壓器繞組匝間短路或者層間短路；接點松動、接觸電阻增大；二次線路出現(xiàn)短路；夾緊鐵心用的穿心螺釘?shù)慕^緣層破壞；長時間超負荷或者發(fā)生事故造成過負荷。發(fā)生故障是造成變壓器損壞的根本原因。據(jù)有關(guān)變壓器事故的統(tǒng)計報告顯示，變壓器損壞主要是繞組和鐵心發(fā)生損壞。變壓器工作時的振動主要是鐵心和繞組的振動。

繞組的振動主要是由交變電流產(chǎn)生的電磁力作用引起，鐵心的振動則主要由鐵心材料的磁致伸縮效應(yīng)引起。正常運行時變壓器鐵心和繞組的振動隨著電流的變化而變化，振動信息與電流特性直接關(guān)聯(lián)。當變壓器二次側(cè)發(fā)生短路時，電流激增，繞組產(chǎn)生巨大電動力，這會直接反映在鐵心與繞組的振動上。低壓配電網(wǎng)中電力電子裝置的增多，易使變壓器發(fā)生直流偏磁。此時由于勵磁電流變化，變壓器的振動頻率也隨之發(fā)生改變。因此，變壓器的振動信息可以反映變壓器的運行狀況。

對于變壓器而言，長期在非正常工況下工作更易造成其結(jié)構(gòu)件的損壞，最終導(dǎo)致嚴重的安全生產(chǎn)事故。因此，對變壓器進行電氣故障的提前預(yù)警尤為重要。鑒于此，東華大學等單位的科研人員建立干式變壓器鐵心、繞組及上下夾具和底座的有限元模型，基于麥克斯韋電磁理論，利用Ansys Workbench有限元分析軟件對變壓器進行正常運行、短路故障、直流偏磁等工況下的瞬態(tài)電磁場分析，得到其電磁振動受力情況，再將電磁場與結(jié)構(gòu)場耦合進行諧響應(yīng)分析得出變壓器的頻率響應(yīng)分布特征，為利用振動信息進行干式變壓器的故障診斷提供依據(jù)。

圖1 變壓器3D模型

圖2 變壓器振動分析流程

科研人員最后得到以下結(jié)論：

1）建立了變壓器整體的有限元模型，利用Maxwell模塊進行電磁場分析，獲取繞組不同工況下電磁力，電磁力呈周期性變化。

2）其次，對所建立的變壓器模型進行不同工況的諧響應(yīng)分析，得到繞組加速度頻率響應(yīng)曲線。正常情況下，變壓器繞組振動頻率在600Hz以內(nèi)，主要集中在100Hz，并且100Hz處的振幅與電流呈正相關(guān)，其他頻率處的振幅與電流關(guān)系不大。發(fā)生直流偏磁時，會出現(xiàn)低頻分量和高頻分量處振幅占比增加，100Hz處的振幅占比下降的情況。二次側(cè)發(fā)生短路時繞組100Hz頻率處的振幅會劇增并且遠超正常值，在實際應(yīng)用中，一旦發(fā)現(xiàn)繞組加速度振幅超出正常值范圍就應(yīng)該預(yù)警。在實際生產(chǎn)中要極力避免短路的發(fā)生。

本研究成果為通過干式變壓器振動信息及時發(fā)現(xiàn)變壓器異常運行狀況提供了參考。若進一步綜合考慮溫度信息，可更加全面地反映干式變壓器的運行狀態(tài)，為其故障監(jiān)測提供更可靠的依據(jù)。

本文編自2021年第12期《電氣技術(shù)》，論文標題為“基于Ansys的干式變壓器振動特性分析”，作者為吳文杰、曹云峰 等。