电力变压器绕组短路轴向稳定性分析.pdf
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1、电力变压器绕组短路轴向稳定性分析 朱维璐 1,贾永江2 ,杜深慧 1 (1 河北科技大学,河北 石家庄 050018;2. 河北行政学院,河北 石家庄 050031) 摘要:阐述了绕组轴向动态短路电动力和轴向位移产生的原因,给出了计算方法,论述了提高变压器轴向稳定性的 措施。 关键词:变压器;短路电流;短路力;分析 中图分类号:TM4011文献标识码:B文章编号:10018425(2009)09001703 Analysis of Axial Stability of Winding Short Circuit in Power Transformer ZHU Wei蛳lu1, JIA Yon
2、g蛳jiang2, DU Shen蛳hui1 (1. Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang 050018, China; 2. Hebei University of Administration, Shijiazhuang 050031, China) Abstract:The reasons of axial dynamic short circuit force and axial displacement of winding are expounded. The calculation method is p
3、resented. The measures to improve stability of transformer are discussed. Key words:Transformer;Short circuit current;Short circuit force;Analysis 1 引言 电力变压器稳定运行时,铁心中的磁密及绕组 中的电流均接近额定值,作用在绕组上的电动力是 很小的。 但当发生短路时,短路电流将达到额定电 流的20倍30倍,甚至更大。 而短路时所产生的电 动力又与短路电流的平方成正比,因此短路电动力 可达正常时的数百倍以上。 由于该电动力的上升速 率很快,在0.0
4、1s左右即可达到最大值,在如此短的 时间内保护装置是来不及动作的,故在其作用下,可 能损坏变压器的绕组或其他结构件。 因此,对变压 器在事故状态下的短路强度进行计算,并对变压器 结构件进行机械强度的校验是十分必要的。 2 轴向最大短路电动力的计算 2.1最大短路电流的计算 当变压器发生短路时,其短路电流为额定电流 的数十倍,其表达式为1: i= U1m Zd cos0e-t/-cos(t+0) 短路电流按指数规律衰减,衰减时间的长短取 决于时间常数= L R (L为线路和变压器的短路电 感,R为线路和变压器的短路电阻)。 由于短路电动 力与短路电流的平方成正比, 故准确计算第一个峰 值电流im
5、的大小是十分重要的。 由上式可知:当0=0,电压过零时发生突然短 路,对于频率为50Hz的电网,经过半个周期(即: t=或t=0.01s)时,短路电流达到最大值im,即: im= U1m Zd (1+e-0.01R/L)=2姨KI 式中I对称短路电流的有效值 Zd短路阻抗 2姨K非对称短路电流冲击系数, 2姨K=2姨(1+e-0.01R/L) 2.2轴向最大短路电动力的计算 当发生短路时, 变压器绕组的损坏主要是由轴 向短路电动力和辐向短路电动力共同作用所造成 的。在双绕组变压器中,轴向短路电动力使绕组承受 压力或拉力。当此力大于结构件的机械强度时,可使 绕组、压板等零部件产生变形,严重时可将
6、上铁轭顶 起,使整个铁心结构遭受破坏。 因此,在设计变压器 时必须计算短路电动力,并核算其结构件的强度。 短路电动力是由漏磁场和短路电流相互作用产 生的。而漏磁场由于分布较复杂,常将其分为轴向漏 第 46 卷 第 9 期 2009 年 9 月 TRANSFORMER Vol46 September No9 2009 第 46 卷 磁场By(在绕组中部最大)和辐向漏磁场Bx(在绕组 端部最大)来考虑。 辐向漏磁场产生轴向电动力Fy, 根据洛仑兹力公式, 其线饼单位长度上轴向电动力 的最大值为: Fy=Bxmim 该电动力在某些情况下, 与其他的力相比具有 更大的破坏作用,因此在设计变压器时,总是
7、力求减 小绕组中磁场分布的不对称性2,以减小Bxm,进而减 小Fy。 3 变压器绕组轴向失稳的原因 若绕组的轴向预压紧力小于轴向短路电动力, 则在轴向短路力的作用下(含弹性力、惯性力等),绕 组某些部位的线饼与线饼之间、线饼与垫块之间、垫 块与垫块之间就会出现“空隙”。当短路电流过零时, 可能“空隙”消失。在短路过程中,由于电流正负交替 变化,所以“空隙”也会反复出现,造成线饼与线饼之 间、线饼与垫块之间、垫块与垫块之间的猛烈碰撞, 导致绕组变形、绝缘破坏而形成短路;再加上辐向短 路电动力的共同作用,还会使垫块松动、移位及线饼 倾斜倒塌。 在轴向和辐向短路电动力共同作用下导 致某些线饼的倾斜倒
8、塌,称为绕组的轴向失稳,它是 绕组的主要破坏形式之一。 3.1产生轴向失稳的原因3 3.1.1轴向预压紧力计算不准确 在短路过渡过程中, 由于短路电动力是交替变 化的,线饼的“空隙”和碰撞也就反复出现,造成绕组 倒塌和匝间绝缘的破坏。 为使在短路过程中绕组充 分压紧,应使线饼与线饼之间,线饼与垫块之间的轴 向合力始终大于零,并留有一定的余量。但余量也不 能太大,否则会导致线饼的倾斜倒塌。 因此,应准确 地计算轴向短路电动力的数值。 3.1.2固有谐振频率的影响 当绕组的固有频率与轴向短路电动力的频率接 近时,将会产生谐振,这时线饼的“空隙”加大,碰撞 力也急剧加强,对绕组的危害极大。因此在设计
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