基于有限元分析的配电变压器匝间绝缘劣化特征分析_咸日常.pdf

基于有限元分析的配电变压器匝间绝缘劣化特征分析咸日常1，张冰倩2，张启哲3，王涛4，陈蕾1，高鸿鹏1（1.山东理工大学电气与电子工程学院，山东 淄博255049；2.国网技术学院，济南250002；3.华电章丘发电有限公司，济南 250200；4.国网山东省电力公司淄博供电公司，山东 淄博255000）摘要：电力变压器匝间绝缘状态与其安全运行水平密切相关，而在实际研究中由于不能通过真实试验验证和电路分析来预测其匝间绝缘劣化情况，这一直是影响变压器状态检修的技术瓶颈。因此，文中通过数值仿真方法重现配电变压器绕组匝间绝缘劣化过程，探讨匝间绝缘劣化过程中各参数的变化规律，以探究匝间绝缘状态诊断方法。文中首先采用Ansys Electronics Desktop有限元仿真软件建立与实际变压器结构参数一致的“场路”耦合仿真模型，将配电变压器性能参数的仿真值、解析计算值以及试验值做对比，验证模型正确性。随后通过分析绕组匝间绝缘电阻逐渐减少时的短路环电流电压、漏磁场分布及绕组功率损耗等参数变化情况，仿真分析配电变压器匝间绝缘劣化过程中的物理特征，得出绝缘劣化和绝缘崩溃的临界电阻值及参数变化率与匝间绝缘状态的关系。研究结论可为配电变压器绕组匝间短路在线检测的研究提供理论依据，同时为匝间绝缘状态评估探求新的思路。关键词：配电变压器；有限元仿真；匝间绝缘；劣化特征；临界电阻值；分析Deterioration Characteristics Analysis of Interturn Insulation of Distribution TransformersBased on Finite Element AnalysisXIAN Richang1，ZHANG Bingqian2，ZHANG Qizhe3，WANG Tao4，CHEN Lei1，GAO Hongpeng1（1.College of Electrical and Electronic Engineering，Shandong University of Technology，Shandong Zibo 255049，China；2.State Grid of China Technology College，Jinan 250002，China；3.Huadian Zhangqiu Power Generation Co.，Ltd.，Jinan 250200，China；4.State Grid Shandong Electric Power Company Zibo Power Supply Company，Shandong Zibo 255000，China）Abstract:The interturn insulation state of power transformers is closely related to its safe operation level which，since the deterioration of its interturn insulation can not be predicted by real test verification and circuit analysis inthe actual research，has always been a technical bottleneck affecting transformer state maintenance.Therefore，deterioration process of interturn insulation of distribution transformer winding is reproduced through numerical simulation method in this paper，the variation of various parameters during the interturn insulation deterioration process isdiscussed so to to explore the diagnosis method of the interturn insulation state.In this paper，the Ansys ElectronicsDesktop finite element simulation software is adopted firstly to set up a“fieldcircuit”coupling simulation modelwhich is identical to the actual structural parameters of the transformer.The simulation values，analytical calculationvalues and test values of the distribution transformer performance parameters are compared to verify the correctnessof the model.Then，by analyzing the variation of such parameters as shortcircuit loop current and voltage，leakagefield distribution and winding power loss in the case of gradual decrease of the interturn insulation resistance of thewinding，the physical characteristics of the deterioration process of interturn