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位， 會對繞組的失穩(wěn)等強度問題帶來潛在的危險。 為此， 本文對變壓器低壓螺旋繞組的扭轉(zhuǎn)變形問題進行了系統(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， 短路電動力分為軸向力、徑向力和切向力。 切向力與軸向電流分量及輻向漏磁場有關(guān)， 是由二者共同作用產(chǎn)生的。 輻向漏磁場是由軸向電流分量、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輻向漏磁場的影響較小， 故輻向漏磁場主要是由于繞組端部漏磁場的彎曲及安匝分布不平衡所致。

對于螺旋式繞組， 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 2 5 kA， 因而其軸向電流分量對短路強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。 對于相鄰線餅， 當(dāng)墊塊與線餅之間的摩擦力小于兩個線餅的扭轉(zhuǎn)力之差時， 便產(chǎn)生相對運動， 線餅及墊塊便沿圓周方向扭轉(zhuǎn)， 整個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， 處于嚴重安匝不平衡狀態(tài)， 因而會產(chǎn)生較大的輻向漏磁場，與軸向電流分量的作用會產(chǎn)生較大的切向力， 從而對低壓螺旋繞組的扭轉(zhuǎn)變形產(chǎn)生較大的影響。在進行漏磁場的計算時， 一般可忽略電流的軸向分量 J Z Z， 但在扭轉(zhuǎn)力的計算中， 該電流分量不能忽略。

單位長度線餅上扭轉(zhuǎn)力密度的計算有f = B r i（ t ）sin因而單位長度線餅上的扭轉(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 對低壓螺旋繞組扭轉(zhuǎn)電磁力的影響

輻向漏磁場在端部最大， 從而引起扭轉(zhuǎn)力在端部也最大。 壓板通過墊塊緊壓在繞組端部， 因而壓板材料對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。 本文對變壓器壓板材料對低壓螺旋繞組扭轉(zhuǎn)電磁力的影響進行了分析計算。 變壓器壓板材料對低壓螺旋繞組扭轉(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%. 通過上述的計算分析可以看出： 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扭轉(zhuǎn)電磁力的影響

變壓器設(shè)計計算中所給出的安匝是平均安匝， 在電磁場數(shù)值計算中是按此平均安匝來進行的。 因而， 對于繞組安匝不平衡所引起的輻向漏磁通， 用數(shù)值計算的方法可較準確地求出。 而端部繞組出頭線匝會產(chǎn)生附加輻向漏磁場， 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。 本文對此進行了計算分析。

在計算時， 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)。

從計算結(jié)果可以看出， 端部繞組出頭線匝會產(chǎn)生一附加輻向漏磁場來抵消原有的輻向磁場， 從而考慮了端部繞組出頭線匝會使端部的切向電磁力降低。 但從計算結(jié)果來看， 影響不大。從低壓螺旋繞組端部出頭對扭轉(zhuǎn)電磁力的影響分析來看， 若增高低壓螺旋繞組的高度， 可減小端部的扭轉(zhuǎn)電磁力。 本文對低壓螺旋繞組的高度對扭轉(zhuǎn)電磁力的影響進行了計算分析。 從計算的結(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產(chǎn)生一附加輻向漏磁場，進而減少端部的扭轉(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） 對變壓器結(jié)構(gòu)材料參數(shù)等對扭轉(zhuǎn)電磁力的影響進行了分析計算。 從繞組端部磁通彎曲的角度出發(fā)， 本文認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)， 計算分析了出頭安匝的大小對端部輻向磁密的影響， 并計算分析了低壓螺旋繞組的高度變化對端部扭轉(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)電磁力而對繞組中部不會產(chǎn)生影響。

4） 對于低壓繞組為 4 螺旋的結(jié)構(gòu)， 本文認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