顺特电气设备有限公司 席国强
摘 要：文中选用DKSC-630/10.5接地变压器结构参数，运用大型有限元软件Ansys Maxwell，快捷有效地分析了一起干式接地变压器高压内外线圈分离的故障原因，为接地变压器的设计与分析工作提供了一种准确的三维分析模型和高效快捷的研究方法。
关键词：ZN型接地变压器；ANSYS Maxwell 3D；三维模型；电动力；仿真计算
变压器经典理论中，对于常规变压器高低压线圈之间的短路电动力计算，主要考虑正序电流。而接地变压器对正序和负序电流呈高阻抗，对零序电流呈低阻抗性，高压内外线圈之间的短路电动力计算，主要考虑零序电流[1、2]。三相零序磁通同相位，不能在三柱式铁心内形成闭合回路，三相之间的相互电动力严重，不能简化为一相二柱式。对于零序电流较大的三相三柱式接地变压器，计算其高压内外线圈及三相之间的相互电动力，目前没有有效快捷的计算方法。
本文选用DKSC-630/10.5接地变压器结构参数，运用大型有限元软件Ansys Maxwell 3D通过合理简化建立三相三柱式接地变压器铁心和高压内外线圈三维模型，通过静磁场算法对高压内外线圈及三相之间的电动力情况进行仿真计算，计算结果与工程案例基本一致。快捷有效地分析了一起干式接地变压解体的故障原因，为接地变压器的设计与分析工作提供了一种准确的三维分析模型和高效快捷的研究方法。
图1-1 ZN型接地变压器高压线圈联结图和绕组接线图
ZN型接地变压器和Dyn11常规变压器的联结图如图1-1和图1-2。接地变压器与常规变压器的区别在于：每相线圈分成两组（内外线圈）分别反向绕在该相磁柱上，同柱上两绕组流过相等的零序电流而呈现低阻抗，零序电流在绕组上的压降很小，零序磁通可沿磁柱流通。而常规变压器的零序磁通是沿着漏磁磁路流通，所以ZN型接地变压器的零序阻抗很小（10Ω左右），而普通变压器的零序阻抗要大得多[2]。
从图1-1和图1-2可以看出接地变压器每柱的两个线圈（高压内外线圈）正序电流有120°相角差，零序电流为180°相角差，常规变压器每柱的两个线圈（高低压线圈）正序电流为180°相角差[3]。
图1-2 Dyn11配电变压器高低压线圈联结图
本文选用最早来自Ansoft公司，后来被ANSYS软件公司收购的低频电磁场有限元仿真软件Ansys Maxwell（Ansoft Maxwell）建立接地变压器的三维模型如图2-1。
2.1 设置激励源(Excitations)
本文选用的接地变压器DKSC-630/10.5的内外线圈的匝数均近似按500匝计算（实际产品匝数不等），假设流过内外线圈的零序电流按4000*√2（峰值）≈5657A，则内外线圈的安匝数为2828500。
图2-1 接地变压器三维模型
图2-2 接地变压器三维模型全部项目验证通过图示
接着，分别对接地变压器A、B、C相内外线圈设置激励（Assign Excitation），选电流Current，均输入2828500，类型（Type）选绞合导体（Stranded）（实际生产为多匝绕制），并将内外线圈的电流方向设置相反，此为接地变压器的特点，同一相的两绕组反极性串联，其感应电动势大小相等，方向相反，正好相互抵消，因此呈低阻抗[4、5]。
2.2 设置求解参数（Parameters）
本文对接地变压器内外线圈的电动力进行仿真计算，故此处分别对内外线圈设置求解电动力（Force）。
2.3 设置求解要求（Analysis Setup）
通过主菜单Maxwell 3D 选择 Analysis Setup ，再选择 Add Solution Setup，对求解参数进行设置，此处均选择默认值。
2.4 生成有限元网络验证模型（Validation Check）
点击工具栏中使生效按钮（Validate）对前面所建立的模型及设置的参数进行验证，以便确定是否可以进行下一步求解，图2-2为验证通过的界面。
2.5 设置运行服务器（Maxwell 3D Server Setup）
本文采用选用本地计算机（Local machine）。
2.6 求解全部（Analyze all）
完成以上步骤后，点击求解全部（Analyze all）按钮对所建的模型及设定的参数进行有限元求解。若均正确则提示：Normal completion of simulation on server∶ Local Machine，否则提示错误信息。
2.7 查看求解结果（Solution data）
接地变压器正常运行时A相高压外线圈的电动力情况详见图2-5，接地变压器A、B、C相内外线圈的电动力情况汇总如表2-1。表2-1中A相外和C相外的Y轴电动力均达到1.18×105的力，可以看出当接地变压器流过零序电流时，A、C相的电动力与B相的不对称，同时也可以说明磁路不对称，A、C相的横向漏磁较严重。