insulation of distribution power is simulated and analyzed and the relationship between critical resistance due to insulation deterioration and insulationbreakdown，parameter variation rate and interturn insulation state is obtained.The research conclusion can provide第59卷第2期：016901762023年2月16日High Voltage ApparatusVol.59，No.2：01690176Feb.16，2023DOI:10.13296/j.10011609.hva.2023.02.023_收稿日期：20220819；修回日期：20221030基金项目：国家“十三五”重点研发计划(2016YFB0901303)。Project Supported by the China National Key R&D Program During the 13th Fiveyear Plan Period(2016YFB0901303).2023年2月第59卷第2期0引言配电变压器是配电网的核心重要设备，其正常运行对保障供电可靠性至关重要1-4。然而运行中的配电变压器故障时有发生，尤其是其绕组的绝缘故障一直备受业内关注5-8。配电变压器内部绕组绝缘故障通常包括绕组匝间短路、绕组层间短路、单相接地短路以及相间短路等，据统计，绕组匝间绝缘损坏造成设备烧坏在电力变压器故障中占比极高。由于配电变压器绕组绝缘状态在线检测项目缺失，因此为提高供电可靠性，对配电变压器绕组绝缘状态进行检测和评估是非常必要的9-12。目前，虽然分析绕组匝间绝缘故障的方法有所发展，但均不完善，且没有成熟的对绕组匝间绝缘劣化趋势进行预测和评估的方法，影响了配电网及其设备智能化的进程13，文14提出了一种基于动态网络标志物及在线监测时序数据的变压器缺陷预警与辨识方法，以此判断变压器是否趋近于临界转变点，但并不能对故障位置、故障类型及故障程度进行精确诊断；文15基于场路耦合原理建立了单相变压器三维有限元模型，研究空载运行变压器发生绕组匝间短路时的电流、磁通及受力情况，提出一种变压器匝间短路电磁响应分析方法，从而为绕组匝间短路的监测与分析提供可行方案，但并没有研究匝间绝缘劣化过程；文16利用有限元建立了考虑铁心非线性磁特性的单相变压器模型，将漏感参数的解析值与仿真值进行比较，得到有限元法在变压器匝间短路故障检测中具有较高精度的结论。因此可通过数值仿真重现配电变压器绕组匝间绝缘劣化过程，仿真分析各性能参数的变化规律，以寻找匝间绝缘状态诊断方法。文中采用Ansys Electronics Desktop有限元仿真软件建立与实际变压器一致的“场路”耦合仿真模型，将配电变压器性能参数的仿真值、解析计算值以及试验值做对比，在验证模型可靠准确的基础上，仿真分析配电变压器匝间绝缘电阻逐渐减少时的短路环电流电压、漏磁场分布及绕组功率损耗等参数变化规律，探究配电变压器匝间绝缘劣化过程中的物理特征，初步得出绝缘劣化和绝缘崩溃的临界电阻值及参数变化率与匝间绝缘状态的关系，为实现配电变压器绕组匝间短路在线检测的研究提供理论依据，同时为匝间绝缘状态评估探求新的思路。1配电变压器模型建立1.1模型参数文中采用SolidWorks绘制了与实物尺寸相同的三相配电变压器二维几何模型，其主要技术参数见表1，其中，短路点电压即匝间绝缘电阻两端的电压。随后将几何模型导入Maxwell中建立“磁场电路”耦合模型，该模型采用与被研究变压器联接组别一致的YynO型电力变压器做为外电路激励源。表1配电变压器主要技术参数表Table 1Main technical parameter table ofdistribution transformer参数额定容量/kVA额定电压/kV额定电流/A短路点电压有效值/V联结组号高压绕组额定分接匝数低压绕组匝数数值25010.0/0.414.43/360.847YynO80032参数铁心直径/mm铁心窗高/mm中心距/mm铁轭高度/mm高压绕组直径/mm低压绕组直径/mm高压绕组高度/mm低压绕组高度/mm数值170350331135.52403241802203003001.2模型验证首先，对正常状态下的配电变压器建模仿真，得到该变压器的空载损耗、空载电流、负载损耗及短路阻抗等性能参数的仿真值、解析计算值以及试验值，见表 2，对其进行比对，从而验证模型的准确性。由表2对比分析可知，由于模型材料的参数设置与实际存在偏差，且在几何模型建立过程中对固定夹件及绕组绝缘进行了简化，故仿真值、解析计算值以及试验值存在一定误差，但误差值均小于5%，满足工程计算分析要求，仿真模型可靠准确17。theoretical base for interturn short circuit on line detection of winding of distribution transformer and，at the sametime，explore new idea for interturn insulation state assessment.Key words：distribution transformer；finite element simulation；interturn insulation；deterioration characteristics；critical resistance；analysis 170表2配电变压器性能参数对比表Table 2Comparison table of performance parameters ofdistribution transformers性能参数空载损耗/W空载电流/%负载损耗/