变压器匝间短路故障电-磁-热多物理场协同分析_杨存祥.pdf

投稿网址:www stae com cn2023 年 第23 卷 第5 期2023，23(5):01984-07科学技术与工程Science Technology and EngineeringISSN 16711815CN 114688/T收稿日期:2022-04-28;修订日期:2022-11-19基金项目:国家自然科学基金(52177063);河南省科技攻关项目(212102210019)第一作者:杨存祥(1966)，男，汉族，河南郑州人，博士，教授。研究方向:电机与电器。E-mail:motormag163 com。*通信作者:曹炳锦(1995)，男，汉族，山东潍坊人，硕士研究生。研究方向:电气实验与故障诊断。E-mail:1372795603 qq com。引用格式:杨存祥，曹炳锦，安然，等 变压器匝间短路故障电-磁-热多物理场协同分析 J 科学技术与工程，2023，23(5):1984-1990Yang Cunxiang，Cao Bingjin，An an，et al Multi-physical field cooperative analysis of electric-magnetic-thermal for the transformer inter-turn short circuit fault J Science Technology and Engineering，2023，23(5):1984-1990变压器匝间短路故障电-磁-热多物理场协同分析杨存祥1，曹炳锦1*，安然2，张健伦3，辛春文4(1 郑州轻工业大学建筑环境工程学院，郑州 450002;2 郑州轻工业大学电气信息工程学院，郑州 450002;3 国网黑龙江省电力有限公司双鸭山供电公司，双鸭山 155100;4 国网南阳市供电公司互联网部，南阳 473000)摘要电力变压器是电力系统的关键核心设备，变压器的运行状态直接影响供电的可靠性。针对实际实验中变压器匝间短路系列故障设置困难问题，采用有限元仿真软件建立与实际变压器一致的电磁场仿真模型，分析了变压器空载时电流电压特性，验证了模型的准确性;建立了变压器低压侧匝间短路故障仿真模型和电路模型，得到了匝间短路时绕组电流变化趋势和电磁关系变化方程。研究了短路匝数不同对变压器绕组电流和电磁参数的影响，从短路4 匝到 16 匝，短路电流最大值从 14.5 kA 降到4.2 kA，磁场的最大值为正常值的20 多倍;建立了变压器三维温度场模型，对比了变压器正常和不同匝间短路故障工况时的温度场分布，发生4 匝短路故障时，匝间短路绕组部分温度达到500，并且随着短路匝数的增加，短路绕组部分温度上升，而其他部分温度变化在100 以内。表明匝间短路故障会严重影响短路绕组部分温度场分布，而对其他部分影响较小。关键词变压器;匝间短路;电磁场;温度场中图法分类号TM41;文献标志码AMulti-physical Field Cooperative Analysis of Electric-Magnetic-Thermal for theTransformer Inter-turn Short Circuit FaultYANG Cun-xiang1，CAO Bing-jin1*，AN an2，ZHANG Jian-lun3，XIN Chun-wen4(1 College of Building Environmental Engineering，Zhengzhou University of Light Industry，Zhengzhou 450002，China;2 School of Electrical and Information Engineering，Zhengzhou University of Light Industry，Zhengzhou 450002，China;3 State Grid Heilongjiang Electric Power Co，Ltd，Shuangyashan Power Supply Company，Shuangyashan 155100，China;4 State Grid Nanyang Power Supply Company Internet Department，Nanyang 473000，China)Abstract Power transformer is a crucial equipment in power system Its operation status directly affects the reliability of the powersupply Aiming at the difficulty in setting the series of inter-turn short circuit faults in transformer winding in actual test research，anelectromagnetic field simulation model of the transformer was established by finite element simulation software Then the current andvoltage characteristics of the transformer under no-load were analyzed to verify the accuracy of the model The simulation model and cir-cuit model of the transformer low-voltage inter-turn short circuit fault were established，the changing trend of winding current