變壓器長期工作在異常工況下，會導致其機械結構發(fā)生損壞，影響安全生產。干式變壓器無法設置瓦斯保護，因而通過振動信息監(jiān)測變壓器運行狀態(tài)是一種可取的方法。東華大學信息科學與技術學院、山東德佑電氣股份有限公司等單位的研究人員吳文杰、曹云峰，在2021年第12期《電氣技術》上撰文，建立干式變壓器的電-磁-機耦合模型，利用Ansys Workbench仿真軟件對SCB型干式變壓器在二次繞組發(fā)生短路及存在直流偏磁工況下的振動情況進行仿真；通過有限元分析，提取不同工況下變壓器的振動特征，為變壓器的故障診斷和運行壽命分析提供依據(jù)。

隨著國家電力建設的大力發(fā)展及經(jīng)濟水平的不斷提高，我國發(fā)電量和用電量與日俱增。據(jù)研究表明，每增加1kW的發(fā)電量，就需要增加11kVA的變壓器總容量與之配套。變壓器是電力系統(tǒng)中電能傳輸和轉換的重要設備。干式變壓器因為具有高效節(jié)能、日常維護方便、性能安全可靠等顯著優(yōu)點，被廣泛應用在人們日常生活和工作的場所，在供配電系統(tǒng)中有著舉足輕重的作用。

干式變壓器運行過程中會由于故障和直流偏磁發(fā)生溫度升高、噪聲增大的現(xiàn)象。常見的危害較大的故障有：變壓器繞組匝間短路或者層間短路；接點松動、接觸電阻增大；二次線路出現(xiàn)短路；夾緊鐵心用的穿心螺釘?shù)慕^緣層破壞；長時間超負荷或者發(fā)生事故造成過負荷。發(fā)生故障是造成變壓器損壞的根本原因。據(jù)有關變壓器事故的統(tǒng)計報告顯示，變壓器損壞主要是繞組和鐵心發(fā)生損壞。變壓器工作時的振動主要是鐵心和繞組的振動。

繞組的振動主要是由交變電流產生的電磁力作用引起，鐵心的振動則主要由鐵心材料的磁致伸縮效應引起。正常運行時變壓器鐵心和繞組的振動隨著電流的變化而變化，振動信息與電流特性直接關聯(lián)。當變壓器二次側發(fā)生短路時，電流激增，繞組產生巨大電動力，這會直接反映在鐵心與繞組的振動上。低壓配電網(wǎng)中電力電子裝置的增多，易使變壓器發(fā)生直流偏磁。此時由于勵磁電流變化，變壓器的振動頻率也隨之發(fā)生改變。因此，變壓器的振動信息可以反映變壓器的運行狀況。

對于變壓器而言，長期在非正常工況下工作更易造成其結構件的損壞，最終導致嚴重的安全生產事故。因此，對變壓器進行電氣故障的提前預警尤為重要。鑒于此，東華大學等單位的科研人員建立干式變壓器鐵心、繞組及上下夾具和底座的有限元模型，基于麥克斯韋電磁理論，利用Ansys Workbench有限元分析軟件對變壓器進行正常運行、短路故障、直流偏磁等工況下的瞬態(tài)電磁場分析，得到其電磁振動受力情況，再將電磁場與結構場耦合進行諧響應分析得出變壓器的頻率響應分布特征，為利用振動信息進行干式變壓器的故障診斷提供依據(jù)。

圖1 變壓器3D模型

圖2 變壓器振動分析流程

科研人員最后得到以下結論：

1）建立了變壓器整體的有限元模型，利用Maxwell模塊進行電磁場分析，獲取繞組不同工況下電磁力，電磁力呈周期性變化。

2）其次，對所建立的變壓器模型進行不同工況的諧響應分析，得到繞組加速度頻率響應曲線。正常情況下，變壓器繞組振動頻率在600Hz以內，主要集中在100Hz，并且100Hz處的振幅與電流呈正相關，其他頻率處的振幅與電流關系不大。發(fā)生直流偏磁時，會出現(xiàn)低頻分量和高頻分量處振幅占比增加，100Hz處的振幅占比下降的情況。二次側發(fā)生短路時繞組100Hz頻率處的振幅會劇增并且遠超正常值，在實際應用中，一旦發(fā)現(xiàn)繞組加速度振幅超出正常值范圍就應該預警。在實際生產中要極力避免短路的發(fā)生。

本研究成果為通過干式變壓器振動信息及時發(fā)現(xiàn)變壓器異常運行狀況提供了參考。若進一步綜合考慮溫度信息，可更加全面地反映干式變壓器的運行狀態(tài)，為其故障監(jiān)測提供更可靠的依據(jù)。

本文編自2021年第12期《電氣技術》，論文標題為“基于Ansys的干式變壓器振動特性分析”，作者為吳文杰、曹云峰 等。