由牛顿第二运动定律G = mg估算1kg≈9.8N，1N≈1/9.8kg≈0.102kg，仿真结果中当接地变压器正常运行时，A相高压外线圈，X轴、Y轴、Z轴方向的电动力分别为-1147N、-1.1787×105N、-4816.9N，相当于117kg、1.202×104kg、491.3kg力。
从表2-1可以看出，A、C相外线圈Y轴（横向）受力较大，说明接地变压器在流过较大的零序电流时上下端部的漏磁较严重。该特点若采用常规解析算法计算量大，计算周期长，而采用仿真软件计算，直观高效。从以上所建立的模型结果输出看，达到了预期效果，可用于后续分析。
表2-1 接地变压器A、B、C相线圈的电动力情况
序号线圈X轴电动力（N）Y轴电动力（N）Z轴电动力（N）1 A相外-1147 -1.18E+05 -4816.9 2 A相内595.08 52080 4464.9 3 B相外1820.2 407.01 -7563.8 4 B相内-526.15 -621.77 8433.7 5 C相外-695.89 1.19E+05 1043.7 6 C相内348.83 -51873 -1739.7
图3-1 接地变压器A和C相外线圈沿Z轴向上位移65mm三维模型
从前面的仿真结果表2-1可以看出，正常运行时接地变压器A、C相内外线圈上下端部横向漏磁比B相严重，线圈顶部压钉松动及经历多次大电流接地后，长期运行积累，可能会导致A、C相某一相外线圈脱离下方的垫块支撑与内线圈产生Z轴方向相对位移，横向漏磁逐渐增强，从而增强Z轴方向的电动力，逐渐累积后，位移增大，电动力逐渐增大，A、C相某一相发生位移，同时会引发另一相发生位移，从而出现A、C相都发生位移的情形。下面对接地变压器遭受过电压且A和C相外线圈均发生相对位移65mm时的电动力情况进行仿真，结果如下。
如图3-2所示，当接地变压器A、C相同时发生Z轴向上位移时，接地变压器的上端部的横向漏磁更严重，从而产生更大的轴向电动力，如表3-1。接地变压器正常运行时轴向的力最大约为4800N（见表2-1），故障时A相线圈Z轴方向受到3.33×105N力，远远大于2.0×105N，接地变压器将发生解体。通过A、C相外线圈向上错位65mm的仿真看，该接地变压器的模型能较全面的体现出接地变压器的电动力情况，快速直观的解决了接地变压器的电动力分析问题。从而可知，接地变压器线圈顶部压钉松动及经历多次大电流接地后，长期运行积累，导致A、C相某一相外线圈脱离下方的垫块支撑与内线圈产生Z轴方向相对位移，接地变压器A、C相外线圈会产生较大的轴向电动力，以致冲破上铁轭的束缚而飞出解体。已有相关的案例如图3-3和图3-4，接地变外线圈飞出将顶部楼板冲破。
图3-2 遭受过电压且A和C相外线圈均发生相对位移65mm时铁心磁场云图和矢量图
表3-1 遭受过电压且A和C相外线圈均发生相对位移65mm时A、B、C相线圈电动力
序号线圈X轴电动力Y轴电动力Z轴电动力1 A相外-310.93 -1.74E+04 3.33E+05 2 A相内123.43 8406.8 -3.14E+05 3 B相外-245.27 583.03 -1.46E+05 4 B相内71.645 -771.11 1.12E+05 5 C相外-98.625 1.79E+04 3.34E+05 6 C相内149.79 -8655.6 -3.15E+05
图3-3 接地变外线圈飞出解体
本文选用DKSC-630/10.5接地变压器结构参数，运用大型有限元软件ANSYS Maxwell 3D采用合理简化对ZN型接地变压器铁心和绕组进行了三维建模，提出了合理的简化模型。通过对仿真结果计算分析，结合实际工程案例，验证了该三维仿真模型的准确性，达到了预期目的，直观可视地解决了接地变压器的电动力分析问题，为接地变压器的设计与分析工作提供了一种准确快捷的计算方法。
接地变压器的A、C相线圈横向漏磁较严重，轴向和辐向电动力均比较大，B相因与A、C相的磁通相互抵消，电动力较小。接地变压器零序磁通三相同相位，零序磁通不能在铁心内形成闭合回路，只能穿过相间和绕组间的空气间隙形成闭合回路。
图3-4 接地变外线圈飞出致使顶部楼板破裂。
参考文献：
［1］崔立君．特种变压器理论与设计[M]．北京：科学技术文献出版社，1995：904-910.
［2］尹克宁．变压器设计原理[M]．北京：中国电力出版社，2003：134-138，224-229，256-268.
［3］哈刚, 宋万俭. 接地变压器Z/ Y 接线与相位的分析［J］.冶金动力, 2006（2）: 44-46.
［4］陈玉庆，蔡斌.大型电力变压器漏磁场的ANSYS有限元分析［J］.电力学报，2008，23（6）.
［5］李朋，郝治国，张保会，曹瑞峰，褚云龙.基于有限元法的变压器漏感计算在绕组变形中的应用［J］.电力自动化设备 ，2007(7).
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