电力变压器遭受多次短路冲击后的累积效应研究

With the rapid development of the power industry in our country, the single capacity of the power transformer and short-circuit capacity of the transmission system are both growing. Once a short-circuit accident happens, and the short-circuit electromagnetic force is larger than the permitted power of the transformer windings, which could burn out instability and deformation. That will lead to the insulation broken, even the transformer burnt, which causes a big loss to the power system and country economic. It shows that the transformer damage by electromagnetic forces cannot happen only after one or two times impacts. The cumulative effect of the windings deformation after each short-circuit impact is an innegligible factor. So this project is planning to do some research work on the cumulative effect of the power transformer after repeated short-circuit impact. It wants to do the force analysis work on the weak point of the mechanical strength of the transformer windings by building the multi-field coupling model of power transformer. Then it will study the influence of some factors such as winding material, structure type, short-circuit time on the cumulative effect by laboratory platform and verify experiment on the spot. Finally it could gain the mechanism of the cumulative effect and build an evaluation system about anti-short-circuit ability of the power transformer after repeated short-circuit impact, which may fill the theory blank in the field of the anti-short-circuit ability and stability of the power transformer. This research can also provide an important technology support for the life prediction, product design of the power transformer, as well as the safety running of the power system.

随着我国电力工业的迅猛发展，变压器的单台容量和输电系统短路容量不断增长。一旦系统发生短路事故，而短路电动力超过了变压器绕组所能承受的力，就会产生绕组失稳变形，导致其绝缘损坏，严重的甚至将变压器烧毁，造成重大电网事故和难以挽回的经济损失。研究发现，变压器因短路电动力造成的损坏，大部分并不是系统短路一两次就能损坏的，历次短路冲击后绕组变形的累积是不可忽视的因素。本项目拟对变压器遭受多次短路冲击后的累积效应这一复杂问题开展研究，通过建立变压器的多场耦合模型，对变压器绕组机械强度薄弱处进行受力分析，并通过实验室平台研究及现场验证等方式，研究绕组材料、结构类型、短路时间等因素对累积效应所起的影响，获知累积效应的机理，构建变压器遭受单次及多次短路冲击后的抗短路能力评估体系，从而填补变压器抗短路能力及稳定性研究领域的理论空白，为变压器的寿命预测、产品设计以及电网的安全运行提供重要技术支撑。

近年来，电力变压器短路故障频发，对电网安全运行造成了较严重的威胁，引起了电力科研人员的关注。在实际运行中人们发现，短路冲击引起的电力变压器损坏往往不是一次两次短路造成的，而是多次短路冲击累积的结果，对电力系统的安全运行造成严重经济损失。研究变压器短路冲击累积效应的详细机理，对提高变压器抗短路能力有重要的参考价值，同时也对电力变压器的检修工作具有积极的指导意义，能够更好地保障电力系统的安全经济运行。.基于此，本项目首先分析了绕组受到短路冲击力作用引起的各种故障模式，包括辐向力、轴向力及其交互作用，并且重点讨论了辐向压缩应力引起的绕组螺旋形变。随后对电力变压器短路冲击累积效应的作用机理，从热效应累积和力效应累积两方面进行了讨论。同时，考虑到不同变压器生产厂家设计理念的差异，结合主流变压器的主体结构，从绕组、变压器油、其他结构件等热反应和受力角度出发，得出了短路冲击力效应累积是短路冲击累积效应的主要形式的结论。.基于COMSOL有限元分析软件，本项目建立了多种短路情况下，变压器短路冲击累积电场-磁场-结构场多物理场耦合模型（二维和三维），并仿真分析了各种短路时绕组最大形变量与短路冲击次数的关系。根据仿真结果得出，发生单一短路故障时，低压对称短路情况下，变压器绕组最容易出现位移突变关键点，两相对地短路情况下最不易出现位移突变关键点。同时，项目还对比分析了二维和三维仿真模型各自的优缺点，以供研究者借鉴。.随后，本项目分别建立变压器撑条仿真模型及垫块仿真模型，通过三维建模分析，对不同数量下的撑条、垫块对变压器绕组受力造成的影响进行了分析，总结归纳了撑条、垫块数量变化对绕组受力的影响；并且在此基础上分析研究了绕组、撑条、垫块的材料参数对绕组受力可能产生的影响。结合实际变压器结构参数和大型变压器短路冲击真型试验的结果，基于Ansys Workbench平台和Maxwell模块，对变压器绕组在几种较严重短路故障冲击下的瞬态受力进行了计算和分析。.最后，本项目开发了基于本项目主要研究成果的变压器抗短路能力校核平台，以及融合了变压器抗短路能力评估的其他变压器应用软件，实现了研究成果的部分转化。