短时间隔多次短路冲击条件下的大型变压器绕组强度与稳定性研究

因短路强度不够引起的变压器损坏事故已成为我国变压器事故的首要原因。其主要形式为：（1）外部多次短路冲击损坏；（2）重合闸后损坏；（3）外部短时内频繁受短路冲击而损坏。解决这个问题对于变压器和电网安全运行具有重要意义。本项目重点研究其中的共性科学问题：研究铁心材料各向异性二维磁滞特性和绕组热效应模型及对电流和磁场的影响，将其引入电路-磁场模型并给出数值求解方法,解决短时间隔多次短路冲击条件下电流和磁场耦合计算问题，进而准确计算绕组电磁力；通过理论和试验研究绕组固有频率和轴向振动及相应的导线热-力效应, 建立计算绕组形变、位移、应力的数学模型并求解；提出层合加筋圆柱壳数学模型分析多次冲击过程中绕组的累积形变，为绕组稳定性分析开辟了新思路；设计试验并测试导线、绝缘材料的力学特性，固有频率特性、绕组辐向和轴向振动位移，从而提出绕组强度和失稳判据，解决变压器短路损坏问题。

因短路强度不够引起的变压器损坏事故已成为我国变压器事故的首要原因，由外部多次短路冲击而产生的累积效应以及短时间隔重合闸作用造成绕组损坏是其主要形式。本项目以此为背景，首先，提出了基于J-A磁滞数学模型对变压器铁心剩磁进行分析和计算的方法，进而计算了变压器重合闸后冲击电流的瞬变过程，分析了剩磁对电力变压器绕组重合闸后短路电流幅值、电磁力以及稳定性的影响；然后，应用有限元方法建立变压器绕组固有频率、轴向振动、绕组形变、位移、应力的数学模型并求解；此外，建立了层合加筋圆柱壳数学模型分析多次冲击过程中绕组的累积形变，计算了多次短路冲击下的绕组累积形变规律和发生塑性形变的临界载荷；最后，针对变压器辐向位移的短路试验模型进行了分析和试验对比，与企业合作研制了SFSZ10-240MVA/220kV型实际变压器并进行了短路试验。结果表明：通过对比不同短路工况下以及不同重合闸相角下的变压器短路电流值，得到重合闸后的最大短路电流值可达到初次短路电流值的1.34倍，进而得到重合闸作用下单个线饼的电磁力最大增加接近一倍的数值，通过对变压器辐向稳定性和轴向稳定性的计算分析，得到重合闸作用下可能发生失稳现象；通过固有频率的计算，找出了与基频和倍频接近的频率，避免谐振的发生，进而得到线饼的振动位移、速度以及加速度，得到绕组振动过程的内在联系以及规律；当短路冲击次数使平均临界应力值大于绕组的许用应力时，绕组的最大变形和永久变形增加很快，多次短路冲击引起的材料塑性变形是不连续的，当绕组遭受多次短路后，变形存在累积效应，对其定量计算的结果与实验结果相符，通过改变垫块的弹性模量及撑条宽度，对提高多次短路冲击的稳定性可起到一定的改善作用；通过试验模型的有限元仿真与实验数据的对比，满足工程设计要求，验证了本项目所采用计算方法的有效性，此外，设计研制的实际变压器产品成功通过试验考核，为本项目分析系统的完善、企业该类变压器的研制提供了重要的保证。通过本项目对短时间隔多次短路冲击条件下的大型变压器绕组强度与稳定性系统而深入地研究，提高了我国在变压器基础研究和关键技术研究的水平，增强了独立自主研发具有国际领先水平变压器的能力；项目成果已在行业推广，大大缩短了新产品设计周期和研制周期，提高了国产变压器性能和可靠性，增强了市场竞争力，对于提高行业竞争力、促进行业科技进步具有特别显著的作用和意义。