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∷ ∷ 变压器长期工作在异常工况下，会导致其机械结构发生损坏，影响安全生产。干式变压器无法设置瓦斯保护，因而通过振动信息监测变压器运行状态是一种可取的方法。东华大学信息科学与技术学院、山东德佑电气股份有限公司等单位的研究人员吴文杰、曹云峰，在2021年第12期《电气技术》上撰文，建立干式变压器的电-磁-机耦合模型，利用Ansys Workbench仿真软件对SCB型干式变压器在二次绕组发生短路及存在直流偏磁工况下的振动情况进行仿真；通过有限元分析，提取不同工况下变压器的振动特征，为变压器的故障诊断和运行寿命分析提供依据。
随着国家电力建设的大力发展及经济水平的不断提高，我国发电量和用电量与日俱增。据研究表明，每增加1kW的发电量，就需要增加11kVA的变压器总容量与之配套。变压器是电力系统中电能传输和转换的重要设备。干式变压器因为具有高效节能、日常维护方便、性能安全可靠等显著优点，被广泛应用在人们日常生活和工作的场所，在供配电系统中有着举足轻重的作用。
干式变压器运行过程中会由于故障和直流偏磁发生温度升高、噪声增大的现象。常见的危害较大的故障有：变压器绕组匝间短路或者层间短路；接点松动、接触电阻增大；二次线路出现短路；夹紧铁心用的穿心螺钉的绝缘层破坏；长时间超负荷或者发生事故造成过负荷。发生故障是造成变压器损坏的根本原因。据有关变压器事故的统计报告显示，变压器损坏主要是绕组和铁心发生损坏。变压器工作时的振动主要是铁心和绕组的振动。
绕组的振动主要是由交变电流产生的电磁力作用引起，铁心的振动则主要由铁心材料的磁致伸缩效应引起。正常运行时变压器铁心和绕组的振动随着电流的变化而变化，振动信息与电流特性直接关联。当变压器二次侧发生短路时，电流激增，绕组产生巨大电动力，这会直接反映在铁心与绕组的振动上。低压配电网中电力电子装置的增多，易使变压器发生直流偏磁。此时由于励磁电流变化，变压器的振动频率也随之发生改变。因此，变压器的振动信息可以反映变压器的运行状况。
对于变压器而言，长期在非正常工况下工作更易造成其结构件的损坏，最终导致严重的安全生产事故。因此，对变压器进行电气故障的提前预警尤为重要。鉴于此，东华大学等单位的科研人员建立干式变压器铁心、绕组及上下夹具和底座的有限元模型，基于麦克斯韦电磁理论，利用Ansys Workbench有限元分析软件对变压器进行正常运行、短路故障、直流偏磁等工况下的瞬态电磁场分析，得到其电磁振动受力情况，再将电磁场与结构场耦合进行谐响应分析得出变压器的频率响应分布特征，为利用振动信息进行干式变压器的故障诊断提供依据。
图1 变压器3D模型
图2 变压器振动分析流程
科研人员最后得到以下结论：
1）建立了变压器整体的有限元模型，利用Maxwell模块进行电磁场分析，获取绕组不同工况下电磁力，电磁力呈周期性变化。
2）其次，对所建立的变压器模型进行不同工况的谐响应分析，得到绕组加速度频率响应曲线。正常情况下，变压器绕组振动频率在600Hz以内，主要集中在100Hz，并且100Hz处的振幅与电流呈正相关，其他频率处的振幅与电流关系不大。发生直流偏磁时，会出现低频分量和高频分量处振幅占比增加，100Hz处的振幅占比下降的情况。二次侧发生短路时绕组100Hz频率处的振幅会剧增并且远超正常值，在实际应用中，一旦发现绕组加速度振幅超出正常值范围就应该预警。在实际生产中要极力避免短路的发生。
本研究成果为通过干式变压器振动信息及时发现变压器异常运行状况提供了参考。若进一步综合考虑温度信息，可更加全面地反映干式变压器的运行状态，为其故障监测提供更可靠的依据。
本文编自2021年第12期《电气技术》，论文标题为“基于Ansys的干式变压器振动特性分析”，作者为吴文杰、曹云峰 等。
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