淺析變壓器電磁力的剖析

螺旋線圈的扭轉(zhuǎn)變形主要是由于軸向電流分量和輻向漏磁場(chǎng)共同作用產(chǎn)生的。 單純的扭轉(zhuǎn)變形的影響， 不足以使繞組損壞。 但由于墊塊位置的微小錯(cuò)位， 會(huì)對(duì)繞組的失穩(wěn)等強(qiáng)度問(wèn)題帶來(lái)潛在的危險(xiǎn)。 為此， 本文對(duì)變壓器低壓螺旋繞組的扭轉(zhuǎn)變形問(wèn)題進(jìn)行了系統(tǒng)深入的研究。

1 螺旋繞組扭轉(zhuǎn)電磁力

變壓器發(fā)生短路時(shí)， 短路電動(dòng)力分為軸向力、徑向力和切向力。 切向力與軸向電流分量及輻向漏磁場(chǎng)有關(guān)， 是由二者共同作用產(chǎn)生的。 輻向漏磁場(chǎng)是由軸向電流分量、端部漏磁通彎曲及安匝分布不平衡產(chǎn)生的。 由于軸向電流分量對(duì)輻向漏磁場(chǎng)的影響較小， 故輻向漏磁場(chǎng)主要是由于繞組端部漏磁場(chǎng)的彎曲及安匝分布不平衡所致。

對(duì)于螺旋式繞組， 線餅沿一小角度螺旋上升。

因而， 不僅有圓周方向的電流， 繞阻各處還有軸線方向的電流分量， 即J = JQ+ J Z這樣， 在變壓器繞組中， 輻向磁密與軸向電流分量相互作用， 產(chǎn)生了沿螺旋繞組圓周方向的扭轉(zhuǎn)力，進(jìn)而產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)力矩。 特別是三峽工程需要使用的840 MVA 超大容量電力變壓器， 其低壓繞組額定電流可達(dá) 2 5 kA， 因而其軸向電流分量對(duì)短路強(qiáng)度的影響更不容忽視。

在繞組上下兩部分中， 由于輻向磁密的方向相反， 因而產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)力矩也相反。 對(duì)于相鄰線餅， 當(dāng)墊塊與線餅之間的摩擦力小于兩個(gè)線餅的扭轉(zhuǎn)力之差時(shí)， 便產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)， 線餅及墊塊便沿圓周方向扭轉(zhuǎn)， 整個(gè)繞組便沿螺旋方向產(chǎn)生擰緊的扭轉(zhuǎn)變形。 在繞組的端部有放大油道， 輻向磁密的數(shù)值較大， 處于嚴(yán)重安匝不平衡狀態(tài)， 因而會(huì)產(chǎn)生較大的輻向漏磁場(chǎng)，與軸向電流分量的作用會(huì)產(chǎn)生較大的切向力， 從而對(duì)低壓螺旋繞組的扭轉(zhuǎn)變形產(chǎn)生較大的影響。在進(jìn)行漏磁場(chǎng)的計(jì)算時(shí)， 一般可忽略電流的軸向分量 J Z Z， 但在扭轉(zhuǎn)力的計(jì)算中， 該電流分量不能忽略。

單位長(zhǎng)度線餅上扭轉(zhuǎn)力密度的計(jì)算有f = B r i（ t ）sin因而單位長(zhǎng)度線餅上的扭轉(zhuǎn)力為F = 2 r / cos 0 f dl = 2 r/ cos 0 B r i（ t）sin d l因而單位長(zhǎng)度線餅的扭矩為M = F r = r 2 r/ cos 0 B r i（ t）sin dl