and thechanging equation of electromagnetic relationship under inter-turn short circuit were obtained Then the influence of different short cir-cuit turns on winding current and electromagnetic parameters of transformer was studied When the number of short circuit turns increa-ses from 4 to 16，the short circuit maximum value decreases from 14.5 kA to 4.2 kA，and the maximum value of magnetic field is morethan 20 times the normal value Finally，a three-dimensional model of the transformer was built By comparing the temperature field dis-tribution of the transformer under normal and inter-turn short circuit fault conditions，the temperature of the short circuit winding canreach 500 when a 4-turn inter-turn short circuit occurs With the increase of the number of short circuit turns，the temperature of shortcircuit winding rises，while the temperature of other parts changes within 100 The results show that the inter-turn short circuit faulthas great impact on the temperature field distribution of the short circuit part，but little impact on the other parts of the transformer Keywords transformer;short circuit;electromagnetic field;temperature field变压器是一种典型的电磁耦合设备 1，承担着转换电压、传送电流的任务，因此，油浸式变压器的稳定运行显得尤为重要。它的安全稳定运行不仅是维护设备自身安全，而且是保证电力系统的电能质量的重要环节，若变压器在运行过程中出现严重故障，将对电力系统的安全可靠运行造成很大的影响。变压器故障可分为绕组故障、套管故障、分接开关故障、铁心故障、端子排故障和油故障 7 种 2，变压器最重要的投稿网址:www stae com cn部分是绕组，变压器绕组出现故障是引发变压器事故的首要原因 3，而匝间短路故障是变压器最为常见故障之一。随着配电网的规模和设备容量的逐年增大 4，配电变压器的事故也随之增加，由于变压器绕组的抗短路能力不足，导致变压器出现短路故障的次数也逐年增加 5。变压器发生匝间短路故障时，其内部各部分之间电磁联系极其复杂，需考虑铁芯非线性、变压器结构等多方面要素 6。匝间短路一般由内部线圈的绝缘老化或破损等问题引起，产生匝间短路故障时，变压器绕组会产生大电流和高热量，损坏绕组的绝缘层，严重的情况下会发生火灾甚至变压器爆炸 7。匝间短路的典型特点是其短路电流可达额定电流的数十倍，但三相线电流并未显著增大。由于外部短路电流等因素的影响，变压器三相不平衡电流较大，一般情况下，变压器差动保护的整定值都设定较高，不能灵敏反映匝间故障 8。如果没有及时发现匝间短路故障，致使变压器长期运行在这种状态下，其短路绕组产生的大电流、增加的漏磁通以及铁芯和绕组的震动加剧会导致股短路和相间短路，进而烧毁设备甚至引起电网解列等 9-11。文献 12 建立变压器中部匝间短路三维有限元模型，针对变压器绕组中部匝间短路造成的电磁变化问题进行研究分析。文献 13 建立变压器“场-路”耦合模型，仿真研究发生单匝短路故障时该变压器的电磁、机械及温度等物理参数变化特征及分布规律。文献 14 介绍了一起 500kV 变压器高压侧故障，建立单相双绕组变压器的数学模型，基于变压器匝间短路后的电气量特征，分析变压器内部故障类型及位置。文献 15 研究了变压器额定运行时原边发生匝间短路(匝数比例为 0 10%)，导致的内部电流剧增与励磁问题，为变压器匝间短路的保护设计与整定提供依据。现阶段，针对变压器绕组匝间短路故障的研究主要集中于绕组匝间绝缘状态的诊断以及发生故障时的检测方法。基于此，现对变压器匝间短路故障的多物理进行研究，首先建立变压器的正常情况和不同匝数匝间短路故障情况的变压器模型，通过分析变压器匝间短路故障的电磁场和温度场，得到正常和故障情况下电磁场和温度场的数据，并对电磁场和温度场的数据进行协同分析，为变压器运行状态的判断和匝间短路故障检测提供理论依据。1变压器模型建立1.1电磁场模型变压器模型为一台额定容量为 50 kVA 的三相油浸式降压变压器，额定电压比为 10 kV/0.4 kV，联结方式为 Yyn0(高压侧星形，低压侧星形且有中性线，高压与低压没有相位差)，高压侧绕组为铜丝，低压侧绕组为扁形铜线，为分析匝间短路故障对变压器电磁场的影响，将变压器正常工况仿真模型的 A 相低压绕组底部划分出一个区域设定为故障区域，变压器二维仿真模型如图 1 所示。高压侧接幅值为 8 165 V 的正弦交流电，低压侧接阻值为 2