变压器电磁力的剖析

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1、 螺旋绕组扭转电磁力

变压器发生短路时， 短路电动力分为轴向力、径向力和切向力。 切向力与轴向电流分量及辐向漏磁场有关， 是由二者共同作用产生的。 辐向漏磁场是由轴向电流分量、端部漏磁通弯曲及安匝分布不平衡产生的。 由于轴向电流分量对辐向漏磁场的影响较小， 故辐向漏磁场主要是由于绕组端部漏磁场的弯曲及安匝分布不平衡所致。

对于螺旋式绕组， 线饼沿一小角度螺旋上升。

因而， 不仅有圆周方向的电流， 绕阻各处还有轴线方向的电流分量， 即J = JQ+ J Z这样， 在变压器绕组中， 辐向磁密与轴向电流分量相互作用， 产生了沿螺旋绕组圆周方向的扭转力，进而产生扭转力矩。 特别是三峡工程需要使用的840 MVA 超大容量电力变压器， 其低压绕组额定电流可达 2 5 kA， 因而其轴向电流分量对短路强度的影响更不容忽视。

在绕组上下两部分中， 由于辐向磁密的方向相反， 因而产生的扭转力矩也相反。 对于相邻线饼， 当垫块与线饼之间的摩擦力小于两个线饼的扭转力之差时， 便产生相对运动， 线饼及垫块便沿圆周方向扭转， 整个绕组便沿螺旋方向产生拧紧的扭转变形。 在绕组的端部有放大油道， 辐向磁密的数值较大， 处于严重安匝不平衡状态， 因而会产生较大的辐向漏磁场，与轴向电流分量的作用会产生较大的切向力， 从而对低压螺旋绕组的扭转变形产生较大的影响。

在进行漏磁场的计算时， 一般可忽略电流的轴向分量 J Z Z， 但在扭转力的计算中， 该电流分量不能忽略。

单位长度线饼上扭转力密度的计算有f = B r i( t )sin因而单位长度线饼上的扭转力为F = 2 r / cos 0 f dl = 2 r/ cos 0 B r i( t)sin d l因而单位长度线饼的扭矩为M = F r = r 2 r/ cos 0 B r i( t)sin dl

2 变压器材料参数的影响

2 1 对低压螺旋绕组扭转电磁力的影响

辐向漏磁场在端部最大， 从而引起扭转力在端部也最大。 压板通过垫块紧压在绕组端部， 因而压板材料对端部漏磁有较大的影响。 压板大体有以下几种材料： 特硬纸板、碳素钢和低磁钢。 本文对变压器压板材料对低压螺旋绕组扭转电磁力的影响进行了分析计算。 变压器压板材料对低压螺旋绕组扭转电磁力的影响较大， 主要表现在绕组的端部区域。 低磁钢材料压板和碳素钢材料压板使螺旋绕组单位长度扭转电磁力增大， 这主要是压板涡流的影响， 同特硬纸板材料压板相比， 相差约 8 41% 15 72% . 磁性材料压板对绕组端部漏磁影响较大， 使端部扭转电磁力明显减小。 同特硬纸板材料压板相比， 相差约 30%. 通过上述的计算分析可以看出： 从减小绕组端部扭转电磁力的角度出发， 选用磁性材料压板较好。

2 2 低压螺旋绕组端部出头对扭转电磁力的影响

变压器设计计算中所给出的安匝是平均安匝， 在电磁场数值计算中是按此平均安匝来进行的。 因而， 对于绕组安匝不平衡所引起的辐向漏磁通， 用数值计算的方法可较准确地求出。 而端部绕组出头线匝会产生附加辐向漏磁场， 且扭转电磁力在绕组的端部位置最大， 因而还需分析由于端部线匝出头所引起的附加扭转电磁力的影响。 本文对此进行了计算分析。

在计算时， 根据绕组端部出头的不同高度在端部附加一小安匝分区。

从计算结果可以看出， 端部绕组出头线匝会产生一附加辐向漏磁场来抵消原有的辐向磁场， 从而考虑了端部绕组出头线匝会使端部的切向电磁力降低。 但从计算结果来看， 影响不大。

从低压螺旋绕组端部出头对扭转电磁力的影响分析来看， 若增高低压螺旋绕组的高度， 可减小端部的扭转电磁力。 本文对低压螺旋绕组的高度对扭转电磁力的影响进行了计算分析。 从计算的结果看到： 高度增加4% ， 端部扭转力减少 2 62%; 高度增加 8%，端部扭转力减少 9 89%. 由此本文认为： 从减少低压螺旋绕组扭转变形的角度出发， 可适当增加低压螺旋绕组的高度来产生一附加辐向漏磁场，进而减少端部的扭转电磁力， 从而减少低压螺旋绕组的扭转变形。

3 结论

螺旋线圈的扭转变形主要是由于轴向电流分量和辐向漏磁场共同作用产生的。 从本文的研究分析中可以看到， 单纯的扭转变形的影响， 不足以使绕组损坏。 但由于垫块位置的微小错位， 会对绕组的失稳等强度问题带来潜在的危险。 为此， 本文对变压器低压螺旋绕组的扭转变形问题进行了系统深入的研究。

1) 对变压器结构材料参数等对扭转电磁力的影响进行了分析计算。 从绕组端部磁通弯曲的角度出发， 本文认为选用磁性材料压板可减小绕组端部的辐向漏磁。

2) 从绕组端部出头引起的附加安匝角度出发， 计算分析了出头安匝的大小对端部辐向磁密的影响， 并计算分析了低压螺旋绕组的高度变化对端部扭转电磁力的影响， 提出适当提高低压绕组的高度可减小端部的扭转电磁力。

3) 从减小端部轴向电流分量的角度考虑， 本文认为工艺上使端部的螺旋升角减小， 并沿绕组中部方向逐渐加大。 这样就减小了端部的扭转电磁力而对绕组中部不会产生影响。

4) 对于低压绕组为 4 螺旋的结构， 本文认为采用在绕组中间出头， 上下两端并联的结构， 使变压器低压螺旋绕组从 4 螺旋结构变为 2 螺旋结构， 螺旋升角减小一半， 减小了整个绕组的轴向电流分量， 从而减小整个绕组的切向电磁力。

5) 给出了变压器螺旋绕组扭转电磁力的分布规律， 并提出了相应的抑制措施， 为变压器绕组强度设计提供了新的参考依据。