2 變壓器材料參數(shù)的影響

2 1 對(duì)低壓螺旋繞組扭轉(zhuǎn)電磁力的影響

輻向漏磁場(chǎng)在端部最大， 從而引起扭轉(zhuǎn)力在端部也最大。 壓板通過(guò)墊塊緊壓在繞組端部， 因而壓板材料對(duì)端部漏磁有較大的影響。 壓板大體有以下幾種材料： 特硬紙板、碳素鋼和低磁鋼。 本文對(duì)變壓器壓板材料對(duì)低壓螺旋繞組扭轉(zhuǎn)電磁力的影響進(jìn)行了分析計(jì)算。 變壓器壓板材料對(duì)低壓螺旋繞組扭轉(zhuǎn)電磁力的影響較大， 主要表現(xiàn)在繞組的端部區(qū)域。 低磁鋼材料壓板和碳素鋼材料壓板使螺旋繞組單位長(zhǎng)度扭轉(zhuǎn)電磁力增大， 這主要是壓板渦流的影響， 同特硬紙板材料壓板相比， 相差約 8 41% 15 72% . 磁性材料壓板對(duì)繞組端部漏磁影響較大， 使端部扭轉(zhuǎn)電磁力明顯減小。 同特硬紙板材料壓板相比， 相差約 30%. 通過(guò)上述的計(jì)算分析可以看出： 從減小繞組端部扭轉(zhuǎn)電磁力的角度出發(fā)， 選用磁性材料壓板較好。

2 2 低壓螺旋繞組端部出頭對(duì)扭轉(zhuǎn)電磁力的影響

變壓器設(shè)計(jì)計(jì)算中所給出的安匝是平均安匝， 在電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算中是按此平均安匝來(lái)進(jìn)行的。 因而， 對(duì)于繞組安匝不平衡所引起的輻向漏磁通， 用數(shù)值計(jì)算的方法可較準(zhǔn)確地求出。 而端部繞組出頭線匝會(huì)產(chǎn)生附加輻向漏磁場(chǎng)， 且扭轉(zhuǎn)電磁力在繞組的端部位置最大， 因而還需分析由于端部線匝出頭所引起的附加扭轉(zhuǎn)電磁力的影響。 本文對(duì)此進(jìn)行了計(jì)算分析。

在計(jì)算時(shí)， 根據(jù)繞組端部出頭的不同高度在端部附加一小安匝分區(qū)。

從計(jì)算結(jié)果可以看出， 端部繞組出頭線匝會(huì)產(chǎn)生一附加輻向漏磁場(chǎng)來(lái)抵消原有的輻向磁場(chǎng)， 從而考慮了端部繞組出頭線匝會(huì)使端部的切向電磁力降低。 但從計(jì)算結(jié)果來(lái)看， 影響不大。從低壓螺旋繞組端部出頭對(duì)扭轉(zhuǎn)電磁力的影響分析來(lái)看， 若增高低壓螺旋繞組的高度， 可減小端部的扭轉(zhuǎn)電磁力。 本文對(duì)低壓螺旋繞組的高度對(duì)扭轉(zhuǎn)電磁力的影響進(jìn)行了計(jì)算分析。 從計(jì)算的結(jié)果看到： 高度增加4% ， 端部扭轉(zhuǎn)力減少 2 62%； 高度增加 8%，端部扭轉(zhuǎn)力減少 9 89%. 由此本文認(rèn)為： 從減少低壓螺旋繞組扭轉(zhuǎn)變形的角度出發(fā)， 可適當(dāng)增加低壓螺旋繞組的高度來(lái)產(chǎn)生一附加輻向漏磁場(chǎng)，進(jìn)而減少端部的扭轉(zhuǎn)電磁力， 從而減少低壓螺旋繞組的扭轉(zhuǎn)變形。

小編總結(jié)：

1） 對(duì)變壓器結(jié)構(gòu)材料參數(shù)等對(duì)扭轉(zhuǎn)電磁力的影響進(jìn)行了分析計(jì)算。 從繞組端部磁通彎曲的角度出發(fā)， 本文認(rèn)為選用磁性材料壓板可減小繞組端部的輻向漏磁。

2） 從繞組端部出頭引起的附加安匝角度出發(fā)， 計(jì)算分析了出頭安匝的大小對(duì)端部輻向磁密的影響， 并計(jì)算分析了低壓螺旋繞組的高度變化對(duì)端部扭轉(zhuǎn)電磁力的影響， 提出適當(dāng)提高低壓繞組的高度可減小端部的扭轉(zhuǎn)電磁力。

3） 從減小端部軸向電流分量的角度考慮， 本文認(rèn)為工藝上使端部的螺旋升角減小， 并沿繞組中部方向逐漸加大。 這樣就減小了端部的扭轉(zhuǎn)電磁力而對(duì)繞組中部不會(huì)產(chǎn)生影響。

4） 對(duì)于低壓繞組為 4 螺旋的結(jié)構(gòu)， 本文認(rèn)為采用在繞組中間出頭， 上下兩端并聯(lián)的結(jié)構(gòu)， 使變壓器低壓螺旋繞組從 4 螺旋結(jié)構(gòu)變?yōu)?2