肖丽萍
中山ABB变压器有限公司 广东 中山 528400
摘要：本文对仿真工具在变压器结构中的受力模式进行探究，利用有限元软件ANSYS对变压器中的模块进行分析，能够提升变压器静力和噪音探究的效果。
关键词：仿真工具；变压器结构；受力
引言：我国社会经济不断发展，城市化进程不断加快，电力基础设施的建设水平不断提升。在电力工程的助力下，我国的变压器产业得到明显的提升，但其在运行中产生的噪音也对用户们造成严重的困扰。变压器在运行中的主要噪音来源为，铁芯伸缩问题和电磁力振动。利用仿真工具能够对变压器的结构进行优化。
一、计算机仿真
计算机仿真的一般过程为把对象进行物理化抽象处理、简化、构建数字化模型、形成计算、对结果进行探究。
二、ANSYS软件在变压器结构中的受力情况
（一）ANSYS软件
ANSYS软件能对有限元件进行，它与CAD软件能够对数据进行交换和共享。它具有通用性的优势，它能够对电磁场、热分析和非线性分析结构进行探究。它能为变压器结构中问题提供合理的解决方案。
（二）受力情况
当变压器流过短路电流时，会承受比平时大百倍的作用力。因为圆柱形绕组中具有旋转对应点的特征，所以不会产生剪切应力。但是截面为剪切的应力却正好相反，经常会出现变形的情况。在变压器的结构中应该提升它应对短路的能力。利用有限元件计算的模式进行仿真工作，向各个点施加对应的力，从而对矩形绕组的情况进行分析。
在仿真模拟时，应该把绕组从变压器中独立出来，从而把复杂的问题简单化，探究绕组受到单一辐向作用力时产生的应力。简化的操作模式为，对材料、结构和约束进行简化。
在ANSYS软件中能够有效地构建有限元模型。利用相同的单元来进行构建工作，并使用不同的材料进行区分工作，这样就能与实际紧密牢固的情况相符合。
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图 1 矩形绕组模型
在对模型进行分析和探究时，可以选取短路电磁绕组产生的效果可以使用中层的节点加力进行代替。通过模拟探究可知，当变电器短路时产生的电磁力相当于在低压绕线的外部作用1.0135MPa的压强力，压力的方向为由内向外施压。在进行静力探究时不会对位移进行约束，这样很容易导致计算失误的问题。主要的优化措施为，在建模时选取两个相近的节点，把它们的自由位移设置为零，这样进行分析工作时就能排除其它的干扰[1]。
通过计算能够得到每个节点的结果，利用ANSYS软件能够绘制图像，探究矩形绕线阻的变形情况和内部应力的数值。通过对图像探析可知矩形绕线阻中线位置的变形最为严重。在对应力进行分析时，应该把原来的两个位移约束点排除，避免这个地方的应力过大影响接下来的计算工作。对分析结果探究可知，变电器绕线阻变形最为严重的位置是短边和长边的中点位置，分别为0.45mm和0.75mm、最大的应力值为150MPa、最大压应力为27MPa、许应力为168MPa。结合上面的结果，变压器应该在短边和长边的中心位置增加支撑点，这样能够优化应力分布的问题，缓解变形的情况。
（三）振动模型分析
1.绕组电磁仿真
为了便于对仿真单元进行划分，在构建电磁仿真模型时应该把绕组简化成三个空心的圆柱体。要把铁芯的密度设置为7300kg/m3，泊松比为0.30，弹性模量为206GPa；铁芯的密度设置为8900kg/m3，泊松比为0.34，弹性模量为101GPa。建立完模型之后，应该设置适宜的参数。本次以220kV的三相变压器作为主要的研究对象，通过通入额定电压的模式探究变压器的运行状态。各绕组电磁仿真的参数为：高压侧绕组的电压等级为220.0kV，接线方式为Y0，一次额定电流为472A，相对磁导率为0.99、电阻率为0.0219Ωmm2m-1；中压侧绕组的电压等级为110.0kV，接线方式为Y0，一次额定电流为904A，相对磁导率为0.99、电阻率为0.0219Ωmm2m-1；低压侧绕组的电压等级为10.5kV，接线方式为Δ-11，一次额定电流为9897A，相对磁导率为0.99、电阻率为0.0219Ωmm2m-1。三相变压的连接示意图：
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图 2 三相变压的连接示意图
对电磁仿真分析进行计算可知，当通入额定的电压之后，感应电压出现畸形的情况。各绕线组的感应电压与变压器的额定电压参数相符合，变压器处于稳定的运行状态。对以上的仿真分析进行研究，绕组中部的磁密度最大，这个区域的感应动势也是最强。绕组在磁动力的作用下，绕组中部的电磁力最大，由中间到两边逐渐变小。从受到的合力角度进行分析，高、中、低绕组的顶部和底部同时受到电磁力和预紧力，受到的合力最大。所以变电器结构破损的主要位置为绕组的上下两端以及中部位置[2]。
2.绕组电动力数值和方向
结合变压器漏磁场的一般变化规律可以把漏磁场分轴向和径向两个方向，即BY和BX。通电的绕线阻在径向BX中会受到径向的电磁力，从而发生振动的情况。机械振动通过变压器的外壳传播到空气中，这样就产生噪声。当变压器通过交变电流时的运行为：
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3.变压器的铁心振动模型
对变压器的铁心振动模型进行深入探究，能够优化降噪的效果。利用有限元计算的模式对小单元的相互作用进行探究和模拟，这样能对计算进行有效的补充。变压器的铁心结构较为复杂，在振动的过程中会出现高度非线性的情况，如果要对这些细节进行一一的模拟是非常困难的。所以，应该进行简化对局部不明显的特征进行删除，从而提升仿真的效果。把硅钢片融合在一起，这样就能忽略那些高度非线性的情况，但是需要添加一个限制条件，即这种模型只适用于铁心的表面，其他的范围并不适用。把铁心和变压器振动模态有限元计算误差进行探究，两者的相对误差低于0.3%，说明有限元计算模型能够有效地优化变压器的结构，提升它的使用效果。
结论：综上所述，把ANSYS软件应用到变压器结构中能直观地探究它的受力情况。巧妙地应用ANSYS能够优化变压器结构中的一些问题，提升设计工作的推进效率。ANSYS软件在结构优化、振动探究和应力分析中取得一定的成效，并能逐渐拓展到电磁分析工作中。
参考文献：
[1]曹辰.基于机械与电气参量的变压器绕组变形状态综合评估方法[D].沈阳工业大学,2018.
[2]高有华，孙玖维，王国刚，等.绝缘材料电气性能对换流变压器电场影响的仿真研究[J].变压器，2020,57(10):47-51+75.